Circuit de controlador de porta per a inversor trifàsic: 9 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:15

Aquest projecte és bàsicament un circuit de controladors per a un equip anomenat SemiTeach que recentment hem comprat per al nostre departament. Es mostra la imatge del dispositiu.

Connectar aquest circuit de controlador a 6 mosquetes genera tres voltatges de CA desplaçats de 120 graus. El rang és de 600 V per al dispositiu SemiTeach. El dispositiu també té incorporats terminals de sortida d'errors que donen un estat baix quan es detecta un error en qualsevol de les tres fases

Els inversors s’utilitzen habitualment a la indústria de l’energia per convertir el voltatge continu de fonts de moltes generacions en voltatges de corrent altern per a una transmissió i distribució eficients. A més, també s'utilitzen per extreure energia de la sèrie d'alimentació ininterrompuda (SAI). Els inversors necessiten un circuit de controlador de porta per conduir els commutadors de potència electrònica utilitzats al circuit per a la conversió. Hi ha molts tipus de senyals de porta que es poden implementar. El següent informe tracta del disseny i implementació d’un circuit de controlador de porta per a un inversor trifàsic que utilitza una conducció de 180 graus. Aquest informe se centra en el disseny del circuit de controladors de porta on s’escriuen els detalls del disseny complet. A més, aquest projecte també encapsula la protecció del microcontrolador i del circuit durant les condicions d'error. La sortida del circuit és de 6 PWM per a 3 potes del convertidor trifàsic.

Pas 1: revisió de la literatura

Moltes aplicacions a la indústria energètica requereixen la conversió de la tensió CC a voltatge de corrent altern, com ara la connexió de panells solars a la xarxa nacional o a dispositius de corrent altern. Aquesta conversió de CC a CA s’aconsegueix mitjançant inversors. En funció del tipus de subministrament, hi ha dos tipus d’inversors: inversor monofàsic i inversor trifàsic. Un inversor monofàsic pren el voltatge de CC com a entrada i el converteix en voltatge de CA monofàsic, mentre que un convertidor de tres fases converteix el voltatge de CC en voltatge de CA de tres fases.

Figura 1.1: Inversor trifàsic

Un inversor trifàsic empra 6 commutadors de transistor, tal com es mostra a la part superior, que són accionats per senyals PWM mitjançant circuits de controlador de porta.

Els senyals Gating de l’inversor haurien de tenir una diferència de fase de 120 graus entre si per adquirir una sortida equilibrada trifàsica. Es poden aplicar dos tipus de senyals de control per executar aquest circuit

• Conducció de 180 graus

• Conducció de 120 graus

Mode de conducció de 180 graus

En aquest mode, cada transistor està encès durant 180 graus. I en qualsevol moment, hi ha tres transistors engegats, un transistor a cada branca. En un cicle, hi ha sis modes de funcionament i cada mode funciona durant 60 graus del cicle. Els senyals de tancament es desplacen els uns dels altres per una diferència de fase de 60 graus per obtenir un subministrament equilibrat trifàsic.

Figura 1.2: conductio de 180 graus

Mode de conducció de 120 graus

En aquest mode, cada transistor està encès durant 120 graus. I en qualsevol moment, només condueixen dos transistors. Cal tenir en compte que en qualsevol moment, a cada branca, només hauria d’estar encès un transistor. Hauria d’haver una diferència de fase de 60 graus entre els senyals PWM per obtenir una sortida de CA trifàsica equilibrada.

Figura 1.3: Conducció de 120 graus

Control del temps mort

Una precaució molt important que s’ha de prendre és que en una cama, els dos transistors no haurien d’estar engegats al mateix temps, en cas contrari, la font de CC farà un curtcircuit i el circuit es danyarà. Per tant, és molt essencial afegir un interval de temps molt curt entre el gir d'un transistor i l'encès de l'altre transistor.

Pas 2: diagrama de blocs

Pas 3: components

En aquesta secció es presentaran detalls sobre disseny i s’analitzaran.

Llista de components

• Optoacoplador 4n35

• IC controlador IR2110

• Transistor 2N3904

• Diode (UF4007)

• Diodes Zener

• Relé 5V

• AND Porta 7408

• ATiny85

Optoacoplador

L'optocoplador 4n35 s'ha utilitzat per a l'aïllament òptic del microcontrolador de la resta del circuit. La resistència seleccionada es basa en la fórmula:

Resistència = LedVoltage / CurrentRating

Resistència = 1,35V / 13,5mA

Resistència = 100ohms

La resistència de sortida que actua com a resistència de tracció és de 10 k ohmis per al correcte desenvolupament del voltatge.

