Hoe om 'n enkelfase-omvormer te ontwerp en te implementeer: 9 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:24

Hierdie instruksie ondersoek die gebruik van Dialog se GreenPAK ™ CMIC's in kragelektronika-toepassings en demonstreer die implementering van 'n enkelfase-omvormer met behulp van verskillende beheermetodes. Verskillende parameters word gebruik om die kwaliteit van die enkelfase-omvormer te bepaal. 'N Belangrike parameter is Total Harmonic Distortion (THD). THD is 'n meting van die harmoniese vervorming in 'n sein en word gedefinieer as die verhouding van die som van die kragte van alle harmoniese komponente tot die krag van die fundamentele frekwensie.

Hieronder het ons die nodige stappe beskryf, om te verstaan hoe die oplossing geprogrammeer is om die enkelfase-omvormer te skep. As u egter net die resultaat van die programmering wil kry, laai GreenPAK -sagteware af om die reeds voltooide GreenPAK -ontwerplêer te sien. Koppel die GreenPAK Development Kit aan op u rekenaar en klik op die program om die enkelfase-omvormer te skep.

Stap 1: Enfasige omskakelaar

'N Kragomsetter, of omskakelaar, is 'n elektroniese toestel of stroombaan wat gelykstroom (wisselstroom) in wisselstroom (wisselstroom) verander. Afhangende van die aantal fases van die wisselstroomuitset, is daar verskillende tipes omvormers.

● Enfase omvormers

● Driefase omvormers

DC is die eenrigting vloei van elektriese lading. As 'n konstante spanning oor 'n suiwer resistiewe stroombaan aangewend word, lei dit tot 'n konstante stroom. Vergelykend, met wisselstroom, draai die vloei van elektriese stroom periodiek polariteit om. Die mees tipiese AC -golfvorm is 'n sinusgolf, maar dit kan ook 'n driehoekige of vierkantige golf wees. Spesiale toestelle is nodig om elektriese krag met verskillende stroomprofiele oor te dra. Toestelle wat AC in DC omskakel, staan bekend as gelykrigters en toestelle wat DC in AC omskakel, staan bekend as omsetters.

Stap 2: Topologieë van enkelfase-omvormer

Daar is twee hooftopologieë van enkelfase-omsetters; halfbrug- en volbrugtopologieë. Hierdie aansoeknota fokus op die topbrug-topologie, aangesien dit dubbele uitsetspanning bied in vergelyking met die halfbrug-topologie.

Stap 3: Top-brug-topologie

In 'n volledige brug-topologie is 4 skakelaars nodig, aangesien die afwisselende uitgangsspanning verkry word deur die verskil tussen twee vertakkings van skakelselle. Die uitgangsspanning word verkry deur die transistors op 'n spesifieke tydstip intelligent aan en uit te skakel. Daar is vier verskillende toestande, afhangende van watter skakelaars gesluit is. Die onderstaande tabel gee 'n opsomming van die toestande en uitgangsspanning waarop die skakelaars gesluit is.

Om die uitgangsspanning te maksimeer, moet die fundamentele komponent van die insetspanning op elke tak 180º uit fase wees. Die halfgeleiers van elke tak is aanvullend in prestasie, dit wil sê wanneer die een gelei word, is die ander afgesny en omgekeerd. Hierdie topologie word die meeste gebruik vir omsetters. Die diagram in Figuur 1 toon die stroombaan van 'n volbrug-topologie vir 'n enkelfase-omskakelaar.

Stap 4: Geïsoleerde hek -bipolêre transistor

Die Isolated Gate Bipolar Transistor (IGBT) is soos 'n MOSFET met die toevoeging van 'n derde PNjunction. Dit laat spanning gebaseerde beheer toe, soos 'n MOSFET, maar met uitsetkenmerke soos 'n BJT met betrekking tot hoë belastings en lae versadigingsspanning.

Vier hoofstreke kan waargeneem word oor sy statiese gedrag.

