Entwerfen und Implementieren eines einphasigen Wechselrichters - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:16

Dieses Instructable untersucht die Verwendung der GreenPAK™ CMICs von Dialog in Leistungselektronikanwendungen und demonstriert die Implementierung eines einphasigen Wechselrichters mit verschiedenen Steuermethoden. Zur Bestimmung der Qualität des einphasigen Wechselrichters werden verschiedene Parameter verwendet. Ein wichtiger Parameter ist die totale harmonische Verzerrung (THD). THD ist ein Maß für die harmonische Verzerrung in einem Signal und ist definiert als das Verhältnis der Summe der Leistungen aller harmonischen Komponenten zur Leistung der Grundfrequenz.

Im Folgenden haben wir die erforderlichen Schritte beschrieben, um zu verstehen, wie die Lösung programmiert wurde, um den einphasigen Wechselrichter zu erstellen. Wenn Sie jedoch nur das Ergebnis der Programmierung erhalten möchten, laden Sie die GreenPAK-Software herunter, um die bereits fertige GreenPAK-Designdatei anzuzeigen. Schließen Sie das GreenPAK Development Kit an Ihren Computer an und klicken Sie auf Programm, um den einphasigen Wechselrichter zu erstellen.

Schritt 1: Einphasiger Wechselrichter

Ein Wechselrichter oder Wechselrichter ist ein elektronisches Gerät oder eine Schaltung, die Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umwandelt. Abhängig von der Anzahl der Phasen des AC-Ausgangs gibt es verschiedene Arten von Wechselrichtern.

● Einphasige Wechselrichter

● Dreiphasige Wechselrichter

Gleichstrom ist der unidirektionale Fluss elektrischer Ladung. Wird an einem rein ohmschen Stromkreis eine konstante Spannung angelegt, ergibt sich ein konstanter Strom. Im Vergleich dazu kehrt bei Wechselstrom der elektrische Stromfluss periodisch die Polarität um. Die typischste AC-Wellenform ist eine Sinuswelle, sie kann aber auch eine Dreieck- oder Rechteckwelle sein. Um elektrische Leistung mit unterschiedlichen Stromprofilen zu übertragen, sind spezielle Geräte erforderlich. Geräte, die Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln, werden als Gleichrichter bezeichnet und Geräte, die Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln, werden als Wechselrichter bezeichnet.

Schritt 2: Topologien des einphasigen Wechselrichters

Es gibt zwei Haupttopologien von einphasigen Wechselrichtern; Halbbrücken- und Vollbrückentopologien. Diese Application Note konzentriert sich auf die Vollbrückentopologie, da sie im Vergleich zur Halbbrückentopologie die doppelte Ausgangsspannung liefert.

Schritt 3: Vollbrückentopologie

In einer Vollbrückentopologie werden 4 Schalter benötigt, da die Ausgangswechselspannung durch die Differenz zwischen zwei Schaltzellenzweigen gewonnen wird. Die Ausgangsspannung wird durch intelligentes Ein- und Ausschalten der Transistoren zu bestimmten Zeitpunkten gewonnen. Je nachdem, welche Schalter geschlossen sind, gibt es vier verschiedene Zustände. Die folgende Tabelle fasst die Zustände und die Ausgangsspannung basierend auf den geschlossenen Schaltern zusammen.

Um die Ausgangsspannung zu maximieren, muss die Grundschwingung der Eingangsspannung an jedem Zweig um 180º phasenverschoben sein. Die Halbleiter jedes Zweigs sind leistungskomplementär, dh wenn einer leitet, ist der andere gesperrt und umgekehrt. Diese Topologie wird bei Wechselrichtern am häufigsten verwendet. Das Diagramm in Bild 1 zeigt die Schaltung einer Vollbrückentopologie für einen einphasigen Wechselrichter.

Schritt 4: Bipolartransistor mit isoliertem Gate

Der Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) ist wie ein MOSFET mit einem dritten PN-Übergang. Dies ermöglicht eine spannungsbasierte Steuerung wie bei einem MOSFET, jedoch mit Ausgangseigenschaften wie bei einem BJT bezüglich hoher Lasten und niedriger Sättigungsspannung.

An seinem statischen Verhalten lassen sich vier Hauptbereiche beobachten.

