Menič mriežky: 10 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

Jedná sa o mäsitý projekt, takže sa pripútajte!

Striedače s rozvodnou sieťou vám umožňujú zapojiť napájanie do elektrickej zásuvky, čo je úžasná schopnosť. Považujem výkonovú elektroniku a riadiace systémy zapojené do ich dizajnu za zaujímavé, a preto som si postavil vlastný. Táto správa zdieľa to, čo som sa naučil, a dokumentuje, ako som veci robil. Zaujímali by ma vaše pripomienky (okrem tých, ktoré sa netýkajú elektrickej siete).

Všetky koncepty sú škálovateľné, ale toto nastavenie malo maximálny výkon 40 wattov predtým, ako sa filtračné induktory začali saturovať. Výstupný prúd bol sínusový s THD <5%.

Pozrite si softvér na mojom GitHub

Zásoby

• Použil som vývojovú dosku STM32F407. Beží na 168 MHz a má 3 vstavané ADC schopné 12-bitové rozlíšenie pri viac ako 2,4 MSPS (milión vzoriek za sekundu). To je šialené!
• Použil som vývojovú dosku DRV8301. Je tu umiestnený 60 V H-most spolu s potrebnými budičmi brány, prúdovými skratmi a prúdovými skratovými zosilňovačmi. Super pekné!
• Použil som toroidný transformátor 230-25V s 2 výstupnými odbočkami. To znamenalo, že som nemusel priamo vytvárať sieťové napätie, ale mohol som namiesto toho pracovať so špičkovým napätím 40 voltov. Oveľa bezpečnejšie!
• Pripojil som spolu množstvo induktorov a kondenzátorov, aby som získal hodnoty L a C, ktoré som chcel pre filter.
• Osciloskop a diferenciálna sonda sú pre takýto projekt kľúčové. Mám pikoskop

Krok 1: Čo je to sieťové napájanie?

To, čo získate v elektrickej zásuvke (vo Veľkej Británii), je sínusový signál 50 Hz 230 V RMS s veľmi nízkou impedanciou. Niekoľko vecí, ktoré k tomu treba povedať:

50 Hz - Sieťová frekvencia je veľmi presne udržiavaná na 50 Hz. Mierne sa líši, ale 90% času je medzi 49,9-50,1 Hz. Pozri tu. Dokážete si predstaviť všetky obrovské generátory v elektrárňach, ako sa krajina hore -dolu točia unisono. Synchrónne sa otáčajú a vytvárajú pre nás 50 Hz sínusový signál. Ich kombinovaná masívna rotačná zotrvačnosť potrebuje určitý čas na spomalenie alebo zrýchlenie.

Teoreticky, ak by bolo k sieti pripojené OBROVSKÉ zaťaženie, začalo by to spomaľovať generátory v krajine. V reakcii na to však chlapci v riadiacej kancelárii National Grid požiadali elektrárne, aby zapálili svoje kotly, zvýšili teplo a prinútili tieto generátory ťažšie držať krok s dopytom. Ponuka a dopyt sú teda v neustálom tanci.

K signálu 50 Hz je potrebné povedať ešte jednu vec. Aj keď sa to veľmi líši asi o 50 Hz, chlapci hore zaisťujú, že priemerná frekvencia za deň je presne 50 Hz. Ak je teda mriežka na 49,95 Hz po dobu 10 minút, zaistí, aby bežala na 50,05 Hz neskôr, aby sa presný počet cyklov zvýšil na 50 Hz x 60 sekúnd x 60 minút x 24 hodín = 4 320 000/deň. Robia to presne pomocou medzinárodného atómového času. Domáce, kancelárske a priemyselné spotrebiče môžu preto používať sieťovú frekvenciu na udržanie času. Bežne sa to robí napríklad pomocou mechanických časovačov zásuviek.

230 V - Toto je napätie RMS (Root Mean Square) signálu 50 Hz. Skutočný signál sa pohybuje až do vrcholu 325 V. To je dôležité vedieť, pretože ak staviate menič, musíte produkovať také vysoké napätie, ak chcete do zástrčiek prúdiť akýkoľvek prúd.

