Sådan designes og implementeres en enfaset inverter: 9 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:26

Denne instruks udforsker brugen af Dialogs GreenPAK ™ CMIC'er i kraftelektronikapplikationer og demonstrerer implementeringen af en enfaset inverter ved hjælp af forskellige styringsmetoder. Der bruges forskellige parametre til at bestemme kvaliteten af enfaset inverteren. En vigtig parameter er Total Harmonic Distortion (THD). THD er en måling af den harmoniske forvrængning i et signal og er defineret som forholdet mellem summen af alle harmoniske komponenters effekter til grundfrekvensens effekt.

Nedenfor beskrev vi de nødvendige trin for at forstå, hvordan løsningen er blevet programmeret til at oprette enfaset inverter. Men hvis du bare vil få resultatet af programmeringen, skal du downloade GreenPAK -software for at se den allerede gennemførte GreenPAK -designfil. Tilslut GreenPAK Development Kit til din computer, og tryk på programmet for at oprette enfaset inverter.

Trin 1: Enfaset inverter

En effektomformer eller inverter er en elektronisk enhed eller et kredsløb, der ændrer jævnstrøm (DC) til vekselstrøm (AC). Afhængigt af antallet af faser af vekselstrømsudgangen er der flere typer omformere.

● Enfasede omformere

● Trefasede omformere

DC er den ensrettede strøm af elektrisk ladning. Hvis der påføres en konstant spænding over et rent resistivt kredsløb, resulterer det i en konstant strøm. Tilsvarende, med vekselstrøm, vender strømmen af elektrisk strøm periodisk polariteten. Den mest typiske AC -bølgeform er en sinusbølge, men den kan også være en trekantet eller firkantet bølge. For at overføre elektrisk strøm med forskellige strømprofiler kræves særlige enheder. Enheder, der konverterer AC til DC, er kendt som ensrettere, og enheder, der konverterer DC til AC, er kendt som invertere.

Trin 2: Topologier for enfaset inverter

Der er to hovedtopologier for enfasede invertere; halvbro- og fuldbro-topologier. Denne applikationsnotat fokuserer på fuldbro-topologien, da den giver dobbelt udgangsspænding i forhold til halvbro-topologien.

Trin 3: Topologi med fuld bro

I en fuldbro-topologi er 4 switches nødvendige, da den vekslende udgangsspænding opnås ved forskellen mellem to grene af switchceller. Udgangsspændingen opnås ved intelligent at tænde og slukke transistorer på bestemte tidspunkter. Der er fire forskellige tilstande, afhængigt af hvilke kontakter der lukkes. Tabellen nedenfor opsummerer tilstande og udgangsspænding baseret på hvilke kontakter er lukket.

For at maksimere udgangsspændingen skal den grundlæggende komponent i indgangsspændingen på hver gren være 180º ude af fase. Halvlederne i hver gren er komplementære i ydeevne, det vil sige når den ene leder den anden er afbrudt og omvendt. Denne topologi er den mest udbredte til invertere. Diagrammet i figur 1 viser kredsløbet for en fuldbro-topologi for en enfaset inverter.

Trin 4: Isoleret Gate Bipolar Transistor

Den isolerede gate bipolære transistor (IGBT) er som en MOSFET med tilføjelse af en tredje PNjunction. Dette tillader spændingsbaseret styring, ligesom en MOSFET, men med udgangskarakteristika som en BJT vedrørende høje belastninger og lav mætningsspænding.

Fire hovedområder kan observeres på grund af dens statiske adfærd.

● Lavinregion

● Mætningsområde

● Skær område

● Aktiv region

Lavineområdet er det område, hvor en spænding under nedbrydningsspænding påføres, hvilket resulterer i ødelæggelse af IGBT. Skæreområdet omfatter værdier fra nedbrydningsspænding op til tærskelspænding, hvor IGBT ikke leder. I mætningsområdet opfører IGBT sig som en afhængig spændingskilde og en seriemodstand. Med lave spændingsvariationer kan der opnås høj forstærkning af strøm. Dette område er det mest ønskværdige til drift. Hvis spændingen øges, kommer IGBT ind i det aktive område, og strømmen forbliver konstant. Der anvendes en maksimal spænding for IGBT for at sikre, at den ikke kommer ind i lavineområdet. Dette er en af de mest anvendte halvledere inden for effektelektronik, da den kan understøtte en lang række spændinger fra få volt til kV og effekt mellem kW og MW.

Disse Isolerede Gate Bipolære Transistorer fungerer som switch-enheder til en-faset inverter topologi med fuld bro.

Trin 5: Pulse Width Modulation Block i GreenPAK

Pulse Width Modulation (PWM) -blokken er en nyttig blok, der kan bruges til en lang række applikationer. DCMP/PWM -blokken kan konfigureres som en PWM -blok. PWM -blokken kan hentes gennem FSM0 og FSM1. PWM IN+ pin er forbundet til FSM0, mens IN-pin er forbundet til FSM1. Både FSM0 og FSM1 leverer 8-bit data til PWM Block. PWM -tidsperiode defineres af tidsperioden for FSM1. Driftscyklussen for PWM -blokken styres af FSM0.

?????? ???? ????? = ??+ / 256

Der er to muligheder for driftscykluskonfigurationen:

● 0-99,6%: DC varierer fra 0% til 99,6% og bestemmes som IN+/256.

● 0,39-100%: DC varierer fra 0,39% til 100% og bestemmes som (IN + + 1)/256.

