Come progettare e implementare un inverter monofase: 9 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Questo Instructable esplora l'uso dei CMIC GreenPAK™ di Dialog nelle applicazioni di elettronica di potenza e dimostrerà l'implementazione di un inverter monofase utilizzando varie metodologie di controllo. Diversi parametri vengono utilizzati per determinare la qualità dell'inverter monofase. Un parametro importante è la distorsione armonica totale (THD). THD è una misura della distorsione armonica in un segnale ed è definita come il rapporto tra la somma delle potenze di tutte le componenti armoniche e la potenza della frequenza fondamentale.

Di seguito sono descritti i passaggi necessari per comprendere come è stata programmata la soluzione per creare l'inverter monofase. Tuttavia, se desideri solo ottenere il risultato della programmazione, scarica il software GreenPAK per visualizzare il file di progettazione GreenPAK già completato. Collega il kit di sviluppo GreenPAK al tuo computer e premi il programma per creare l'inverter monofase.

Passaggio 1: inverter monofase

Un inverter di potenza, o inverter, è un dispositivo elettronico o un circuito che cambia la corrente continua (DC) in corrente alternata (AC). A seconda del numero di fasi dell'uscita AC, esistono diversi tipi di inverter.

● Inverter monofase

● Inverter trifase

DC è il flusso unidirezionale di carica elettrica. Se viene applicata una tensione costante su un circuito puramente resistivo, si ottiene una corrente costante. Comparativamente, con AC, il flusso di corrente elettrica inverte periodicamente la polarità. La forma d'onda CA più tipica è un'onda sinusoidale, ma può anche essere un'onda triangolare o quadra. Per trasferire energia elettrica con profili di corrente diversi, sono necessari dispositivi speciali. I dispositivi che convertono la corrente alternata in corrente continua sono noti come raddrizzatori e i dispositivi che convertono la corrente alternata in corrente alternata sono noti come inverter.

Fase 2: Topologie di inverter monofase

Esistono due principali topologie di inverter monofase; topologie half-bridge e full-bridge. Questa nota applicativa si concentra sulla topologia a ponte intero, poiché fornisce il doppio della tensione di uscita rispetto alla topologia a mezzo ponte.

Passaggio 3: Topologia a ponte intero

In una topologia full-bridge sono necessari 4 interruttori, poiché la tensione alternata di uscita è ottenuta dalla differenza tra due rami di celle di commutazione. La tensione di uscita è ottenuta accendendo e spegnendo intelligentemente i transistor in particolari istanti di tempo. Ci sono quattro diversi stati a seconda di quali interruttori sono chiusi. La tabella seguente riassume gli stati e la tensione di uscita in base a quali interruttori sono chiusi.

Per massimizzare la tensione di uscita, la componente fondamentale della tensione di ingresso su ogni ramo deve essere sfasata di 180º. I semiconduttori di ogni ramo sono complementari nelle prestazioni, vale a dire quando uno è in conduzione l'altro è interrotto e viceversa. Questa topologia è la più utilizzata per gli inverter. Lo schema in Figura 1 mostra il circuito di una topologia a ponte intero per un inverter monofase.

Passaggio 4: transistor bipolare a gate isolato

Il transistor bipolare a gate isolato (IGBT) è come un MOSFET con l'aggiunta di una terza giunzione PN. Ciò consente un controllo basato sulla tensione, come un MOSFET, ma con caratteristiche di uscita come un BJT per quanto riguarda carichi elevati e bassa tensione di saturazione.

Si possono osservare quattro regioni principali sul suo comportamento statico.

● Regione delle valanghe

● Regione di saturazione

● Area di taglio

● Regione attiva

La regione della valanga è l'area in cui viene applicata una tensione inferiore alla tensione di rottura, con conseguente distruzione dell'IGBT. L'area di taglio include valori dalla tensione di rottura fino alla tensione di soglia, in cui l'IGBT non conduce. Nella regione di saturazione, l'IGBT si comporta come una sorgente di tensione dipendente e una resistenza in serie. Con basse variazioni di tensione, è possibile ottenere un'elevata amplificazione della corrente. Questa zona è la più desiderabile per il funzionamento. Se la tensione viene aumentata, l'IGBT entra nella regione attiva e la corrente rimane costante. C'è una tensione massima applicata per l'IGBT per garantire che non entri nella regione delle valanghe. Questo è uno dei semiconduttori più utilizzati nell'elettronica di potenza, poiché può supportare un'ampia gamma di tensioni da pochi volt a kV e potenze comprese tra kW e MW.

Questi transistor bipolari a gate isolato fungono da dispositivi di commutazione per la topologia di inverter monofase a ponte intero.

Passaggio 5: blocco di modulazione della larghezza dell'impulso in GreenPAK

Il blocco Pulse Width Modulation (PWM) è un blocco utile che può essere utilizzato per un'ampia gamma di applicazioni. Il blocco DCMP/PWM può essere configurato come blocco PWM. Il blocco PWM può essere fornito tramite FSM0 e FSM1. Il pin PWM IN+ è collegato a FSM0 mentre il pin IN- è collegato a FSM1. Sia FSM0 che FSM1 forniscono dati a 8 bit al blocco PWM. Il periodo di tempo PWM è definito dal periodo di tempo di FSM1. Il ciclo di lavoro per il blocco PWM è controllato dall'FSM0.

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

Sono disponibili due opzioni per la configurazione del ciclo di lavoro:

● 0-99,6%: DC varia da 0% a 99,6% ed è determinato come IN+/256.

● 0,39-100%: DC varia da 0,39% a 100% ed è determinato come (IN+ + 1)/256.

