Inversor de rejilla: 10 pasos (con imágenes)

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

Este es un proyecto carnoso, ¡así que abróchese el cinturón!

Los inversores de conexión a la red le permiten introducir energía en una toma de corriente, lo cual es una habilidad increíble. Encuentro interesantes la electrónica de potencia y los sistemas de control involucrados en su diseño, así que construí el mío. Este informe comparte lo que aprendí y documenta cómo hice las cosas. Me interesaría cualquier comentario que tengas (aparte de los que se refieren a no jugar con la electricidad de la red).

Todos los conceptos son escalables, pero esta configuración tenía una salida máxima de 40 vatios antes de que los inductores del filtro comenzaran a saturarse. La corriente de salida era sinusoidal con THD <5%.

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Suministros

• Usé la placa de desarrollo STM32F407. Funciona a 168MHz y tiene 3 ADC incorporados capaces de una resolución de 12 bits a más de 2.4MSPS (millones de muestras por segundo) cada uno. ¡Eso es una locura!
• Usé la placa de desarrollo DRV8301. Contiene un puente en H de 60 V junto con los controladores de puerta necesarios, derivaciones de corriente y amplificadores de derivación de corriente. ¡Super bonito!
• Usé un transformador toroidal de 230-25v con 2 tomas de salida. Esto significaba que no tenía que producir directamente voltaje de red, sino que podía trabajar con voltajes máximos de 40 voltios. ¡Mucho más seguro!
• Conecté una carga de inductores y condensadores para obtener los valores L y C que quería para el filtro.
• Un osciloscopio y una sonda diferencial es clave para un proyecto como este. Tengo un picoscopio

Paso 1: ¿Qué es la red eléctrica?

Lo que obtienes en una toma de corriente (en el Reino Unido) es una señal sinusoidal de 50 Hz 230 V RMS con una impedancia muy baja. Algunas cosas que decir al respecto:

50Hz: la frecuencia de la red se mantiene con mucha precisión a 50Hz. Varía ligeramente, pero el 90% de las veces está entre 49,9 y 50,1 Hz. Mira aquí. Puede imaginarse todos los enormes generadores de las centrales eléctricas de todo el país girando al unísono. Giran sincrónicamente produciendo para nosotros una señal sinusoidal de 50Hz. Su inercia rotacional masiva combinada necesita tiempo para desacelerar o acelerar.

En teoría, si se conectara una ENORME carga a la red, comenzaría a ralentizar los generadores del país. Sin embargo, en respuesta, los muchachos de la oficina de control de National Grid solicitarían a las centrales eléctricas que alimentaran sus calderas, subieran el calor y obligaran a esos generadores a satisfacer la demanda con más fuerza. Por lo tanto, la oferta y la demanda están en una danza continua entre sí.

Una cosa más que decir sobre la señal de 50Hz. Aunque varía muy ligeramente alrededor de 50Hz, los chicos de arriba se aseguran de que la frecuencia promedio durante el día sea exactamente 50Hz. Por lo tanto, si la red está a 49,95 Hz durante 10 minutos, se asegurarán de que funcione a 50,05 Hz más tarde para llevar el número exacto de ciclos a 50 Hz x 60 segundos x 60 minutos x 24 horas = 4, 320, 000 / día. Lo hacen precisamente utilizando el Tiempo Atómico Internacional. Por lo tanto, los electrodomésticos, oficinas e industriales pueden utilizar la frecuencia de la red para mantener el tiempo. Esto se hace comúnmente con temporizadores de enchufe mecánicos, por ejemplo.

230v: este es el voltaje RMS (raíz cuadrada media) de la señal de 50 Hz. La señal real oscila hasta un pico de 325v. Es importante saber esto porque si está construyendo un inversor, necesita producir voltajes tan altos si va a hacer que fluya corriente hacia los enchufes.

En realidad, los voltajes que se ven en un enchufe de su casa son bastante variables. Eso se debe a la caída de voltaje a través de la resistencia en cables, conectores, fusibles, transformadores, etc. Hay resistencia en todas partes. Si enciende una ducha eléctrica con 11 kilovatios (eso es ~ 50 amperios), incluso 0,2 ohmios de resistencia lo reducirán a 10 voltios. Puede ver esto como las luces atenuándose ligeramente. Los motores grandes, como los de las aspiradoras, generan grandes corrientes mientras el motor acelera. Por lo tanto, a menudo ve un ligero parpadeo de las luces cuando las enciende.

