Circuito controlador de puerta para inversor trifásico: 9 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

Este proyecto es básicamente un circuito de controladores para un equipo llamado SemiTeach que compramos recientemente para nuestro departamento. Se muestra la imagen del dispositivo.

La conexión de este circuito de controlador a 6 mosfets genera tres voltajes de CA desplazados de 120 grados. El rango es de 600 V para el dispositivo SemiTeach. El dispositivo también tiene terminales de salida de error incorporados que dan un estado bajo cuando se detecta un error en cualquiera de las tres fases

Los inversores se utilizan comúnmente en la industria de la energía para convertir el voltaje de CC de muchas fuentes de generación en voltajes de CA para una transmisión y distribución eficientes. Además, también se utilizan para extraer energía de la serie de energía ininterrumpida (UPS). Los inversores necesitan un circuito controlador de compuerta para impulsar los interruptores de electrónica de potencia utilizados en el circuito para la conversión. Hay muchos tipos de señales de puerta que se pueden implementar. El siguiente informe analiza el diseño y la implementación de un circuito controlador de puerta para un inversor trifásico que utiliza conducción de 180 grados. Este informe se centra en el diseño del circuito controlador de puerta en el que están escritos los detalles completos del diseño. Además, este proyecto también encapsula la protección del microcontrolador y el circuito durante las condiciones de error. La salida del circuito es de 6 PWM para 3 patas del inversor trifásico.

Paso 1: revisión de la literatura

Muchas aplicaciones en la industria de la energía requieren la conversión de voltaje de CC a voltaje de CA, como la conexión de paneles solares a la red nacional o para alimentar dispositivos de CA. Esta conversión de CC a CA se logra utilizando inversores. Según el tipo de suministro, existen dos tipos de inversores: Inversor Monofásico e Inversor Trifásico. Un inversor monofásico toma el voltaje de CC como entrada y lo convierte en voltaje de CA monofásico, mientras que un convertidor de inversor trifásico convierte el voltaje de CC en voltaje de CA trifásico.

Figura 1.1: Inversor trifásico

Un inversor trifásico emplea 6 interruptores de transistor, como se muestra arriba, que son impulsados por señales PWM utilizando circuitos de controlador de puerta.

Las señales de puerta del inversor deben tener una diferencia de fase de 120 grados entre sí para adquirir una salida balanceada trifásica. Se pueden aplicar dos tipos de señales de control para ejecutar este circuito

• conducción de 180 grados

• Conducción de 120 grados

Modo de conducción de 180 grados

En este modo, cada transistor se enciende 180 grados. Y en cualquier momento, tres transistores permanecen encendidos, un transistor en cada rama. En un ciclo, hay seis modos de operación y cada modo opera durante 60 grados del ciclo. Las señales de activación se desplazan entre sí mediante una diferencia de fase de 60 grados para obtener un suministro trifásico equilibrado.

Figura 1.2: conductio de 180 grados

Modo de conducción de 120 grados

En este modo, cada transistor se enciende durante 120 grados. Y en cualquier momento, solo conducen dos transistores. Cabe señalar que en cualquier momento, en cada rama, solo debe estar encendido un transistor. Debe haber una diferencia de fase de 60 grados entre las señales PWM para obtener una salida de CA trifásica balanceada.

Figura 1.3: conducción de 120 grados

Control de tiempo muerto

Una precaución muy importante que se debe tomar es que en una pata, ambos transistores no deben estar encendidos al mismo tiempo, de lo contrario, la fuente de CC provocará un cortocircuito y el circuito se dañará. Por lo tanto, es muy esencial agregar un intervalo de tiempo muy corto entre el apagado de un transistor y el encendido del otro transistor.

Paso 2: diagrama de bloques

Paso 3: componentes

En esta sección se presentarán y analizarán detalles sobre el diseño.

Lista de componentes

• Optoacoplador 4n35

• IC del controlador IR2110

• Transistor 2N3904

• Diodo (UF4007)

• Diodos Zener

• Relé 5V

• Y puerta 7408

• ATiny85

Optoacoplador

El optoacoplador 4n35 se ha utilizado para el aislamiento óptico del microcontrolador del resto del circuito. La resistencia seleccionada se basa en la fórmula:

Resistencia = LedVoltage / CurrentRating

Resistencia = 1,35 V / 13,5 mA

Resistencia = 100 ohmios

La resistencia de salida que actúa como resistencia a la bajada es de 10 k ohmios para un desarrollo adecuado del voltaje a través de ella.

