نحوه طراحی و پیاده سازی اینورتر تکفاز: 9 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:53

این دستورالعمل استفاده از CMIC های GreenPAK D Dialog در برنامه های الکترونیک قدرت را بررسی می کند و اجرای یک اینورتر تک فاز را با استفاده از روش های مختلف کنترل نشان می دهد. پارامترهای مختلفی برای تعیین کیفیت اینورتر تک فاز استفاده می شود. یک پارامتر مهم ، اعوجاج کامل هماهنگ (THD) است. THD اندازه گیری اعوجاج هارمونیک در سیگنال است و به عنوان نسبت مجموع قدرت همه اجزای هارمونیک به توان فرکانس اساسی تعریف می شود.

در زیر مراحل مورد نیاز برای درک نحوه برنامه ریزی راه حل برای ایجاد اینورتر تک فاز را شرح دادیم. با این حال ، اگر فقط می خواهید نتیجه برنامه نویسی را دریافت کنید ، نرم افزار GreenPAK را بارگیری کنید تا فایل طراحی GreenPAK را که قبلاً تکمیل شده است مشاهده کنید. کیت توسعه GreenPAK را به کامپیوتر خود وصل کرده و برنامه را انتخاب کنید تا اینورتر تک فاز ایجاد شود.

مرحله 1: اینورتر تک فاز

اینورتر قدرت یا اینورتر یک دستگاه یا مدار الکترونیکی است که جریان مستقیم (DC) را به جریان متناوب (AC) تغییر می دهد. بسته به تعداد فازهای خروجی AC ، انواع مختلفی از اینورترها وجود دارد.

in اینورترهای تک فاز

in اینورتر سه فاز

DC جریان یک طرفه بار الکتریکی است. اگر یک ولتاژ ثابت در یک مدار کاملاً مقاومتی اعمال شود ، یک جریان ثابت ایجاد می کند. در مقایسه ، با جریان AC ، جریان جریان الکتریکی به صورت دوره ای قطبیت را معکوس می کند. معمولی ترین شکل موج AC یک موج سینوسی است ، اما می تواند یک موج مثلثی یا مربعی نیز باشد. به منظور انتقال توان الکتریکی با پروفیل های مختلف جریان ، دستگاه های خاصی مورد نیاز است. دستگاههایی که AC را به DC تبدیل می کنند به عنوان یکسو کننده و دستگاههایی که DC را به AC تبدیل می کنند به عنوان اینورتر شناخته می شوند.

مرحله 2: توپولوژی های اینورتر تکفاز

دو توپولوژی اصلی اینورترهای تک فاز وجود دارد. توپولوژی نیمه پل و پل کامل. این یادداشت کاربردی بر توپولوژی پل کامل تمرکز دارد ، زیرا ولتاژ خروجی را در مقایسه با توپولوژی نیم پل دو برابر فراهم می کند.

مرحله 3: توپولوژی کامل پل

در توپولوژی پل کامل به 4 کلید نیاز است ، زیرا ولتاژ خروجی متناوب با تفاوت بین دو شاخه سلولهای سوئیچینگ بدست می آید. ولتاژ خروجی با روشن و خاموش کردن ترانزیستورها در زمانهای خاص به دست می آید. بسته به بسته بودن سوئیچ ها ، چهار حالت مختلف وجود دارد. جدول زیر حالت ها و ولتاژ خروجی را که بر اساس آن سوئیچ ها بسته شده اند ، خلاصه می کند.

برای به حداکثر رساندن ولتاژ خروجی ، جزء اساسی ولتاژ ورودی در هر شاخه باید 180 درجه فاز خارج باشد. نیمه رساناهای هر شاخه از نظر عملکرد مکمل یکدیگر هستند ، یعنی وقتی یکی هدایت می کند ، دیگری قطع می شود و برعکس. این توپولوژی بیشترین کاربرد را برای اینورترها دارد. نمودار شکل 1 مدار یک توپولوژی پل کامل برای اینورتر تکفاز را نشان می دهد.

مرحله 4: ترانزیستور دو قطبی دروازه عایق شده

ترانزیستور دو قطبی دروازه عایق شده (IGBT) مانند یک ماسفت با افزودن سومین اتصال PN است. این اجازه می دهد تا کنترل مبتنی بر ولتاژ ، مانند MOSFET ، اما با ویژگی های خروجی مانند BJT در مورد بارهای زیاد و ولتاژ اشباع پایین.

چهار ناحیه اصلی را می توان در رفتار استاتیک آن مشاهده کرد.

