كيفية تصميم وتنفيذ عاكس أحادي الطور: 9 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:37

يستكشف هذا Instructable استخدام GreenPAK ™ CMICs من Dialog في تطبيقات إلكترونيات الطاقة وسيوضح تنفيذ عاكس أحادي الطور باستخدام منهجيات تحكم متنوعة. يتم استخدام معلمات مختلفة لتحديد جودة العاكس أحادي الطور. معلمة مهمة هي التشوه التوافقي الكلي (THD). THD هو قياس التشوه التوافقي في إشارة ويتم تعريفه على أنه نسبة مجموع قوى جميع المكونات التوافقية إلى قوة التردد الأساسي.

فيما يلي وصفنا الخطوات اللازمة لفهم كيفية برمجة الحل لإنشاء العاكس أحادي الطور. ومع ذلك ، إذا كنت ترغب فقط في الحصول على نتيجة البرمجة ، فقم بتنزيل برنامج GreenPAK لعرض ملف تصميم GreenPAK المكتمل بالفعل. قم بتوصيل GreenPAK Development Kit بجهاز الكمبيوتر الخاص بك واضغط على البرنامج لإنشاء العاكس أحادي الطور.

الخطوة 1: العاكس أحادي الطور

عاكس الطاقة ، أو العاكس ، هو جهاز إلكتروني أو دائرة كهربائية تقوم بتغيير التيار المباشر (DC) إلى تيار متردد (AC). اعتمادًا على عدد مراحل خرج التيار المتردد ، هناك عدة أنواع من العاكسات.

● محولات أحادية الطور

● محولات ثلاثية الطور

DC هو التدفق أحادي الاتجاه للشحنة الكهربائية. إذا تم تطبيق جهد ثابت عبر دائرة مقاومة بحتة ، فإنه ينتج عنه تيار ثابت. نسبيًا ، مع التيار المتردد ، يعكس تدفق التيار الكهربائي بشكل دوري القطبية. الشكل الموجي AC الأكثر شيوعًا هو موجة جيبية ، ولكن يمكن أن تكون أيضًا موجة مثلثة أو مربعة. من أجل نقل الطاقة الكهربائية بملفات تعريف تيار مختلفة ، يلزم وجود أجهزة خاصة. تُعرف الأجهزة التي تحول التيار المتردد إلى تيار مستمر بالمعدلات ، وتُعرف الأجهزة التي تحول التيار المتردد إلى تيار متردد باسم العاكسات.

الخطوة 2: طبولوجيا العاكس أحادي الطور

هناك نوعان من الهياكل الرئيسية للعاكسات أحادية الطور ؛ طبولوجيا نصف الجسر والجسر الكامل. تركز ملاحظة التطبيق هذه على طوبولوجيا الجسر الكامل ، لأنها توفر ضعف جهد الخرج مقارنة بطوبولوجيا نصف الجسر.

الخطوة 3: طوبولوجيا الجسر الكامل

في طوبولوجيا الجسر الكامل ، هناك حاجة إلى 4 مفاتيح ، حيث يتم الحصول على جهد الخرج المتناوب من خلال الفرق بين فرعين من خلايا التبديل. يتم الحصول على جهد الخرج عن طريق تشغيل وإيقاف الترانزستورات بذكاء في لحظات زمنية معينة. هناك أربع حالات مختلفة حسب المفاتيح المغلقة. يلخص الجدول أدناه الحالات والجهد الناتج بناءً على المفاتيح المغلقة.

لتعظيم جهد الخرج ، يجب أن يكون المكون الأساسي لجهد الدخل في كل فرع 180 درجة خارج الطور. تعتبر أشباه الموصلات لكل فرع مكملة في الأداء ، وهذا يعني أنه عندما يقوم أحدهم بإجراء الآخر يتم قطعه والعكس صحيح. هذا الهيكل هو الأكثر استخدامًا للعاكسات. يوضح الرسم البياني في الشكل 1 دائرة طوبولوجيا الجسر الكامل لعاكس أحادي الطور.

الخطوة 4: بوابة معزولة ثنائي القطب الترانزستور

يشبه الترانزستور ثنائي القطب المعزول البوابة (IGBT) MOSFET مع إضافة PNjunction الثالث. يسمح هذا بالتحكم القائم على الجهد ، مثل MOSFET ، ولكن مع خصائص الإخراج مثل BJT فيما يتعلق بالأحمال العالية والجهد المنخفض التشبع.

يمكن ملاحظة أربع مناطق رئيسية على سلوكها الثابت.