Mi punto es que el voltaje de la red es mucho más variable. Aquí en el Reino Unido se supone que es de 230 V con una tolerancia de +10% / - 6%. Puede esperar ver cambios repentinos y fluctuaciones a medida que se encienden / apagan grandes cargas cercanas. Piense en secadoras, hervidores, hornos, aspiradoras, etc.

Sinusoidal: la señal debe ser una onda sinusoidal limpia y agradable, pero en realidad algunos aparatos no lineales absorben su energía de ciertos puntos en el ciclo de la onda sinusoidal. Esto introduce distorsión y es por eso que la señal no es una onda sinusoidal perfecta. Las cargas no lineales suelen incluir fuentes de alimentación para computadoras, luces fluorescentes, cargadores, televisores, etc.

La distorsión armónica total (THD) lo cuantifica en la forma de onda. Existen regulaciones sobre qué tan limpia debe ser la salida de un inversor. Si no puede producir una señal lo suficientemente limpia, no se aprobará para la venta. Esto es importante porque el contenido de armónicos en la red reduce la eficiencia de algunos dispositivos conectados a ella (especialmente los armónicos impares). Creo que el THD máximo permitido es del 8%

Baja impedancia: al pensar en un inversor de conexión a la red, será importante tenerlo en cuenta. Hay todo tipo de cargas conectadas a la red, incluidas cargas inductivas, resistivas y ocasionalmente capacitivas. Entonces, la impedancia es desconocida y cambiante. La resistencia es muy pequeña, lo que significa que si conecta una carga de alta corriente, el voltaje no caerá mucho en absoluto.

Paso 2: Cómo introducir energía en la red

Para impulsar la energía a la red, necesitamos sintetizar una señal que coincida exactamente con la frecuencia y la fase de la red, pero con un voltaje ligeramente superior.

Debido a la baja resistencia de la red, es difícil saber exactamente cuánto más alto es ese voltaje. Y a medida que fluctúa el voltaje RMS, debemos asegurarnos de que fluctuamos con él. ¡Solo producir una señal de voltaje fijo de 50Hz ligeramente más alto que el voltaje de la red no funcionará!

PI Control de la corriente de salida

Lo que necesitamos es un bucle de control mediante el cual medimos la corriente instantánea que estamos introduciendo en la red y ajustamos automáticamente nuestro voltaje de salida para impulsar la corriente que queremos. Esto transformará efectivamente nuestra salida en una fuente de corriente (en lugar de una fuente de voltaje) que es más apropiada para conducir impedancias bajas. Podemos lograr esto mediante el uso de un bucle de control PI (Proporcional Integral):

¡Los bucles de control PI son fantásticos! Hay 3 partes para ellos:

• El valor medido: la corriente que estamos introduciendo en la red
• El punto de ajuste: la corriente que queremos impulsar a la red
• La salida: el voltaje de la señal para generar

Cada vez que llamamos al algoritmo PID, pasamos la medida de corriente más reciente y el punto de ajuste que queremos. Devolverá un número arbitrario (proporcional al voltaje de salida a generar).

Nuestro algoritmo de control PID nos permite elegir la corriente de salida que queramos en cada momento. Para producir una corriente de salida sinusoidal de 50Hz, necesitamos cambiar continuamente nuestra corriente solicitada de forma sinusoidal.

El algoritmo PID se llama cada 100us (lo que equivale a 200 veces por ciclo de 50Hz). Cada vez que se llama, puede realizar ajustes directos en el voltaje de salida y, por lo tanto, ajustar indirectamente la corriente de salida. Como resultado, producimos una salida de corriente escalonada similar a la que se muestra en la imagen con cada paso ocurriendo cada 100us. Eso proporciona suficiente resolución.

Control previo

Podemos reducir enormemente la carga de trabajo del controlador PI agregando también un controlador de avance. ¡Esto es facil! Sabemos el voltaje de salida aproximado que necesitaremos generar (igual que el voltaje instantáneo de la red). Luego, se puede dejar que el controlador PI agregue el pequeño voltaje adicional necesario para impulsar una corriente de salida.

Por sí mismo, el controlador feedforward hace coincidir el voltaje de salida del inversor con el voltaje de la red. No debería fluir corriente si coincidimos lo suficientemente bien. Por lo tanto, el control anticipativo realiza el 99% del control de salida.