● Lawynstreek

● Versadigingsstreek

● Snygebied

● Aktiewe streek

Die lawinegebied is die gebied waar 'n spanning onder afbreekspanning aangewend word, wat die IGBT vernietig. Die snygebied bevat waardes van afbreekspanning tot drempelspanning, waarin die IGBT nie gelei nie. In die versadigingsgebied tree die IGBT op as 'n afhanklike spanningsbron en 'n reeksweerstand. Met lae spanningsvariasies kan hoë versterking van die stroom bereik word. Hierdie gebied is die gewildste vir gebruik. As die spanning verhoog word, betree die IGBT die aktiewe gebied en bly die stroom konstant. Daar word 'n maksimum spanning toegepas vir die IGBT om te verseker dat dit nie die lawinegebied binnedring nie. Dit is een van die mees gebruikte halfgeleiers in kragelektronika, aangesien dit 'n wye reeks spannings van 'n paar volt tot kV en 'n drywing tussen kW en MW kan ondersteun.

Hierdie Bipolêre Transistors van die geïsoleerde poort dien as skakeltoestelle vir die volledige brug enkelfasige omvormer-topologie.

Stap 5: Pulse Width Modulation Block in GreenPAK

Die Pulse Width Modulation (PWM) -blok is 'n nuttige blok wat vir 'n wye verskeidenheid toepassings gebruik kan word. Die DCMP/PWM -blok kan as 'n PWM -blok opgestel word. Die PWM -blok kan verkry word deur FSM0 en FSM1. PWM IN+ pin is gekoppel aan FSM0 terwyl IN-pin aan FSM1 gekoppel is. Beide FSM0 en FSM1 verskaf 8-bis data aan PWM Block. PWM -tydperk word gedefinieer deur die tydsperiode van FSM1. Die dienssiklus vir die PWM -blok word deur die FSM0 beheer.

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

Daar is twee opsies vir die konfigurasie van die dienssiklus:

● 0-99,6%: GS wissel van 0% tot 99,6% en word bepaal as IN+/256.

● 0,39-100%: GS wissel van 0,39% tot 100% en word bepaal as (IN + + 1)/256.

Stap 6: GreenPAK -ontwerp vir PWM -gebaseerde Square Wave -implementering

Daar is verskillende beheermetodes wat gebruik kan word om 'n enkelfase-omskakelaar te implementeer. Een so 'n beheerstrategie bevat 'n PWM-gebaseerde vierkantgolf vir die enkelfase-omskakelaar.

'N GreenPAK CMIC word gebruik om periodieke skakelpatrone te genereer om DC gerieflik in AC te omskakel. Die GS -spanning word van die battery gevoer en die uitset wat van die omskakelaar verkry word, kan gebruik word om die wisselstroom te voorsien. Vir die doel van hierdie toepassing, let op dat die wisselfrekwensie op 50Hz is, 'n algemene huishoudelike kragfrekwensie in baie dele van die wêreld. Dienooreenkomstig is die tydperk 20 ms.

Die skakelpatroon wat deur GreenPAK vir SW1 en SW4 gegenereer moet word, word in figuur 3 getoon.

Die skakelpatroon vir SW2 en SW3 word in figuur 4 getoon

Bogenoemde skakelpatrone kan gerieflik vervaardig word met behulp van 'n PWM -blok. Die PWM -tydperk word bepaal deur die tydsperiode van FSM1. Die tydsperiode vir FSM1 moet ingestel wees op 20ms wat ooreenstem met die frekwensie van 50Hz. Die dienssiklus vir die PWM -blok word beheer deur die data wat van FSM0 afkomstig is. Om die dienssiklus van 50% te genereer, is die FSM0 -tellerwaarde 128.

Die ooreenstemmende GreenPAK -ontwerp word in figuur 5 getoon.

Stap 7: Nadeel van Square Wave Control -strategie

Deur die vierkantgolfbeheerstrategie te gebruik, veroorsaak die omskakelaar 'n groot hoeveelheid harmonieke. Afgesien van die fundamentele frekwensie, het vierkantgolfomvormers vreemde frekwensie -komponente. Hierdie harmonieke veroorsaak dat masjienvloei versadig word, wat lei tot swak werkverrigting van die masjien, wat soms selfs die hardeware kan beskadig. Daarom is die THD wat deur hierdie tipe omsetters geproduseer word, baie groot. Om hierdie probleem te oorkom, kan 'n ander beheerstrategie bekend as Quasi- Square Wave gebruik word om die hoeveelheid harmonieke wat deur die omskakelaar geproduseer word, aansienlik te verminder.

