Tek Fazlı İnverter Nasıl Tasarlanır ve Uygulanır: 9 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:17

Bu Eğitilebilir Kitap, Dialog'un GreenPAK™ CMIC'lerinin güç elektroniği uygulamalarında kullanımını araştırır ve çeşitli kontrol metodolojilerini kullanarak tek fazlı bir invertörün uygulanmasını gösterecektir. Tek fazlı inverterin kalitesini belirlemek için farklı parametreler kullanılır. Önemli bir parametre Toplam Harmonik Bozulma'dır (THD). THD, bir sinyaldeki harmonik bozulmanın bir ölçüsüdür ve tüm harmonik bileşenlerin güçlerinin toplamının temel frekansın gücüne oranı olarak tanımlanır.

Aşağıda, çözümün tek fazlı invertörü oluşturmak için nasıl programlandığını anlamak için gereken adımları açıkladık. Ancak, sadece programlamanın sonucunu almak istiyorsanız, halihazırda tamamlanmış GreenPAK Tasarım Dosyasını görüntülemek için GreenPAK yazılımını indirin. GreenPAK Geliştirme Kitini bilgisayarınıza takın ve tek fazlı invertörü oluşturmak için programa basın.

Adım 1: Tek Fazlı İnverter

Güç invertörü veya invertör, doğru akımı (DC) alternatif akıma (AC) dönüştüren elektronik bir cihaz veya devredir. AC çıkışının faz sayısına bağlı olarak, birkaç tip invertör vardır.

● Tek fazlı invertörler

● Üç fazlı invertörler

DC, elektrik yükünün tek yönlü akışıdır. Tamamen dirençli bir devreye sabit bir voltaj uygulanırsa, sabit bir akımla sonuçlanır. Nispeten, AC ile elektrik akımının akışı polariteyi periyodik olarak tersine çevirir. En tipik AC dalga biçimi sinüs dalgasıdır, ancak üçgen veya kare dalga da olabilir. Farklı akım profilleri ile elektrik enerjisinin aktarılması için özel cihazlara ihtiyaç duyulmaktadır. AC'yi DC'ye çeviren cihazlar doğrultucu olarak bilinir ve DC'yi AC'ye dönüştüren cihazlar ise invertör olarak bilinir.

Adım 2: Tek Fazlı İnverter Topolojileri

Tek fazlı eviricilerin iki ana topolojisi vardır; yarım köprü ve tam köprü topolojileri. Bu uygulama notu, yarım köprü topolojisine kıyasla iki kat çıkış voltajı sağladığı için tam köprü topolojisine odaklanır.

Adım 3: Tam Köprü Topolojisi

Tam köprü topolojisinde, alternatif çıkış voltajı, anahtarlama hücrelerinin iki dalı arasındaki farkla elde edildiğinden, 4 anahtara ihtiyaç vardır. Çıkış voltajı, transistörlerin belirli zaman anlarında akıllıca açılıp kapatılmasıyla elde edilir. Hangi anahtarların kapalı olduğuna bağlı olarak dört farklı durum vardır. Aşağıdaki tablo, hangi anahtarların kapalı olduğuna bağlı olarak durumları ve çıkış voltajını özetlemektedir.

Çıkış gerilimini maksimize etmek için, her daldaki giriş geriliminin temel bileşeni 180º faz dışı olmalıdır. Her dalın yarı iletkenleri performansta tamamlayıcıdır, yani biri iletirken diğeri kesilir ve bunun tersi de geçerlidir. Bu topoloji, eviriciler için en yaygın olarak kullanılan topolojidir. Şekil 1'deki şema, tek fazlı bir evirici için tam köprü topolojisinin devresini göstermektedir.

Adım 4: Yalıtımlı Kapı Bipolar Transistör

Yalıtımlı Kapı Bipolar Transistör (IGBT), üçüncü bir PN bağlantısının eklenmesiyle bir MOSFET gibidir. Bu, bir MOSFET gibi voltaja dayalı kontrole izin verir, ancak yüksek yükler ve düşük doyma voltajıyla ilgili BJT gibi çıkış özelliklerine sahiptir.

Statik davranışında dört ana bölge gözlemlenebilir.