IR 2110

Es un circuito integrado de control de puerta que se utiliza normalmente para controlar los MOSFET. Es un circuito integrado de controlador de lado alto y bajo de 500 V con una fuente típica de 2,5 A y corrientes de disipador de 2,5 A en un circuito integrado de empaquetado de 14 cables.

Condensador Bootstrap

El componente más importante del controlador IC es el condensador de arranque. El capacitor de arranque debe ser capaz de suministrar esta carga y retener su voltaje completo, de lo contrario habrá una cantidad significativa de ondulación en el voltaje Vbs, que podría caer por debajo del bloqueo por subvoltaje Vbsuv y hacer que la salida HO deje de funcionar. Por lo tanto, la carga en el condensador Cbs debe ser como mínimo el doble del valor anterior. El valor mínimo del condensador se puede calcular a partir de la siguiente ecuación.

C = 2 [(2Qg + Iqbs / f + Qls + Icbs (fuga) / f) / (Vcc − Vf −Vls − Vmin)]

Mientras que

Vf = Caída de voltaje directo a través del diodo de arranque

VLS = Caída de voltaje en el FET del lado bajo (o carga para un controlador del lado alto)

VMin = Voltaje mínimo entre VB y VS

Qg = Carga de puerta del FET del lado alto

F = Frecuencia de operación

Icbs (fuga) = corriente de fuga del condensador Bootstrap

Qls = carga de cambio de nivel requerida por ciclo

Hemos seleccionado un valor de 47uF.

Transistor 2N3904

El 2N3904 es un transistor de unión bipolar NPN común que se utiliza para aplicaciones de conmutación o amplificación de baja potencia de uso general. Puede manejar 200 mA de corriente (máximo absoluto) y frecuencias de hasta 100 MHz cuando se usa como ampli fi cador.

Diodo (UF4007)

Se utiliza un semiconductor de tipo I de alta resistividad para proporcionar una capacitancia de diodo (Ct) significativamente menor. Como resultado, los diodos PIN actúan como una resistencia variable con polarización directa y se comportan como un condensador con polarización inversa. Las características de alta frecuencia (la baja capacitancia garantiza un efecto mínimo de las líneas de señal) las hacen adecuadas para su uso como elementos de resistencia variable en una amplia variedad de aplicaciones, incluidos atenuadores, conmutación de señales de alta frecuencia (es decir, teléfonos móviles que requieren una antena) y circuitos AGC.

Diodo Zener

Un diodo Zener es un tipo particular de diodo que, a diferencia de uno normal, permite que la corriente fluya no solo desde su ánodo a su cátodo, sino también en la dirección inversa, cuando se alcanza el voltaje Zener. Se utiliza como regulador de voltaje. Los diodos Zener tienen una unión p-n altamente dopada. Los diodos normales también se romperán con un voltaje inverso, pero el voltaje y la nitidez de la rodilla no están tan bien definidos como para un diodo Zener. Además, los diodos normales no están diseñados para operar en la región de ruptura, pero los diodos Zener pueden operar de manera confiable en esta región.

Relé

Los relés son interruptores que abren y cierran circuitos electromecánica o electrónicamente. Los relés controlan un circuito eléctrico abriendo y cerrando contactos en otro circuito. Cuando un contacto de relé está normalmente abierto (NO), hay un contacto abierto cuando el relé no está energizado. Cuando un contacto de relé está normalmente cerrado (NC), hay un contacto cerrado cuando el relé no está energizado. En cualquier caso, la aplicación de corriente eléctrica a los contactos cambiará su estado.

Y PUERTA 7408

Una puerta lógica AND es un tipo de puerta lógica digital cuya salida va ALTA a un nivel lógico 1 cuando todas sus entradas son ALTAS

ATiny85

Es un microcontrolador basado en AVR RISC de Microchip de 8 bits de baja potencia que combina memoria flash ISP de 8 KB, EEPROM de 512 B, SRAM de 512 bytes, 6 líneas de E / S de propósito general, 32 registros de trabajo de propósito general, un temporizador / contador de 8 bits con modos de comparación, un temporizador / contador de alta velocidad de 8 bits, USI, interrupciones internas y externas, convertidor A / D de 4 canales y 10 bits.