Stap 8: GreenPAK-ontwerp vir PWM-gebaseerde Quasi-Square Wave Implementation

In die kwasi-vierkantsgolfbeheerstrategie word 'n nul-uitgangsspanning ingebring wat die harmonieke wat in die konvensionele vierkantsgolfvorm voorkom, aansienlik kan verminder. Die belangrikste voordele van die gebruik van 'n kwasi-vierkantgolf-omskakelaar sluit in:

● Die amplitude van die fundamentele komponent kan beheer word (deur α te beheer)

● Sekere harmoniese inhoud kan uitgeskakel word (ook deur α te beheer)

Die amplitude van die fundamentele komponent kan beheer word deur die waarde van α te beheer soos getoon in formule 1.

Die nde harmoniese kan uitgeskakel word as die amplitude daarvan nul word. Die amplitude van die derde harmoniese (n = 3) is byvoorbeeld nul wanneer α = 30 ° (Formule 2).

Die GreenPAK-ontwerp vir die implementering van die Quasi- Square Wave-beheerstrategie word in figuur 9 getoon.

Die PWM -blok word gebruik om 'n vierkantige golfvorm met 'n 50 % -siklus te genereer. Die nul-uitgangsspanning word ingebring deur die spanning wat oor die uitset Pin-15 verskyn, te vertraag. Die P-DLY1-blok is opgestel om die stygende rand van die golfvorm op te spoor. P-DLY1 sal die stygende rand periodiek na elke periode opspoor en die DLY-3-blok aktiveer, wat 'n vertraging van 2 ms veroorsaak voordat die VDD oor 'n D-flip-flop geklok word om die Pin-15-uitset moontlik te maak.

Pin-15 kan veroorsaak dat beide SW1 en SW4 aanskakel. As dit gebeur, sal 'n positiewe spanning oor die las verskyn.

Die P-DLY1-opsporingsmeganisme vir opkomende rand aktiveer ook die DLY-7-blok, wat na 8 ms die D-flip-flop herstel en 0 V oor die uitset verskyn.

DLY-8 en DLY-9 word ook vanaf dieselfde stygende rand veroorsaak. DLY-8 lewer 'n vertraging van 10 ms en veroorsaak weer DLY-3, wat na 2 ms die DFF sal laat horlosie wat 'n logiese hoogtepunt oor die twee EN-hekke veroorsaak.

Op hierdie punt word Out+ van die PWM -blok 0, aangesien die werksiklus van die blok opgestel is om 50 %te wees. Out- sal oor Pin-16 verskyn, wat veroorsaak dat die SW2 en SW3 aanskakel, wat 'n wisselspanning oor die las lewer. Na 18 ms sal DLY-9 die DFF herstel en 0V sal verskyn oor die Pin-16 en die periodieke siklus sal steeds 'n WS-sein lewer.

Die opset vir verskillende GreenPAK-blokke word in die figure 10-14 getoon.

Stap 9: Resultate

12 V DC spanning word van die battery na die omskakelaar verskaf. Die omskakelaar skakel hierdie spanning om in 'n WS -golfvorm. Die uitset van die omskakelaar word gevoed na 'n opstartstransformator wat 12 V wisselspanning omskakel in 220 V wat gebruik kan word om die wisselstroombelasting aan te dryf.

Afsluiting

In hierdie instruksies het ons 'n enkelfase-omvormer geïmplementeer met behulp van Square Wave- en Quasi Square Wave-beheerstrategieë met behulp van GreenPAK en CMIC. GreenPAK CMICs dien as 'n maklike plaasvervanger van mikrobeheerders en analoogkringe wat gebruiklik gebruik word om 'n enkelfase-omvormer te implementeer. Verder het GreenPAK CMIC's potensiaal in die ontwerp van driefase -omsetters.