Inversor de amarração de grade: 10 etapas (com imagens)

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

Este é um projeto substancial, então aperte o cinto!

Os inversores de ligação de rede permitem que você insira energia em uma tomada elétrica, o que é uma habilidade incrível. Eu acho a eletrônica de potência e os sistemas de controle envolvidos em seu projeto interessantes, então eu construí o meu próprio. Este relatório compartilha o que aprendi e documenta como fiz as coisas. Eu estaria interessado em quaisquer comentários que você tivesse (exceto aqueles sobre não mexer com a eletricidade da rede).

Todos os conceitos são escaláveis, mas esta configuração tinha uma saída máxima de 40 watts antes que os indutores do filtro começassem a saturar. A corrente de saída era senoidal com THD <5%.

Veja o software no meu GitHub

Suprimentos

• Usei a placa de desenvolvimento STM32F407. Ele roda a 168 MHz e tem 3 ADCs integrados capazes de resolução de 12 bits a mais de 2.4MSPS (milhões de amostras por segundo) cada. Isso é insano!
• Usei a placa de desenvolvimento DRV8301. Ele abriga uma ponte H de 60 V junto com os drivers de porta necessários, shunts de corrente e amplificadores de shunt de corrente. Muito legal!
• Usei um transformador toroidal 230-25v com 2 torneiras de saída. Isso significava que eu não precisava produzir diretamente a tensão da rede, mas poderia trabalhar com tensões de pico de 40 volts. Muito mais seguro!
• Eu conectei uma carga de indutores e capacitores juntos para obter os valores L e C que eu queria para o filtro.
• Um osciloscópio e ponta de prova diferencial são a chave para um projeto como este. Eu tenho um Picoscópio

Etapa 1: O que é alimentação principal?

O que você obtém em uma tomada (no Reino Unido) é um sinal sinusoidal de 50 Hz 230 V RMS com uma impedância muito baixa. Algumas coisas a dizer sobre isso:

50Hz - A frequência da rede elétrica é mantida com muita precisão em 50Hz. Ele varia um pouco, mas 90% do tempo está entre 49,9-50,1 Hz. Veja aqui. Você pode imaginar todos os enormes geradores em usinas de energia em todo o país girando em uníssono. Eles giram de forma síncrona, produzindo para nós um sinal sinusoidal de 50Hz. Sua inércia rotacional maciça combinada leva tempo para desacelerar ou acelerar.

Em teoria, se uma carga ENORME fosse conectada à rede, ela começaria a desacelerar os geradores do país. No entanto, em resposta, os caras do escritório de controle do National Grid solicitariam que as usinas de energia alimentassem suas caldeiras, aumentassem o aquecimento e forçassem ainda mais esses geradores a atender à demanda. Assim, a oferta e a demanda estão em uma dança contínua uma com a outra.

Mais uma coisa a dizer sobre o sinal de 50Hz. Embora varie ligeiramente cerca de 50 Hz, os caras do topo certificam-se de que a frequência média ao longo do dia é exatamente 50 Hz. Portanto, se a grade estiver a 49,95 Hz por 10 minutos, eles garantirão que ela funcione a 50,05 Hz mais tarde para trazer o número exato de ciclos para 50 Hz x 60 segundos x 60 minutos x 24 horas = 4, 320, 000 / dia. Eles fazem isso precisamente usando o Tempo Atômico Internacional. Os aparelhos domésticos, de escritório e industriais podem, portanto, usar a frequência da rede para manter o tempo. Isso normalmente é feito com temporizadores de soquete mecânico, por exemplo.

230v - Esta é a tensão RMS (Root Mean Square) do sinal de 50Hz. O sinal real oscila até um pico de 325v. É importante saber isso porque, se você estiver construindo um inversor, precisará produzir tensões tão altas se quiser que qualquer corrente flua para os plugues.

Na realidade, as tensões vistas em um plugue em sua casa são bastante variáveis. Isso é devido à queda de tensão na resistência em fios, conectores, fusíveis, transformadores, etc. Há resistência em todos os lugares. Se você ligar um chuveiro elétrico puxando 11 quilowatts (isso é ~ 50 amperes), então até 0,2 ohms de resistência vão te deixar cair 10 volts. Você pode ver isso como as luzes diminuindo levemente. Grandes motores, como os aspiradores, atraem correntes enormes enquanto o motor ganha velocidade. Portanto, você costuma ver uma leve oscilação das luzes ao ligá-las.