● Çığ Bölgesi

● Doygunluk Bölgesi

● Kesim Alanı

● Etkin Bölge

Çığ bölgesi, arıza voltajının altında bir voltajın uygulandığı ve IGBT'nin tahrip olmasına neden olan alandır. Kesilen alan, IGBT'nin iletmediği, arıza voltajından eşik voltajına kadar olan değerleri içerir. Doyma bölgesinde, IGBT bağımlı bir voltaj kaynağı ve bir seri direnç gibi davranır. Düşük voltaj varyasyonları ile yüksek akım amplifikasyonu elde edilebilir. Bu alan operasyon için en çok arzu edilen bölgedir. Voltaj artırılırsa, IGBT aktif bölgeye girer ve akım sabit kalır. Çığ bölgesine girmemesini sağlamak için IGBT'ye uygulanan bir maksimum voltaj vardır. Bu, güç elektroniğinde en çok kullanılan yarı iletkenlerden biridir, çünkü birkaç volttan kV'a kadar geniş bir voltaj aralığını ve kW ile MW arasındaki güçleri destekleyebilir.

Bu Yalıtılmış Kapı Bipolar Transistörler, tam köprü tek fazlı evirici topolojisi için anahtarlama cihazları olarak işlev görür.

Adım 5: GreenPAK'te Darbe Genişliği Modülasyon Bloğu

Darbe Genişlik Modülasyonu (PWM) Bloğu, çok çeşitli uygulamalar için kullanılabilen kullanışlı bir bloktur. DCMP/PWM Bloğu, bir PWM Bloğu olarak yapılandırılabilir. PWM bloğu, FSM0 ve FSM1 aracılığıyla kaynaklanabilir. PWM IN+ pini FSM0'a, IN- pini ise FSM1'e bağlıdır. Hem FSM0 hem de FSM1, PWM Bloğuna 8 bit veri sağlar. PWM zaman periyodu, FSM1 zaman periyodu ile tanımlanır. PWM bloğunun görev döngüsü FSM0 tarafından kontrol edilir.

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

Görev döngüsü yapılandırması için iki seçenek vardır:

● %0-99.6: DC, %0 ile %99.6 arasında değişir ve IN+/256 olarak belirlenir.

● %0,39-100: DC %0,39 ile %100 arasında değişir ve (IN+ + 1)/256 olarak belirlenir.

Adım 6: PWM Tabanlı Kare Dalga Uygulaması için GreenPAK Tasarımı

Tek fazlı bir invertörü uygulamak için kullanılabilecek farklı kontrol metodolojileri vardır. Böyle bir kontrol stratejisi, tek fazlı invertör için PWM tabanlı bir kare dalga içerir.

DC'yi AC'ye uygun bir şekilde dönüştürmek için periyodik anahtarlama modelleri oluşturmak için bir GreenPAK CMIC kullanılır. DC gerilimler aküden beslenir ve inverterden elde edilen çıkış AC yükü beslemek için kullanılabilir. Bu uygulamanın amacı için AC frekansının, dünyanın birçok yerinde yaygın bir ev güç frekansı olan 50 Hz'ye ayarlandığına dikkat edin. Buna uygun olarak, periyot 20 ms'dir.

GreenPAK tarafından SW1 ve SW4 için oluşturulması gereken anahtarlama düzeni Şekil 3'te gösterilmektedir.

SW2 ve SW3 için anahtarlama düzeni Şekil 4'te gösterilmektedir.

Yukarıdaki anahtarlama modelleri, bir PWM bloğu kullanılarak kolaylıkla üretilebilir. PWM zaman periyodu, FSM1 zaman periyodu tarafından belirlenir. FSM1 için zaman periyodu, 50Hz frekansına karşılık gelen 20ms'ye ayarlanmalıdır. PWM bloğunun görev döngüsü, FSM0'dan alınan veriler tarafından kontrol edilir. %50 görev döngüsünü oluşturmak için FSM0 sayaç değeri 128 olarak ayarlanmıştır.

Karşılık gelen GreenPAK Tasarımı Şekil 5'te gösterilmektedir.

Adım 7: Kare Dalga Kontrol Stratejisinin Dezavantajı

Kare dalga kontrol stratejisini kullanmak, eviricinin büyük miktarda harmonik üretmesine neden olur. Temel frekansın yanı sıra kare dalga eviriciler tek frekans bileşenlerine sahiptir. Bu harmonikler makine akısının doymasına neden olarak makinenin performansının düşmesine ve hatta bazen donanıma zarar vermesine neden olur. Bu nedenle, bu tip invertörler tarafından üretilen THD çok büyüktür. Bu sorunun üstesinden gelmek için, evirici tarafından üretilen harmoniklerin miktarını önemli ölçüde azaltmak için Yarı Kare Dalga olarak bilinen başka bir kontrol stratejisi kullanılabilir.

