Tinklelio keitiklio keitiklis: 10 žingsnių (su nuotraukomis)

2024 Autorius: John Day | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-01-30 10:45

Tai mėsingas projektas, todėl užsisegti!

Tinklelio keitikliai leidžia įjungti maitinimą į elektros lizdą, o tai yra nuostabus sugebėjimas. Man atrodo, kad galios elektronika ir valdymo sistemos, įtrauktos į jų dizainą, yra įdomios, todėl sukūriau savo. Šioje ataskaitoje dalijamasi tuo, ką išmokau, ir dokumentuojama, kaip aš padariau. Man būtų įdomu jūsų pastabos (išskyrus tuos, kurie nesusiję su elektros tinklu).

Visos sąvokos yra keičiamos, tačiau šios sąrankos maksimali galia buvo 40 vatų, kol filtro induktoriai pradėjo prisotinti. Išėjimo srovė buvo sinusinė, o THD <5%.

Peržiūrėkite programinę įrangą mano „GitHub“

Prekės

• Aš naudoju STM32F407 kūrimo plokštę. Jis veikia 168 MHz dažniu ir turi 3 įmontuotus ADC, galinčius 12 bitų skiriamąją gebą, kurių kiekvieno dažnis viršija 2,4 MSPS (milijonas mėginių per sekundę). Tai beprotiška!
• Aš naudoju DRV8301 kūrimo plokštę. Jame yra 60 voltų H tiltas kartu su reikiamomis vartų tvarkyklėmis, srovės šuntais ir srovės stiprintuvais. Super malonu!
• Aš naudoju 230-25V toroidinį transformatorių su 2 išėjimo čiaupais. Tai reiškė, kad neturėjau tiesiogiai gaminti tinklo įtampos, bet galėjau dirbti esant 40 voltų maksimaliai įtampai. Daug saugiau!
• Prijungiau krūvą induktorių ir kondensatorių, kad gaučiau norimas filtro L ir C vertes.
• Osciloskopas ir diferencinis zondas yra labai svarbūs tokiam projektui. Turiu pikoskopą

1 žingsnis: kas yra maitinimo šaltinis?

Maitinimo lizdas (JK) yra 50 Hz 230 V RMS sinusinis signalas su labai maža varža. Keletas dalykų, kuriuos reikia pasakyti apie tai:

50 Hz - tinklo dažnis yra labai tiksliai palaikomas 50 Hz. Jis šiek tiek skiriasi, bet 90% laiko jis yra 49,9–50,1 Hz. Pažiūrėk čia. Galite įsivaizduoti, kaip visi milžiniški elektros generatoriai šalyje ir žemyn sukasi vieningai. Jie sukasi sinchroniškai, sukurdami 50 Hz sinusinį signalą. Jų bendra didžiulė sukimosi inercija užtrunka, kad sulėtėtų arba pagreitėtų.

Teoriškai, jei prie tinklo būtų pridėta didžiulė apkrova, tai pradėtų lėtinti šalies generatorius. Tačiau, atsakydami į tai, „National Grid“kontrolės biuro vaikinai paprašė elektrinių įjungti katilus, pakelti šilumą ir priversti tuos generatorius sunkiau laikytis paklausos. Taigi pasiūla ir paklausa nuolat šokinėja tarpusavyje.

Dar vienas dalykas, kurį reikia pasakyti apie 50 Hz signalą. Nors jis labai nežymiai kinta apie 50 Hz, aukščiau esantys vaikinai įsitikina, kad vidutinis dienos dažnis yra lygiai 50 Hz. Taigi, jei tinklelis yra 49,95 Hz dažniu 10 minučių, jie užtikrins, kad jis vėliau veiktų 50,05 Hz dažniu, kad būtų pasiektas tikslus ciklų skaičius iki 50 Hz x 60 sekundžių x 60 minučių x 24 valandų = 4, 320 000 per dieną. Jie tai daro tiksliai naudodamiesi tarptautiniu atominiu laiku. Todėl buitiniai, biuro ir pramoniniai prietaisai gali naudoti tinklo dažnį, kad išlaikytų laiką. Paprastai tai daroma naudojant, pavyzdžiui, mechaninius lizdų laikmačius.