Paso 4: Funcionamiento y circuito explicado

En esta sección se explicará en detalle el funcionamiento del circuito.

Generación de PWM

PWM se ha generado a partir del microcontrolador STM. TIM3, TIM4 y TIM5 se han utilizado para generar tres PWM con un ciclo de trabajo del 50 por ciento. El cambio de fase de 60 grados se incorporó entre tres PWM utilizando retardo de tiempo. Para la señal PWM de 50 Hz, se utilizó el siguiente método para calcular el retardo

delay = TimePeriod ∗ 60/360

retardo = 20ms ∗ 60/360

retraso = 3,3 ms

Aislamiento del microcontrolador mediante optoacoplador

El aislamiento entre el microcontrolador y el resto del circuito se ha realizado mediante el optoacoplador 4n35. El voltaje de aislamiento de 4n35 es de aproximadamente 5000 V. Se utiliza para proteger el microcontrolador de las corrientes inversas. Como un microcontrolador no puede soportar voltaje negativo, por lo tanto, para la protección del microcontrolador, se utiliza un optoacoplador.

Circuito de activación de puerta El controlador IC IR2110 se ha utilizado para proporcionar conmutación de PWM a los MOSFET. Los PWM del microcontrolador se han proporcionado a la entrada del IC. Como el IR2110 no tiene la puerta NOT incorporada, BJT se utiliza como inversor para el pin Lin. A continuación, proporciona los PWM complementarios a los MOSFET que se van a impulsar.

Detección de errores

El módulo SemiTeach tiene 3 pines de error que normalmente son ALTOS a 15 V. Siempre que hay algún error en el circuito, uno de los pines pasa al nivel BAJO. Para la protección de los componentes del circuito, el circuito debe ser cortado durante condiciones de error. Esto se logró utilizando AND Gate, el microcontrolador ATiny85 y un relé de 5 V. Uso de AND Gate

La entrada a la puerta AND son 3 pines de error que están en estado ALTO en condiciones normales, por lo que la salida de la puerta Y es ALTA en condiciones normales. Tan pronto como hay un error, uno de los pines pasa a 0 V y, por lo tanto, la salida de la puerta AND pasa a BAJA. Esto se puede usar para verificar si hay un error o no en el circuito. El Vcc a la puerta AND se proporciona a través de un diodo Zener.

Cortando el Vcc a través de ATiny85

La salida de la puerta AND se alimenta al microcontrolador ATiny85 que genera una interrupción tan pronto como hay algún error. Esto impulsa aún más el relé que corta el Vcc de todos los componentes excepto ATiny85.

Paso 5: simulación

Para la simulación, hemos utilizado los PWM del generador de funciones en el modelo Proteus en lugar del modelo STMf401, ya que no está disponible en Proteus. Hemos utilizado el Optoacoplador 4n35 para el aislamiento entre el microcontrolador y el resto del circuito. El IR2103 se utiliza en las simulaciones como un amplificador de corriente que nos proporciona PWM complementarios.

Diagrama esquemático El diagrama esquemático se da como sigue:

Salida del lado alto Esta salida está entre HO y Vs. La siguiente figura muestra la salida de los tres PWM del lado alto.

Salida del lado bajo Esta salida está entre LO y COM. La siguiente figura muestra la salida de los tres PWM del lado alto.

Paso 6: Diseño esquemático y de PCB

Se ha mostrado el diseño esquemático y de PCB creado en Proteus

Paso 7: Resultados de hardware

PWM complementarios

La siguiente figura muestra la salida de uno de los IR2110 que es complementario

PWM de la fase A y B

Las fases A y B de están desfasadas 60 grados. Se muestra en la figura

PWM de la Fase A y C

Las fases A y C de están desplazadas en -60 grados. Se muestra en la figura

Paso 8: codificación

El código fue desarrollado en Atollic TrueStudio. Para instalar Atollic, puede ver mis tutoriales anteriores o descargarlos en línea.

Se ha agregado el proyecto completo.

Paso 9: gracias

Siguiendo mi tradición, me gustaría agradecer a los miembros de mi grupo que me ayudaron a completar este increíble proyecto.

Espero que este instructivo te ayude.

Este soy yo despidiéndome:)

Atentamente

Tahir Ul Haq

EE, UET LHR Pakistán