Debido a la baja resistencia de la red, cualquier diferencia en nuestro voltaje de salida FF y el voltaje de la red resultaría en una gran corriente. Por lo tanto, agregué una resistencia de búfer de 1 ohmio entre el inversor y la red. Esto introduce pérdidas, pero son bastante pequeñas en el gran esquema.

Paso 3: producir el voltaje de salida usando PWM

Aunque estamos controlando indirectamente la corriente de salida, es un voltaje de salida que estamos generando en un momento dado. Usamos PWM (Modulación de ancho de pulso) para producir nuestro voltaje de salida. Las señales PWM pueden producirse fácilmente mediante microcontroladores y pueden amplificarse mediante un H-Bridge. Son formas de onda simples caracterizadas por 2 parámetros, la frecuencia F y el ciclo de trabajo D.

Una forma de onda PWM cambia entre 2 voltajes, en nuestro caso 0v y Vsupply

• Con D = 1.0, la forma de onda PWM es simplemente DC en Vsupply
• Con D = 0.5, obtenemos una onda cuadrada con un voltaje promedio de 0.5 x V de suministro, (es decir, D x V de suministro)
• Con D = 0.1, obtenemos una forma de onda pulsada con un período promedio de 0.1 x V
• Con D = 0.0, la salida es una línea plana (DC a 0v)

El voltaje promedio es la clave. Con un filtro de paso bajo podemos eliminar todo menos el componente promedio de CC. Entonces, al variar el ciclo de trabajo D de PWM, podemos hacer cualquier voltaje de CC deseado. ¡Dulce!

Empleando un puente en H

Un puente en H se compone de 4 elementos de conmutación. Estos pueden ser BJT, MOSFET o IGBT. Para producir la primera mitad (0 - 180 grados) de la onda sinusoidal, configuramos la fase B baja desactivando Q3 y activando Q4 (es decir, aplicando PWM con D = 0). Luego realizamos nuestro PWM en la fase A. Para la segunda mitad, donde VAB es negativo, configuramos la Fase A baja y aplicamos nuestro PWM a la fase B. Esto se conoce como conmutación bipolar.

Los MOSFET en el puente H deben ser controlados por un controlador de puerta. Este es un tema en sí mismo, pero un simple chip puede solucionarlo. La placa de desarrollo DRV8301 aloja convenientemente el puente H, los controladores de puerta y las derivaciones de corriente para que este proyecto sea mucho más fácil.

Paso 4: medir la corriente

Cada pata del H-Bridge tiene una resistencia en derivación y un amplificador diferencial. Nuestras derivaciones son de 0.01 ohmios y nuestros amplificadores están configurados para una ganancia de 40. Por lo tanto, 1 Amp desarrolla 10mV a través de la derivación que posteriormente se amplifica a 400mV.

Las salidas de los amplificadores en derivación son leídas por los ADC de 12 bits en el STM32F407 que se ejecuta en modo de conversión continua. Los ADC están configurados para muestrear cada derivación a 110 KSPS y el controlador DMA escribe automáticamente las conversiones en un búfer circular de 11 palabras en la RAM. Cuando se desea una medición actual, llamamos a una función que devuelve el valor mediano de este búfer de 11 palabras.

Dado que estamos solicitando mediciones de corriente en cada iteración de PID (a 10 KHz) pero llenando nuestros búferes ADC de 11 palabras a una velocidad de 110 KHz, deberíamos obtener datos completamente nuevos en cada iteración de PID. La razón para usar un filtro de mediana es porque la conmutación de PWM puede introducir picos en la mezcla y los filtros de mediana erradican muestras de ADC falsas de manera muy efectiva.

Un punto importante a destacar aquí: ¿Qué tramo del puente en H usamos para las mediciones de corriente? Bueno, depende de qué tramo estemos actualmente en PWM y cuál se mantiene bajo. La pierna que se mantiene baja es desde la que queremos medir nuestra corriente, ya que la corriente siempre fluye a través de la resistencia de derivación en ese lado. En comparación, en el lado de PWMed, cuando el MOSFET del lado alto está encendido y el lado bajo está apagado, no fluye corriente a través de la derivación del lado bajo. Entonces, cambiamos en qué pata medimos la corriente en función de la polaridad de salida del inversor. Puede ver esto claramente en la imagen, que muestra la salida de uno de los amplificadores en derivación durante un período. Obviamente queremos tomar lecturas durante la parte suave.

