Mạch điều khiển cổng cho biến tần ba pha: 9 bước

2025 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2025-01-23 15:15

Dự án này về cơ bản là một mạch điều khiển cho một thiết bị có tên là SemiTeach mà chúng tôi mới mua cho bộ phận của mình. Hình ảnh của thiết bị được hiển thị.

Kết nối mạch trình điều khiển này với 6 mosfet tạo ra ba điện áp Ac dịch chuyển 120 độ. Phạm vi là 600 V cho thiết bị SemiTeach. Thiết bị cũng có các đầu ra lỗi tích hợp cung cấp trạng thái thấp khi phát hiện lỗi trên bất kỳ giai đoạn nào trong ba giai đoạn

Bộ biến tần thường được sử dụng trong ngành công nghiệp điện để chuyển đổi Điện áp một chiều của nhiều Nguồn phát thành Điện áp xoay chiều để truyền tải và phân phối điện áp. Lò sưởi bằng lông thú, chúng cũng được sử dụng để trích xuất năng lượng từ Bộ lưu điện không ngắt (UPS). Biến tần cần có Mạch điều khiển cổng để điều khiển các công tắc Điện tử Công suất được sử dụng trong mạch để chuyển đổi. Có nhiều loại Tín hiệu Cổng có thể được đề cập. Báo cáo sau đây thảo luận về thiết kế và triển khai Mạch điều khiển cổng cho biến tần ba pha sử dụng dẫn điện 180 độ. Báo cáo này tập trung vào thiết kế của Gate Driver Circuit, trong đó các chi tiết thiết kế hoàn chỉnh được viết. Hơn nữa, dự án này cũng bao gồm việc bảo vệ vi điều khiển và mạch trong các điều kiện lỗi. Đầu ra của mạch là 6 PWM cho 3 chân của Biến tần ba pha.

Bước 1: Ôn tập Văn học

Nhiều ứng dụng trong ngành Điện yêu cầu chuyển đổi Điện áp một chiều sang điện áp xoay chiều chẳng hạn như kết nối các tấm pin mặt trời với lưới điện quốc gia hoặc cấp nguồn cho các thiết bị xoay chiều. Việc chuyển đổi DC sang AC này đạt được bằng cách sử dụng Biến tần. Dựa trên loại nguồn cung cấp, có hai loại biến tần: Biến tần một pha và Biến tần ba pha. Bộ biến tần một pha lấy điện áp DC làm đầu vào và chuyển nó thành Điện áp xoay chiều một pha trong khi bộ biến tần ba pha chuyển đổi Điện áp một chiều thành Điện áp xoay chiều ba pha.

Hình 1.1: Biến tần ba pha

Biến tần ba pha sử dụng 6 công tắc bóng bán dẫn như hình trên được điều khiển bởi Tín hiệu PWM sử dụng Mạch điều khiển cổng.

Tín hiệu Gating của biến tần phải có độ lệch pha là 120 độ so với nhau để có được đầu ra cân bằng ba pha. Hai loại Tín hiệu Điều khiển có thể được áp dụng để chạy mạch này

• Dẫn 180 độ

• Dẫn điện 120 độ

Chế độ dẫn 180 độ

Trong chế độ này, mỗi bóng bán dẫn được bật 180 độ. Và tại bất kỳ thời điểm nào, ba bóng bán dẫn vẫn được bật, mỗi bóng bán dẫn ở mỗi nhánh. Trong một chu kỳ, có sáu chế độ hoạt động và mỗi chế độ hoạt động trong 60 độ của chu kỳ. Các tín hiệu điều khiển được dịch chuyển từ nhau theo pha lệch nhau 60 độ để có được nguồn cung cấp cân bằng ba chiều.

Hình 1.2: Độ dẫn 180 độ

Chế độ dẫn 120 độ

Trong chế độ này, mỗi bóng bán dẫn được bật 120 độ. Và tại bất kỳ thời điểm nào, chỉ có hai bóng bán dẫn dẫn điện. Cần lưu ý rằng tại bất kỳ thời điểm nào, trong mỗi nhánh, chỉ nên bật một bóng bán dẫn. Giữa các Tín hiệu PWM phải có độ lệch pha là 60 độ để có được đầu ra AC ba pha cân bằng.

Hình 1.3: Dẫn 120 độ

Kiểm soát thời gian chết

Một biện pháp phòng ngừa rất quan trọng cần được thực hiện là ở một chân, không nên bật cả hai bóng bán dẫn cùng một lúc nếu không Nguồn DC sẽ ngắn mạch và mạch bị hỏng. Do đó, điều rất cần thiết là phải thêm một khoảng thời gian rất ngắn giữa quá trình quay của một bóng bán dẫn và bật của bóng bán dẫn kia.

Bước 2: Sơ đồ khối

Bước 3: Các thành phần

Trong phần này chi tiết về thiết kế sẽ được trình bày và sẽ được phân tích.

