Como projetar e implementar um inversor monofásico: 9 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

Este Instructable explora o uso de GreenPAK ™ CMICs da Dialog em aplicações de eletrônica de potência e demonstrará a implementação de um inversor monofásico usando várias metodologias de controle. Diferentes parâmetros são usados para determinar a qualidade do inversor monofásico. Um parâmetro importante é a distorção harmônica total (THD). THD é uma medida da distorção harmônica em um sinal e é definida como a razão da soma das potências de todos os componentes harmônicos com a potência da frequência fundamental.

Abaixo descrevemos as etapas necessárias para entender como a solução foi programada para criar o inversor monofásico. No entanto, se você deseja apenas obter o resultado da programação, baixe o software GreenPAK para visualizar o arquivo de design GreenPAK já concluído. Conecte o GreenPAK Development Kit ao seu computador e acesse o programa para criar o inversor monofásico.

Etapa 1: Inversor Monofásico

Um inversor de energia, ou inversor, é um dispositivo ou circuito eletrônico que muda a corrente contínua (DC) para corrente alternada (AC). Dependendo do número de fases da saída CA, existem vários tipos de inversores.

● Inversores monofásicos

● Inversores trifásicos

DC é o fluxo unidirecional de carga elétrica. Se uma tensão constante for aplicada em um circuito puramente resistivo, isso resultará em uma corrente constante. Comparativamente, com AC, o fluxo de corrente elétrica inverte periodicamente a polaridade. A forma de onda CA mais típica é uma onda senoidal, mas também pode ser uma onda triangular ou quadrada. Para transferir energia elétrica com diferentes perfis de corrente, são necessários dispositivos especiais. Dispositivos que convertem CA em CC são conhecidos como retificadores e dispositivos que convertem CC em CA são conhecidos como inversores.

Etapa 2: Topologias do inversor monofásico

Existem duas topologias principais de inversores monofásicos; topologias de meia ponte e ponte completa. Esta nota de aplicação concentra-se na topologia de ponte completa, uma vez que fornece o dobro da tensão de saída em comparação com a topologia de meia ponte.

Etapa 3: Topologia de ponte completa

Em uma topologia em ponte completa, 4 interruptores são necessários, uma vez que a tensão alternada de saída é obtida pela diferença entre dois ramos das células de comutação. A tensão de saída é obtida ligando e desligando os transistores de maneira inteligente em instantes de tempo específicos. Existem quatro estados diferentes, dependendo de quais interruptores estão fechados. A tabela abaixo resume os estados e a tensão de saída com base em quais chaves estão fechadas.

Para maximizar a tensão de saída, o componente fundamental da tensão de entrada em cada ramal deve estar 180º fora de fase. Os semicondutores de cada ramo são complementares em desempenho, ou seja, quando um está conduzindo o outro é cortado e vice-versa. Esta topologia é a mais usada para inversores. O diagrama da Figura 1 mostra o circuito de uma topologia em ponte completa para um inversor monofásico.

Etapa 4: transistor bipolar de porta isolada

O transistor bipolar de porta isolada (IGBT) é como um MOSFET com a adição de uma terceira função PN. Isso permite o controle baseado em tensão, como um MOSFET, mas com características de saída como um BJT em relação a altas cargas e baixa tensão de saturação.

Quatro regiões principais podem ser observadas em seu comportamento estático.

● Região de Avalanche

● Região de Saturação

● Área de Corte

● região ativa

A região da avalanche é a área em que uma tensão abaixo da tensão de ruptura é aplicada, resultando na destruição do IGBT. A área de corte inclui valores desde a tensão de ruptura até a tensão limite, em que o IGBT não conduz. Na região de saturação, o IGBT se comporta como uma fonte de tensão dependente e uma resistência em série. Com baixas variações de voltagem, alta amplificação de corrente pode ser alcançada. Esta área é a mais desejável para operação. Se a tensão for aumentada, o IGBT entra na região ativa e a corrente permanece constante. Há uma tensão máxima aplicada ao IGBT para garantir que ele não entre na região da avalanche. É um dos semicondutores mais usados na eletrônica de potência, pois pode suportar uma ampla gama de tensões de alguns volts a kV e potências entre kW e MW.

Esses transistores bipolares de porta isolada atuam como dispositivos de chaveamento para a topologia do inversor monofásico de ponte completa.

Etapa 5: Bloco de modulação por largura de pulso no GreenPAK

O bloco de modulação por largura de pulso (PWM) é um bloco útil que pode ser usado em uma ampla variedade de aplicações. O bloco DCMP / PWM pode ser configurado como um bloco PWM. O bloco PWM pode ser originado por meio de FSM0 e FSM1. O pino PWM IN + está conectado ao FSM0 enquanto o pino IN- está conectado ao FSM1. FSM0 e FSM1 fornecem dados de 8 bits para o Bloco PWM. O período de tempo PWM é definido pelo período de tempo de FSM1. O ciclo de trabalho para o bloco PWM é controlado pelo FSM0.

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

Existem duas opções para a configuração do ciclo de trabalho:

● 0-99,6%: DC varia de 0% a 99,6% e é determinado como IN + / 256.

● 0,39-100%: DC varia de 0,39% a 100% e é determinado como (IN + + 1) / 256.

