Cách thiết kế và triển khai bộ biến tần một pha: 9 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:31

Tài liệu hướng dẫn này khám phá việc sử dụng các CMIC của Dialog’s GreenPAK ™ trong các ứng dụng điện tử công suất và sẽ chứng minh việc triển khai bộ biến tần một pha bằng các phương pháp điều khiển khác nhau. Các thông số khác nhau được sử dụng để xác định chất lượng của biến tần một pha. Một thông số quan trọng là Tổng méo hài (THD). THD là phép đo độ méo hài trong tín hiệu và được định nghĩa là tỷ số giữa tổng lũy thừa của tất cả các thành phần hài với công suất của tần số cơ bản.

Dưới đây chúng tôi mô tả các bước cần thiết để hiểu cách giải pháp đã được lập trình để tạo ra bộ biến tần một pha. Tuy nhiên, nếu bạn chỉ muốn lấy kết quả của việc lập trình, hãy tải phần mềm GreenPAK để xem File thiết kế GreenPAK đã hoàn thành. Cắm Bộ phát triển GreenPAK vào máy tính của bạn và nhấn chương trình để tạo biến tần một pha.

Bước 1: Biến tần một pha

Bộ nghịch lưu điện hay còn gọi là bộ nghịch lưu, là một thiết bị điện tử hoặc mạch điện biến đổi dòng điện một chiều (DC) thành dòng điện xoay chiều (AC). Tùy thuộc vào số pha của đầu ra AC, có một số loại biến tần.

● Bộ biến tần một pha

● Biến tần ba pha

DC là dòng điện tích một chiều. Nếu đặt một hiệu điện thế không đổi trên một đoạn mạch thuần điện trở thì nó tạo ra một dòng điện không đổi. So sánh với AC, dòng điện theo chu kỳ đảo cực. Dạng sóng AC điển hình nhất là sóng hình sin, nhưng nó cũng có thể là sóng hình tam giác hoặc hình vuông. Để truyền công suất điện với các cấu hình dòng điện khác nhau, cần phải có các thiết bị đặc biệt. Thiết bị chuyển đổi AC thành DC được gọi là bộ chỉnh lưu và thiết bị chuyển đổi DC thành AC được gọi là bộ biến tần.

Bước 2: Cấu trúc liên kết của Biến tần một pha

Có hai cấu trúc liên kết chính của bộ biến tần một pha; cấu trúc liên kết nửa cầu và toàn cầu. Lưu ý ứng dụng này tập trung vào cấu trúc liên kết toàn cầu, vì nó cung cấp gấp đôi điện áp đầu ra so với cấu trúc liên kết nửa cầu.

Bước 3: Cấu trúc liên kết toàn cầu

Trong cấu trúc liên kết toàn cầu, 4 công tắc là cần thiết, vì điện áp đầu ra xoay chiều thu được bằng sự khác biệt giữa hai nhánh của các tế bào chuyển mạch. Điện áp đầu ra có được bằng cách bật và tắt bóng bán dẫn một cách thông minh tại các thời điểm cụ thể. Có bốn trạng thái khác nhau tùy thuộc vào công tắc nào được đóng. Bảng dưới đây tóm tắt các trạng thái và điện áp đầu ra dựa trên đó các công tắc được đóng.

Để tối đa hóa điện áp đầu ra, thành phần cơ bản của điện áp đầu vào trên mỗi nhánh phải lệch pha 180º. Các chất bán dẫn của mỗi nhánh là bổ sung cho nhau về hiệu suất, nghĩa là khi một chất dẫn điện thì chất bán dẫn kia bị cắt và ngược lại. Cấu trúc liên kết này được sử dụng rộng rãi nhất cho biến tần. Sơ đồ trong hình 1 cho thấy mạch của cấu trúc liên kết toàn cầu cho bộ nghịch lưu một pha.

Bước 4: Transistor lưỡng cực cổng cách điện

Transistor lưỡng cực cổng cách điện (IGBT) giống như một MOSFET với việc bổ sung một mối nối PN thứ ba. Điều này cho phép điều khiển dựa trên điện áp, giống như MOSFET, nhưng với các đặc tính đầu ra như BJT liên quan đến tải cao và điện áp bão hòa thấp.

Bốn vùng chính có thể được quan sát về hành vi tĩnh của nó.