230v - tai 50 Hz signalo RMS (pagrindinio kvadrato) įtampa. Faktinis signalas pakyla iki 325 V piko. Tai svarbu žinoti, nes jei statote keitiklį, turite sukurti tokią aukštą įtampą, jei į kištukus patenka srovė.

Tiesą sakant, jūsų namų kištuko įtampa yra gana įvairi. Taip yra dėl įtampos kritimo per laidų, jungčių, saugiklių, transformatorių ir tt varžą. Visur yra atsparumas. Jei įjungsite elektrinį dušą, traukiantį 11 kilovatų (tai yra ~ 50 amperų), net 0,2 omo pasipriešinimas sumažins 10 voltų. Jūs galite tai pamatyti, kai šviesos šiek tiek pritemsta. Dideli varikliai, pvz., Varikliai, traukia dideles sroves, kol variklis įsibėgėja. Taigi, įjungę lemputes, dažnai matote nedidelį mirgėjimą.

Mano mintis yra ta, kad tinklo įtampa yra daug kintamesnė. Čia, Jungtinėje Karalystėje, ji turėtų būti 230 V su +10%/-6% tolerancija. Galite tikėtis staigių pokyčių ir svyravimų, kai didelės apkrovos netoliese įsijungs/išsijungs. Pagalvokite apie džiovyklę, virdulį, orkaitę, skalbyklę ir kt.

Sinusinis - signalas turėtų būti gražus švarus sinusinis bangos signalas, tačiau iš tikrųjų kai kurie nelinijiniai prietaisai siurbia energiją iš tam tikrų sinusinių bangų ciklo taškų. Tai sukelia iškraipymus, todėl signalas nėra tobula sinusinė banga. Į nelinijines apkrovas paprastai įeina kompiuterio maitinimo šaltiniai, fluorescencinės lempos, įkrovikliai, televizoriai ir kt.

Visiškas harmoninis iškraipymas (THD) tai išreiškia bangos pavidalu. Yra taisyklės, kaip turi būti švarus keitiklio išėjimas. Jei jis negali pateikti pakankamai švaraus signalo, jis nebus patvirtintas parduoti. Tai svarbu, nes harmoningas turinio tinklelis sumažina kai kurių prie jo prijungtų įrenginių (ypač nelyginių harmonikų) efektyvumą. Manau, kad didžiausias leistinas THD yra 8%

Maža varža - galvojant apie tinklelio keitiklį, tai bus svarbu apsvarstyti. Prie elektros tinklo yra prijungtos įvairios apkrovos, įskaitant indukcines, varžines ir kartais talpines apkrovas. Taigi varža nežinoma ir kintama. Pasipriešinimas yra labai mažas, jei prijungsite didelę srovės apkrovą, įtampa visai nesumažės.

2 žingsnis: Kaip įjungti maitinimą į tinklą

Norėdami įjungti energiją į tinklą, mes turime sintezuoti signalą, kuris tiksliai atitinka tinklo dažnį ir fazę, bet kurio įtampa yra šiek tiek didesnė.

Dėl mažo tinklo pasipriešinimo sunku tiksliai žinoti, kiek padidinti tą įtampą. Kadangi RMS įtampa svyruoja, turime užtikrinti, kad su ja svyruosime. Tiesiog sukuriant fiksuotą 50 Hz įtampos signalą, šiek tiek didesnį nei tinklo įtampa, neveiks!

PI Išėjimo srovės valdymas

Mums reikia valdymo kilpos, pagal kurią matuojame momentinę srovę, kurią stumiame į tinklą, ir automatiškai sureguliuojame savo išėjimo įtampą, kad pasiektume norimą srovę. Tai veiksmingai pavers mūsų išėjimą į srovės šaltinį (o ne į įtampos šaltinį), kuris labiau tinka mažoms varžoms valdyti. Tai galime pasiekti naudodami PI (proporcinio integralo) valdymo kilpą:

PI valdymo kilpos yra fantastiškos! Juose yra 3 dalys:

• Išmatuota vertė - srovė, kurią įvedame į elektros tinklą
• Nustatytoji vertė - srovė, kurią norime stumti į elektros tinklą
• Išėjimas - signalo įtampa generuoti

Kiekvieną kartą skambindami PID algoritmui perduodame naujausią dabartinį matavimą ir norimą nustatytą vertę. Jis grąžins savavališką skaičių (proporcingą generuojamai išėjimo įtampai).

