Com dissenyar i implementar un inversor monofàsic: 9 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

Aquest Instructable explora l’ús dels CMIC GreenPAK ™ de Dialog en aplicacions d’electrònica de potència i demostrarà la implementació d’un inversor monofàsic mitjançant diverses metodologies de control. S’utilitzen diferents paràmetres per determinar la qualitat de l’inversor monofàsic. Un paràmetre important és la distorsió harmònica total (THD). THD és una mesura de la distorsió harmònica en un senyal i es defineix com la proporció de la suma de les potències de tots els components harmònics a la potència de la freqüència fonamental.

A continuació es descriuen els passos necessaris per entendre com s'ha programat la solució per crear l'inversor monofàsic. Tot i això, si només voleu obtenir el resultat de la programació, descarregueu-vos el programari GreenPAK per veure el fitxer de disseny GreenPAK ja completat. Connecteu el kit de desenvolupament GreenPAK a l’ordinador i premeu el programa per crear l’inversor monofàsic.

Pas 1: inversor monofàsic

Un inversor de potència o inversor és un dispositiu o circuit electrònic que canvia el corrent continu (CC) en corrent altern (CA). Depenent del nombre de fases de la sortida de corrent altern, hi ha diversos tipus d’inversors.

● Inversors monofàsics

● Inversors trifàsics

El CC és el flux unidireccional de càrrega elèctrica. Si s’aplica una tensió constant a través d’un circuit purament resistiu, resulta un corrent constant. Comparativament, amb corrent altern, el flux de corrent elèctric inverteix periòdicament la polaritat. La forma d’ona AC més típica és una ona sinusoïdal, però també pot ser una ona triangular o quadrada. Per transferir energia elèctrica amb diferents perfils de corrent, cal dispositius especials. Els dispositius que converteixen el corrent altern en corrent continu es coneixen com a rectificadors i els dispositius que converteixen el corrent altern en corrent altern es coneixen com a inversors.

Pas 2: Topologies d’inversors monofàsics

Hi ha dues topologies principals d’inversors monofàsics; topologies de mig pont i pont complet. Aquesta nota d'aplicació se centra en la topologia de pont complet, ja que proporciona el doble de voltatge de sortida en comparació amb la topologia de mig pont.

Pas 3: Topologia de pont complet

En una topologia de pont complet es necessiten 4 commutadors, ja que la tensió de sortida alterna s’obté per la diferència entre dues branques de cel·les de commutació. La tensió de sortida s’obté en connectar i apagar intel·ligentment els transistors en moments concrets. Hi ha quatre estats diferents en funció dels interruptors tancats. La taula següent resumeix els estats i la tensió de sortida segons els quals es tanquen els commutadors.

Per maximitzar la tensió de sortida, el component fonamental de la tensió d'entrada a cada branca ha d'estar desfasat de 180º. Els semiconductors de cada branca tenen un rendiment complementari, és a dir, quan un està conduint l’altre, es talla i viceversa. Aquesta topologia és la més utilitzada per als inversors. El diagrama de la figura 1 mostra el circuit d’una topologia de pont complet per a un inversor monofàsic.

Pas 4: transistor bipolar de porta aïllada

El transistor bipolar de porta aïllada (IGBT) és com un MOSFET amb l’addició d’una tercera unió PN. Això permet un control basat en la tensió, com un MOSFET, però amb característiques de sortida com un BJT pel que fa a càrregues elevades i baixa tensió de saturació.

Es poden observar quatre regions principals pel seu comportament estàtic.

● Regió d’allaus

● Regió de saturació

● Àrea de tall

● Regió activa

La regió d’allaus és la zona en què s’aplica una tensió per sota de la tensió de ruptura, cosa que provoca la destrucció de la IGBT. L’àrea de tall inclou valors des de la tensió de ruptura fins a la tensió llindar, en què l’IGTB no condueix. A la regió de saturació, la IGBT es comporta com una font de tensió dependent i una resistència en sèrie. Amb baixes variacions de voltatge, es pot aconseguir una alta amplificació del corrent. Aquesta zona és la més desitjable per al seu funcionament. Si augmenta la tensió, l’IGBT entra a la regió activa i el corrent es manté constant. Hi ha una tensió màxima aplicada a l’IGBT per garantir que no entrarà a la regió d’allaus. Aquest és un dels semiconductors més usats en electrònica de potència, ja que pot suportar una àmplia gamma de tensions des d’uns quants volts fins a kV i potències entre kW i MW.

Aquests transistors bipolars de porta aïllada actuen com a dispositius de commutació per a la topologia d’inversors monofàsics de pont complet.

Pas 5: bloc de modulació de l'amplada de pols a GreenPAK

El bloc de modulació d'amplada de pols (PWM) és un bloc útil que es pot utilitzar per a una àmplia gamma d'aplicacions. El bloc DCMP / PWM es pot configurar com a bloc PWM. El bloc PWM es pot obtenir a través de FSM0 i FSM1. PWM IN + pin està connectat a FSM0 mentre que IN-pin està connectat a FSM1. Tant FSM0 com FSM1 proporcionen dades de 8 bits al bloc PWM. El període de temps PWM es defineix pel període de temps de FSM1. El cicle de treball del bloc PWM el controla FSM0.

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

Hi ha dues opcions per a la configuració del cicle de treball:

● 0-99,6%: la CC varia del 0% al 99,6% i es determina com a IN + / 256.

● 0,39-100%: la CC oscil·la entre el 0,39% i el 100% i es determina com (IN + + 1) / 256.