Etapa 6: Projeto GreenPAK para implementação de onda quadrada baseada em PWM

Existem diferentes metodologias de controle que podem ser utilizadas para implementar um inversor monofásico. Uma dessas estratégias de controle inclui uma onda quadrada baseada em PWM para o inversor monofásico.

Um GreenPAK CMIC é usado para gerar padrões de comutação periódicos para converter DC em AC de maneira conveniente. As tensões DC são alimentadas pela bateria e a saída obtida do inversor pode ser usada para fornecer a carga AC. Para o propósito desta aplicação, observe que a frequência CA foi definida para 50 Hz, uma frequência elétrica doméstica comum em muitas partes do mundo. Correspondentemente, o período é de 20 ms.

O padrão de comutação que deve ser gerado pelo GreenPAK para SW1 e SW4 é mostrado na Figura 3.

O padrão de comutação para SW2 e SW3 é mostrado na Figura 4

Os padrões de comutação acima podem ser produzidos convenientemente usando um bloco PWM. O período de tempo PWM é definido pelo período de tempo de FSM1. O período de tempo para FSM1 deve ser definido para 20ms correspondendo à frequência de 50Hz. O ciclo de trabalho para o bloco PWM é controlado pelos dados originados do FSM0. Para gerar o ciclo de trabalho de 50%, o valor do contador FSM0 é definido como 128.

O projeto GreenPAK correspondente é mostrado na Figura 5.

Etapa 7: Desvantagem da Estratégia de Controle de Onda Quadrada

Usar a estratégia de controle de onda quadrada faz com que o inversor produza uma grande quantidade de harmônicos. Além da frequência fundamental, os inversores de onda quadrada têm componentes de frequência ímpares. Esses harmônicos fazem com que o fluxo da máquina fique saturado, levando a um mau desempenho da máquina, às vezes até danificando o hardware. Portanto, o THD produzido por esses tipos de inversores é muito grande. Para contornar este problema, outra estratégia de controle conhecida como Quasi-Square Wave pode ser empregada para reduzir significativamente a quantidade de harmônicos produzidos pelo inversor.

Etapa 8: Projeto GreenPAK para implementação de onda quasi-quadrada baseada em PWM

Na estratégia de controle de onda quase quadrada, uma tensão de saída zero é introduzida, o que pode reduzir significativamente os harmônicos presentes na forma de onda quadrada convencional. As principais vantagens de usar um inversor de onda quase quadrada incluem:

● A amplitude do componente fundamental pode ser controlada (controlando α)

● Certos conteúdos harmônicos podem ser eliminados (também controlando α)

A amplitude do componente fundamental pode ser controlada controlando o valor de α conforme mostrado na Fórmula 1.

O enésimo harmônico pode ser eliminado se sua amplitude for zerada. Por exemplo, a amplitude do terceiro harmônico (n = 3) é zero quando α = 30 ° (Fórmula 2).

O projeto GreenPAK para implementação da estratégia de controle de ondas quadradas é mostrado na Figura 9.

O bloco PWM é usado para gerar uma forma de onda quadrada com ciclo de trabalho de 50%. A tensão de saída zero é introduzida atrasando a tensão que aparece na saída Pin-15. O bloco P-DLY1 é configurado para detectar a borda ascendente da forma de onda. P-DLY1 detectará periodicamente a borda ascendente após cada período e acionará o bloco DLY-3, que produz um atraso de 2 ms antes de sincronizar o VDD através de um flip-flop D para habilitar a saída do Pin-15.

O pino 15 pode fazer com que SW1 e SW4 sejam ligados. Quando isso ocorrer, uma tensão positiva aparecerá na carga.

O mecanismo de detecção de borda ascendente P-DLY1 também ativa o bloco DLY-7, que após 8 ms redefine o D-flip flop e 0 V aparece na saída.

DLY-8 e DLY-9 também são disparados da mesma borda de subida. DLY-8 produz um atraso de 10 ms e dispara DLY-3 novamente, que após 2 ms irá cronometrar o DFF causando uma alta lógica nas duas portas AND.

Neste ponto, Out + from the PWM block torna-se 0, uma vez que o duty cycle do bloco foi configurado para ser 50%. Out- aparecerá no pino 16 fazendo com que SW2 e SW3 sejam ligados, produzindo uma tensão alternada na carga. Após 18 ms, o DLY-9 reinicializará o DFF e 0V aparecerá no Pin-16 e o ciclo periódico continuará a produzir um sinal AC.

A configuração para diferentes blocos GreenPAK é mostrada nas Figuras 10-14.

Etapa 9: Resultados

A tensão de 12 V DC é fornecida da bateria para o inversor. O inversor converte essa tensão em uma forma de onda CA. A saída do inversor é fornecida a um transformador elevador que converte a tensão de 12 V CA em 220 V, que pode ser usado para acionar as cargas de CA.

Conclusão

Neste Instrutível, implementamos um inversor monofásico usando estratégias de controle de onda quadrada e onda quadrada usando GreenPAK um CMIC. GreenPAK CMICs atuam como um substituto conveniente de Micro controladores e circuitos analógicos que são convencionalmente usados para implementar um inversor monofásico. Além disso, GreenPAK CMICs têm potencial no projeto de inversores trifásicos.