Mūsų PID valdymo algoritmas leidžia mums pasirinkti norimą išėjimo srovę bet kuriuo momentu. Norėdami pagaminti 50 Hz sinusinę išėjimo srovę, turime nuolat keisti norimą sinusinę srovę.

PID algoritmas vadinamas kas 100us (atitinka 200 kartų per 50 Hz ciklą). Kiekvieną kartą, kai jis vadinamas, jis gali tiesiogiai reguliuoti išėjimo įtampą ir taip netiesiogiai reguliuoti išėjimo srovę. Dėl to mes gauname pakopinę srovės išvestį, panašią į pavaizduotą paveikslėlyje, kiekvieną žingsnį atliekant kas 100 us. Tai suteikia pakankamai rezoliucijos.

Pirmyn valdymas

Mes galime žymiai sumažinti PI valdiklio darbo krūvį, pridėdami ir tolesnį valdiklį. Tai lengva! Mes žinome apytikslę išėjimo įtampą, kurią turėsime sukurti (tokia pati kaip momentinė tinklo įtampa). Tada PI valdiklį galima palikti pridėti mažą papildomą įtampą, reikalingą išėjimo srovei valdyti.

Pats pirmyn valdiklis suderina keitiklio išėjimo įtampą su tinklo įtampa. Srovė neturėtų tekėti, jei pakankamai gerai sutampa. Todėl išankstinis valdymas atlieka 99% išvesties valdymo.

Dėl mažo tinklo atsparumo bet koks mūsų FF išėjimo įtampos ir tinklo įtampos skirtumas sukeltų didelę srovę. Todėl tarp keitiklio ir tinklelio pridėjau 1 omo buferio varžą. Tai sukelia nuostolių, tačiau didžiojoje schemoje jie yra gana maži.

3 žingsnis: išėjimo įtampos sukūrimas naudojant PWM

Nors mes netiesiogiai kontroliuojame išėjimo srovę, tai yra išėjimo įtampa, kurią mes kuriame bet kuriuo momentu. Išvesties įtampai gaminti naudojame PWM (impulso pločio moduliaciją). PWM signalus gali lengvai gaminti mikrovaldikliai ir jie gali būti sustiprinti naudojant „H-Bridge“. Tai paprastos bangos formos, kurioms būdingi 2 parametrai: dažnis F ir darbo ciklas D.

PWM bangos forma persijungia tarp 2 įtampų, mūsų atveju - 0v ir Vsupply

• Kai D = 1,0, PWM bangos forma yra tiesiog nuolatinė srovė esant V tiekimui
• Kai D = 0,5, gauname kvadratinę bangą, kurios vidutinė įtampa yra 0,5 x V maitinimo, (ty D x V tiekimas)
• Kai D = 0,1, gauname impulsinę bangos formą, kurios laikotarpio vidurkis yra 0,1 x V tiekimas
• Kai D = 0,0, išėjimas yra plokščia linija (DC esant 0v)

Vidutinė įtampa yra svarbiausia. Naudodami žemo dažnio filtrą galime pašalinti viską, išskyrus nuolatinės srovės vidutinį komponentą. Taigi, keisdami PWM darbo ciklą D, mes galime sukurti bet kokią norimą nuolatinės srovės įtampą. Saldus!

Naudojant H tiltą

„H-Bridge“sudaro 4 perjungimo elementai. Tai gali būti BJT, MOSFET arba IGBT. Norėdami sukurti pirmąją sinusinės bangos pusę (0–180 laipsnių), mes nustatome B fazę žemai, išjungdami Q3 ir įjungdami Q4 (ty taikydami PWM, kai D = 0). Tada mes atliekame savo PWMing A fazėje. Antroje pusėje, kai VAB yra neigiamas, mes nustatome A fazę žemai ir pritaikome savo PWM B fazei. Tai žinoma kaip bipolinis perjungimas.

H-tilto MOSFET turi vairuoti vartų vairuotojas. Tai yra sava tema, tačiau paprasta mikroschema gali tai išspręsti. DRV8301 dev plokštėje patogiai yra „H-Bridge“, vartų tvarkyklės ir dabartiniai šuntai, todėl šis projektas yra daug lengvesnis.

