Mrežni pretvornik: 10 korakov (s slikami)

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

To je mesnat projekt, zato se spopnite!

Mrežni pretvorniki vam omogočajo, da napajanje vtaknete v omrežno vtičnico, kar je odlična zmogljivost. Zanimiva se mi zdijo energetska elektronika in krmilni sistemi, ki so vključeni v njihovo zasnovo, zato sem si zgradil svojega. To poročilo pove, kaj sem se naučil, in dokumentira, kako sem naredil stvari. Zanimajo me vaši komentarji (razen tistih o tem, da se ne motite z električno energijo).

Vsi koncepti so prilagodljivi, vendar je ta nastavitev imela največjo moč 40 vatov, preden so induktorji filtra začeli nasičevati. Izhodni tok je bil sinusni s THD <5%.

Oglejte si programsko opremo na mojem GitHubu

Zaloge

• Uporabil sem razvojno ploščo STM32F407. Deluje na 168 MHz in ima 3 vgrajene ADC-je, ki so sposobni 12-bitne ločljivosti pri več kot 2,4 MSPS (milijon vzorcev na sekundo). To je noro!
• Uporabil sem razvojno ploščo DRV8301. V njem je 60-voltni H-most skupaj z potrebnimi gonilniki vrat, trenutnimi shunti in ojačevalniki trenutnega shunta. Super lepo!
• Uporabil sem toroidni transformator 230-25v z 2 izhodnima pipama. To je pomenilo, da mi ni bilo treba neposredno proizvajati omrežne napetosti, ampak bi lahko deloval z največjo napetostjo 40 voltov. Veliko bolj varno!
• Povezal sem obremenitev induktorjev in kondenzatorjev, da sem dobil želene vrednosti L in C za filter.
• Osciloskop in diferencialna sonda sta ključnega pomena za takšen projekt. Imam pikoskop

1. korak: Kaj je omrežno napajanje?

Kar dobite v električni vtičnici (v Združenem kraljestvu) je 50Hz 230v RMS sinusni signal z zelo nizko impedanco. Nekaj reči o tem:

50Hz - Omrežna frekvenca je zelo natančno vzdrževana pri 50Hz. Nekoliko se razlikuje, vendar je 90% časa med 49,9-50,1Hz. Glej tukaj. Lahko si predstavljate, da se vsi ogromni generatorji v elektrarnah gor in dol po državi vrtijo soglasno. Rotirajo se sinhrono in za nas proizvajajo 50Hz sinusni signal. Njihova združena velika rotacijska vztrajnost potrebuje čas, da se upočasni ali pospeši.

Teoretično, če bi na omrežje priklopili OGROMNO obremenitev, bi to začelo upočasnjevati proizvajalce v državi. Vendar pa so fantje v nadzorni pisarni nacionalnega omrežja od elektrarn zahtevali, da jim zažgejo kotle, povečajo toploto in prisilijo te generatorje, da sledijo povpraševanju. Tako sta ponudba in povpraševanje v nenehnem plesu.

Še nekaj o signalu 50Hz. Čeprav se zelo malo spreminja okoli 50Hz, fantje na vrhu poskrbijo, da je povprečna frekvenca čez dan točno 50Hz. Torej, če je omrežje 10 minut pri 49,95 Hz, bodo zagotovili, da bo pozneje delovalo pri 50,05 Hz, da bo natančno število ciklov doseglo 50 Hz 60 sekund x 60 minut x 24 ur = 4, 320, 000/dan. To počnejo natančno z uporabo mednarodnega atomskega časa. Gospodinjski, pisarniški in industrijski aparati lahko zato uporabljajo frekvenco omrežja za ohranjanje časa. To se običajno izvaja na primer z mehanskimi merilniki časa vtičnice.

230v - To je RMS (Root Mean Square) napetost 50Hz signala. Dejanski signal niha do vrha 325 V. To je pomembno vedeti, ker če gradite pretvornik, morate ustvariti tako visoko napetost, če želite, da bo v vtiče pritekel tok.