● منطقة الانهيار الجليدي

● منطقة التشبع

● منطقة القص

● منطقة نشطة

منطقة الانهيار الجليدي هي المنطقة التي يتم فيها تطبيق جهد أقل من جهد الانهيار ، مما يؤدي إلى تدمير IGBT. تتضمن منطقة القطع قيمًا من جهد الانهيار حتى جهد العتبة ، حيث لا يتم إجراء IGBT. في منطقة التشبع ، يتصرف IGBT كمصدر جهد معتمد ومقاومة متسلسلة. مع وجود اختلافات منخفضة في الجهد ، يمكن تحقيق تضخيم عالي للتيار. هذه المنطقة هي الأكثر تفضيلاً للتشغيل. إذا تم زيادة الجهد ، يدخل IGBT المنطقة النشطة ، ويظل التيار ثابتًا. هناك حد أقصى للجهد المطبق على IGBT لضمان عدم دخوله منطقة الانهيار الجليدي. هذا هو أحد أشباه الموصلات الأكثر استخدامًا في إلكترونيات الطاقة ، حيث يمكنه دعم مجموعة واسعة من الفولتية من بضعة فولتات إلى كيلو فولت والقوى بين كيلوواط و ميغاواط.

تعمل هذه الترانزستورات ثنائية القطب المعزولة بالبوابة كأجهزة تبديل لطوبولوجيا العاكس أحادي الطور كامل الجسر.

الخطوة 5: كتلة تعديل عرض النبض في GreenPAK

تعد كتلة تعديل عرض النبض (Pulse Width Modulation (PWM كتلة مفيدة يمكن استخدامها لمجموعة واسعة من التطبيقات. يمكن تكوين كتلة DCMP / PWM ككتلة PWM. يمكن الحصول على كتلة PWM من خلال FSM0 و FSM1. يتم توصيل PWM IN + pin بـ FSM0 بينما يتم توصيل IN- pin بـ FSM1. يوفر كل من FSM0 و FSM1 بيانات 8 بت إلى PWM Block. يتم تحديد الفترة الزمنية PWM من خلال الفترة الزمنية FSM1. يتم التحكم في دورة العمل لكتلة PWM بواسطة FSM0.

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

يوجد خياران لتكوين دورة العمل:

● 0-99.6٪: يتراوح التيار المباشر من 0٪ إلى 99.6٪ ويتم تحديده على أنه IN + / 256.

● 0.39-100٪: يتراوح التيار المباشر من 0.39٪ إلى 100٪ ويتم تحديده على أنه (IN + + 1) / 256.

الخطوة 6: تصميم GreenPAK لتنفيذ الموجة المربعة القائمة على PWM

هناك منهجيات تحكم مختلفة يمكن استخدامها لتنفيذ عاكس أحادي الطور. تتضمن إحدى إستراتيجيات التحكم هذه الموجة المربعة القائمة على PWM للعاكس أحادي الطور.

يتم استخدام GreenPAK CMIC لإنشاء أنماط تبديل دورية من أجل تحويل التيار المستمر إلى تيار متردد. يتم تغذية الفولتية DC من البطارية ويمكن استخدام الإخراج الناتج من العاكس لتزويد حمل التيار المتردد. لغرض هذا التطبيق ، لاحظ أن تردد التيار المتردد قد تم ضبطه على 50 هرتز ، وهو تردد طاقة منزلي شائع في أجزاء كثيرة من العالم. في المقابل ، تبلغ الفترة 20 مللي ثانية.

يظهر نمط التبديل الذي يجب أن يتم إنشاؤه بواسطة GreenPAK لـ SW1 و SW4 في الشكل 3.

يظهر نمط التبديل لـ SW2 و SW3 في الشكل 4

يمكن إنتاج أنماط التحويل المذكورة أعلاه بشكل ملائم باستخدام كتلة PWM. يتم تحديد الفترة الزمنية PWM من خلال الفترة الزمنية FSM1. يجب ضبط الفترة الزمنية لل FSM1 على 20 مللي ثانية المقابلة لتردد 50 هرتز. يتم التحكم في دورة العمل لكتلة PWM بواسطة البيانات التي يتم الحصول عليها من FSM0. من أجل إنشاء دورة العمل بنسبة 50٪ ، يتم تعيين قيمة عداد FSM0 على 128.

يظهر تصميم GreenPAK المقابل في الشكل 5.

الخطوة السابعة: مساوئ إستراتيجية التحكم في الموجة المربعة

يؤدي استخدام إستراتيجية التحكم في الموجة المربعة إلى قيام العاكس بإنتاج كمية كبيرة من التوافقيات. بصرف النظر عن التردد الأساسي ، تحتوي محولات الموجة المربعة على مكونات تردد فردية. تتسبب هذه التوافقيات في تشبع تدفق الماكينة ، مما يؤدي إلى ضعف أداء الجهاز ، مما يؤدي أحيانًا إلى إتلاف الأجهزة. وبالتالي ، فإن THD التي تنتجها هذه الأنواع من العواكس كبيرة جدًا. للتغلب على هذه المشكلة ، يمكن استخدام استراتيجية تحكم أخرى تُعرف باسم شبه الموجة المربعة لتقليل كمية التوافقيات التي ينتجها العاكس بشكل كبير.