4 žingsnis: Srovės matavimas

Kiekviena „H-Bridge“koja turi šunto rezistorių ir diferencialinį stiprintuvą. Mūsų šuntas yra 0,01 omo, o stiprintuvai yra padidinti 40. Taigi 1 amperas sukuria 10 mV per šuntą, kuris vėliau sustiprinamas iki 400 mV.

Šunto stiprintuvų išėjimus skaito 12 bitų ADC, esantys STM32F407, veikiantys nuolatinio konvertavimo režimu. ADC yra nustatyti imti kiekvieną šuntą esant 110KSPS, o DMA valdiklis automatiškai įrašo konversijas į 11 žodžių apskritą buferį RAM. Kai norima matuoti srovę, mes iškviečiame funkciją, kuri grąžina šio 11 žodžių buferio vidutinę vertę.

Kadangi mes prašome dabartinių matavimų kiekvieną PID iteraciją (esant 10KHz), bet užpildydami 11 žodžių ADC buferius 110KHz dažniu, kiekvieną PID iteraciją turėtume gauti visiškai naujus duomenis. Vidutinio filtro naudojimo priežastis yra ta, kad PWM perjungimas gali įmaišyti smaigalių į mišinį, o vidutiniai filtrai labai efektyviai pašalina klaidingus ADC mėginius.

Čia reikia pabrėžti svarbų dalyką: kurią H-tilto koją naudojame dabartiniams matavimams? Na, tai priklauso nuo to, kurioje kojoje šiuo metu dirbame „PWMing“, o kuri laikoma žemai. Žemai laikoma koja yra ta, iš kurios norime išmatuoti savo srovę, nes srovė visada teka per šunto rezistorių toje pusėje. Palyginimui, toje pusėje, kuri yra „PWMed“, kai įjungta aukštoji MOSFET ir išjungta žemoji, per žemą šuntą srovė neteka. Taigi, keičiame, kuria koja matuojame srovę, atsižvelgdami į keitiklio išėjimo poliškumą. Tai galite aiškiai matyti paveikslėlyje, parodydami vieno iš šunto stiprintuvų išvestį per tam tikrą laikotarpį. Akivaizdu, kad norime skaityti sklandžiai.

Norėdami padėti derinti dabartinius rodmenis. „STM32F407“nustatiau skaitmeninį-analoginį keitiklį. Aš parašiau dabartinius rodmenis, kuriuos gavau, ir įvertinau išvestį. Tai galite pamatyti galutiniame paveikslėlyje, mėlyna yra įtampa per išėjimo buferio rezistorių (ty išėjimo srovė/1,1 omai), o raudonas signalas yra mūsų DAC išėjimas.

5 veiksmas: išvesties filtravimas

Išvesties filtras yra pagrindinė dizaino dalis. Mums reikia šių savybių:

1. Užblokuokite visus aukšto dažnio perjungimus, bet perduokite 50 Hz signalą
2. Maži nuostoliai
3. Kad nesuskambėtų!
4. Norėdami susidoroti su srovėmis ir įtampomis

FW dažnio PWM signalo Furjė transformacija, darbinis ciklas D, tarp 0 - V maitinimo voltų: (D x V tiekimas) + sinusinės bangos esant pagrindiniam dažniui F ir harmonikos po to

Tai nuostabu! Tai reiškia, kad jei mes perduosime savo PWM signalą per žemo dažnio filtrą, kuris blokuoja PWM pagrindą ir viską aukščiau. Mums tiesiog liko nuolatinės srovės įtampos terminas. Keisdami darbo ciklą, mes galime lengvai pagaminti bet kokią norimą įtampą nuo 0 iki V maitinimo, kaip paaiškinta.

Remdamiesi aukščiau paminėtomis pageidaujamomis charakteristikomis, galime sukurti išvesties filtrą. Mums reikia žemo dažnio filtro, pagaminto su minimaliu pasipriešinimu, kad išvengtume nuostolių. Todėl mes naudojame tik induktorius ir kondensatorius. Jei pasirenkame rezonansinį dažnį nuo 1 iki 2 KHz, mes išvengsime rezonanso, nes mes nesileidžiame jokių signalų arti to dažnio. Štai mūsų filtro dizainas. Mes imame savo išėjimą kaip įtampą per C1.

