Grid Tie Inverter: 10 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:33

Αυτό είναι ένα σαρκώδες έργο, αγκιστρώστε!

Οι μετατροπείς γραβάτας δικτύου σάς επιτρέπουν να σπρώχνετε ρεύμα σε μια πρίζα, η οποία είναι μια φοβερή ικανότητα. Θεωρώ ενδιαφέροντα τα ηλεκτρονικά ισχύος και τα συστήματα ελέγχου που εμπλέκονται στο σχεδιασμό τους, οπότε έφτιαξα το δικό μου. Αυτή η έκθεση μοιράζεται όσα έμαθα και τεκμηριώνει πώς έκανα τα πράγματα. Θα με ενδιέφεραν τυχόν σχόλια που είχατε (εκτός από αυτά για το ότι δεν μπλέξατε με το ηλεκτρικό δίκτυο).

Όλες οι έννοιες είναι κλιμακούμενες, αλλά αυτή η ρύθμιση είχε μέγιστη ισχύ 40 watt πριν αρχίσουν να κορεστούν οι επαγωγείς φίλτρων. Το ρεύμα εξόδου ήταν ημιτονοειδές με THD <5%.

Δείτε το λογισμικό στο GitHub μου

Προμήθειες

• Χρησιμοποίησα τον πίνακα ανάπτυξης STM32F407. Λειτουργεί στα 168MHz και διαθέτει 3 ενσωματωμένα ADC με δυνατότητα ανάλυσης 12bit σε πάνω από 2.4MSPS (Εκατομμύρια δείγματα ανά δευτερόλεπτο) το καθένα. Αυτό είναι τρελό!
• Χρησιμοποίησα τον πίνακα ανάπτυξης DRV8301. Αυτό στεγάζει ένα 60v H-Bridge μαζί με τα απαραίτητα προγράμματα οδήγησης πύλης, ρεύματα μετατροπές και τρέχοντες ενισχυτές διακλάδωσης. Σούπερ ωραίο!
• Χρησιμοποίησα έναν τοροειδή μετασχηματιστή 230-25v με 2 βρύσες εξόδου. Αυτό σήμαινε ότι δεν έπρεπε να παράγω απευθείας τάση δικτύου, αλλά θα μπορούσα να λειτουργήσω με αιχμές τάσης 40 βολτ. Πολύ πιο ασφαλές!
• Συνδέσα ένα φορτίο επαγωγέων και πυκνωτών μαζί για να πάρω τις τιμές L και C που ήθελα για το φίλτρο.
• Ένας παλμογράφος και ένας διαφορικός αισθητήρας είναι το κλειδί για ένα τέτοιο έργο. Έχω ένα Πικοσκόπιο

Βήμα 1: Τι είναι η ισχύς ρεύματος;

Αυτό που λαμβάνετε σε μια πρίζα (στο Ηνωμένο Βασίλειο) είναι ένα ημιτονοειδές σήμα 50Hz 230v RMS με πολύ χαμηλή σύνθετη αντίσταση. Λίγα πράγματα να πούμε για αυτό:

50Hz - Η συχνότητα του δικτύου διατηρείται με ακρίβεια στα 50Hz. Διαφέρει ελαφρώς, αλλά το 90% του χρόνου είναι μεταξύ 49,9-50,1Hz. Δες εδώ. Μπορείτε να φανταστείτε όλες τις τεράστιες γεννήτριες σε σταθμούς παραγωγής ενέργειας πάνω και κάτω στη χώρα να περιστρέφονται από κοινού. Περιστρέφονται ταυτόχρονα παράγοντας για εμάς ένα ημιτονοειδές σήμα 50Hz. Η συνδυασμένη μαζική περιστροφική αδράνεια τους χρειάζεται χρόνο για να επιβραδυνθεί ή να επιταχυνθεί.

Θεωρητικά, αν ένα τεράστιο φορτίο συνδεόταν με το δίκτυο θα άρχιζε να επιβραδύνει τις γεννήτριες της χώρας. Ωστόσο, σε απάντηση, τα παιδιά στο γραφείο ελέγχου του Εθνικού Πλέγματος θα ζητούσαν από τους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής να τροφοδοτήσουν τους λέβητες τους, να αυξήσουν τη θερμότητα και να αναγκάσουν αυτές τις γεννήτριες να ανταποκριθούν στη ζήτηση. Έτσι η προσφορά και η ζήτηση βρίσκονται σε έναν συνεχή χορό μεταξύ τους.