الخطوة 8: تصميم GreenPAK لتنفيذ الموجات شبه المربعة القائمة على PWM

في إستراتيجية التحكم في الموجة شبه المربعة ، يتم إدخال جهد خرج صفري والذي يمكن أن يقلل بشكل كبير من التوافقيات الموجودة في شكل الموجة المربعة التقليدية. تشمل المزايا الرئيسية لاستخدام العاكس الموجي شبه المربع ما يلي:

● يمكن التحكم في سعة المكون الأساسي (عن طريق التحكم في α)

● يمكن التخلص من بعض المحتويات التوافقية (أيضًا عن طريق التحكم في α)

يمكن التحكم في سعة المكون الأساسي من خلال التحكم في قيمة α كما هو موضح في الصيغة 1.

يمكن حذف التوافقي n إذا كان اتساعه يساوي صفرًا. على سبيل المثال ، سعة التوافقي الثالث (n = 3) تساوي صفرًا عندما تكون α = 30 ° (الصيغة 2).

يظهر تصميم GreenPAK لتنفيذ استراتيجية التحكم شبه المربعة في الشكل 9.

يتم استخدام كتلة PWM لتوليد شكل موجة مربعة مع دورة عمل بنسبة 50٪. يتم إدخال جهد الخرج الصفري عن طريق تأخير ظهور الجهد عبر الإخراج Pin-15. تم تكوين كتلة P-DLY1 لاكتشاف الحافة الصاعدة لشكل الموجة. سيكتشف P-DLY1 بشكل دوري الحافة الصاعدة بعد كل فترة ويقوم بتشغيل كتلة DLY-3 ، والتي تنتج تأخيرًا قدره 2 مللي ثانية قبل تسجيل VDD عبر D-flip flop لتمكين إخراج Pin-15.

يمكن أن يتسبب Pin-15 في تشغيل كل من SW1 و SW4. عندما يحدث هذا ، سيظهر جهد إيجابي عبر الحمل.

تعمل آلية الكشف عن الحافة الصاعدة P-DLY1 أيضًا على تنشيط كتلة DLY-7 ، والتي بعد 8 مللي ثانية تعيد D-flip flop ويظهر 0 V عبر الإخراج.

يتم أيضًا تشغيل DLY-8 و DLY-9 من نفس الحافة الصاعدة. ينتج DLY-8 تأخيرًا قدره 10 مللي ثانية ويؤدي إلى تشغيل DLY-3 مرة أخرى ، والذي بعد 2 مللي ثانية سيؤدي إلى تسجيل DFF مما يتسبب في ارتفاع منطقي عبر بوابتين AND.

في هذه المرحلة ، يصبح الخروج + من كتلة PWM 0 ، حيث تم تكوين دورة عمل الكتلة لتكون 50٪. سوف يظهر Out- عبر Pin-16 مما يتسبب في تشغيل SW2 و SW3 ، مما ينتج عنه جهد متناوب عبر الحمل. بعد 18 مللي ثانية ، سيعيد DLY-9 إعادة ضبط DFF وسيظهر 0V عبر Pin-16 وتستمر الدورة الدورية في إخراج إشارة التيار المتردد.

يتم عرض التكوين الخاص بمجموعات GreenPAK المختلفة في الأشكال 10-14.

الخطوة 9: النتائج

يتم توفير جهد 12 فولت تيار مستمر من البطارية إلى العاكس. يقوم العاكس بتحويل هذا الجهد إلى شكل موجة التيار المتردد. يتم تغذية الإخراج من العاكس إلى محول تصاعدي يحول جهد التيار المتردد 12 فولت إلى 220 فولت والذي يمكن استخدامه لدفع أحمال التيار المتردد.

استنتاج

في Instructable ، قمنا بتنفيذ العاكس أحادي الطور باستخدام استراتيجيات التحكم في الموجة المربعة وشبه المربعة باستخدام GreenPAK a CMIC. تعمل وحدات GreenPAK CMIC كبديل مناسب لوحدات التحكم الدقيقة والدوائر التناظرية التي تُستخدم تقليديًا لتنفيذ عاكس أحادي الطور. علاوة على ذلك ، لدى GreenPAK CMICs إمكانية في تصميم محولات ثلاثية الطور.