Adım 8: PWM Tabanlı Yarı Kare Dalga Uygulaması için GreenPAK Tasarımı

Yarı-kare dalga kontrol stratejisinde, geleneksel kare dalga biçiminde mevcut olan harmonikleri önemli ölçüde azaltabilen sıfır çıkış voltajı tanıtılır. Yarı kare dalga inverter kullanmanın başlıca avantajları şunlardır:

● Temel bileşenin genliği kontrol edilebilir (α kontrol edilerek)

● Belirli harmonik içerikler ortadan kaldırılabilir (α kontrol edilerek de)

Temel bileşenin genliği, Formül 1'de gösterildiği gibi α'nın değeri kontrol edilerek kontrol edilebilir.

Genliği sıfır yapılırsa n. harmonik ortadan kaldırılabilir. Örneğin, α = 30° olduğunda üçüncü harmoniğin (n=3) genliği sıfırdır (Formül 2).

Yarı Kare Dalga kontrol stratejisini Uygulamak için GreenPAK Tasarımı Şekil 9'da gösterilmektedir.

PWM bloğu, %50 görev döngüsü ile kare dalga formu oluşturmak için kullanılır. Sıfır çıkış voltajı, Pin-15 çıkışında görünen voltajı geciktirerek verilir. P-DLY1 bloğu, dalga formunun yükselen kenarını tespit edecek şekilde yapılandırılmıştır. P-DLY1, her periyottan sonra periyodik olarak yükselen kenarı algılayacak ve Pin-15 çıkışını etkinleştirmek için VDD'yi bir D-flip flop boyunca saatlemeden önce 2 ms'lik bir gecikme üreten DLY-3 bloğunu tetikleyecektir.

Pin-15, hem SW1 hem de SW4'ün açılmasına neden olabilir. Bu meydana geldiğinde, yük boyunca pozitif bir voltaj görünecektir.

P-DLY1 yükselen kenar algılama mekanizması ayrıca 8 ms sonra D-flip flop'u sıfırlayan ve çıkışta 0 V görünen DLY-7 bloğunu da etkinleştirir.

DLY-8 ve DLY-9 da aynı yükselen kenardan tetiklenir. DLY-8, 10ms'lik bir gecikme üretir ve DLY-3'ü yeniden tetikler; bu, 2ms'den sonra DFF'yi saatleyecek ve iki AND geçidi arasında mantıksal bir yüksekliğe neden olacaktır.

Bu noktada, bloğun görev döngüsü %50 olarak yapılandırıldığından, PWM bloğundan Out+ 0 olur. Çıkış, Pin-16 boyunca görünecek ve SW2 ve SW3'ün açılmasına neden olarak yük boyunca alternatif bir voltaj üretecektir. 18 ms sonra DLY-9, DFF'yi sıfırlayacak ve Pin-16'da 0V belirecek ve periyodik döngü bir AC sinyali vermeye devam edecektir.

Farklı GreenPAK blokları için konfigürasyon Şekil 10-14'te gösterilmektedir.

9. Adım: Sonuçlar

Aküden invertere 12 V DC gerilim sağlanmaktadır. Evirici bu voltajı bir AC dalga biçimine dönüştürür. İnverterden gelen çıkış, AC yüklerini sürmek için kullanılabilen 12 V AC Gerilimi 220 V'a dönüştüren bir yükseltici transformatöre beslenir.

Çözüm

Bu Eğitilebilir Tabloda, GreenPAK ve CMIC kullanarak Kare Dalga ve Yarı Kare Dalga kontrol stratejilerini kullanarak Tek Fazlı İnverter uyguladık. GreenPAK CMIC'ler, Tek fazlı bir invertörü uygulamak için geleneksel olarak kullanılan Mikro Kontrolörlerin ve analog devrelerin uygun bir alternatifi olarak işlev görür. Ayrıca GreenPAK CMIC'ler, Üç Fazlı İnverterlerin tasarımında potansiyele sahiptir.