V skutočnosti sú napätia viditeľné na zástrčke vo vašom dome dosť variabilné. Je to kvôli poklesu napätia cez odpor v vodičoch, konektoroch, poistkách, transformátoroch atď. Všade je odpor. Ak zapnete elektrickú sprchu s ťahom 11 kilowattov (to je ~ 50 ampérov), potom aj 0,2 ohmový odpor vám klesne o 10 voltov. Môžete to vidieť tak, že svetlá stále mierne stlmia. Veľké motory, ako sú napríklad vysávače, čerpajú obrovské prúdy, zatiaľ čo motor dosahuje maximálnu rýchlosť. Často teda vidíte svetlá mierne blikajúce, keď ich zapnete.

Ide mi o to, že napätie v sieti je oveľa variabilnejšie. Tu vo Veľkej Británii to má byť 230 V s toleranciou +10%/-6%. Môžete očakávať, že pri zapnutí alebo vypnutí veľkého nákladu v okolí uvidíte náhle zmeny a výkyvy. Myslite na bubnové sušičky, rýchlovarné kanvice, rúry, kopýtka atď.

Sinusový - Signál by mal byť peknou čistou sínusovou vlnou, ale v skutočnosti niektoré nelineárne zariadenia nasávajú svoju energiu z určitých bodov cyklu sínusovej vlny. To spôsobuje skreslenie, a preto signál nie je dokonalá sínusová vlna. Nelineárne záťaže obvykle zahrnujú napájacie zdroje počítača, žiarivky, nabíjačky, televízory atď.

Celkové harmonické skreslenie (THD) to kvantifikuje vo forme vlny. Existujú pravidlá, ako čistý musí byť výkon meniča. Ak nie je schopný produkovať dostatočne čistý signál, nebude schválený na predaj. Je to dôležité, pretože obsah harmonických v sieti znižuje účinnosť niektorých zariadení, ktoré sú k nej pripojené (obzvlášť nepárne harmonické). Verím, že maximálne povolené THD je 8%

Nízka impedancia - Keď uvažujete o meniči rozvodnej siete, bude dôležité to zvážiť. K sieti sú pripojené všetky druhy záťaží vrátane induktívnych, odporových a príležitostne kapacitných. Impedancia je teda neznáma a premenlivá. Odpor je veľmi malý, čo znamená, že ak pripojíte vysokú prúdovú záťaž, napätie vôbec neklesne.

Krok 2: Ako vtlačiť energiu do siete

Aby sme dodali energiu do siete, musíme syntetizovať signál, ktorý sa presne zhoduje s frekvenciou a fázou siete, ale s o niečo vyšším napätím.

Vzhľadom na nízky odpor siete je ťažké presne vedieť, o koľko vyššie je možné toto napätie vytvoriť. A pretože napätie RMS kolíše, musíme zabezpečiť, aby sme kolísali aj s ním. Len vytváranie pevného 50 Hz napäťového signálu o niečo vyššieho ako sieťové napätie nebude fungovať!

PI Riadenie výstupného prúdu

Čo potrebujeme, je regulačná slučka, v ktorej merame okamžitý prúd, ktorý tlačíme do siete, a automaticky upravujeme naše výstupné napätie tak, aby poháňalo požadovaný prúd. To efektívne transformuje náš výstup na zdroj prúdu (nie na zdroj napätia), ktorý je vhodnejší na riadenie nízkych impedancií. To môžeme dosiahnuť použitím PI (proporcionálnej integrálnej) regulačnej slučky:

Riadiace slučky PI sú fantastické! Majú 3 časti:

• Nameraná hodnota - prúd, ktorý zapojíme do siete
• Požadovaná hodnota - prúd, ktorý chceme tlačiť do elektrickej siete
• Výstup - generované signálne napätie

Zakaždým, keď zavoláme algoritmus PID, prejdeme posledným aktuálnym meraním a požadovanou hodnotou. Vráti ľubovoľné číslo (úmerné generovanému výstupnému napätiu).