Danh sách thành phần

• Optocoupler 4n35

• IC điều khiển IR2110

• Bóng bán dẫn 2N3904

• Diode (UF4007)

• Điốt Zener

• Rơ le 5V

• VÀ Cổng 7408

• ATiny85

Optocoupler

Bộ ghép quang 4n35 đã được sử dụng để cách ly quang học của bộ vi điều khiển khỏi phần còn lại của mạch. Điện trở được chọn dựa trên công thức:

Điện trở = LedVoltage / CurrentRating

Điện trở = 1,35V / 13,5mA

Kháng = 100ohms

Điện trở đầu ra hoạt động như điện trở kéo xuống là 10k ohm để phát triển điện áp thích hợp trên nó.

IR 2110

Nó là một IC điều khiển cổng thường được sử dụng để điều khiển MOSFET. Nó là IC điều khiển bên cao và thấp 500 V với nguồn 2,5 A điển hình và dòng chìm 2,5 A trong IC đóng gói 14 chì.

Tụ điện Bootstrap

Thành phần quan trọng nhất của vi mạch điều khiển là tụ điện khởi động. Tụ khởi động phải có khả năng cung cấp điện tích này và duy trì điện áp đầy đủ của nó, nếu không sẽ có một lượng gợn sóng đáng kể trên điện áp Vbs, có thể giảm xuống dưới khóa điện áp Vbsuv và khiến đầu ra HO ngừng hoạt động. Do đó điện tích trong tụ Cbs tối thiểu phải gấp đôi giá trị trên. Giá trị tụ điện tối thiểu có thể được tính theo công thức dưới đây.

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

Nhưng trái lại

Vf = Giảm điện áp chuyển tiếp qua diode bootstrap

VLS = Điện áp giảm trên FET phía thấp (hoặc tải cho trình điều khiển phía cao)

VMin = Điện áp tối thiểu giữa VB và VS

Qg = Phí cổng của FET phía cao

F = Tần suất hoạt động

Icbs (rò rỉ) = Dòng rò rỉ tụ điện Bootstrap

Qls = phí thay đổi mức cần thiết cho mỗi chu kỳ

Chúng tôi đã chọn một giá trị là 47uF.

Bóng bán dẫn 2N3904

2N3904 là bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực NPN phổ biến được sử dụng cho các ứng dụng chuyển mạch hoặc khuếch đại công suất thấp có mục đích chung. Nó có thể xử lý dòng điện 200 mA (tối đa tuyệt đối) và tần số cao tới 100 MHz khi được sử dụng như một bộ khuếch đại.

Diode (UF4007)

Một chất bán dẫn loại I có điện trở suất cao được sử dụng để cung cấp điện dung điốt có thể thấp hơn đáng kể (Ct). Kết quả là, điốt PIN hoạt động như một biến trở có phân cực thuận và hoạt động như một tụ điện có phân cực ngược. Đặc tính tần số cao (điện dung thấp đảm bảo tối thiểu các đường tín hiệu) làm cho chúng thích hợp để sử dụng làm phần tử biến trở trong nhiều ứng dụng, bao gồm bộ suy hao, chuyển mạch tín hiệu tần số cao (tức là điện thoại di động yêu cầu ăng-ten) và mạch AGC.

Điốt Zener

Diode Zener là một loại diode cụ thể, không giống như diode bình thường, cho phép dòng điện không chỉ từ cực dương đến cực âm của nó, mà còn theo chiều ngược lại, khi đạt đến điện áp Zener. Nó được sử dụng như một bộ điều chỉnh điện áp. Điốt Zener có đường giao nhau p-n được pha tạp nhiều. Điốt bình thường cũng sẽ bị hỏng với điện áp ngược nhưng điện áp và độ sắc nét của đầu gối không tốt như đối với điốt Zener. Ngoài ra, điốt bình thường không được thiết kế để hoạt động trong vùng đánh thủng, nhưng điốt Zener có thể hoạt động đáng tin cậy trong vùng này.

Chuyển tiếp

Rơle là công tắc đóng mở mạch điện cơ hoặc điện tử. Rơle điều khiển một mạch điện bằng cách mở và đóng các tiếp điểm trong mạch khác. Khi một tiếp điểm rơle thường mở (NO), có một tiếp điểm mở khi rơle không được đóng điện. Khi tiếp điểm rơle là Thường đóng (NC), có một tiếp điểm đóng khi rơle không được cấp điện. Trong cả hai trường hợp, áp dụng dòng điện vào các tiếp điểm sẽ thay đổi trạng thái của chúng

VÀ CỔNG 7408

Cổng logic AND là một loại cổng logic kỹ thuật số có đầu ra ở mức CAO đến mức logic 1 khi tất cả các đầu vào của nó đều ở mức CAO

ATiny85

Đây là bộ vi điều khiển dựa trên Microchip 8-bit AVR RISC công suất thấp kết hợp bộ nhớ 8KB ISP fl ash, 512B EEPROM, 512-Byte SRAM, 6 đường I / O mục đích chung, 32 thanh ghi làm việc mục đích chung, một bộ định thời / bộ đếm 8 bit với các chế độ so sánh, một bộ đếm thời gian / bộ đếm tốc độ cao 8 bit, USI, Ngắt bên trong và bên ngoài, bộ chuyển đổi A / D 4 kênh 10 bit.