Para ayudar a depurar nuestras lecturas actuales. Configuré el convertidor de digital a analógico en el STM32F407. Escribí las lecturas actuales que estaba obteniendo y analicé la salida. Puede ver esto en la imagen final, el azul es el voltaje a través de la resistencia del búfer de salida (es decir, la corriente de salida / 1.1ohms) y la señal roja es nuestra salida DAC.

Paso 5: filtrar la salida

El filtro de salida es una parte clave del diseño. Necesitamos estas características de él:

1. Bloquea todas las conmutaciones de alta frecuencia pero pasa una señal de 50Hz
2. Bajas pérdidas
3. ¡No resonar!
4. Para hacer frente a las corrientes y tensiones implicadas.

La transformada de Fourier de una señal PWM de frecuencia F, ciclo de trabajo D, entre 0 - V voltios de suministro es: (D x V suministro) + ondas sinusoidales en la frecuencia fundamental F, y armónicos posteriores

¡Esto es brillante! Significa si ponemos nuestra señal PWM a través de un filtro de paso bajo que bloquea el fundamental PWM y todo lo anterior. Nos quedamos con el término de voltaje de CC. Al variar el ciclo de trabajo, podemos producir fácilmente cualquier voltaje que queramos entre 0 - V de suministro, como se explica.

Basándonos en las características deseadas mencionadas anteriormente, podemos diseñar el filtro de salida. Necesitamos un filtro de paso bajo fabricado con una resistencia mínima para evitar pérdidas. Por lo tanto, solo usamos inductores y condensadores. Si elegimos una frecuencia de resonancia entre 1 y 2 KHz evitaremos la resonancia ya que no estamos inyectando ninguna señal cerca de esa frecuencia. Aquí está nuestro diseño de filtro. Tomamos nuestra salida como el voltaje en C1.

Al elegir L1 = L2 = 440uH, C1 = 8.4uF calculamos una frecuencia de resonancia de 1.85KHz. Estos también son valores de componentes realistas.

Es vital garantizar que nuestros inductores no comiencen a saturarse con las corrientes que esperamos. Los inductores que he usado tienen una corriente de saturación de 3A. Este será el factor limitante de la potencia de salida de nuestro circuito. También es importante considerar la clasificación de voltaje del capacitor. Estoy usando cerámica de 450v, lo cual es muy exagerado en este caso.

La gráfica de bode (para valores de L / C ligeramente diferentes) se ha generado utilizando LTspice. Nos muestra la atenuación infligida en diferentes frecuencias de entrada. Podemos ver claramente la frecuencia de resonancia a 1.8KHz. ¡Muestra que una señal de 50Hz está casi completamente sin adulterar, mientras que puedo decirle que una señal de 45 KHz está atenuada en 54dB!

Así que elijamos nuestra frecuencia portadora PWM en ~ 45 KHz. Al elegir frecuencias portadoras PWM más altas, la frecuencia del filtro se puede hacer más alta. Eso es bueno porque hace que los valores L y C sean más pequeños. Eso significa componentes más pequeños y más baratos. La desventaja es que las frecuencias de conmutación PWM más altas introducen mayores pérdidas en los interruptores de transistores.

Paso 6: Sincronización de fase y frecuencia

La sincronización con la fase y la frecuencia de la red es lo que hace que un inversor de conexión a la red. Usamos una implementación digital de un PLL (Phase Locked Loop) para lograr un seguimiento de fase preciso de la señal de la red. Hacemos esto por:

1. Muestreo de la tensión de red
2. Produciendo nuestra propia señal sinusoidal local de 50Hz
3. Comparando la fase entre nuestra señal local y la señal de la red
4. Ajustar la frecuencia de la señal local hasta que la diferencia de fase entre las 2 señales sea cero

1) Muestreo de la tensión de red

Configuramos un tercer canal ADC para leer el voltaje de línea. Esto lo obtenemos dividiendo el voltaje de una toma de transformador como se muestra. Esto proporciona un voltaje escalado que varía alrededor de 1,65 V que representa exactamente el voltaje de la red.

2) Producir una señal sinusoidal local de 50Hz Producir nuestra propia onda sinusoidal local de 50Hz es fácil. Almacenamos una tabla de búsqueda de 256 valores de seno. Nuestro valor de seno simulado se obtiene fácilmente usando un índice de búsqueda que rota incrementalmente a través de la tabla.

Debemos incrementar nuestro índice exactamente a la velocidad correcta para obtener una señal de 50Hz. Es decir, 256 x 50 Hz = 12, 800 / s. Hacemos esto usando timer9 con una frecuencia de 168MHz. Al esperar 168MHz / 12800 = 13125 tics de reloj, avanzaremos nuestro índice a la velocidad correcta.