Náš riadiaci algoritmus PID nám umožňuje zvoliť požadovaný výstupný prúd v ktoromkoľvek momente. Na výrobu sínusového výstupného prúdu 50 Hz musíme priebežne meniť požadovaný prúd sínusovým spôsobom.

Algoritmus PID sa nazýva každých 100us (zodpovedá 200 krát za 50 Hz cyklus). Zakaždým, keď sa to nazýva, je možné vykonať priame úpravy výstupného napätia, a teda nepriamo upraviť výstupný prúd. Výsledkom je, že vyrábame stupňovitý prúdový výstup podobný tomu, ktorý je znázornený na obrázku, pričom každý krok sa vyskytuje každých 100us. To poskytuje dostatočné rozlíšenie.

Spätné ovládanie

Pracovné zaťaženie radiča PI môžeme masívne znížiť aj pridaním ovládača dopredu. Je to ľahké! Poznáme približné výstupné napätie, ktoré budeme potrebovať na generovanie (rovnaké ako okamžité sieťové napätie). PI regulátor potom môže byť ponechaný, aby pridal malé dodatočné napätie potrebné na riadenie výstupného prúdu.

Dopredný regulátor sám o sebe prispôsobí výstupné napätie meniča napätiu siete. Pokiaľ sa dostatočne dobre zhodneme, nemal by prúdiť žiadny prúd. Dopredná kontrola preto robí 99% výstupnej kontroly.

Vzhľadom na nízky odpor siete by akýkoľvek rozdiel vo výstupnom napätí FF a napätí siete spôsobil veľký prúd. Preto som medzi menič a sieť pridal odpor 1ohm vyrovnávacej pamäte. To prináša straty, ale vo veľkej schéme sú dosť malé.

Krok 3: Vytvorenie výstupného napätia pomocou PWM

Aj keď nepriamo riadime výstupný prúd, je to výstupné napätie, ktoré generujeme v danom okamihu. Na výrobu výstupného napätia používame PWM (Pulse Width Modulation). Signály PWM môžu byť ľahko produkované mikrokontrolérmi a môžu byť zosilnené pomocou H-mostíka. Sú to jednoduché krivky charakterizované 2 parametrami, frekvenciou F a pracovným cyklom D.

Priebeh PWM sa prepína medzi 2 napätiami, v našom prípade 0 V a V

• Pri D = 1,0 je priebeh PWM jednoducho DC pri dodávke V
• Pri D = 0,5 dostaneme štvorcovú vlnu s priemerným napätím 0,5 x V (tj. D x V).
• Pri D = 0,1 dostaneme pulzný priebeh s priemerom periódy 0,1 x V
• Pri D = 0,0 je výstupom rovná čiara (DC pri 0v)

Kľúčové je priemerné napätie. Nízkopriepustným filtrom dokážeme odstrániť všetko okrem priemernej súčasti DC. Zmenou pracovného cyklu D PWM sme teda schopní vytvoriť požadované jednosmerné napätie. Sladké!

Použitie mostíka H

H-Bridge sa skladá zo 4 spínacích prvkov. Môžu to byť BJT, MOSFET alebo IGBT. Aby sa vytvorila prvá polovica (0 - 180 stupňov) sínusovej vlny, nastavíme fázu B na nízku hodnotu vypnutím Q3 a zapnutím Q4 (tj. Použitím PWM s D = 0). Potom vykonáme naše PWMing vo fáze A. V druhej polovici, kde je VAB negatívna, nastavíme nízku fázu A a použijeme náš PWM na fázu B. Toto je známe ako bipolárne prepínanie.

MOSFETy v H-mostíku musia byť poháňané vodičom brány. Ide o vlastnú tému, ale jednoduchý čip sa o to dokáže postarať. Doska dev pre DRV8301 je vhodná pre most H, mostové ovládače a prúdové skraty, čo nám tento projekt sakramentsky uľahčuje.