IR 2110

És un IC de conducció de porta que s'utilitza normalment per conduir els MOSFET. És un CI de controlador lateral de 500 V, alt i baix, amb una font típica de 2,5 A i corrents de pica de 2,5 A en 14 IC d’embalatge de plom.

Condensador d'arrencada

El component més important de l’IC del controlador és el condensador d’arrencada. El condensador d’arrencada ha de ser capaç de subministrar aquesta càrrega i conservar la seva tensió completa, en cas contrari hi haurà una quantitat significativa d’ondulació a la tensió Vbs, que podria caure per sota del bloqueig de baixa tensió Vbsuv i fer que la sortida HO deixi de funcionar. Per tant, la càrrega al condensador Cbs ha de ser un mínim del doble del valor anterior. El valor mínim del condensador es pot calcular a partir de l'equació següent.

C = 2 [(2Qg + Iqbs / f + Qls + Icbs (fuita) / f) / (Vcc − Vf −Vls − Vmin)]

On com

Vf = Caiguda de tensió cap endavant a través del díode d’arrencada

VLS = Caiguda de tensió a través del FET lateral baix (o càrrega per a un controlador lateral alt)

VMin = Voltatge mínim entre VB i VS

Qg = Càrrega de porta de FET lateral alt

F = Freqüència de funcionament

Icbs (fuita) = corrent de fuita del condensador Bootstrap

Qls = càrrega de desplaçament de nivell necessària per cicle

Hem seleccionat un valor de 47uF.

Transistor 2N3904

El 2N3904 és un transistor de connexió bipolar NPN comú que s’utilitza per a aplicacions d’amplificació o commutació de baixa potència d’ús general. Pot manejar 200 mA de corrent (màxim absolut) i freqüències de fins a 100 MHz quan s’utilitza com a amplificador.

Diodo (UF4007)

S'utilitza un semiconductor de tipus I d'alta resistivitat per proporcionar una capacitat de díode (Ct) significativament inferior. Com a resultat, els díodes PIN actuen com una resistència variable amb polarització directa i es comporten com un condensador amb polarització inversa. Les característiques d’alta freqüència (la baixa capacitat garanteix un mínim efecte de les línies de senyal) els fan adequats per utilitzar-se com a elements de resistència variable en una àmplia varietat d’aplicacions, inclosos els atenuadors, la commutació de senyal d’alta freqüència (és a dir, els telèfons mòbils que requereixen una antena) i els circuits AGC.

Diodo Zener

Un díode Zener és un tipus particular de díode que, a diferència d’un normal, permet que el corrent flueixi no només des del seu ànode fins al càtode, sinó també en sentit invers, quan s’arriba a la tensió de Zener. S'utilitza com a regulador de tensió. Els díodes Zener tenen una unió p-n altament dopada. Els díodes normals també es descomponen amb una tensió inversa, però la tensió i la nitidesa del genoll no estan tan ben definides com per a un díode Zener. Tampoc els díodes normals estan dissenyats per funcionar a la regió de desglossament, però els díodes Zener poden funcionar de manera fiable en aquesta regió.

Relleu

Els relés són interruptors que obren i tanquen circuits electromecànicament o electrònicament. Els relés controlen un circuit elèctric obrint i tancant contactes en un altre circuit. Quan un contacte de relé normalment està obert (NO), hi ha un contacte obert quan el relé no està activat. Quan un contacte de relé està normalment tancat (NC), hi ha un contacte tancat quan el relé no està activat. En qualsevol cas, aplicar el corrent elèctric als contactes canviarà el seu estat

I GATE 7408

Una porta lògica I és un tipus de porta lògica digital la sortida de la qual passa a ALTA a un nivell lògic 1 quan totes les seves entrades són ALTA

ATiny85

És un microcontrolador basat en AVR RISC de 8 bits Microchip de baixa potència que combina memòria flash ISP de 8 KB, 512B EEPROM, 512 bytes SRAM, 6 línies d'E / S d'ús general, 32 registres de treball d'ús general, un temporitzador / comptador de 8 bits amb modes de comparació, un temporitzador / comptador d’alta velocitat de 8 bits, USI, interrupcions internes i externes, convertidor A / D de 4 canals de 10 bits.