O que quero dizer é que a tensão da rede é muito mais variável. Aqui no Reino Unido, é suposto ser 230 V com uma tolerância de +10% / - 6%. Você pode esperar ver mudanças e flutuações repentinas à medida que grandes cargas próximas são ligadas / desligadas. Pense em secadoras, chaleiras, fornos, aspiradores etc.

Senoidal - O sinal deve ser uma onda sinusoidal limpa, mas, na realidade, alguns aparelhos não lineares sugam sua energia de certos pontos do ciclo da onda sinusoidal. Isso introduz distorção e é por isso que o sinal não é uma onda senoidal perfeita. Cargas não lineares normalmente incluem fontes de alimentação de computador, lâmpadas fluorescentes, carregadores, TVs, etc.

A distorção harmônica total (THD) quantifica isso na forma de onda. Existem regulamentos sobre o quão limpa a saída de um inversor deve ser. Se não for capaz de produzir um sinal limpo o suficiente, não será aprovado para venda. Isso é importante porque o conteúdo de harmônicos na rede reduz a eficiência de alguns dispositivos conectados a ela (especialmente os harmônicos ímpares). Eu acredito que o THD máximo permitido é de 8%

Baixa impedância - Ao pensar em um inversor grid tie, isso será importante considerar. Existem todos os tipos de cargas conectadas à rede, incluindo cargas indutivas, resistivas e, ocasionalmente, capacitivas. Portanto, a impedância é desconhecida e mutável. A resistência é muito pequena, o que significa que se você conectar uma carga de alta corrente, a tensão não cairá muito.

Etapa 2: como colocar energia na rede

Para colocar energia na rede, precisamos sintetizar um sinal que corresponda exatamente à frequência e fase da rede, mas com uma tensão um pouco mais alta.

Por causa da baixa resistência da rede, é difícil saber exatamente quanto mais alta essa tensão. E como a tensão RMS flutua, precisamos garantir que flutuamos com ela. Apenas produzir um sinal de tensão fixa de 50 Hz ligeiramente superior à tensão da rede não vai funcionar!

Controle PI da corrente de saída

O que precisamos é de um circuito de controle por meio do qual medimos a corrente instantânea que estamos empurrando para a grade e ajustamos automaticamente nossa tensão de saída para conduzir a corrente que queremos. Isso efetivamente transformará nossa saída em uma fonte de corrente (em vez de uma fonte de tensão), que é mais apropriada para gerar impedâncias baixas. Podemos conseguir isso usando um loop de controle PI (Integral Proporcional):

Os loops de controle PI são fantásticos! Existem 3 partes para eles:

• O valor medido - a corrente que estamos colocando na rede
• O ponto de ajuste - a corrente que queremos empurrar para a rede
• A saída - A tensão do sinal a gerar

Cada vez que chamamos o algoritmo PID, passamos a medição de corrente mais recente e o ponto de ajuste que queremos. Ele retornará um número arbitrário (proporcional à tensão de saída a ser gerada).

Nosso algoritmo de controle PID nos permite escolher a corrente de saída que queremos em qualquer momento. Para produzir uma corrente de saída senoidal de 50 Hz, precisamos alterar continuamente nossa corrente solicitada de uma forma senoidal.

O algoritmo PID é chamado a cada 100us (equivalente a 200 vezes por ciclo de 50 Hz). Cada vez que é chamado, ele é capaz de fazer ajustes diretos na tensão de saída e, portanto, ajustar indiretamente a corrente de saída. Como resultado, produzimos uma saída de corrente escalonada semelhante à mostrada na imagem, com cada etapa ocorrendo a cada 100us. Isso fornece resolução suficiente.

Controle de feedforward

Podemos reduzir enormemente a carga de trabalho do controlador PI adicionando também um controlador feedforward. Isso é facil! Sabemos a tensão de saída aproximada que precisaremos gerar (igual à tensão instantânea da rede). O controlador PI pode então ser deixado para adicionar a pequena tensão extra necessária para conduzir uma corrente de saída.

Por si só, o controlador feedforward combina a tensão de saída do inversor com a tensão da rede. Nenhuma corrente deve fluir se correspondermos bem o suficiente. O controle feedforward, portanto, está fazendo 99% do controle de saída.

Devido à baixa resistência da rede, qualquer diferença em nossa tensão de saída FF e a tensão da rede resultaria em uma grande corrente. Portanto, adicionei um buffer de resistência de 1 ohm entre o inversor e a rede. Isso introduz perdas, mas são muito pequenas no grande esquema.

