Kako načrtovati in izvesti enofazni pretvornik: 9 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:03

Ta Navodila raziskujejo uporabo dialogov CMP GreenPAK ™ v aplikacijah za energetsko elektroniko in bodo prikazale izvajanje enofaznega pretvornika z različnimi krmilnimi metodologijami. Za določitev kakovosti enofaznega pretvornika se uporabljajo različni parametri. Pomemben parameter je Total Harmonic Distortion (THD). THD je merjenje harmoničnega popačenja v signalu in je opredeljeno kot razmerje med vsoto moči vseh harmonskih komponent in močjo osnovne frekvence.

Spodaj smo opisali korake, potrebne za razumevanje, kako je bila rešitev programirana za izdelavo enofaznega pretvornika. Če pa želite samo doseči rezultat programiranja, prenesite programsko opremo GreenPAK, če si želite ogledati že dokončano oblikovalsko datoteko GreenPAK. Priključite razvojni komplet GreenPAK v računalnik in pritisnite program, da ustvarite enofazni pretvornik.

Korak: Enofazni pretvornik

Razsmernik ali pretvornik je elektronska naprava ali vezje, ki spreminja enosmerni tok (DC) v izmenični tok (AC). Glede na število faz AC izhoda obstaja več vrst pretvornikov.

● Enofazni pretvorniki

● Trifazni pretvorniki

DC je enosmerni tok električnega naboja. Če se na čisto uporovno vezje uporabi konstantna napetost, nastane stalen tok. Primerjalno, pri izmeničnem toku tok električnega toka občasno obrne polarnost. Najbolj značilna oblika valovanja AC je sinusni val, lahko pa je tudi trikotni ali kvadratni val. Za prenos električne energije z različnimi trenutnimi profili so potrebne posebne naprave. Naprave, ki pretvarjajo izmenični tok v enosmerni tok, so znane kot usmerniki, naprave, ki pretvarjajo enosmerni tok v izmenični tok, pa so znane kot pretvorniki.

2. korak: Topologije enofaznega pretvornika

Obstajata dve glavni topologiji enofaznih pretvornikov; pol-mostovna in pol-mostovna topologija. Ta opomba o uporabi se osredotoča na topologijo polnega mosta, saj zagotavlja dvojno izhodno napetost v primerjavi s topologijo polmosta.

3. korak: Topologija polnega mosta

V topologiji polnega mosta so potrebna 4 stikala, saj se izmenična izhodna napetost doseže z razliko med dvema vejama stikalnih celic. Izhodno napetost dobimo z inteligentnim vklopom in izklopom tranzistorjev v določenem trenutku. Obstajajo štiri različna stanja, odvisno od tega, katera stikala so zaprta. Spodnja tabela povzema stanja in izhodno napetost, na podlagi katere so stikala zaprta.

Da bi povečali izhodno napetost, mora biti temeljna komponenta vhodne napetosti na vsaki veji 180º zunaj faze. Polprevodniki vsake veje se medsebojno dopolnjujejo, kar pomeni, da ko eden vodi drugi, je odrezan in obratno. Ta topologija se najpogosteje uporablja za pretvornike. Diagram na sliki 1 prikazuje vezje topologije polnega mosta za enofazni pretvornik.

4. korak: Bipolarni tranzistor z izoliranimi vrati

Bipolarni tranzistor z izoliranimi vrati (IGBT) je kot MOSFET z dodatkom tretjega PNjunction -a. To omogoča krmiljenje na podlagi napetosti, kot je MOSFET, vendar z izhodnimi lastnostmi, kot je BJT, glede visokih obremenitev in nizke napetosti nasičenja.

Na njegovem statičnem obnašanju je mogoče opaziti štiri glavne regije.