● Lawinengebiet

● Sättigungsbereich

● Schnittbereich

● Aktive Region

Der Avalanche-Bereich ist der Bereich, in dem eine Spannung unterhalb der Durchbruchspannung angelegt wird, was zur Zerstörung des IGBT führt. Der Schnittbereich umfasst Werte von der Durchbruchspannung bis zur Schwellenspannung, wobei der IGBT nicht leitet. Im Sättigungsbereich verhält sich der IGBT wie eine abhängige Spannungsquelle und ein Serienwiderstand. Bei geringen Spannungsschwankungen kann eine hohe Stromverstärkung erreicht werden. Dieser Bereich ist für den Betrieb am wünschenswertesten. Wenn die Spannung erhöht wird, tritt der IGBT in den aktiven Bereich ein und der Strom bleibt konstant. Für den IGBT wird eine maximale Spannung angelegt, um sicherzustellen, dass er nicht in die Lawinenregion eindringt. Dies ist einer der am häufigsten verwendeten Halbleiter in der Leistungselektronik, da er einen weiten Spannungsbereich von wenigen Volt bis kV und Leistungen zwischen kW und MW unterstützen kann.

Diese Bipolartransistoren mit isoliertem Gate dienen als Schaltgeräte für die einphasige Vollbrücken-Wechselrichtertopologie.

Schritt 5: Pulsweitenmodulationsblock in GreenPAK

Der Block Pulsweitenmodulation (PWM) ist ein nützlicher Block, der für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet werden kann. Der DCMP/PWM-Block kann als PWM-Block konfiguriert werden. Der PWM-Block kann über FSM0 und FSM1 bezogen werden. PWM-Pin IN+ ist mit FSM0 verbunden, während IN-Pin mit FSM1 verbunden ist. Sowohl FSM0 als auch FSM1 liefern 8-Bit-Daten an den PWM-Block. Die PWM-Zeitdauer wird durch die Zeitdauer von FSM1 definiert. Das Tastverhältnis für den PWM-Block wird vom FSM0 gesteuert.

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

Es gibt zwei Optionen für die Duty-Cycle-Konfiguration:

● 0-99,6%: DC reicht von 0% bis 99,6% und wird als IN+/256 bestimmt.

● 0,39-100 %: DC reicht von 0,39 % bis 100 % und wird als (IN+ + 1)/256 bestimmt.

Schritt 6: GreenPAK-Design für die PWM-basierte Rechteckwellenimplementierung

Es gibt verschiedene Steuermethoden, die verwendet werden können, um einen einphasigen Wechselrichter zu implementieren. Eine solche Steuerstrategie umfasst eine PWM-basierte Rechteckwelle für den einphasigen Wechselrichter.

Ein GreenPAK CMIC wird verwendet, um periodische Schaltmuster zu erzeugen, um Gleichstrom bequem in Wechselstrom umzuwandeln. Die DC-Spannungen werden aus der Batterie gespeist und die vom Wechselrichter gewonnene Leistung kann zur Versorgung der AC-Last verwendet werden. Für diesen Anwendungshinweis wurde die Wechselstromfrequenz auf 50 Hz eingestellt, eine in vielen Teilen der Welt übliche Haushaltsnetzfrequenz. Dementsprechend beträgt die Periode 20 ms.

Das Schaltmuster, das von GreenPAK für SW1 und SW4 generiert werden muss, ist in Abbildung 3 dargestellt.

Das Schaltmuster für SW2 und SW3 ist in Abbildung 4 dargestellt

Die obigen Schaltmuster können bequem unter Verwendung eines PWM-Blocks erzeugt werden. Der PWM-Zeitraum wird durch den Zeitraum von FSM1 eingestellt. Die Zeitspanne für FSM1 muss auf 20 ms eingestellt werden, was einer Frequenz von 50 Hz entspricht. Das Tastverhältnis für den PWM-Block wird durch die von FSM0 gelieferten Daten gesteuert. Um das 50% Tastverhältnis zu erzeugen, wird der FSM0-Zählerwert auf 128 gesetzt.

Das entsprechende GreenPAK-Design ist in Abbildung 5 dargestellt.

Schritt 7: Nachteil der Rechteckwellensteuerungsstrategie

Die Verwendung der Rechteckwellen-Steuerungsstrategie führt dazu, dass der Wechselrichter eine große Menge an Oberwellen erzeugt. Abgesehen von der Grundfrequenz haben Rechteckwellen-Wechselrichter ungerade Frequenzkomponenten. Diese Oberwellen führen zu einer Sättigung des Maschinenflusses, was zu einer schlechten Leistung der Maschine führt und manchmal sogar die Hardware beschädigt. Daher ist der von diesen Wechselrichtertypen erzeugte THD sehr groß. Um dieses Problem zu überwinden, kann eine andere als Quasi-Square-Welle bekannte Regelstrategie verwendet werden, um die Menge der vom Wechselrichter erzeugten Oberwellen signifikant zu reduzieren.