Etapa 3: produzindo a tensão de saída usando PWM

Embora estejamos controlando indiretamente a corrente de saída, é uma tensão de saída que estamos gerando a qualquer momento. Usamos PWM (modulação por largura de pulso) para produzir nossa tensão de saída. Os sinais PWM podem ser facilmente produzidos por microcontroladores e podem ser amplificados usando um H-Bridge. Eles são formas de onda simples caracterizadas por 2 parâmetros, a frequência F e o ciclo de trabalho D.

Uma forma de onda PWM alterna entre 2 tensões, no nosso caso 0v e Vsupply

• Com D = 1,0, a forma de onda PWM é simplesmente DC em Vsupply
• Com D = 0,5, obtemos uma onda quadrada com uma tensão média de 0,5 x Vsupply, (ou seja, D x Vsupply)
• Com D = 0,1, obtemos uma forma de onda pulsada com uma média de período de 0,1 x Vsupply
• Com D = 0,0, a saída é uma linha plana (DC a 0v)

A tensão média é o que importa. Com um filtro passa-baixa, podemos remover tudo, exceto o componente médio DC. Assim, variando o ciclo de trabalho PWM D, podemos fazer qualquer tensão CC desejada. Doce!

Empregando uma H-Bridge

Uma H-Bridge é composta por 4 elementos de comutação. Eles podem ser BJTs, MOSFETs ou IGBTs. Para produzir a primeira metade (0 - 180 graus) da onda senoidal, definimos a fase B baixa, desligando Q3 e ligando Q4 (ou seja, aplicando PWM com D = 0). Em seguida, realizamos nosso PWM na fase A. Para a segunda metade, onde VAB é negativo, definimos a Fase A como baixa e aplicamos nosso PWM à fase B. Isso é conhecido como comutação bipolar.

Os MOSFETs na ponte H devem ser acionados por um driver de portão. Este é um tópico à parte, mas um chip simples pode cuidar disso. A placa de desenvolvimento DRV8301 hospeda convenientemente o H-Bridge, os drivers de portão e os shunts atuais para nós, tornando este projeto muito mais fácil.

Etapa 4: Medir a corrente

Cada perna da H-Bridge tem um resistor shunt e um amplificador diferencial. Nossos shunts são 0,01 ohms e nossos amplificadores são ajustados para um ganho de 40. Portanto, 1 Amp desenvolve 10mV através do shunt que é subsequentemente amplificado para 400mV.

As saídas dos amplificadores shunt são lidas pelos ADCs de 12 bits no STM32F407 em modo de conversão contínua. Os ADCs são configurados para amostrar cada shunt em 110KSPS e o controlador DMA grava automaticamente as conversões em um buffer circular de 11 palavras na RAM. Quando uma medição de corrente é desejada, chamamos uma função que retorna o valor médio desse buffer de 11 palavras.

Como estamos solicitando medições de corrente a cada iteração do PID (a 10 KHz), mas preenchendo nossos buffers de ADC de 11 palavras a uma taxa de 110 KHz, devemos obter dados completamente novos a cada iteração do PID. A razão para usar um filtro de mediana é porque a comutação PWM pode introduzir picos na mistura e os filtros de mediana erradicam amostras falsas de ADC de forma muito eficaz.

Um ponto importante a ser feito aqui: qual perna da ponte H usamos para medições de corrente? Bem, isso depende de qual perna estamos fazendo PWM no momento e qual é apenas mantida baixa. A perna mantida baixa é aquela da qual queremos medir nossa corrente, uma vez que a corrente está sempre fluindo através do resistor shunt desse lado. Em comparação, no lado que está sendo PWMed, quando o MOSFET do lado alto está ligado e o lado baixo está desligado, nenhuma corrente flui através do shunt do lado baixo. Então, mudamos em qual perna medimos a corrente com base na polaridade de saída do inversor. Você pode ver isso claramente na imagem, mostrando a saída de um dos amplificadores shunt durante um período. Obviamente, queremos fazer leituras durante o bit suave.

Para ajudar a depurar nossas leituras atuais. Configurei o conversor digital para analógico no STM32F407. Eu escrevi as leituras atuais que estava obtendo e defini o resultado. Você pode ver isso na imagem final, o azul é a tensão no resistor do buffer de saída (ou seja, a corrente de saída / 1,1 ohms) e o sinal vermelho é a nossa saída DAC.