● Regija plazov

● Nasičeno območje

● Obrezano območje

● Aktivna regija

Območje plazov je območje, kjer se uporabi napetost pod napetostjo prekinitve, kar povzroči uničenje IGBT. Območje reza vključuje vrednosti od prekinitvene napetosti do praga napetosti, pri čemer IGBT ne prevaja. V območju nasičenja se IGBT obnaša kot odvisen vir napetosti in serijski upor. Z nizkimi nihanji napetosti je mogoče doseči visoko ojačanje toka. To področje je najbolj zaželeno za delovanje. Če se napetost poveča, IGBT vstopi v aktivno območje, tok pa ostane konstanten. Za IGBT je uporabljena največja napetost, da se zagotovi, da ne bo prišel v lavinsko območje. To je eden najpogosteje uporabljenih polprevodnikov v močni elektroniki, saj lahko podpira širok razpon napetosti od nekaj voltov do kV in moči med kW in MW.

Ti bipolarni tranzistorji z izoliranimi vrati delujejo kot preklopne naprave za topologijo enofaznega pretvornika s polnim mostom.

5. korak: Blok modulacije širine impulza v GreenPAK -u

Blok pulzne širine (PWM) je uporaben blok, ki ga je mogoče uporabiti za široko paleto aplikacij. Blok DCMP/PWM je mogoče konfigurirati kot blok PWM. Blok PWM lahko dobite prek FSM0 in FSM1. PWM IN+ pin je priključen na FSM0, medtem ko je IN-pin priključen na FSM1. Tako FSM0 kot FSM1 zagotavljata 8-bitne podatke bloku PWM. Časovno obdobje PWM je določeno s časovnim obdobjem FSM1. Delovni cikel bloka PWM nadzoruje FSM0.

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

Za konfiguracijo delovnega cikla obstajata dve možnosti:

● 0-99,6%: DC se giblje od 0% do 99,6% in je določeno kot IN+/256.

● 0,39-100%: DC se giblje od 0,39% do 100% in je določeno kot (IN + + 1)/256.

Korak 6: Oblikovanje GreenPAK za izvedbo kvadratnih valov na osnovi PWM

Za izvedbo enofaznega pretvornika je mogoče uporabiti različne krmilne metodologije. Ena takšnih krmilnih strategij vključuje kvadratni val na osnovi PWM za enofazni pretvornik.

GreenPAK CMIC se uporablja za ustvarjanje periodičnih preklopnih vzorcev za priročno pretvorbo enosmernega toka v AC. Napetost enosmernega toka se napaja iz baterije, izhod, ki ga dobite iz pretvornika, pa lahko uporabite za napajanje izmenične obremenitve. Za namene te aplikacije upoštevajte, da je frekvenca izmeničnega toka nastavljena na 50Hz, kar je skupna frekvenca napajanja gospodinjstev v mnogih delih sveta. Ustrezno je obdobje 20 ms.

Vzorec preklopa, ki ga mora generirati GreenPAK za SW1 in SW4, je prikazan na sliki 3.

Vzorec preklopa za SW2 in SW3 je prikazan na sliki 4

Zgornje vzorce preklapljanja je mogoče priročno izdelati z uporabo PWM bloka. Časovno obdobje PWM je nastavljeno s časovnim obdobjem FSM1. Časovno obdobje za FSM1 mora biti nastavljeno na 20 ms, kar ustreza frekvenci 50Hz. Delovni cikel za blok PWM nadzirajo podatki, pridobljeni iz FSM0. Za ustvarjanje 50% obratovalnega cikla je vrednost števca FSM0 nastavljena na 128.

Ustrezna zasnova GreenPAK je prikazana na sliki 5.

Korak 7: Pomanjkljivost strategije nadzora kvadratnih valov

Uporaba strategije upravljanja s kvadratnimi valovi povzroči, da pretvornik proizvaja veliko količino harmonikov. Poleg osnovne frekvence imajo pretvorniki kvadratnih valov lihe frekvenčne komponente. Ti harmoniki povzročijo, da je tok stroja nasičen, kar vodi v slabo delovanje stroja, včasih celo do poškodb strojne opreme. Zato je THD, ki ga proizvajajo te vrste pretvornikov, zelo velik. Za premagovanje tega problema je mogoče uporabiti drugo krmilno strategijo, imenovano kvazi kvadratni val, ki znatno zmanjša količino harmonikov, ki jih proizvaja pretvornik.