Region منطقه بهمن

Region منطقه اشباع

● منطقه برش

Region منطقه فعال

منطقه بهمن منطقه ای است که ولتاژ زیر ولتاژ خرابی اعمال می شود و در نتیجه IGBT از بین می رود. منطقه برش شامل مقادیری از ولتاژ شکست تا ولتاژ آستانه است ، در حالی که IGBT انجام نمی دهد. در منطقه اشباع ، IGBT به عنوان منبع ولتاژ وابسته و مقاومت سری عمل می کند. با تغییرات کم ولتاژ ، می توان به تقویت جریان زیاد دست یافت. این منطقه برای عملیات مطلوب ترین است. اگر ولتاژ افزایش یابد ، IGBT وارد منطقه فعال می شود و جریان ثابت می ماند. حداکثر ولتاژ برای IGBT اعمال می شود تا از ورود آن به منطقه بهمن اطمینان حاصل شود. این یکی از پرکاربردترین نیمه هادی ها در الکترونیک قدرت است ، زیرا می تواند طیف وسیعی از ولتاژها را از چند ولت تا کیلوولت و توان بین کیلو وات و مگاوات پشتیبانی کند.

این ترانزیستورهای دوقطبی دروازه عایق شده به عنوان دستگاه های سوئیچینگ برای توپولوژی اینورتر تک فاز کامل پل عمل می کنند.

مرحله 5: بلوک مدولاسیون عرض پالس در GreenPAK

بلوک مدولاسیون عرض پالس (PWM) یک بلوک مفید است که می تواند برای طیف گسترده ای از برنامه ها استفاده شود. بلوک DCMP/PWM را می توان به عنوان یک بلوک PWM پیکربندی کرد. بلوک PWM را می توان از طریق FSM0 و FSM1 تهیه کرد. پین PWM IN+ به FSM0 و IN-pin به FSM1 متصل است. FSM0 و FSM1 داده های 8 بیتی را به PWM Block ارائه می دهند. دوره زمانی PWM با دوره زمانی FSM1 تعریف می شود. چرخه وظیفه برای بلوک PWM توسط FSM0 کنترل می شود.

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

دو گزینه برای پیکربندی چرخه وظیفه وجود دارد:

● 0-99.6٪: DC از 0 تا 99.6 درصد متغیر است و به عنوان IN+/256 تعیین می شود.

9 0.39-100:: DC از 0.39 to تا 100 ranges متغیر است و به عنوان (IN + + 1)/256 تعیین می شود.

مرحله 6: طراحی GreenPAK برای پیاده سازی موج مربعی مبتنی بر PWM

روشهای کنترل متفاوتی وجود دارد که می توان از آنها برای پیاده سازی اینورتر تک فاز استفاده کرد. یکی از این استراتژی های کنترل شامل یک موج مربعی مبتنی بر PWM برای اینورتر تک فاز است.

از GreenPAK CMIC برای ایجاد الگوهای سوئیچینگ دوره ای به منظور تبدیل راحت DC به AC استفاده می شود. ولتاژهای DC از باتری تغذیه می شود و خروجی به دست آمده از اینورتر می تواند برای تامین بار AC استفاده شود. به منظور توجه به این برنامه ، فرکانس AC روی 50 هرتز تنظیم شده است ، یک فرکانس مشترک خانگی در بسیاری از نقاط جهان. به همین ترتیب ، دوره 20 میلی ثانیه است.

الگوی سوئیچینگ که باید توسط GreenPAK برای SW1 و SW4 ایجاد شود در شکل 3 نشان داده شده است.

الگوی سوئیچینگ برای SW2 و SW3 در شکل 4 نشان داده شده است

الگوهای سوئیچینگ فوق را می توان با استفاده از یک بلوک PWM به راحتی تولید کرد. دوره زمانی PWM با دوره زمانی FSM1 تنظیم می شود. دوره زمانی برای FSM1 باید 20ms مربوط به فرکانس 50Hz تنظیم شود. چرخه وظیفه برای بلوک PWM توسط داده های تهیه شده از FSM0 کنترل می شود. به منظور ایجاد چرخه وظیفه 50٪ ، مقدار شمارنده FSM0 برابر 128 است.

طرح مربوطه GreenPAK در شکل 5 نشان داده شده است.