Etapa 5: Filtrando a saída

O filtro de saída é uma parte fundamental do design. Precisamos dessas características dele:

1. Bloqueia todas as comutações de alta frequência, mas passa um sinal de 50 Hz
2. Baixas perdas
3. Para não ressoar!
4. Para lidar com as correntes e tensões envolvidas

A transformada de Fourier de um sinal PWM de frequência F, ciclo de trabalho D, entre 0 - Vsupply volts é: (D x Vsupply) + Ondas senoidais na frequência fundamental F, e harmônicos daí em diante

Isto é brilhante! Isso significa que se colocarmos nosso sinal PWM em um filtro passa-baixo que bloqueia a fundamental PWM e tudo o que está acima. Ficamos apenas com o termo de tensão DC. Variando o ciclo de trabalho, podemos facilmente produzir qualquer voltagem que quisermos entre 0 - V de alimentação, conforme explicado.

Com base nas características desejadas mencionadas acima, podemos projetar o filtro de saída. Precisamos de um filtro passa-baixo feito com resistência mínima para evitar perdas. Portanto, usamos apenas indutores e capacitores. Se escolhermos uma frequência ressonante entre 1 - 2KHz, evitaremos a ressonância, uma vez que não estamos injetando nenhum sinal próximo a essa frequência. Aqui está o nosso design de filtro. Consideramos nossa saída como a tensão em C1.

Ao escolher L1 = L2 = 440uH, C1 = 8,4uF, calculamos uma frequência de ressonância de 1,85KHz. Esses também são valores de componentes realistas.

É vital garantir que nossos indutores não comecem a saturar nas correntes que esperamos. Os indutores que usei têm uma corrente de saturação de 3A. Este será o fator limitante na potência de saída do nosso circuito. A classificação de tensão do capacitor também é importante considerar. Estou usando cerâmicas de 450 V, o que é um exagero neste caso!

O gráfico de bode (para valores L / C ligeiramente diferentes) foi gerado usando LTspice. Ele nos mostra a atenuação infligida em diferentes frequências de entrada. Podemos ver claramente a frequência de ressonância em 1.8KHz. Isso mostra que um sinal de 50 Hz está quase totalmente inalterado, enquanto posso dizer que um sinal de 45 KHz está atenuado em 54 dB!

Então, vamos escolher nossa frequência portadora PWM em ~ 45KHz. Ao escolher frequências portadoras de PWM mais altas, a frequência do filtro pode ser aumentada. Isso é bom porque torna os valores L e C menores. Isso significa componentes menores e mais baratos. A desvantagem é que frequências de chaveamento PWM mais altas introduzem maiores perdas nas chaves do transistor.

Etapa 6: Sincronizando Fase e Frequência

A sincronização com a fase e a frequência da rede é o que torna um inversor de rede amarrada. Usamos uma implementação digital de um PLL (Phase Locked Loop) para obter o rastreamento preciso da fase do sinal da rede elétrica. Fazemos isso por:

1. Amostragem da tensão da rede
2. Produzindo um sinal sinusoidal local de 50 Hz próprio
3. Comparando a fase entre o nosso sinal local e o sinal da rede
4. Ajustando a frequência do sinal local até que a diferença de fase entre os 2 sinais seja zero

1) Amostragem da tensão da rede

Configuramos um terceiro canal ADC para ler a tensão da linha. Conseguimos isso dividindo a tensão de uma derivação do transformador, conforme mostrado. Isso fornece uma tensão escalonada variando cerca de 1,65 V que representa exatamente a tensão da rede.

2) Produzir um sinal senoidal local de 50 Hz É fácil produzir nossa própria onda senoidal local de 50 Hz. Armazenamos uma tabela de consulta de 256 valores de seno. Nosso valor de seno simulado é facilmente obtido usando um índice de pesquisa que gira incrementalmente pela tabela.

Devemos incrementar nosso índice exatamente na taxa certa para obter um sinal de 50Hz. Ou seja, 256 x 50 Hz = 12,800 / s. Fazemos isso usando o timer9 com clock de 168 MHz. Ao esperar 168MHz / 12800 = 13125 tiques do relógio, elevaremos nosso índice na taxa certa.