3) Comparar la fase entre nuestra señal local y la señal de la red ¡Esta es la parte genial! Si integra el producto de cos (wt) x sen (wt) durante 1 período, el resultado es cero. Si la diferencia de fase es distinta de 90 grados, obtendrá un número distinto de cero. Matemáticamente:

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

¡Esto es genial! Nos permite comparar la señal de la red, sin (ωt) con nuestra señal local, sin (⍵t + φ) y obtener un valor.

Sin embargo, hay un problema que debe abordarse: si queremos que nuestras señales permanezcan en fase, debemos ajustar nuestra frecuencia local para mantener el término Ccos (φ) al máximo. Esto no funcionará muy bien y obtendremos un seguimiento de fase deficiente. Esto se debe a que el d / dφ de ɑcos (φ) es 0 en φ = 0. Esto significa que el término Ccos (φ) no variará mucho con los cambios de fase. ¿Tiene sentido?

Sería mucho mejor cambiar la fase de la señal de red muestreada en 90 grados para que se convierta en cos (ωt + φ). Entonces tenemos esto:

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

Introducir un cambio de fase de 90 grados es fácil, simplemente insertamos nuestras muestras de voltaje ADC de la red en un extremo de un búfer y las sacamos después, lo que corresponde a un cambio de fase de 90 grados. Dado que la frecuencia de la red apenas varía de 50 Hz, una técnica de retardo de tiempo simple funciona de manera brillante.

Ahora multiplicamos nuestra señal de red con desfase de 90 grados con nuestra señal local y mantenemos una integral de funcionamiento del producto durante el último período (es decir, durante los últimos 256 valores).

El resultado que sabemos será cero si las 2 señales se mantienen separadas con precisión de 90 grados. Esto es fantástico porque deshace el cambio de fase que acabamos de aplicar a la señal de red. Solo para aclarar, en lugar de maximizar el término integral, estamos intentando mantenerlo en cero y estamos cambiando de fase nuestra señal de red. Los cambios de fase de 90 grados introducidos por estos 2 cambios se cancelan entre sí.

Entonces, si Integral_Result <0, sabemos que debemos aumentar la frecuencia de nuestro oscilador local para volver a ponerlo en fase con la red, y viceversa.

4) Ajustar la frecuencia de la señal local Este bit es sencillo. Simplemente ajustamos el período entre incrementos a través de nuestro índice. Limitamos la rapidez con la que podemos corregir la diferencia de fase esencialmente filtrando lo que sea falso. Hacemos esto usando un controlador PI con un término I muy pequeño.

Y eso es. Hemos bloqueado nuestro oscilador de onda sinusoidal local (que establece el punto de ajuste de la corriente de salida) para que esté en fase con el voltaje de la red. ¡Hemos implementado un algoritmo PLL y funciona como un sueño!

El aumento de la frecuencia de nuestro oscilador local también reduce el cambio de fase aplicado a la señal de la red. Dado que estamos restringiendo el ajuste de frecuencia a +/- 131 tics (+/- ~ 1%), afectaremos el cambio de fase en +/- 1 ° como máximo. Esto no importará en absoluto mientras las fases se sincronizan.

Teóricamente, si la frecuencia de la red se desvía más de 0,5 Hz, perderíamos nuestro bloqueo de fase. Esto se debe a nuestra restricción anterior sobre cuánto podemos ajustar la frecuencia de nuestro oscilador local. Sin embargo, eso no sucederá a menos que la red esté a punto de fallar. Nuestra protección anti-isla se activará en este punto de todos modos.

Realizamos una detección de cruce por cero al inicio para hacer nuestro mejor esfuerzo para iniciar las señales en fase desde el desplazamiento.

Paso 7: anti-isla

Wikipedia tiene un artículo increíble sobre técnicas de isla y anti-isla. También implica que la gente sisea y agita más de lo necesario cuando se trata de este tema. "Oh, no puedes construir tu propio inversor de conexión a la red, matarás a alguien, etc."

Como se explica mejor en el artículo de wikipedia, empleamos un par de precauciones de seguridad que juntas brindan la protección adecuada (en mi opinión):

1. Bajo / Sobretensión
2. Frecuencia insuficiente / excesiva

Podemos detectar estas situaciones simplemente analizando nuestro voltaje de red escalado muestreado. Si algo sale de control, desactive el puente H y espere a que todo vuelva a la normalidad.