مرحله 7: مضرات استراتژی کنترل موج مربع

استفاده از استراتژی کنترل موج مربعی باعث می شود که اینورتر مقدار زیادی هارمونیک تولید کند. جدا از فرکانس اساسی ، اینورترهای موج مربعی دارای اجزای فرکانس فرد هستند. این هارمونیک ها باعث اشباع شار ماشین می شوند ، بنابراین منجر به عملکرد ضعیف دستگاه می شود و حتی گاهی به سخت افزار آسیب می رساند. از این رو THD تولید شده توسط این نوع اینورترها بسیار بزرگ است. به منظور غلبه بر این مشکل ، می توان از استراتژی کنترلی دیگری موسوم به موج شبه مربعی استفاده کرد تا میزان هارمونیک های تولید شده توسط اینورتر را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.

مرحله 8: طراحی GreenPAK برای پیاده سازی موج شبه مربع مبتنی بر PWM

در استراتژی کنترل موج شبه مربع ، ولتاژ خروجی صفر معرفی می شود که می تواند هارمونیک های موجود در شکل موج مربعی معمولی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. مزایای عمده استفاده از اینورتر موج شبه مربع عبارتند از:

● دامنه جزء اساسی را می توان کنترل کرد (با کنترل α)

contents برخی از محتویات هارمونیک را می توان حذف کرد (همچنین با کنترل α)

دامنه جزء اساسی را می توان با کنترل مقدار α که در فرمول 1 نشان داده شده است ، کنترل کرد.

هارمونیک نهم اگر دامنه آن صفر شود قابل حذف است. به عنوان مثال ، دامنه هارمونیک سوم (n = 3) در صورت α = 30 درجه (فرمول 2) صفر است.

طرح GreenPAK برای اجرای استراتژی کنترل شبه مربع در شکل 9 نشان داده شده است.

بلوک PWM برای تولید شکل موج مربعی با 50٪ چرخه وظیفه استفاده می شود. ولتاژ خروجی صفر با تأخیر ولتاژ ظاهر شده در خروجی Pin-15 وارد می شود. بلوک P-DLY1 برای تشخیص لبه در حال افزایش شکل موج پیکربندی شده است. P-DLY1 به صورت دوره ای لبه رو به بالا را پس از هر دوره تشخیص می دهد و بلوک DLY-3 را فعال می کند ، که قبل از تنظیم VDD در یک فلیپ فلاپ D تاخیر 2 ثانیه ای ایجاد می کند تا خروجی Pin-15 فعال شود.

پین 15 می تواند باعث روشن شدن SW1 و SW4 شود. هنگامی که این اتفاق می افتد ، یک ولتاژ مثبت در سراسر بار ظاهر می شود.

مکانیزم تشخیص لبه بالا P-DLY1 بلوک DLY-7 را نیز فعال می کند که پس از 8ms تنظیم مجدد فلیپ فلاپ D و 0 V در خروجی ظاهر می شود.

DLY-8 و DLY-9 نیز از همان لبه بالا رونده فعال می شوند. DLY-8 10 میلی ثانیه تأخیر ایجاد می کند و دوباره DLY-3 را فعال می کند ، که بعد از 2 میلی ثانیه DFF را به هم می رساند و باعث افزایش منطقی در دو دروازه AND می شود.

در این مرحله Out+ از بلوک PWM 0 می شود ، زیرا چرخه وظیفه بلوک 50 conf پیکربندی شده است. خروجی در پین 16 ظاهر می شود که باعث روشن شدن SW2 و SW3 می شود و ولتاژ متناوبی در بار ایجاد می کند. بعد از 18ms DLY-9 DFF را بازنشانی می کند و 0V در پین 16 ظاهر می شود و چرخه دوره ای به خروج سیگنال AC ادامه می دهد.

پیکربندی بلوک های مختلف GreenPAK در شکل های 10-14 نشان داده شده است.

مرحله 9: نتایج

ولتاژ 12 ولت DC از باتری به اینورتر وصل می شود. اینورتر این ولتاژ را به شکل موج AC تبدیل می کند. خروجی اینورتر به یک ترانسفورماتور تقویت کننده تغذیه می شود که ولتاژ AC 12 ولت را به 220 ولت تبدیل می کند که می تواند برای حرکت بارهای AC استفاده شود.

نتیجه

در این دستورالعمل ، ما یک مبدل تک فاز را با استفاده از استراتژی های کنترل موج مربع و شبه مربع با استفاده از GreenPAK a CMIC پیاده سازی کرده ایم. GreenPAK CMIC به عنوان یک جایگزین مناسب برای کنترلرهای میکرو و مدارهای آنالوگ عمل می کند که به طور معمول برای پیاده سازی اینورتر تک فاز استفاده می شود. علاوه بر این ، CMIC های GreenPAK در طراحی اینورترهای سه فاز پتانسیل دارند.