Ένα ακόμη πράγμα να πω για το σήμα των 50Hz. Αν και ποικίλλει ελαφρώς περίπου 50Hz, οι άνδρες από πάνω βεβαιώνονται ότι η μέση συχνότητα κατά τη διάρκεια της ημέρας είναι ακριβώς 50Hz. Έτσι, εάν το δίκτυο είναι στα 49,95Hz για 10 λεπτά, θα διασφαλίσουν ότι θα τρέξει στα 50,05Hz αργότερα για να φέρει τον ακριβή αριθμό κύκλων σε 50Hz x 60 δευτερόλεπτα x 60 λεπτά x 24 ώρες = 4, 320, 000/ημέρα. Το κάνουν αυτό ακριβώς χρησιμοποιώντας τον Διεθνή Ατομικό Χρόνο. Οι οικιακές, γραφικές και βιομηχανικές συσκευές μπορούν επομένως να χρησιμοποιήσουν τη συχνότητα δικτύου για να κρατήσουν χρόνο. Αυτό γίνεται συνήθως με μηχανικούς χρονοδιακόπτες πρίζας, για παράδειγμα.

230v - Αυτή είναι η τάση RMS (Root Mean Square) του σήματος 50Hz. Το πραγματικό σήμα κυμαίνεται μέχρι μια κορυφή 325v. Αυτό είναι σημαντικό να γνωρίζετε γιατί αν κατασκευάζετε έναν μετατροπέα πρέπει να παράγετε τόσο υψηλές τάσεις εάν πρόκειται να ρέει ρεύμα στα βύσματα.

Στην πραγματικότητα, οι τάσεις που παρατηρούνται σε ένα βύσμα στο σπίτι σας είναι αρκετά μεταβλητές. Αυτό οφείλεται στην πτώση τάσης στην αντίσταση σε καλώδια, συνδετήρες, ασφάλειες, μετασχηματιστές κλπ. Υπάρχει αντίσταση παντού. Εάν ενεργοποιήσετε ένα ηλεκτρικό ντους τραβώντας 11 κιλοβάτ (δηλαδή ~ 50Amps) τότε ακόμα και 0,2 ohm αντίστασης θα σας ρίξει 10 βολτ. Μπορεί να το δείτε αυτό καθώς τα φώτα σβήνουν τόσο ελαφρώς. Οι μεγάλοι κινητήρες, όπως αυτοί στις οπλές τραβούν τεράστια ρεύματα, ενώ ο κινητήρας ανεβάζει ταχύτητα. Έτσι, συχνά βλέπετε ένα ελαφρύ τρεμόπαιγμα των φώτων όταν τα ανάβετε.

Το θέμα μου είναι ότι η τάση δικτύου είναι πολύ πιο μεταβλητή. Εδώ στο Ηνωμένο Βασίλειο υποτίθεται ότι είναι 230v με ανοχή +10%/-6%. Μπορείτε να περιμένετε να δείτε ξαφνικές αλλαγές και διακυμάνσεις καθώς τα μεγάλα φορτία ενεργοποιούνται/απενεργοποιούνται. Σκεφτείτε στεγνωτήρια, βραστήρες, φούρνους, μαξιλάρια κλπ.

Ημιτονοειδές - Το σήμα πρέπει να είναι ένα ωραίο καθαρό ημιτονοειδές κύμα, αλλά στην πραγματικότητα ορισμένες μη γραμμικές συσκευές απορροφούν τη δύναμή τους από ορισμένα σημεία του κύκλου ημιτονοειδούς κύματος. Αυτό εισάγει παραμόρφωση και γι 'αυτό το σήμα δεν είναι ένα τέλειο ημιτονοειδές κύμα. Τα μη γραμμικά φορτία περιλαμβάνουν συνήθως τροφοδοτικά υπολογιστή, φώτα φθορισμού, φορτιστές, τηλεοράσεις κ.λπ.

Η ολική αρμονική παραμόρφωση (THD) το ποσοτικοποιεί αυτό στην κυματομορφή. Υπάρχουν κανονισμοί για το πόσο καθαρή πρέπει να είναι η έξοδος ενός μετατροπέα. Εάν δεν είναι σε θέση να παράγει ένα αρκετά καθαρό σήμα, τότε δεν θα εγκριθεί για πώληση. Αυτό είναι σημαντικό επειδή το αρμονικό περιεχόμενο στο δίκτυο μειώνει την απόδοση ορισμένων συσκευών που συνδέονται με αυτό (ειδικά περίεργες αρμονικές). Πιστεύω ότι το μέγιστο επιτρεπόμενο THD είναι 8%

Χαμηλή σύνθετη αντίσταση - Όταν σκέφτεστε έναν αντιστροφέα δικτύου, αυτό θα πρέπει να ληφθεί υπόψη. Υπάρχουν όλα τα είδη φορτίων που συνδέονται με το δίκτυο, συμπεριλαμβανομένων επαγωγικών, αντιστασιακών και περιστασιακά χωρητικών φορτίων. Άρα η σύνθετη αντίσταση είναι άγνωστη και μεταβλητή. Η αντίσταση είναι πολύ μικρή, αν συνδέσετε υψηλό φορτίο ρεύματος, η τάση δεν θα πέσει καθόλου.