● Vùng tuyết lở

● Vùng bão hòa

● Khu vực cắt

● Khu vực hoạt động

Vùng tuyết lở là vùng khi đặt điện áp thấp hơn điện áp đánh thủng, dẫn đến sự phá hủy IGBT. Vùng cắt bao gồm các giá trị từ điện áp đánh thủng đến điện áp ngưỡng, trong đó IGBT không dẫn điện. Trong vùng bão hòa, IGBT hoạt động như một nguồn điện áp phụ thuộc và điện trở nối tiếp. Với sự thay đổi điện áp thấp, có thể đạt được độ khuếch đại cao của dòng điện. Khu vực này là mong muốn nhất để hoạt động. Nếu điện áp được tăng lên, IGBT sẽ đi vào vùng hoạt động và dòng điện không đổi. Có một điện áp tối đa được áp dụng cho IGBT để đảm bảo nó không đi vào vùng tuyết lở. Đây là một trong những chất bán dẫn được sử dụng nhiều nhất trong điện tử công suất, vì nó có thể hỗ trợ nhiều loại điện áp từ vài vôn đến kV và công suất từ kW đến MW.

Các bóng bán dẫn lưỡng cực cổng cách điện này hoạt động như thiết bị chuyển mạch cho cấu trúc liên kết biến tần một pha toàn cầu.

Bước 5: Khối điều chế độ rộng xung trong GreenPAK

Khối điều chế độ rộng xung (PWM) là một khối hữu ích có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng. Khối DCMP / PWM có thể được định cấu hình như một Khối PWM. Khối PWM có thể được lấy nguồn thông qua FSM0 và FSM1. Chân PWM IN + được kết nối với FSM0 trong khi chân IN được kết nối với FSM1. Cả FSM0 và FSM1 đều cung cấp dữ liệu 8 bit cho Khối PWM. Khoảng thời gian PWM được xác định bởi khoảng thời gian của FSM1. Chu kỳ nhiệm vụ cho khối PWM được điều khiển bởi FSM0.

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

Có hai tùy chọn cho cấu hình chu kỳ nhiệm vụ:

● 0-99,6%: DC nằm trong khoảng từ 0% đến 99,6% và được xác định là IN + / 256.

● 0,39-100%: DC nằm trong khoảng từ 0,39% đến 100% và được xác định là (IN + + 1) / 256.

Bước 6: Thiết kế GreenPAK để triển khai sóng vuông dựa trên PWM

Có nhiều phương pháp điều khiển khác nhau có thể được sử dụng để triển khai bộ nghịch lưu một pha. Một trong những chiến lược điều khiển như vậy bao gồm sóng vuông dựa trên PWM cho biến tần một pha.

GreenPAK CMIC được sử dụng để tạo ra các mẫu chuyển mạch định kỳ nhằm chuyển đổi DC thành AC một cách thuận tiện. Điện áp DC được cấp từ pin và đầu ra thu được từ bộ biến tần có thể được sử dụng để cung cấp cho tải AC. Đối với mục đích của ứng dụng này, hãy lưu ý rằng tần số AC đã được đặt thành 50Hz, một tần số nguồn điện gia dụng phổ biến ở nhiều nơi trên thế giới. Tương ứng, khoảng thời gian là 20ms.

Mẫu chuyển mạch phải được tạo bởi GreenPAK cho SW1 và SW4 được thể hiện trong Hình 3.

Mô hình chuyển mạch cho SW2 và SW3 được thể hiện trong Hình 4

Các mẫu chuyển mạch trên có thể được tạo ra một cách thuận tiện bằng cách sử dụng một khối PWM. Khoảng thời gian PWM được đặt bằng khoảng thời gian của FSM1. Khoảng thời gian cho FSM1 phải được đặt thành 20ms tương ứng với tần số 50Hz. Chu kỳ nhiệm vụ cho khối PWM được kiểm soát bởi dữ liệu có nguồn từ FSM0. Để tạo ra chu kỳ nhiệm vụ 50%, giá trị bộ đếm FSM0 được đặt là 128.

Thiết kế GreenPAK tương ứng được thể hiện trong Hình 5.