Schritt 8: GreenPAK-Design für die PWM-basierte Quasi-Square-Wave-Implementierung

Bei der Quasi-Rechteckwellen-Steuerungsstrategie wird eine Null-Ausgangsspannung eingeführt, die die in der herkömmlichen Rechteckwellenform vorhandenen Oberwellen erheblich reduzieren kann. Zu den Hauptvorteilen der Verwendung eines Quasi-Rechteck-Wechselrichters gehören:

● Amplitude der Grundschwingung kann gesteuert werden (durch Steuerung von α)

● Bestimmte Oberwellenanteile können eliminiert werden (auch durch Steuerung von α)

Die Amplitude der Grundkomponente kann durch Steuern des Wertes von α gesteuert werden, wie in Formel 1 gezeigt.

Die n-te Harmonische kann eliminiert werden, wenn ihre Amplitude zu Null gemacht wird. Zum Beispiel ist die Amplitude der dritten Harmonischen (n=3) null, wenn α = 30° (Formel 2).

Das GreenPAK-Design zur Implementierung der Quasi-Rechteckwellen-Regelstrategie ist in Abbildung 9 dargestellt.

Der PWM-Block wird verwendet, um eine Rechteckwellenform mit 50 % Tastverhältnis zu erzeugen. Die Null-Ausgangsspannung wird eingeführt, indem die Spannung verzögert wird, die am Ausgang Pin-15 auftritt. Der P-DLY1-Block ist so konfiguriert, dass er die steigende Flanke der Wellenform erkennt. P-DLY1 erkennt periodisch die steigende Flanke nach jeder Periode und triggert den DLY-3-Block, der eine Verzögerung von 2 ms erzeugt, bevor die VDD über ein D-Flip-Flop getaktet wird, um den Pin-15-Ausgang zu aktivieren.

Pin-15 kann dazu führen, dass sowohl SW1 als auch SW4 eingeschaltet werden. Wenn dies auftritt, erscheint eine positive Spannung an der Last.

Der Mechanismus zur Erkennung ansteigender Flanken von P-DLY1 aktiviert auch den DLY-7-Block, der nach 8 ms das D-Flip-Flop zurücksetzt und 0 V am Ausgang erscheint.

DLY-8 und DLY-9 werden auch von derselben steigenden Flanke getriggert. DLY-8 erzeugt eine Verzögerung von 10 ms und triggert erneut DLY-3, was nach 2 ms das DFF taktet und ein logisches High über die beiden UND-Gatter verursacht.

An diesem Punkt wird Out+ vom PWM-Block zu 0, da das Tastverhältnis des Blocks auf 50 % konfiguriert wurde. Out- erscheint über Pin-16, wodurch SW2 und SW3 eingeschaltet werden, wodurch eine Wechselspannung an der Last erzeugt wird. Nach 18 ms setzt DLY-9 das DFF zurück und 0 V erscheinen an Pin-16 und der periodische Zyklus gibt weiterhin ein Wechselstromsignal aus.

Die Konfiguration für verschiedene GreenPAK-Blöcke ist in den Abbildungen 10-14 dargestellt.

Schritt 9: Ergebnisse

Von der Batterie wird der Wechselrichter mit 12 V Gleichspannung versorgt. Der Wechselrichter wandelt diese Spannung in eine AC-Wellenform um. Der Ausgang des Wechselrichters wird einem Aufwärtstransformator zugeführt, der 12 V Wechselspannung in 220 V umwandelt, die zum Antrieb der Wechselstromverbraucher verwendet werden können.

Abschluss

In diesem Instructable haben wir einen Einphasen-Wechselrichter mit Rechteckwellen- und Quasi-Rechteckwellen-Steuerungsstrategien mit GreenPAK und einem CMIC implementiert. GreenPAK-CMICs fungieren als praktischer Ersatz für Mikrocontroller und analoge Schaltungen, die herkömmlicherweise zur Implementierung eines einphasigen Wechselrichters verwendet werden. Darüber hinaus haben GreenPAK-CMICs Potenzial für das Design von Dreiphasen-Wechselrichtern.