Trin 6: GreenPAK -design til PWM -baseret firkantbølgeimplementering

Der er forskellige styringsmetoder, der kan bruges til at implementere en enfaset inverter. En sådan styringsstrategi inkluderer en PWM-baseret firkantbølge til enfaset inverteren.

En GreenPAK CMIC bruges til at generere periodiske koblingsmønstre for bekvemt at konvertere DC til AC. Jævnstrømsspændingerne føres fra batteriet, og output fra omformeren kan bruges til at levere AC -belastningen. I forbindelse med denne applikation bemærkes, at AC -frekvensen er indstillet til 50Hz, en almindelig husstandsfrekvens i mange dele af verden. Tilsvarende er perioden 20 ms.

Skiftemønsteret, der skal genereres af GreenPAK for SW1 og SW4, er vist i figur 3.

Skiftemønsteret for SW2 og SW3 er vist i figur 4

Ovenstående koblingsmønstre kan bekvemt fremstilles ved hjælp af en PWM -blok. PWM -tidsperioden er indstillet af tidsperioden for FSM1. Tidsperioden for FSM1 skal indstilles til 20 ms svarende til 50 Hz frekvens. Driftscyklussen for PWM -blokken styres af de data, der hentes fra FSM0. For at generere 50% -cyklussen er FSM0 -tællerværdien indstillet til 128.

Det tilsvarende GreenPAK -design er vist i figur 5.

Trin 7: Ulempen ved Square Wave Control -strategi

Ved hjælp af firkantbølge -kontrolstrategien får inverteren til at producere en stor mængde harmoniske. Bortset fra grundfrekvensen har firkantbølgeomformere ulige frekvenskomponenter. Disse harmoniske får maskinflux til at blive mættet, hvilket fører til dårlig ydeevne af maskinen og undertiden endda beskadige hardwaren. Derfor er THD produceret af disse typer af invertere meget stor. For at overvinde dette problem kan en anden kontrolstrategi kendt som Quasi- Square Wave anvendes til væsentligt at reducere mængden af harmoniske produceret af inverteren.

Trin 8: GreenPAK-design til PWM-baseret kvasi-firkantet bølgeimplementering

I kvasi-kvadratbølge-kontrolstrategi introduceres en nul udgangsspænding, der kan reducere de harmoniske tilstande i den konventionelle firkantbølgeform betydeligt. Store fordele ved at bruge en kvasi-kvadratbølge inverter omfatter:

● Amplitude af den grundlæggende komponent kan kontrolleres (ved at styre α)

● Visse harmoniske indhold kan elimineres (også ved at kontrollere α)

Amplituden af den grundlæggende komponent kan kontrolleres ved at kontrollere værdien af α som vist i formel 1.

Den nende harmoniske kan elimineres, hvis dens amplitude gøres til nul. For eksempel er amplituden for den tredje harmoniske (n = 3) nul, når α = 30 ° (formel 2).

GreenPAK-designet til implementering af Quasi- Square Wave-kontrolstrategien er vist i figur 9.

PWM -blokken bruges til at generere en firkantet bølgeform med en driftscyklus på 50 %. Nuludgangsspændingen indføres ved at forsinke spændingen, der vises over output Pin-15. P-DLY1-blokken er konfigureret til at registrere den stigende kant af bølgeformen. P-DLY1 vil periodisk detektere den stigende kant efter hver periode og udløse DLY-3-blokken, der producerer en forsinkelse på 2 ms, før VDD'en tages hen over en D-flip-flop for at aktivere Pin-15-udgangen.

Pin-15 kan få både SW1 og SW4 til at tænde. Når dette sker, vises en positiv spænding på tværs af belastningen.

P-DLY1 stigende kantdetekteringsmekanisme aktiverer også DLY-7-blokken, som efter 8 ms nulstiller D-flip-floppen og 0 V vises på tværs af output.

DLY-8 og DLY-9 udløses også fra den samme stigende kant. DLY-8 producerer en forsinkelse på 10 ms og udløser DLY-3 igen, som efter 2 ms vil klokke DFF, hvilket forårsager en logisk højde over de to OG-porte.

På dette tidspunkt bliver Out+ fra PWM -blokken 0, da blokens arbejdscyklus blev konfigureret til at være 50 %. Out- vises på tværs af Pin-16, hvilket får SW2 og SW3 til at tænde og producerer en vekselstrøm over belastningen. Efter 18 ms nulstiller DLY-9 DFF'en, og 0V vises på tværs af Pin-16, og den periodiske cyklus fortsætter med at udsende et AC-signal.

Konfigurationen for forskellige GreenPAK-blokke er vist i figur 10-14.

Trin 9: Resultater

12 V DC spænding leveres fra batteriet til inverteren. Inverteren konverterer denne spænding til en AC -bølgeform. Outputtet fra inverteren føres til en trin-up-transformer, der konverterer 12 V AC-spænding til 220 V, som kan bruges til at drive AC-belastningerne.

Konklusion

I denne Instructable har vi implementeret en enfaset inverter ved hjælp af Square Wave og Quasi Square Wave kontrolstrategier ved hjælp af GreenPAK en CMIC. GreenPAK CMIC'er fungerer som en bekvem erstatning for mikrocontrollere og analoge kredsløb, der konventionelt bruges til at implementere en enfaset inverter. Desuden har GreenPAK CMIC'er potentiale i designet af trefaset invertere.