Pasirinkę L1 = L2 = 440uH, C1 = 8.4uF apskaičiuojame rezonansinį dažnį 1,85KHz. Tai taip pat yra realios komponentų vertės.

Labai svarbu užtikrinti, kad mūsų induktoriai nepradėtų prisotinti srovių, kurių laukiame. Mano naudojami induktoriai turi 3A soties srovę. Tai bus ribojantis mūsų grandinės išėjimo galios veiksnys. Taip pat svarbu atsižvelgti į kondensatoriaus įtampos vertę. Aš naudoju 450 voltų keramiką, o tai šiuo atveju yra per daug!

Bodo grafikas (šiek tiek kitoms L/C reikšmėms) buvo sukurtas naudojant „LTspice“. Tai parodo susilpnėjimą, kurį sukelia skirtingi įvesties dažniai. Mes aiškiai matome rezonansinį dažnį 1.8KHz dažniu. Tai rodo, kad 50 Hz signalas yra beveik visiškai nesumeluotas, o galiu pasakyti, kad 45 KHz signalas yra susilpnintas 54 dB!

Taigi pasirinkite mūsų PWM nešiklio dažnį ~ 45KHz. Pasirinkus aukštesnius PWM nešiklio dažnius, filtro dažnį galima padidinti. Tai gerai, nes sumažina L ir C vertes. Tai reiškia mažesnius ir pigesnius komponentus. Neigiama yra tai, kad didesni PWM perjungimo dažniai padidina tranzistorių jungiklių nuostolius.

6 žingsnis: fazės ir dažnio sinchronizavimas

Sinchronizavimas su tinklo faze ir dažniu sukuria tinklo keitiklį. Mes naudojame skaitmeninį PLL (Phase Locked Loop) įgyvendinimą, kad pasiektume tikslų tinklo signalo fazės sekimą. Mes tai darome taip:

1. Tinklo įtampos mėginių ėmimas
2. Gaminame vietinį 50 Hz sinusinį signalą
3. Lyginant fazę tarp mūsų vietinio signalo ir tinklo signalo
4. Vietinio signalo dažnio reguliavimas, kol fazių skirtumas tarp 2 signalų yra lygus nuliui

1) imti tinklo įtampą

Mes sukonfigūruojame trečiąjį ADC kanalą, kad nuskaitytų linijos įtampą. Tai gauname dalijant įtampą transformatoriaus čiaupui, kaip parodyta. Tai suteikia apie 1.65v kintančią skalę, kuri tiksliai atspindi tinklo įtampą.

2) Vietinio 50 Hz sinusinio signalo sukūrimas Lengva sukurti savo vietinę 50 Hz sinusinę bangą. Saugome 256 sinuso reikšmių peržiūros lentelę. Mūsų imituotą sinuso vertę lengva gauti naudojant paieškos indeksą, kuris palaipsniui sukasi per lentelę.

Norėdami gauti 50 Hz signalą, turime padidinti rodiklį tiksliai tinkamu greičiu. Būtent 256 x 50 Hz = 12, 800/s. Tai darome naudodami laikmatį9, kurio dažnis yra 168 MHz. Laukdami 168MHz/12800 = 13125 laikrodžio žymių, mes pakelsime savo rodiklį tinkamu greičiu.

3) Lyginant fazę tarp mūsų vietinio signalo ir tinklo signalo Tai puiki dalis! Jei integruosite cos (wt) x sin (wt) sandaugą per 1 laikotarpį, rezultatas bus lygus nuliui. Jei fazių skirtumas yra ne 90 laipsnių, gausite nulinį skaičių. Matematiškai:

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

Tai puiku! Tai leidžia palyginti pagrindinį signalą, sin (ωt) su vietiniu signalu, sin (⍵t + φ) ir gauti vertę.

Tačiau reikia išspręsti problemą: jei norime, kad mūsų signalai liktų fazėje, turime koreguoti savo vietinį dažnį, kad Ccos (φ) terminas būtų maksimalus. Tai neveiks labai gerai ir mes turėsime prastą fazės stebėjimą. Taip yra todėl, kad ɑcos (φ) d/dφ yra 0 esant φ = 0. Tai reiškia, kad Ccos (φ) terminas labai nesikeis keičiantis fazei. Ar tai prasminga?