3) Comparar a fase entre nosso sinal local e o sinal da rede. Esta é a parte legal! Se você integrar o produto de cos (wt) x sin (wt) em 1 período, o resultado será zero. Se a diferença de fase for diferente de 90 graus, você obterá um número diferente de zero. Matematicamente:

Integral [Asin (t) x Bsin (t + φ)] = Ccos (φ)

Isso é ótimo! Ele nos permite comparar o sinal da rede, sin (ωt) com nosso sinal local, sin (⍵t + φ) e obter um valor.

No entanto, há um problema que precisa ser resolvido: se quisermos que nossos sinais permaneçam em fase, precisamos ajustar nossa frequência local para manter o termo Ccos (φ) máximo. Isso não funcionará muito bem e teremos um rastreamento de fase ruim. Isso ocorre porque o d / dφ de ɑcos (φ) é 0 em φ = 0. Isso significa que o termo Ccos (φ) não variará muito com as mudanças de fase. Isso faz sentido?

Seria muito melhor deslocar a fase do sinal da rede amostrado em 90 graus para que se tornasse cos (ωt + φ). Então temos isso:

Integral [Asin (t) Bcos (t + φ)] = Csin (φ)

Introduzir uma mudança de fase de 90 graus é fácil, nós apenas inserimos nossas amostras de tensão ADC de rede em uma extremidade de um buffer e as retiramos várias amostras depois, correspondendo a uma mudança de fase de 90 graus. Uma vez que a frequência da grade dificilmente varia de 50 Hz, uma técnica simples de atraso de tempo funciona de maneira brilhante.

Agora, multiplicamos nosso sinal de rede com deslocamento de fase de 90 graus pelo nosso sinal local e mantemos uma integral em execução do produto durante o último período (ou seja, nos últimos 256 valores).

O resultado que sabemos será zero se os 2 sinais forem mantidos com precisão a 90 graus de distância. Isso é fantástico porque desfaz a mudança de fase que acabamos de aplicar ao sinal da rede elétrica. Só para esclarecer, em vez de maximizar o termo integral, estamos tentando mantê-lo zero e estamos mudando a fase do nosso sinal de rede. As mudanças de fase de 90 graus introduzidas por essas 2 mudanças se cancelam.

Portanto, se Integral_Result <0, sabemos que devemos aumentar nossa frequência de oscilador local para colocá-lo de volta em fase com a rede elétrica e vice-versa.

4) Ajustar a frequência do sinal local; este bit é fácil. Simplesmente ajustamos o período entre o incremento por meio de nosso índice. Limitamos a rapidez com que podemos corrigir a diferença de fase, essencialmente filtrando o que for espúrio. Fazemos isso usando um controlador PI com um termo I muito pequeno.

E é isso. Bloqueamos nosso oscilador de onda senoidal local (que define o ponto de ajuste da corrente de saída) para estar em fase com a tensão da rede elétrica. Implementamos um algoritmo PLL e ele funciona como um sonho!

Aumentar a frequência de nosso oscilador local também reduz a mudança de fase colocada no sinal da rede. Uma vez que estamos restringindo o ajuste de frequência a +/- 131 ticks (+/- ~ 1%), vamos afetar a mudança de fase em +/- 1 ° no máximo. Isso não vai importar em absoluto enquanto as fases são sincronizadas.

Teoricamente, se a frequência da rede se desviar em mais de 0,5 Hz, perderemos nosso bloqueio de fase. Isso se deve à nossa restrição acima de quanto podemos ajustar nossa frequência de oscilador local. No entanto, isso não vai acontecer a menos que a rede esteja prestes a falhar. Nossa proteção anti-ilhamento entrará em ação neste ponto de qualquer maneira.

Realizamos uma detecção de cruzamento zero na inicialização para tentar o nosso melhor para iniciar os sinais em fase a partir do deslocamento.

Etapa 7: Anti-ilhamento

A Wikipedia tem um artigo incrível sobre técnicas de ilhamento e anti-ilhamento. Também implica que as pessoas assobiam e se agitam mais do que o necessário quando se trata desse assunto. “Oh, você não pode construir seu próprio inversor de rede, você vai matar alguém etc etc.”

Conforme explicado melhor no artigo da Wikipedia, empregamos algumas precauções de segurança que, juntas, fornecem proteção adequada (na minha opinião):

1. Sub / Sobretensão
2. Freqüência insuficiente / excessiva

Podemos detectar essas situações simplesmente analisando a tensão da rede em escala amostrada. Se alguma coisa sair do normal, desative a ponte H e espere que as coisas voltem ao normal.