Pas 4: explicació del funcionament i del circuit

En aquesta secció s’explicarà detalladament el funcionament del circuit.

Generació PWM

PWM s'ha generat a partir del microcontrolador STM. S’han utilitzat TIM3, TIM4 i TIM5 per generar tres PWM de cicle de treball del 50%. El desplaçament de fase de 60 graus es va incorporar entre tres PWM amb retard de temps. Per al senyal PWM de 50 Hz, es va utilitzar el mètode següent per calcular el retard

delay = TimePeriod Time 60/360

retard = 20 ms ∗ 60/360

retard = 3,3 ms

Aïllament de microcontroladors mitjançant Optocoplador

L’aïllament entre el microcontrolador i la resta del circuit s’ha fet mitjançant l’optocoplador 4n35. La tensió d’aïllament de 4n35 és d’uns 5.000 V. S’utilitza per protegir el microcontrolador dels corrents inversos. Com que un microcontrolador no pot suportar tensió negativa, per tant, per a la protecció del microcontrolador, s’utilitza un optoacoplador.

El controlador IC de control de la porta IR2110 s'ha utilitzat per proporcionar commutació de PWM als MOSFET. S'han proporcionat PWM del microcontrolador a l'entrada de l'IC. Com que l'IR2110 no té la porta NOT incorporada, per tant, BJT s'utilitza com a inversor del pin Lin. A continuació, proporciona els PWM complementaris als MOSFET que s'han de conduir

Detecció d'errors

El mòdul SemiTeach té 3 pins d'error que normalment són ALTS a 15 V. Sempre que hi ha algun error al circuit, un dels pins passa al nivell BAIX. Per protegir els components del circuit, s’ha de tallar el circuit en condicions d’error. Això es va aconseguir utilitzant AND Gate, el microcontrolador ATiny85 i un relé de 5 V. Ús de AND Gate

L'entrada a la porta AND és de 3 pins d'error que es troben en estat HIGH en condicions normals, de manera que la sortida de AND Gate és HIGH en condicions normals. Tan bon punt hi ha un error, els pins passen a 0 V i, per tant, la sortida de la porta AND es baixa. Es pot utilitzar per comprovar si hi ha un error al circuit. El Vcc a la porta AND es proporciona mitjançant un díode Zener.

Tallant el Vcc mitjançant ATiny85

La sortida de la porta AND s’alimenta al microcontrolador ATiny85 que genera una interrupció tan aviat com hi hagi algun error. Això impulsa el relé que talla el Vcc de tots els components excepte ATiny85.

Pas 5: simulació

Per a la simulació, hem utilitzat els PWM del generador de funcions al Proteus en lloc del model STMf401, ja que no està disponible a Proteus. Hem utilitzat Opto-Coupler 4n35 per a l'aïllament entre el microcontrolador i la resta del circuit. IR2103 s'utilitza en les simulacions com a amplificador de corrent que ens proporciona PWM complementaris.

Diagrama esquemàtic El diagrama esquemàtic es presenta de la següent manera:

Sortida lateral alta: aquesta sortida es troba entre HO i Vs. La següent figura mostra la sortida dels tres PWM laterals alts.

Sortida lateral baixa Aquesta sortida es troba entre LO i COM. La següent figura mostra la sortida dels tres PWM laterals alts.

Pas 6: Esquema i disseny de PCB

S'ha mostrat l'esquema i el disseny del PCB creat a Proteus

Pas 7: Resultats de maquinari

PWM complementaris

La següent figura mostra la sortida d'un dels IR2110 que és complementari

PWM de les fases A i B

Les fases A i B són de 60 graus desplaçades. Es mostra a la figura

PWM de la fase A i C

Les fases A i C són de -60 graus desplaçades. Es mostra a la figura

Pas 8: Codificació

El codi es va desenvolupar a Atollic TrueStudio. Per instal·lar Atollic podeu veure els meus tutorials anteriors o descarregar-los en línia.

S'ha afegit el projecte complet.

Pas 9: gràcies

Seguint la meva tradició, voldria donar les gràcies als membres del meu grup que m’han ajudat a la realització d’aquest impressionant projecte.

Espero que aquesta instrucció us ajudi.

Sóc jo que tanco la sessió:)

Salutacions cordials

Tahir Ul Haq

EE, UET LHR Pakistan