V resnici so napetosti, ki jih vidite na vtiču v vaši hiši, precej spremenljive. To je posledica padca napetosti na uporih v žicah, priključkih, varovalkah, transformatorjih itd. Odpor je povsod. Če vklopite električni tuš, ki potegne 11 kilovatov (to je ~ 50 amperov), vam bo tudi odpornost 0,2 ohma padla za 10 voltov. Morda boste to videli, ko se luči tako rahlo zatemnijo. Veliki motorji, na primer tisti, ki se vrtijo, vlečejo velike tokove, medtem ko motor pospeši. Tako pogosto opazite rahlo utripanje luči, ko jih prižgete.

Mislim, da je omrežna napetost veliko bolj spremenljiva. Tukaj v Združenem kraljestvu naj bi bilo 230v s toleranco +10%/-6%. Pričakujete lahko nenadne spremembe in nihanja, ko se veliki tovori v bližini vklopijo/izklopijo. Pomislite na sušilne stroje, grelnike vode, pečice, kopita itd.

Sinusoidni - signal bi moral biti lep čist sinusni val, v resnici pa nekatere nelinearne naprave sesajo svojo moč z določenih točk v ciklu sinusnih valov. To uvaja popačenje in zato signal ni popoln sinusni val. Nelinearne obremenitve običajno vključujejo računalniške napajalnike, fluorescenčne sijalke, polnilnike, televizorje itd.

Skupno harmonično popačenje (THD) to količinsko opredeli v valovni obliki. Obstajajo predpisi o tem, kako čista mora biti moč pretvornika. Če ne more oddati dovolj čistega signala, potem ne bo odobren za prodajo. To je pomembno, ker vsebina harmonikov v omrežju zmanjšuje učinkovitost nekaterih naprav, povezanih z njim (zlasti lihih harmonikov). Verjamem, da je največji dovoljeni THD 8%

Nizka impedanca - To je pomembno upoštevati pri razmišljanju o omrežnem pretvorniku. Na omrežje so pritrjene vse vrste obremenitev, vključno z induktivnimi, uporovnimi in občasno kapacitivnimi obremenitvami. Tako je impedanca neznana in spremenljiva. Upor je zelo majhen, kar pomeni, da če priključite visoko tokovno obremenitev, napetost sploh ne bo veliko padla.

2. korak: Kako potisniti moč v omrežje

Za potiskanje energije v omrežje moramo sintetizirati signal, ki se natančno ujema s frekvenco in fazo omrežja, vendar z napetostjo, ki je tako nekoliko višja.

Zaradi nizke upornosti omrežja je težko natančno vedeti, koliko višja bo napetost. Ker napetost RMS niha, se moramo prepričati, da z njo nihamo. Samo ustvarjanje fiksnega 50Hz napetostnega signala, ki je nekoliko višji od omrežne napetosti, ne bo delovalo!

PI Nadzor izhodnega toka

Potrebujemo nadzorno zanko, s katero merimo trenutni tok, ki ga potisnemo v omrežje, in samodejno prilagodimo svojo izhodno napetost, da poganja želeni tok. To bo učinkovito preoblikovalo naš izhod v tok (namesto v vir napetosti), ki je bolj primeren za vožnjo z nizkimi impedancami. To lahko dosežemo z uporabo krmilne zanke PI (Proportional Integral):

Krmilne zanke PI so fantastične! Sestavljeni so iz treh delov:

• Izmerjena vrednost - tok, ki ga vtaknemo v omrežje
• Nastavljena vrednost - tok, ki ga želimo potisniti v omrežje
• Izhod - signalna napetost za ustvarjanje

Vsakič, ko pokličemo algoritem PID, prenesemo najnovejšo trenutno meritev in želeno nastavljeno vrednost. Vrnil bo poljubno število (sorazmerno z izhodno napetostjo za ustvarjanje).