Bước 7: Nhược điểm của Chiến lược Kiểm soát Sóng Vuông

Sử dụng chiến lược điều khiển sóng vuông làm cho biến tần tạo ra một lượng lớn sóng hài. Ngoài tần số cơ bản, bộ nghịch lưu sóng vuông có các thành phần tần số lẻ. Các sóng hài này làm cho từ thông của máy bị bão hòa, do đó dẫn đến máy hoạt động kém, đôi khi còn làm hỏng phần cứng. Do đó, THD do các loại biến tần này tạo ra là rất lớn. Để khắc phục vấn đề này, một chiến lược điều khiển khác được gọi là Quasi- Square Wave có thể được sử dụng để giảm đáng kể lượng sóng hài do biến tần tạo ra.

Bước 8: Thiết kế GreenPAK để triển khai sóng Quasi-Square dựa trên PWM

Trong chiến lược điều khiển sóng Quasi-square, điện áp đầu ra bằng không được đưa vào có thể làm giảm đáng kể sóng hài có trong dạng sóng vuông thông thường. Những ưu điểm chính của việc sử dụng bộ biến tần sóng vuông Quasi bao gồm:

● Biên độ của thành phần cơ bản có thể được kiểm soát (bằng cách điều khiển α)

● Có thể loại bỏ một số nội dung sóng hài nhất định (cũng bằng cách điều khiển α)

Biên độ của thành phần cơ bản có thể được kiểm soát bằng cách điều khiển giá trị của α như trong Công thức 1.

Sóng hài thứ n có thể bị triệt tiêu nếu biên độ của nó bằng không. Ví dụ, biên độ của sóng hài thứ ba (n = 3) bằng không khi α = 30 ° (Công thức 2).

Thiết kế GreenPAK để thực hiện chiến lược kiểm soát Quasi- Square Wave được thể hiện trong Hình 9.

Khối PWM được sử dụng để tạo ra dạng sóng vuông với chu kỳ nhiệm vụ 50%. Điện áp đầu ra bằng không được đưa vào bằng cách trì hoãn điện áp xuất hiện trên Pin-15 đầu ra. Khối P-DLY1 được cấu hình để phát hiện cạnh lên của dạng sóng. P-DLY1 sẽ định kỳ phát hiện cạnh lên sau mỗi khoảng thời gian và kích hoạt khối DLY-3, khối này tạo ra độ trễ 2ms trước khi tạo xung nhịp cho VDD qua D-flip flop để kích hoạt đầu ra Pin-15.

Pin-15 có thể bật cả SW1 và SW4. Khi điều này xảy ra, một điện áp dương sẽ xuất hiện trên tải.

Cơ chế phát hiện cạnh lên P-DLY1 cũng kích hoạt khối DLY-7, sau 8ms đặt lại D-flip flop và 0 V xuất hiện trên đầu ra.

DLY-8 và DLY-9 cũng được kích hoạt từ cùng một cạnh tăng. DLY-8 tạo ra độ trễ 10ms và kích hoạt lại DLY-3, sau 2ms sẽ tạo xung nhịp cho DFF gây ra mức cao logic trên hai cổng AND.

Tại thời điểm này Out + từ khối PWM trở thành 0, vì chu kỳ nhiệm vụ của khối đã được định cấu hình là 50%. Out- sẽ xuất hiện trên Pin-16 khiến SW2 và SW3 bật, tạo ra điện áp xoay chiều trên tải. Sau 18ms DLY-9 sẽ thiết lập lại DFF và 0V sẽ xuất hiện trên Pin-16 và chu kỳ tuần hoàn tiếp tục xuất ra tín hiệu AC.

Cấu hình cho các khối GreenPAK khác nhau được thể hiện trong Hình 10-14.

Bước 9: Kết quả

Điện áp một chiều 12 V được cung cấp từ pin đến biến tần. Biến tần chuyển đổi điện áp này thành dạng sóng AC. Đầu ra từ biến tần được đưa đến một máy biến áp nâng cấp để chuyển đổi Điện áp xoay chiều 12 V thành 220 V có thể được sử dụng để điều khiển tải xoay chiều.

Phần kết luận

Trong Tài liệu hướng dẫn này, chúng tôi đã triển khai Biến tần một pha sử dụng các chiến lược điều khiển Sóng vuông và Sóng vuông Quasi bằng cách sử dụng GreenPAK a CMIC. GreenPAK CMIC hoạt động như một sự thay thế thuận tiện cho Bộ điều khiển vi mô và mạch tương tự thường được sử dụng để triển khai Bộ biến tần một pha. Hơn nữa, GreenPAK CMIC có tiềm năng trong việc thiết kế Biến tần ba pha.