Krok 4: Meranie prúdu

Každá noha H-Bridge má skratovací odpor a diferenciálny zosilňovač. Naše skraty sú 0,01 ohmu a naše zosilňovače sú nastavené na zosilnenie 40. Preto 1 Amp vyvíja 10 mV cez skrat, ktorý je následne zosilnený na 400 mV.

Výstupy zo skratových zosilňovačov čítajú 12bitové ADC na STM32F407 bežiace v režime nepretržitej konverzie. ADC sú nastavené tak, aby vzorkovali každý skrat pri 110 KSPS a radič DMA automaticky zapisuje prevody do 11 -slovového kruhového buffera v RAM. Keď je požadované súčasné meranie, nazývame funkciu, ktorá vráti strednú hodnotu tohto 11 -slovného vyrovnávacej pamäte.

Pretože požadujeme merania prúdu pri každej iterácii PID (na 10 kHz), ale naplňujeme naše 11 -slovné ADC medzipamäte rýchlosťou 110 kHz, mali by sme získať úplne nové údaje o každej iterácii PID. Dôvodom použitia stredného filtra je to, že prepínanie PWM môže do zmesi vnášať hroty a stredné filtre veľmi účinne odstraňujú falošné vzorky ADC.

Tu je dôležité uviesť: Akú nohu mostíka H používame na meranie prúdu? Závisí to od toho, v ktorej nohe sme v súčasnosti PWMing a ktorá je práve držaná nízko. Nízka noha je tá, z ktorej chceme merať náš prúd, pretože prúd vždy preteká skratovým odporom na tejto strane. V porovnaní s tým, že na strane PWMed, keď je vysokovýkonný MOSFET zapnutý a dolný, je vypnutý, cez dolný bočník neprúdi žiadny prúd. Takže zmeníme, na ktorej nohe meriame prúd, na základe polarity výstupu meniča. Jasne to vidíte na obrázku, ktorý ukazuje výstup z jedného zo skratových zosilňovačov za určité obdobie. Očividne chceme odčítať hodnoty počas plynulého bitu.

Pomáha ladiť naše aktuálne hodnoty. Na STM32F407 som nastavil prevodník digitálneho signálu na analógový. Napísal som aktuálne namerané hodnoty a obmedzil som výstup. Môžete to vidieť na konečnom obrázku, modrý je napätie na výstupnom vyrovnávacom odpore (tj. Výstupný prúd/1,1 ohmu) a červený signál je náš výstup DAC.

Krok 5: Filtrovanie výstupu

Výstupný filter je kľúčovou súčasťou návrhu. Potrebujeme od neho tieto vlastnosti:

1. Blokujte všetky vysokofrekvenčné prepínania, ale prenášajte signál 50 Hz
2. Nízke straty
3. Nie rezonovať!
4. Vyrovnať sa s príslušnými prúdmi a napätím

Fourierova transformácia signálu PWM frekvencie F, pracovný cyklus D, medzi 0 - V napájacie napätie je: (D x V napájanie) + sínusové vlny na základnej frekvencii F a harmonické potom

To je geniálne! To znamená, že ak vložíme náš PWM signál cez dolnopriepustný filter, ktorý zablokuje základný PWM a všetko vyššie. Zostal nám iba výraz DC napätia. Zmenou pracovného cyklu môžeme ľahko vyrobiť akékoľvek požadované napätie medzi 0 - V, ako je vysvetlené.

Na základe vyššie uvedených požadovaných charakteristík môžeme navrhnúť výstupný filter. Potrebujeme dolnopriepustný filter vyrobený s minimálnym odporom, aby sme sa vyhli stratám. Preto používame iba induktory a kondenzátory. Ak zvolíme rezonančnú frekvenciu medzi 1 - 2 KHz, vyhneme sa rezonancii, pretože do tejto frekvencie nevkladáme žiadne signály. Tu je náš dizajn filtra. Náš výstup berieme ako napätie na C1.