Naš algoritem upravljanja PID nam omogoča, da v vsakem trenutku izberemo izhodni tok, ki ga želimo. Za izdelavo 50Hz sinusnega izhodnega toka moramo stalno sinusoidno spreminjati zahtevani tok.

Algoritem PID se kliče vsakih 100us (kar je 200 krat na cikel 50Hz). Vsakič, ko ga pokličete, lahko neposredno prilagodi izhodno napetost in s tem posredno prilagodi izhodni tok. Posledično dobimo stopničasti tokovni izhod, podoben tistemu, ki je prikazan na sliki, pri čemer se vsak korak pojavi na vsakih 100us. To zagotavlja dovolj ločljivosti.

Nadzor naprej

Delovno obremenitev krmilnika PI lahko znatno zmanjšamo z dodajanjem krmilnika za naprej. To je enostavno! Vemo približno izhodno napetost, ki jo bomo morali ustvariti (enako kot trenutna omrežna napetost). Krmilnik PI lahko nato pustite, da doda majhno dodatno napetost, potrebno za pogon izhodnega toka.

Nadzorni regulator sam po sebi ujema izhodno napetost pretvornika z omrežno napetostjo. Če se dovolj dobro ujemamo, ne bi smel teči tok. Krmiljenje naprej posreduje torej 99% nadzora izhoda.

Zaradi nizkega upora omrežja bi vsaka razlika v naši izhodni napetosti FF in napetosti omrežja povzročila velik tok. Zato sem med pretvornikom in omrežjem dodal odpornost medpomnilnika 1 ohm. To sicer prinaša izgube, vendar so v veliki shemi precej majhne.

3. korak: Izdelava izhodne napetosti z uporabo PWM

Čeprav posredno nadziramo izhodni tok, je to izhodna napetost, ki jo ustvarimo v danem trenutku. Za izdelavo naše izhodne napetosti uporabljamo PWM (Pulse Width Modulation). PWM signale lahko enostavno proizvajajo mikrokrmilniki in jih je mogoče ojačati z uporabo H-Bridge. Gre za preproste valovne oblike, za katera sta značilna 2 parametra, frekvenca F in delovni cikel D.

PWM valovna oblika preklaplja med dvema napetostima, v našem primeru 0v in V napajanje

• Z D = 1,0 je valovna oblika PWM preprosto enosmerna pri Vsupply
• Z D = 0,5 dobimo kvadratni val s povprečno napetostjo 0,5 x V napajanje (tj. D x V napajanje)
• Z D = 0,1 dobimo impulzno valovno obliko s povprečjem obdobja 0,1 x V napajanje
• Z D = 0,0 je izhod ravno (DC pri 0v)

Povprečna napetost je ključna. Z nizkoprepustnim filtrom lahko odstranimo vse, razen komponente DC povprečja. S spreminjanjem delovnega cikla PWM D lahko dosežemo želeno enosmerno napetost. Sladko!

Zaposlitev H-Bridgea

H-most je sestavljen iz 4 stikalnih elementov. To so lahko BJT, MOSFET ali IGBT. Za izdelavo prve polovice (0 - 180 stopinj) sinusnega vala nastavimo fazo B na nizko, tako da izklopimo Q3 in vklopimo Q4 (tj. Uporabimo PWM z D = 0). Nato izvedemo PWMing v fazi A. Za drugo polovico, kjer je VAB negativen, nastavimo fazo A na nizko in uporabimo naš PWM v fazi B. To je znano kot bipolarno preklapljanje.

MOSFET-e v H-mostu mora poganjati voznik vrat. To je tema zase, vendar lahko za to poskrbi preprost čip. Na razvojni plošči DRV8301 je priročno nameščen H-Bridge, gonilniki vrat in trenutni shuntovi, kar nam olajša ta projekt.