Korak 8: Zasnova GreenPAK za izvedbo kvazi kvadratnih valov na osnovi PWM

V strategiji upravljanja kvazi kvadratnih valov je uvedena ničelna izhodna napetost, ki lahko znatno zmanjša harmonike, prisotne v običajni kvadratni valovni obliki. Glavne prednosti uporabe kvazi kvadratnega valovnega pretvornika vključujejo:

● Amplitudo osnovne komponente je mogoče nadzorovati (z nadzorom α)

● Določene harmonične vsebine je mogoče odpraviti (tudi z nadzorom α)

Amplitudo osnovne komponente je mogoče nadzorovati z nadzorovanjem vrednosti α, kot je prikazano v formuli 1.

N -ti harmonik je mogoče odpraviti, če je njegova amplituda nič. Na primer, amplituda tretjega harmonika (n = 3) je nič, če je α = 30 ° (formula 2).

Načrt GreenPAK za izvajanje strategije upravljanja kvazi kvadratnega vala je prikazan na sliki 9.

Blok PWM se uporablja za ustvarjanje kvadratne valovne oblike s 50 % delovnim ciklom. Nič izhodne napetosti se uvede z zakasnitvijo napetosti, ki se pojavi na izhodu Pin-15. Blok P-DLY1 je konfiguriran za zaznavanje naraščajočega roba valovne oblike. P-DLY1 bo po vsakem obdobju občasno odkril naraščajoči rob in sprožil blok DLY-3, ki povzroči zakasnitev 2 ms, preden VDD preklopi čez D-flip flop, da omogoči izhod Pin-15.

Pin-15 lahko povzroči vklop SW1 in SW4. Ko se to zgodi, se na obremenitvi pojavi pozitivna napetost.

Mehanizem za zaznavanje naraščajočega roba P-DLY1 aktivira tudi blok DLY-7, ki po 8 ms ponastavi D-flip flop in 0 V se prikaže na izhodu.

DLY-8 in DLY-9 se sprožita tudi z istega roba. DLY-8 povzroči zakasnitev 10 ms in znova sproži DLY-3, ki bo po 2 ms zvišal DFF in povzročil logično visoko vrednost na obeh vratih AND.

Na tej točki Out+ iz bloka PWM postane 0, saj je bil obratovalni cikel bloka nastavljen na 50 %. Na Pin-16 se bo pojavil Out-, kar bo povzročilo vklop SW2 in SW3, kar bo povzročilo izmenično napetost na obremenitvi. Po 18 ms bo DLY-9 ponastavil DFF in 0V se bo prikazalo na Pin-16 in periodični cikel bo še naprej oddajal AC signal.

Konfiguracija za različne bloke GreenPAK je prikazana na slikah 10-14.

9. korak: Rezultati

12 V DC napetost se napaja iz akumulatorja v pretvornik. Pretvornik to napetost pretvori v AC valovno obliko. Izhod iz pretvornika se napaja v povečevalni transformator, ki pretvori 12 V izmenično napetost v 220 V, ki se lahko uporablja za pogon izmeničnih obremenitev.

Zaključek

V tem navodilu smo izvedli enofazni pretvornik s strategijami upravljanja kvadrata in kvazi kvadrata z uporabo GreenPAK a CMIC. GreenPAK CMIC delujejo kot priročen nadomestek mikro krmilnikov in analognih vezij, ki se običajno uporabljajo za izvedbo enofaznega pretvornika. Poleg tega imajo CMP GreenPAK potencial pri zasnovi trifaznih pretvornikov.