Voľbou L1 = L2 = 440uH, C1 = 8,4uF vypočítame rezonančnú frekvenciu 1,85KHz. Toto sú tiež realistické hodnoty komponentov.

Je dôležité zabezpečiť, aby sa naše induktory nezačali saturovať prúdmi, ktoré očakávame. Induktory, ktoré som použil, majú saturačný prúd 3A. Toto bude obmedzujúci faktor výstupného výkonu nášho obvodu. Je tiež dôležité vziať do úvahy napätie kondenzátora. Používam keramiku 450 V, čo je v tomto prípade veľmi prehnané!

Bodový diagram (pre mierne odlišné hodnoty L/C) bol vygenerovaný pomocou LTspice. Ukazuje nám útlm spôsobený rôznymi vstupnými frekvenciami. Rezonančnú frekvenciu môžeme jasne vidieť na 1,8 kHz. Ukazuje to, že signál 50 Hz je takmer úplne nefalšovaný, zatiaľ čo vám môžem povedať, že signál 45 KHz je zoslabený o 54 dB!

Vyberme si teda nosnú frekvenciu PWM ~ 45 KHz. Voľbou vyšších nosných frekvencií PWM je možné zvýšiť frekvenciu filtra. To je dobré, pretože hodnoty L a C sú menšie. To znamená menšie a lacnejšie komponenty. Temnejšou stránkou veci je, že vyššie spínacie frekvencie PWM prinášajú väčšie straty v tranzistorových spínačoch.

Krok 6: Synchronizácia fázy a frekvencie

Synchronizácia na fázu a frekvenciu siete je to, čo robí menič rozvodnej siete. Na dosiahnutie presného fázového sledovania sieťového signálu používame digitálnu implementáciu PLL (Phase Locked Loop). Robíme to tak, že:

1. Odber vzoriek sieťového napätia
2. Vytvárame vlastný lokálny 50 Hz sínusový signál
3. Porovnanie fázy medzi našim miestnym signálom a sieťovým signálom
4. Nastavenie frekvencie miestneho signálu, kým nie je fázový rozdiel medzi týmito 2 signálmi nulový

1) Odber vzoriek sieťového napätia

Konfigurujeme tretí kanál ADC na čítanie sieťového napätia. To získame rozdelením napätia na transformátorový kohútik, ako je to znázornené. To poskytuje zmenšené napätie pohybujúce sa okolo 1,65 V, ktoré presne predstavuje napätie v sieti.

2) Vytváranie miestneho sínusového signálu 50 HzVýroba vlastnej miestnej 50 Hz sínusovej vlny je jednoduchá. Uložíme vyhľadávaciu tabuľku 256 sínusových hodnôt. Naše simulované hodnoty sínusu sa dajú ľahko získať pomocou vyhľadávacieho indexu, ktorý sa v tabuľke postupne otáča.

Aby sme získali signál 50 Hz, musíme svoj index zvýšiť presne na správnu mieru. Menovite 256 x 50 Hz = 12 800/s. Robíme to pomocou časovača 9 s taktom 168 MHz. Keď počkáme 168 MHz/12800 = 13125 hodín, zvýšime index o správnu mieru.

3) Porovnanie fázy medzi naším miestnym signálom a sieťovým signálom Toto je skvelá časť! Ak integrujete súčin cos (hm.) X sin (hm.) Za 1 periódu, výsledok je nula. Ak je fázový rozdiel iný ako 90 stupňov, dostanete nenulové číslo. Matematicky:

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

Toto je skvelé! Umožňuje nám porovnať sieťový signál, sin (ωt) s naším lokálnym signálom, sin (⍵t + φ) a získať hodnotu.

Existuje však problém, ktorý je potrebné vyriešiť: Ak chceme, aby naše signály zostali vo fáze, musíme prispôsobiť našu miestnu frekvenciu tak, aby bol termín Ccos (φ) maximálny. To nebude fungovať dobre a budeme mať zlé sledovanie fáz. Dôvodom je, že d/dφ ɑcos (φ) je 0 pri φ = 0. To znamená, že výraz Ccos (φ) sa nebude veľmi líšiť so zmenami fázy. dáva to zmysel?