4. korak: Merjenje toka

Vsaka noga H-Bridgea ima shuntni upor in diferencialni ojačevalnik. Naši šanti so 0,01 ohma in naši ojačevalniki so nastavljeni na dobiček 40. Zato 1 Amp razvija 10 mV po šantu, ki se nato ojača na 400 mV.

Izhode iz ojačevalnikov shunt preberejo 12 -bitni ADC -ji na STM32F407, ki delujejo v načinu neprekinjene pretvorbe. ADC -ji so nastavljeni tako, da vzorčijo vsak shunt pri 110KSPS, krmilnik DMA pa samodejno zapiše pretvorbe v 11 -besedni krožni medpomnilnik v RAM -u. Ko želimo trenutne meritve, pokličemo funkcijo, ki vrne srednjo vrednost tega 11 besednega vmesnega pomnilnika.

Ker zahtevamo trenutne meritve za vsako ponovitev PID (pri 10KHz), vendar zapolnimo naše 11 -besedne ADC medpomnilnike s hitrostjo 110KHz, bi morali dobiti vsakokratne PID popolnoma sveže podatke. Razlog za uporabo medianega filtra je, ker lahko preklapljanje s PWM vnese mešanice, mediani filtri pa zelo učinkovito odstranijo lažne vzorce ADC.

Pomembno je opozoriti tukaj: Kateri krak H-mostu uporabljamo za trenutne meritve? No, odvisno od tega, na kateri nogi smo trenutno PWMing in katera je le nizka. Nizko držana noga je tista, iz katere želimo izmeriti tok, saj tok vedno teče skozi uporni upor na tej strani. Za primerjavo, na strani PWMed, ko je MOSFET na visoki strani vklopljen, na spodnji strani pa izklopljen, tok ne teče skozi šant na spodnji strani. Tako na podlagi izhodne polarnosti pretvornika spremenimo, na katerem kraku merimo tok. To lahko jasno vidite na sliki, ki prikazuje izhod enega od ojačevalnikov v določenem obdobju. Očitno želimo odčitke med gladkim bitom.

V pomoč pri odpravljanju napak pri naših trenutnih odčitkih. Digitalno-analogni pretvornik sem nastavil na STM32F407. Napisal sem trenutne odčitke, ki sem jih dobil, in določil obseg izpisa. To lahko vidite na končni sliki, modra je napetost na izhodnem vmesnem uporu (tj. Izhodni tok/1,1 ohma), rdeči signal pa je naš DAC izhod.

5. korak: Filtriranje izhoda

Izhodni filter je ključni del zasnove. Od nje potrebujemo te lastnosti:

1. Blokirajte vse visokofrekvenčno preklapljanje, vendar prenesite signal 50Hz
2. Majhne izgube
3. Da ne odmeva!
4. Za obvladovanje tokov in napetosti

Fourierjeva transformacija PWM signala frekvence F, obratovalnega cikla D med 0 - V napajalnimi volti je: (D x V napajanje) + sinusni valovi na osnovni frekvenci F, nato pa harmoniki

To je briljantno! To pomeni, če damo signal PWM skozi nizkoprepustni filter, ki blokira temelj PWM in vse zgoraj. Ostaja nam le še izraz enosmerne napetosti. S spreminjanjem delovnega cikla lahko enostavno proizvedemo poljubno napetost med 0 - V napajanjem, kot je razloženo.

Na podlagi zgoraj navedenih željenih lastnosti lahko oblikujemo izhodni filter. Potrebujemo nizkoprepustni filter z minimalnim uporom, da se izognemo izgubam. Zato uporabljamo samo induktorje in kondenzatorje. Če izberemo resonančno frekvenco med 1 - 2KHz, se bomo izognili resonanci, saj ne vbrizgamo nobenih signalov blizu te frekvence. Tukaj je naša zasnova filtra. Naš izhod vzamemo kot napetost na C1.