Passaggio 6: progettazione GreenPAK per l'implementazione dell'onda quadra basata su PWM

Esistono diverse metodologie di controllo che possono essere utilizzate per implementare un inverter monofase. Una tale strategia di controllo include un'onda quadra basata su PWM per l'inverter monofase.

Un CMIC GreenPAK viene utilizzato per generare schemi di commutazione periodici al fine di convertire comodamente la corrente continua in corrente alternata. Le tensioni DC sono alimentate dalla batteria e l'uscita ottenuta dall'inverter può essere utilizzata per alimentare il carico AC. Ai fini di questa nota applicativa, la frequenza CA è stata impostata su 50Hz, una frequenza di alimentazione domestica comune in molte parti del mondo. Di conseguenza, il periodo è di 20 ms.

Lo schema di commutazione che deve essere generato da GreenPAK per SW1 e SW4 è mostrato nella Figura 3.

Lo schema di commutazione per SW2 e SW3 è mostrato in Figura 4

I suddetti schemi di commutazione possono essere convenientemente prodotti utilizzando un blocco PWM. Il periodo di tempo PWM è impostato dal periodo di tempo di FSM1. Il periodo di tempo per FSM1 deve essere impostato a 20ms corrispondente alla frequenza di 50Hz. Il ciclo di lavoro per il blocco PWM è controllato dai dati provenienti da FSM0. Per generare il ciclo di lavoro del 50%, il valore del contatore FSM0 è impostato su 128.

Il design GreenPAK corrispondente è mostrato nella Figura 5.

Passaggio 7: svantaggio della strategia di controllo dell'onda quadra

L'utilizzo della strategia di controllo dell'onda quadra fa sì che l'inverter produca una grande quantità di armoniche. Oltre alla frequenza fondamentale, gli inverter ad onda quadra hanno componenti di frequenza dispari. Queste armoniche causano la saturazione del flusso della macchina, portando così a scarse prestazioni della macchina, a volte danneggiando anche l'hardware. Quindi, il THD prodotto da questi tipi di inverter è molto grande. Per ovviare a questo problema è possibile utilizzare un'altra strategia di controllo nota come Quasi-Onda quadra per ridurre significativamente la quantità di armoniche prodotte dall'inverter.

Passaggio 8: progettazione GreenPAK per l'implementazione dell'onda quasi quadrata basata su PWM

Nella strategia di controllo dell'onda quasi quadra, viene introdotta una tensione di uscita zero che può ridurre significativamente le armoniche presenti nella forma d'onda quadra convenzionale. I principali vantaggi dell'utilizzo di un inverter a onda quasi quadra includono:

● È possibile controllare l'ampiezza della componente fondamentale (controllando α)

● Alcuni contenuti armonici possono essere eliminati (anche controllando α)

L'ampiezza della componente fondamentale può essere controllata controllando il valore di α come mostrato nella Formula 1.

L'ennesima armonica può essere eliminata se la sua ampiezza viene azzerata. Ad esempio, l'ampiezza della terza armonica (n=3) è zero quando α = 30° (Formula 2).

Il progetto GreenPAK per l'implementazione della strategia di controllo Quasi-Onda quadra è mostrato nella Figura 9.

Il blocco PWM viene utilizzato per generare una forma d'onda quadra con un ciclo di lavoro del 50%. La tensione di uscita zero viene introdotta ritardando la tensione che appare attraverso l'uscita Pin-15. Il blocco P-DLY1 è configurato per rilevare il fronte di salita della forma d'onda. P-DLY1 rileverà periodicamente il fronte di salita dopo ogni periodo e attiverà il blocco DLY-3, che produce un ritardo di 2 ms prima di sincronizzare il VDD attraverso un D-flip flop per abilitare l'uscita Pin-15.

Il pin-15 può far accendere sia SW1 che SW4. Quando ciò si verifica, apparirà una tensione positiva attraverso il carico.

Il meccanismo di rilevamento del fronte di salita P-DLY1 attiva anche il blocco DLY-7, che dopo 8 ms ripristina il D-flip flop e appare 0 V sull'uscita.

Anche DLY-8 e DLY-9 vengono attivati dallo stesso fronte di salita. DLY-8 produce un ritardo di 10 ms e attiva nuovamente DLY-3, che dopo 2 ms sincronizza il DFF causando un massimo logico attraverso le due porte AND.

A questo punto Out+ dal blocco PWM diventa 0, in quanto il duty cycle del blocco è stato configurato al 50 %. Out- apparirà sul Pin-16 provocando l'accensione di SW2 e SW3, producendo una tensione alternata attraverso il carico. Dopo 18 ms DLY-9 ripristinerà il DFF e 0V apparirà attraverso il Pin-16 e il ciclo periodico continuerà a emettere un segnale CA.

La configurazione per i diversi blocchi GreenPAK è mostrata nelle Figure 10-14.

Passaggio 9: risultati

La tensione di 12 V CC viene fornita dalla batteria all'inverter. L'inverter converte questa tensione in una forma d'onda CA. L'uscita dall'inverter è alimentata a un trasformatore elevatore che converte la tensione di 12 V CA in 220 V che può essere utilizzata per pilotare i carichi CA.

Conclusione

In questo Instructable, abbiamo implementato un inverter monofase utilizzando strategie di controllo ad onda quadra e quasi quadra utilizzando GreenPAK a CMIC. I CMIC GreenPAK fungono da conveniente sostituto dei microcontrollori e dei circuiti analogici utilizzati convenzionalmente per implementare un inverter monofase. Inoltre, i CMIC GreenPAK hanno un potenziale nella progettazione di inverter trifase.