Bước 4: Làm việc và giải thích mạch

Trong phần này hoạt động của mạch sẽ được giải thích chi tiết.

Thế hệ PWM

PWM đã được tạo ra từ vi điều khiển STM. TIM3, TIM4 và TIM5 đã được sử dụng để tạo ra ba PWM với chu kỳ nhiệm vụ 50%. Sự dịch chuyển pha 60 độ được kết hợp giữa ba PWM sử dụng độ trễ thời gian. Đối với tín hiệu PWM 50 Hz, phương pháp sau được sử dụng để tính toán độ trễ

delay = TimePeriod ∗ 60/360

độ trễ = 20ms ∗ 60/360

độ trễ = 3,3ms

Cách ly vi điều khiển bằng Optocoupler

Cách ly giữa vi điều khiển và phần còn lại của mạch đã được thực hiện bằng cách sử dụng optocoupler 4n35. Điện áp cách ly của 4n35 là khoảng 5000 V. Nó được sử dụng để bảo vệ vi điều khiển khỏi dòng điện ngược. Vì một bộ vi điều khiển không thể chịu điện áp âm, do đó, để bảo vệ bộ vi điều khiển, optocoupler được sử dụng.

Gate Driving Circuit IC điều khiểnIR2110 đã được sử dụng để cung cấp chuyển đổi PWM sang MOSFET. PWM từ bộ vi điều khiển đã được cung cấp ở đầu vào của vi mạch. Vì IR2110 không có Cổng NOT tích hợp nên BJT được sử dụng làm biến tần cho chân Lin. Sau đó, nó cung cấp các PWM bổ sung cho MOSFETs sẽ được điều khiển

Phát hiện lỗi

Mô-đun SemiTeach có 3 chân lỗi thường ở mức CAO là 15 V. Bất cứ khi nào có bất kỳ lỗi nào trong mạch, một trong các chân sẽ chuyển sang mức THẤP. Để bảo vệ các thành phần của mạch, mạch phải được cắt o ff trong các điều kiện lỗi. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng Cổng AND, Vi điều khiển ATiny85 và Rơ le 5 V. Sử dụng Cổng AND

Đầu vào của Cổng AND là 3 chân báo lỗi đang ở trạng thái CAO trong điều kiện bình thường nên đầu ra của Cổng AND ở mức CAO trong điều kiện bình thường. Ngay sau khi có lỗi, một trong các chân chuyển về 0 V và do đó đầu ra của Cổng AND ở mức THẤP. Điều này có thể được sử dụng để kiểm tra xem có lỗi hay không trong mạch. Vcc tới Cổng AND được cung cấp thông qua Diode Zener.

Cắt Vcc thông qua ATiny85

Đầu ra của Cổng AND được cấp cho Bộ vi điều khiển ATiny85 tạo ra ngắt ngay khi có bất kỳ lỗi nào. Điều này tiếp tục thúc đẩy Rơ le cắt giảm Vcc của tất cả các thành phần ngoại trừ ATiny85.

Bước 5: Mô phỏng

Đối với mô phỏng, chúng tôi đã sử dụng PWM từ trình tạo chức năng trong Proteus thay vì mô hình STMf401 vì nó không có sẵn trên Proteus. Chúng tôi đã sử dụng Opto-Coupler 4n35 để cách ly giữa bộ điều khiển vi mô và phần còn lại của mạch. IR2103 được sử dụng trong mô phỏng như một bộ khuếch đại dòng điện cung cấp cho chúng ta các PWM bổ sung.

Sơ đồ giản đồ Sơ đồ sơ đồ được đưa ra như sau:

Đầu ra bên cao Đầu ra này nằm giữa HO và Vs. Sau fi gure hiển thị đầu ra của ba PWM cạnh cao.

Đầu ra phía thấp Đầu ra này nằm giữa LO và COM. Sau fi gure hiển thị đầu ra của ba PWM cạnh cao.

Bước 6: Sơ đồ và bố cục PCB

Sơ đồ và bố cục PCB được tạo trên Proteus đã được hiển thị

Bước 7: Kết quả phần cứng

PWM bổ sung

Fi gure sau đây cho thấy đầu ra của một trong các IR2110 bổ sung

PWM của Giai đoạn A và B

Pha A và B lệch pha nhau 60 độ. Nó được thể hiện trong fi gure

PWM của Giai đoạn A và C

Pha A và C lệch pha -60 độ. Nó được thể hiện trong fi gure

Bước 8: Mã hóa

Mã được phát triển trong Atollic TrueStudio. Để cài đặt Atollic, bạn có thể xem các hướng dẫn trước đây của tôi hoặc tải xuống trực tuyến.

Dự án hoàn chỉnh đã được thêm vào.

Bước 9: Cảm ơn

Tiếp nối truyền thống của mình, tôi muốn cảm ơn các thành viên trong nhóm đã giúp tôi hoàn thành dự án tuyệt vời này.

Hy vọng hướng dẫn này sẽ giúp bạn.

Đây là tôi ký tắt:)

Trân trọng

Tahir Ul Haq

EE, UET LHR Pakistan