Z izbiro L1 = L2 = 440uH, C1 = 8,4uF izračunamo resonančno frekvenco 1,85 KHz. To so tudi realne vrednosti komponent.

Bistveno je zagotoviti, da se naši induktorji ne začnejo nasičiti pri tokovih, ki jih pričakujemo. Induktorji, ki sem jih uporabil, imajo 3A nasičevalni tok. To bo omejevalni dejavnik pri izhodni moči našega vezja. Pomembno je upoštevati tudi napetost kondenzatorja. Uporabljam nekaj 450v keramike, kar je v tem primeru zelo presenetljivo!

Bode plot (za nekoliko drugačne vrednosti L/C) je bil ustvarjen z uporabo LTspice. Prikazuje slabljenje, ki ga povzročajo različne vhodne frekvence. Jasno vidimo resonančno frekvenco pri 1,8 KHz. Kaže, da je signal 50Hz skoraj v celoti brezhiben, medtem ko lahko rečem, da je signal 45 KHz oslabljen za 54 dB!

Zato izberite svojo nosilno frekvenco PWM ~ 45KHz. Z izbiro višjih nosilnih frekvenc PWM lahko povečate frekvenco filtra. To je dobro, ker so vrednosti L in C manjše. To pomeni manjše in cenejše komponente. Slaba stran je, da višje preklopne frekvence PWM povzročajo večje izgube v tranzistorskih stikalih.

Korak 6: Sinhronizacija faze in frekvence

Sinhronizacija z omrežno fazo in frekvenco je tisto, kar naredi omrežni pretvornik. Za natančno sledenje faze omrežnega signala uporabljamo digitalno izvedbo PLL (Phase Locked Loop). To naredimo tako:

1. Vzorčenje omrežne napetosti
2. Ustvarjanje lokalnega 50Hz sinusnega signala
3. Primerjava faze med našim lokalnim signalom in omrežnim signalom
4. Prilagajanje frekvence lokalnega signala, dokler ni razlika v fazah med 2 signaloma nič

1) Vzorčenje omrežne napetosti

Tretji ADC kanal konfiguriramo za branje omrežne napetosti. To dobimo z napetostjo, ki deli transformatorsko pipo, kot je prikazano. To zagotavlja lestvico napetosti, ki se giblje okoli 1,65 V, kar natančno predstavlja napetost omrežja.

2) Ustvarjanje lokalnega 50Hz sinusnega signala Izdelava našega lokalnega 50Hz sinusnega vala je enostavna. Shranimo iskalno tabelo z 256 sinusnimi vrednostmi. Našo simulirano sinusno vrednost zlahka dobimo z uporabo iskalnega indeksa, ki se postopno vrti skozi tabelo.

Če želimo dobiti 50Hz signal, moramo indeks natančno povečati. 256 x 50Hz = 12, 800/s. To naredimo s časovnikom 9, ki deluje pri 168 MHz. S čakanjem na 168 MHz/12800 = 13125 taktov bomo indeks stopnjevali po pravi hitrosti.

3) Primerjava faze med našim lokalnim signalom in omrežnim signalom To je kul del! Če zmnožek cos (wt) x sin (wt) integrirate v 1 obdobju, je rezultat nič. Če je razlika v fazah drugačna od 90 stopinj, dobite številko, ki ni nič. Matematično:

Integral [Asin (t) x Bsin (t + φ)] = Ccos (φ)

To je odlično! Omogoča nam primerjavo omrežnega signala, sin (ωt) z lokalnim signalom, sin (⍵t + φ) in dobimo vrednost.

Obstaja pa vprašanje, ki ga je treba obravnavati: če želimo, da naši signali ostanejo v fazi, moramo prilagoditi svojo lokalno frekvenco, da bo izraz Ccos (φ) čim večji. To ne bo delovalo dobro in dobili bomo slabo sledenje faz. To je zato, ker je d/dφ ɑcos (φ) 0 pri φ = 0. To pomeni, da se izraz Ccos (φ) ne bo zelo spreminjal s spremembami faze. Je to smiselno?