Oveľa lepšie by bolo fázový posun vzorkovaného signálu siete o 90 stupňov, aby sa zmenil na cos (ωt + φ). Potom tu máme toto:

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

Zavedenie 90 stupňového fázového posunu je jednoduché, jednoducho vložíme vzorky nášho sieťového ADC napätia na jeden koniec vyrovnávacej pamäte a neskôr ich vyberieme z niekoľkých vzoriek, čo zodpovedá fázovému posunu o 90 stupňov. Pretože sa frekvencia siete takmer nelíši od 50 Hz, jednoduchá technika časového oneskorenia funguje skvele.

Teraz vynásobíme náš 90 stupňový fázovo posunutý sieťový signál miestnym signálom a ponecháme bežiaci integrál produktu za posledné obdobie (tj. Za posledných 256 hodnôt).

Výsledok, ktorý poznáme, bude nulový, ak sú dva signály presne udržiavané v 90 -stupňovom odstupe. Je to fantastické, pretože to ruší fázový posun, ktorý sme práve použili na sieťový signál. Len pre objasnenie, namiesto maximalizácie integrálneho výrazu sa pokúšame udržať ho na nule a fázovo posúvame náš sieťový signál. 90 -stupňové fázové posuny zavedené týmito 2 zmenami sa navzájom vylučujú.

Ak teda Integral_Result <0 vieme, musíme zvýšiť frekvenciu nášho lokálneho oscilátora, aby sa vrátil do fázy so sieťou a naopak.

4) Nastavenie frekvencie lokálneho signálu Tento bit je jednoduchý. Jednoducho upravíme obdobie medzi prírastkami prostredníctvom nášho indexu. Obmedzujeme, ako rýchlo dokážeme opraviť fázový rozdiel, v podstate odfiltrovaním falošných vecí. Robíme to pomocou PI regulátora s veľmi malým I výrazom.

A to je všetko. Náš miestny sínusový oscilátor (ktorý nastavuje požadovanú hodnotu výstupného prúdu) sme zablokovali, aby bol vo fáze so sieťovým napätím. Implementovali sme algoritmus PLL a funguje ako sen!

Zvýšenie frekvencie nášho lokálneho oscilátora tiež zníži fázový posun kladený na sieťový signál. Pretože obmedzujeme úpravu frekvencie na +/- 131 kliešťov (+/- ~ 1%), ovplyvníme fázový posun nanajvýš o +/- 1 °. Na tom nebude vôbec záležať, kým sa fázy synchronizujú.

Teoreticky, ak by sa sieťová frekvencia odchýlila o viac ako 0,5 Hz, stratili by sme fázový zámok. Je to kvôli nášmu vyššie uvedenému obmedzeniu, do akej miery môžeme upraviť frekvenciu nášho lokálneho oscilátora. To sa však nestane, pokiaľ sieť nezlyhá. V tomto mieste aj tak naštartuje naša ochrana proti ostrovom.

Pri spustení vykonávame detekciu prechodu nulou, aby sme sa čo najlepšie pokúsili spustiť fázovú fázu signálov z offsetu.

Krok 7: Proti ostrovom

Wikipedia má úžasný článok o technike ostrovania a ostrovov. Z toho tiež vyplýva, že ľudia pri tejto téme syčia a klapkajú viac, ako je potrebné. "Ach, nemôžete si postaviť vlastný invertor rozvodnej siete, niekoho zabijete atď."

Ako je lepšie vysvetlené v článku na Wikipédii, používame niekoľko bezpečnostných opatrení, ktoré spoločne poskytujú primeranú ochranu (podľa môjho názoru):

1. Pod/prepätie
2. Pod/nad frekvenciou

Tieto situácie môžeme odhaliť jednoduchou analýzou nášho vzorkovaného zmenšeného sieťového napätia. Ak sa niečo pokazí, deaktivujte mostík H a počkajte, kým sa veci vrátia do normálu.