Būtų daug geriau fazinį poslinkį atrinktam tinklo signalui 90 laipsnių kampu, kad jis taptų cos (ωt + φ). Tada mes turime tai:

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

Įvesti fazių poslinkį 90 laipsnių kampu yra paprasta, mes tiesiog įkišame savo tinklo ADC įtampos pavyzdžius į vieną buferio galą ir vėliau išimame keletą mėginių, atitinkančių 90 laipsnių fazės poslinkį. Kadangi tinklo dažnis varijuoja nuo 50 Hz, paprasta laiko atidėjimo technika veikia puikiai.

Dabar mes padauginame 90 laipsnių fazės poslinkio tinklo signalą su vietiniu signalu ir išlaikome veikiančią gaminio integraciją per pastarąjį laikotarpį (ty per paskutines 256 reikšmes).

Rezultatas, kurį žinome, bus lygus nuliui, jei 2 signalai bus tiksliai išlaikyti 90 laipsnių atstumu. Tai fantastiška, nes panaikina fazės poslinkį, kurį ką tik pritaikėme tinklo signalui. Tiesiog norime paaiškinti, užuot maksimaliai padidinę integralų terminą, mes stengiamės išlaikyti jį nulį ir mes keičiame savo tinklo signalą. 90 laipsnių fazės poslinkiai, įvesti dėl šių dviejų pakeitimų, panaikina vienas kitą.

Taigi, jei „Integral_Result“<0, mes žinome, kad turime padidinti vietinio generatoriaus dažnį, kad sugrąžintume jį į elektros tinklo fazę, ir atvirkščiai.

4) Vietinio signalo dažnio reguliavimas Šis bitas yra lengvas. Mes tiesiog koreguojame laikotarpį nuo didinimo per indeksą. Mes ribojame, kaip greitai galime ištaisyti fazių skirtumą, iš esmės išfiltruodami klaidingus kintamuosius. Mes tai darome naudodami PI valdiklį su labai mažu I terminu.

Štai ir viskas. Užblokavome vietinį sinusinių bangų generatorių (kuris nustato išėjimo srovės nustatytą vertę), kad jis atitiktų tinklo įtampos fazę. Mes įdiegėme PLL algoritmą ir jis veikia kaip svajonė!

Padidinus vietinio generatoriaus dažnį, taip pat sumažėja tinklo signalo fazės poslinkis. Kadangi mes ribojame dažnio reguliavimą iki +/- 131 erkių (+/- ~ 1%), fazės poslinkį paveiksime ne daugiau kaip +/- 1 °. Tai visiškai nesvarbu, kol fazės sinchronizuojamos.

Teoriškai, jei tinklo dažnis nukryptų daugiau nei 0,5 Hz, mes prarastume fazės užraktą. Taip yra dėl aukščiau nurodytų apribojimų, kiek galime reguliuoti vietinio generatoriaus dažnį. Tačiau tai neįvyks, nebent tinklas žlugs. Mūsų apsauga nuo salų vis tiek įsijungs šiuo metu.

Pradėdami mes atliekame nulio kirtimo aptikimą, kad galėtume kuo geriau pradėti signalus fazėje nuo pat poslinkio.

7 žingsnis: apsauga nuo salų

„Wikipedia“turi nuostabų straipsnį apie salų kūrimo ir kovos su salelėmis metodus. Tai taip pat reiškia, kad kalbėdami apie šią temą žmonės šnypščia ir pliaukšteli daugiau nei būtina. "O, jūs negalite sukurti savo tinklelio keitiklio, jūs ką nors nužudysite ir tt".

Kaip geriau paaiškinta Vikipedijos straipsnyje, mes naudojame keletą saugos priemonių, kurios kartu užtikrina tinkamą apsaugą (mano nuomone):

1. Per maža/per didelė įtampa
2. Žemas/per dažnas

Mes galime aptikti šias situacijas, tiesiog analizuodami mūsų atrinktą tinklo įtampą. Jei kas nors nepavyks, išjunkite H tiltą ir palaukite, kol viskas normalizuosis.