Veliko bolje bi bilo fazni premik vzorčenega omrežnega signala za 90 stopinj, tako da postane cos (ωt + φ). Potem imamo tole:

Integral [Asin (t) Bcos (t + φ)] = Csin (φ)

Uvedba faznega premika za 90 stopinj je enostavna, samo vstavimo vzorce napetosti omrežnega ADC v en konec pufra in jih kasneje vzamemo več vzorcev, kar ustreza faznemu premiku za 90 stopinj. Ker se frekvenca omrežja skoraj ne spreminja od 50Hz, preprosta tehnika zakasnitve deluje odlično.

Sedaj pomnožimo 90 -stopinjski fazno premaknjeni omrežni signal z lokalnim signalom in ohranimo delujoč integral izdelka v zadnjem obdobju (tj. V zadnjih 256 vrednostih).

Rezultat, ki ga poznamo, bo nič, če se 2 signala natančno vzdržujeta 90 stopinj narazen. To je fantastično, ker razveljavi fazni premik, ki smo ga pravkar uporabili za omrežni signal. Da pojasnimo, namesto da maksimiziramo integralni izraz, ga poskušamo obdržati na nič in fazni premik omrežnega signala. Fazni premiki za 90 stopinj, ki jih uvedeta ti dve spremembi, se medsebojno izničijo.

Če torej Integral_Result <0, vemo, da moramo povečati frekvenco lokalnega oscilatorja, da jo vrnemo v fazo z omrežjem, in obratno.

4) Nastavitev frekvence lokalnega signala Ta bit je enostaven. Prek indeksa preprosto prilagodimo obdobje med povečevanjem. Omejujemo, kako hitro lahko popravimo fazno razliko, pri čemer v bistvu izločimo lažne podatke. To naredimo s krmilnikom PI z zelo majhnim izrazom I.

In to je to. Naš lokalni sinusni oscilator (ki nastavi nastavljeno vrednost izhodnega toka) smo zaklenili v fazo z omrežno napetostjo. Uvedli smo algoritem PLL in deluje kot sanje!

Povečanje frekvence našega lokalnega oscilatorja prav tako zmanjša fazni premik, ki se vklopi v omrežni signal. Ker omejimo frekvenčno prilagoditev na +/- 131 tikov (+/- ~ 1%), bomo na fazni premik vplivali največ za +/- 1 °. Med sinhronizacijo faz to ne bo pomembno.

Teoretično, če bi omrežna frekvenca odstopala za več kot 0,5Hz, bi izgubili fazno zaporo. To je posledica naše zgornje omejitve glede tega, koliko lahko prilagodimo frekvenco lokalnega oscilatorja. Vendar se to ne bo zgodilo, razen če bo omrežje kmalu odpovedalo. Naša zaščita proti otokom bo tako ali tako začela.

Ob zagonu izvedemo zaznavanje ničelnega prehoda, da se potrudimo po zagonu signalov v fazi od zamika.

7. korak: Zaščita proti otokom

Wikipedia ima odličen članek o tehnikah iskanja in preprečevanja otokov. Prav tako pomeni, da ljudje pri tej temi sikajo in mahajo več kot je potrebno. "Oh, ne morete zgraditi svojega lastnega pretvornika omrežnih vezi, ubili boste nekoga itd itd."

Kot je bolje razloženo v članku wikipedije, uporabljamo nekaj varnostnih ukrepov, ki skupaj zagotavljajo ustrezno zaščito (po mojem mnenju):

1. Pod/prenapetostjo
2. Premajhna/previsoka frekvenca

Te situacije lahko zaznamo tako, da preprosto analiziramo vzorčeno skalirano omrežno napetost. Če gre kaj narobe, onemogočite H-most in počakajte, da se stvari normalizirajo.