Cómo diseñar e implementar un inversor monofásico: 9 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

Este Instructable explora el uso de los CMIC GreenPAK ™ de Dialog en aplicaciones de electrónica de potencia y demostrará la implementación de un inversor monofásico utilizando varias metodologías de control. Se utilizan diferentes parámetros para determinar la calidad del inversor monofásico. Un parámetro importante es la distorsión armónica total (THD). THD es una medida de la distorsión armónica en una señal y se define como la relación entre la suma de las potencias de todos los componentes armónicos y la potencia de la frecuencia fundamental.

A continuación, describimos los pasos necesarios para comprender cómo se ha programado la solución para crear el inversor monofásico. Sin embargo, si solo desea obtener el resultado de la programación, descargue el software GreenPAK para ver el archivo de diseño GreenPAK ya completado. Conecte el kit de desarrollo GreenPAK a su computadora y presione el programa para crear el inversor monofásico.

Paso 1: inversor monofásico

Un inversor de energía, o inversor, es un dispositivo o circuito electrónico que cambia la corriente continua (CC) en corriente alterna (CA). Dependiendo del número de fases de la salida de CA, existen varios tipos de inversores.

● Inversores monofásicos

● Inversores trifásicos

DC es el flujo unidireccional de carga eléctrica. Si se aplica un voltaje constante a través de un circuito puramente resistivo, da como resultado una corriente constante. Comparativamente, con CA, el flujo de corriente eléctrica invierte periódicamente la polaridad. La forma de onda de CA más típica es una onda sinusoidal, pero también puede ser una onda triangular o cuadrada. Para transferir energía eléctrica con diferentes perfiles de corriente, se requieren dispositivos especiales. Los dispositivos que convierten CA en CC se conocen como rectificadores y los dispositivos que convierten CC en CA se conocen como inversores.

Paso 2: Topologías de inversor monofásico

Hay dos topologías principales de inversores monofásicos; topologías de medio puente y puente completo. Esta nota de aplicación se centra en la topología de puente completo, ya que proporciona el doble de voltaje de salida en comparación con la topología de medio puente.

Paso 3: topología de puente completo

En una topología de puente completo se necesitan 4 interruptores, ya que la tensión de salida alterna se obtiene por la diferencia entre dos ramas de las celdas de conmutación. El voltaje de salida se obtiene al encender y apagar de manera inteligente los transistores en instantes de tiempo particulares. Hay cuatro estados diferentes según los interruptores que estén cerrados. La siguiente tabla resume los estados y el voltaje de salida según los interruptores que están cerrados.

Para maximizar el voltaje de salida, el componente fundamental del voltaje de entrada en cada rama debe estar desfasado 180º. Los semiconductores de cada rama son complementarios en rendimiento, es decir, cuando uno está conduciendo el otro está cortado y viceversa. Esta topología es la más utilizada para inversores. El diagrama de la Figura 1 muestra el circuito de una topología de puente completo para un inversor monofásico.

Paso 4: Transistor bipolar de puerta aislada

El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) es como un MOSFET con la adición de una tercera función PN. Esto permite un control basado en voltaje, como un MOSFET, pero con características de salida como un BJT con respecto a altas cargas y bajo voltaje de saturación.

Se pueden observar cuatro regiones principales sobre su comportamiento estático.

● Región de avalanchas

● Región de saturación

● Área de corte

● Región activa

La región de avalancha es el área donde se aplica un voltaje por debajo del voltaje de ruptura, lo que resulta en la destrucción del IGBT. El área de corte incluye valores desde el voltaje de ruptura hasta el voltaje de umbral, en el que el IGBT no conduce. En la región de saturación, el IGBT se comporta como una fuente de voltaje dependiente y una resistencia en serie. Con bajas variaciones de voltaje, se puede lograr una alta amplificación de corriente. Esta área es la más deseable para la operación. Si se aumenta el voltaje, el IGBT ingresa a la región activa y la corriente permanece constante. Se aplica un voltaje máximo para el IGBT para garantizar que no ingrese a la región de avalancha. Este es uno de los semiconductores más utilizados en electrónica de potencia, ya que puede soportar una amplia gama de voltajes desde unos pocos voltios hasta kV y potencias entre kW y MW.

Estos transistores bipolares de puerta aislada actúan como dispositivos de conmutación para la topología de inversor monofásico de puente completo.

Paso 5: Bloque de modulación de ancho de pulso en GreenPAK

El bloque de modulación de ancho de pulso (PWM) es un bloque útil que se puede utilizar para una amplia gama de aplicaciones. El bloque DCMP / PWM se puede configurar como un bloque PWM. El bloque PWM se puede obtener a través de FSM0 y FSM1. El pin PWM IN + está conectado a FSM0 mientras que el pin IN- está conectado a FSM1. Tanto FSM0 como FSM1 proporcionan datos de 8 bits al bloque PWM. El período de tiempo de PWM se define por el período de tiempo de FSM1. El ciclo de trabajo para el bloque PWM está controlado por el FSM0.

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

Hay dos opciones para la configuración del ciclo de trabajo:

● 0-99,6%: DC varía de 0% a 99,6% y se determina como IN + / 256.

● 0.39-100%: DC varía de 0.39% a 100% y se determina como (IN + + 1) / 256.