Pas 6: Disseny de GreenPAK per a la implementació d'ona quadrada basada en PWM

Hi ha diferents metodologies de control que es poden utilitzar per implementar un inversor monofàsic. Una d'aquestes estratègies de control inclou una ona quadrada basada en PWM per a l'inversor monofàsic.

Un GreenPAK CMIC s’utilitza per generar patrons de commutació periòdica per convertir convenientment CC en corrent altern. Els voltatges de CC s’alimenten de la bateria i la sortida obtinguda de l’inversor es pot utilitzar per subministrar la càrrega de CA. Als efectes d'aquesta aplicació, tingueu en compte que la freqüència de corrent altern s'ha establert a 50Hz, una freqüència d'alimentació domèstica comuna a moltes parts del món. En conseqüència, el període és de 20 ms.

El patró de commutació que ha de generar GreenPAK per SW1 i SW4 es mostra a la figura 3.

El patró de commutació per SW2 i SW3 es mostra a la figura 4

Els patrons de commutació anteriors es poden produir convenientment mitjançant un bloc PWM. El període de temps PWM es defineix pel període de temps de FSM1. El període de temps per a FSM1 s'ha d'establir a 20 ms corresponent a la freqüència de 50Hz. El cicle de treball del bloc PWM està controlat per les dades que provenen de FSM0. Per tal de generar el cicle de treball del 50%, el valor del comptador FSM0 està definit com a 128.

El disseny GreenPAK corresponent es mostra a la figura 5.

Pas 7: Desavantatge de l'estratègia de control d'ona quadrada

L’ús de l’estratègia de control d’ones quadrades fa que l’inversor produeixi una gran quantitat d’harmònics. A part de la freqüència fonamental, els inversors d'ona quadrada tenen components de freqüència senars. Aquests harmònics fan que el flux de la màquina estigui saturat, cosa que comporta un rendiment baix de la màquina, de vegades fins i tot danyant el maquinari. Per tant, el THD produït per aquest tipus d’inversors és molt gran. Per superar aquest problema, es pot emprar una altra estratègia de control coneguda com Quasi Square Wave per reduir significativament la quantitat d'harmònics produïts per l'inversor.

Pas 8: Disseny de GreenPAK per a la implementació d'ones quasi quadrades basades en PWM

En l'estratègia de control d'ones quasi quadrades, s'introdueix un voltatge de sortida zero que pot reduir significativament els harmònics presents en la forma d'ona quadrada convencional. Els principals avantatges d’utilitzar un inversor d’ona quasi quadrada inclouen:

● Es pot controlar l'amplitud del component fonamental (controlant α)

● Es poden eliminar certs continguts harmònics (també controlant α)

L'amplitud del component fonamental es pot controlar controlant el valor de α tal com es mostra a la Fórmula 1.

L'enèsim harmònic es pot eliminar si la seva amplitud es fa zero. Per exemple, l'amplitud del tercer harmònic (n = 3) és nul·la quan α = 30 ° (Fórmula 2).

El disseny de GreenPAK per implementar l’estratègia de control de Quasi Square Square es mostra a la figura 9.

El bloc PWM s’utilitza per generar una forma d’ona quadrada amb un cicle de treball del 50%. La tensió de sortida zero s’introdueix retardant la tensió que apareix a través de la sortida Pin-15. El bloc P-DLY1 està configurat per detectar la vora ascendent de la forma d'ona. P-DLY1 detectarà periòdicament la vora ascendent després de cada període i activarà el bloc DLY-3, que produeix un retard de 2 ms abans de marcar el VDD a través d’un D-flip flop per habilitar la sortida Pin-15.

El pin-15 pot fer que s’activi tant SW1 com SW4. Quan això passi, apareixerà una tensió positiva a tota la càrrega.

El mecanisme de detecció de vores ascendents P-DLY1 també activa el bloc DLY-7, que després de 8 ms restableix el xanclet D-flip i apareix 0 V a la sortida.

DLY-8 i DLY-9 també s’activen des de la mateixa vora ascendent. DLY-8 produeix un retard de 10 ms i torna a activar DLY-3, que després de 2 ms farà que el DFF provoqui un màxim lògic a les dues portes AND.

En aquest moment Out + del bloc PWM es converteix en 0, ja que el cicle de treball del bloc es va configurar per ser del 50%. La sortida apareixerà a través del Pin-16 fent que els SW2 i SW3 s’encenguin, produint una tensió alterna a través de la càrrega. Després de 18 ms, DLY-9 restablirà el DFF i apareixerà 0V a través del Pin-16 i el cicle periòdic continua emetent un senyal de corrent altern.

La configuració per a diferents blocs GreenPAK es mostra a les figures 10-14.

Pas 9: Resultats

La tensió de 12 V CC es subministra des de la bateria a l’inversor. L’inversor converteix aquest voltatge en una forma d’ona de corrent altern. La sortida de l’inversor s’alimenta a un transformador intensiu que converteix el voltatge de 12 V CA en 220 V que es pot utilitzar per accionar les càrregues de CA.

Conclusió

En aquesta instrucció, hem implementat un inversor monofàsic que utilitza estratègies de control d’ona quadrada i d’ona quadrada mitjançant GreenPAK un CMIC. Els CMIC de GreenPAK actuen com un substitut convenient dels microcontroladors i circuits analògics que s’utilitzen convencionalment per implementar un inversor monofàsic. A més, els CMIC de GreenPAK tenen potencial en el disseny d'inversors trifàsics.