Paso 6: Diseño GreenPAK para implementación de onda cuadrada basada en PWM

Existen diferentes metodologías de control que se pueden utilizar para implementar un inversor monofásico. Una de estas estrategias de control incluye una onda cuadrada basada en PWM para el inversor monofásico.

Se utiliza un CMIC GreenPAK para generar patrones de conmutación periódicos a fin de convertir convenientemente CC en CA. Los voltajes de CC se alimentan desde la batería y la salida obtenida del inversor se puede utilizar para suministrar la carga de CA. Para el propósito de esta aplicación, tenga en cuenta que la frecuencia de CA se ha establecido en 50 Hz, una frecuencia de energía doméstica común en muchas partes del mundo. En consecuencia, el período es de 20 ms.

El patrón de conmutación que debe generar GreenPAK para SW1 y SW4 se muestra en la Figura 3.

El patrón de conmutación para SW2 y SW3 se muestra en la Figura 4

Los patrones de conmutación anteriores se pueden producir convenientemente utilizando un bloque PWM. El período de tiempo de PWM lo establece el período de tiempo de FSM1. El período de tiempo para FSM1 debe establecerse en 20 ms correspondiente a la frecuencia de 50 Hz. El ciclo de trabajo para el bloque PWM está controlado por los datos provenientes de FSM0. Para generar el ciclo de trabajo del 50%, el valor del contador FSM0 se establece en 128.

El diseño GreenPAK correspondiente se muestra en la Figura 5.

Paso 7: Desventaja de la estrategia de control de onda cuadrada

El uso de la estrategia de control de onda cuadrada hace que el inversor produzca una gran cantidad de armónicos. Aparte de la frecuencia fundamental, los inversores de onda cuadrada tienen componentes de frecuencia impares. Estos armónicos hacen que el flujo de la máquina se sature, lo que conduce a un rendimiento deficiente de la máquina, a veces incluso dañando el hardware. Por tanto, la THD producida por este tipo de inversores es muy grande. Para superar este problema, se puede emplear otra estrategia de control conocida como onda cuasi cuadrada para reducir significativamente la cantidad de armónicos producidos por el inversor.

Paso 8: Diseño GreenPAK para implementación de onda cuasi-cuadrada basada en PWM

En la estrategia de control de onda cuasi-cuadrada, se introduce un voltaje de salida cero que puede reducir significativamente los armónicos presentes en la forma de onda cuadrada convencional. Las principales ventajas de utilizar un inversor de onda cuasi-cuadrada incluyen:

● La amplitud del componente fundamental se puede controlar (controlando α)

● Se pueden eliminar ciertos contenidos armónicos (también controlando α)

La amplitud del componente fundamental se puede controlar controlando el valor de α como se muestra en la Fórmula 1.

El enésimo armónico se puede eliminar si su amplitud se hace cero. Por ejemplo, la amplitud del tercer armónico (n = 3) es cero cuando α = 30 ° (Fórmula 2).

El diseño de GreenPAK para implementar la estrategia de control de onda cuasi cuadrada se muestra en la Figura 9.

El bloque PWM se utiliza para generar una forma de onda cuadrada con un ciclo de trabajo del 50%. El voltaje de salida cero se introduce retrasando el voltaje que aparece en la salida Pin-15. El bloque P-DLY1 está configurado para detectar el flanco ascendente de la forma de onda. P-DLY1 detectará periódicamente el flanco ascendente después de cada período y activará el bloque DLY-3, que produce un retraso de 2 ms antes de sincronizar el VDD a través de un flip flop D para habilitar la salida del Pin-15.

El pin-15 puede hacer que tanto SW1 como SW4 se enciendan. Cuando esto ocurre, aparecerá un voltaje positivo a través de la carga.

El mecanismo de detección de flanco ascendente P-DLY1 también activa el bloque DLY-7, que después de 8ms restablece el flip flop D y aparece 0 V en la salida.

DLY-8 y DLY-9 también se activan desde el mismo flanco ascendente. DLY-8 produce un retardo de 10ms y activa DLY-3 nuevamente, que después de 2ms registrará el DFF causando un alto lógico a través de las dos puertas AND.

En este punto, Out + del bloque PWM se convierte en 0, ya que el ciclo de trabajo del bloque se configuró para ser del 50%. Out- aparecerá en el Pin-16 haciendo que el SW2 y el SW3 se enciendan, produciendo un voltaje alterno a través de la carga. Después de 18 ms, DLY-9 reiniciará el DFF y aparecerán 0V a través del Pin-16 y el ciclo periódico continúa emitiendo una señal de CA.

La configuración para diferentes bloques GreenPAK se muestra en las Figuras 10-14.

Paso 9: Resultados

La tensión de 12 V CC se suministra desde la batería al inversor. El inversor convierte este voltaje en una forma de onda de CA. La salida del inversor se alimenta a un transformador elevador que convierte el voltaje de 12 V CA en 220 V que se puede utilizar para impulsar las cargas de CA.

Conclusión

En este Instructable, hemos implementado un inversor monofásico utilizando estrategias de control de onda cuadrada y onda cuasi cuadrada utilizando GreenPAK a CMIC. Los CMIC de GreenPAK actúan como un sustituto conveniente de los microcontroladores y los circuitos analógicos que se utilizan convencionalmente para implementar un inversor monofásico. Además, los CMIC de GreenPAK tienen potencial en el diseño de inversores trifásicos.