Βήμα 2: Πώς να ωθήσετε την ισχύ στο δίκτυο

Για να σπρώξουμε την ισχύ στο δίκτυο πρέπει να συνθέσουμε ένα σήμα που ταιριάζει ακριβώς με τη συχνότητα και τη φάση του δικτύου αλλά με τάση που είναι τόσο ελαφρώς υψηλότερη.

Λόγω της χαμηλής αντίστασης του δικτύου είναι δύσκολο να γνωρίζουμε ακριβώς πόσο υψηλότερη θα είναι αυτή η τάση. Και καθώς η τάση RMS αυξομειώνεται, πρέπει να διασφαλίσουμε ότι αυξομειώνουμε με αυτήν. Μόνο η παραγωγή σταθερού σήματος τάσης 50Hz λίγο υψηλότερη από την τάση δικτύου δεν θα λειτουργήσει!

PI Έλεγχος του ρεύματος εξόδου

Αυτό που χρειαζόμαστε είναι ένας βρόχος ελέγχου με τον οποίο μετράμε το στιγμιαίο ρεύμα που πιέζουμε στο δίκτυο και ρυθμίζουμε αυτόματα την τάση εξόδου μας για να οδηγήσουμε το ρεύμα που θέλουμε. Αυτό θα μετατρέψει αποτελεσματικά την έξοδό μας σε μια τρέχουσα πηγή (και όχι μια πηγή τάσης), η οποία είναι πιο κατάλληλη για την οδήγηση χαμηλών αντιστάσεων. Αυτό μπορούμε να το πετύχουμε χρησιμοποιώντας έναν βρόχο ελέγχου PI (Proportional Integral):

Οι βρόχοι ελέγχου PI είναι φανταστικοί! Υπάρχουν 3 μέρη σε αυτά:

• Η μετρημένη τιμή - Το ρεύμα που θέτουμε στην πρίζα
• Το σημείο ρύθμισης - Το ρεύμα που θέλουμε να σπρώξουμε στο δίκτυο
• Η έξοδος - Η τάση σήματος που πρέπει να δημιουργηθεί

Κάθε φορά που καλούμε τον αλγόριθμο PID, περνάμε την πιο πρόσφατη τρέχουσα μέτρηση και το σημείο ρύθμισης που θέλουμε. Θα επιστρέψει έναν αυθαίρετο αριθμό (ανάλογο με την τάση εξόδου που θα δημιουργηθεί).

Ο αλγόριθμος ελέγχου PID μας επιτρέπει να επιλέξουμε το ρεύμα εξόδου που θέλουμε ανά πάσα στιγμή. Για να παράγουμε ένα ημιτονοειδές ρεύμα εξόδου 50Hz, πρέπει να αλλάζουμε συνεχώς το ζητούμενο ρεύμα με ημιτονοειδή τρόπο.

Ο αλγόριθμος PID ονομάζεται κάθε 100us (που ισοδυναμεί με 200 φορές ανά κύκλο 50Hz). Κάθε φορά που ονομάζεται είναι σε θέση να κάνει άμεσες ρυθμίσεις στην τάση εξόδου και ως εκ τούτου να ρυθμίσει έμμεσα το ρεύμα εξόδου. Ως αποτέλεσμα, παράγουμε μια σταδιακή έξοδο ρεύματος παρόμοια με αυτή που φαίνεται στην εικόνα με κάθε βήμα να συμβαίνει κάθε 100us. Αυτό παρέχει αρκετή ανάλυση.

Πρόσθετος έλεγχος

Μπορούμε να μειώσουμε μαζικά τον φόρτο εργασίας του ελεγκτή PI προσθέτοντας επίσης έναν ελεγκτή τροφοδοσίας. Αυτό είναι εύκολο! Γνωρίζουμε την κατά προσέγγιση τάση εξόδου που θα χρειαστεί να δημιουργήσουμε (ίδια με την στιγμιαία τάση δικτύου). Ο ελεγκτής PI μπορεί στη συνέχεια να αφεθεί για να προσθέσει τη μικροσκοπική επιπλέον τάση που απαιτείται για να οδηγήσει ένα ρεύμα εξόδου.

Από μόνο του ο ελεγκτής τροφοδοσίας ταιριάζει με την τάση εξόδου του μετατροπέα με την τάση του δικτύου. Κανένα ρεύμα δεν πρέπει να ρέει εάν ταιριάζουμε αρκετά καλά. Συνεπώς, ο έλεγχος τροφοδοσίας κάνει το 99% του ελέγχου εξόδου.

Λόγω της χαμηλής αντίστασης του δικτύου, οποιαδήποτε διαφορά στην τάση εξόδου FF και στην τάση του δικτύου θα είχε ως αποτέλεσμα ένα μεγάλο ρεύμα. Πρόσθεσα επομένως μια αντίσταση buffer 1ohm μεταξύ του μετατροπέα και του δικτύου. Αυτό εισάγει απώλειες, αλλά είναι αρκετά μικρές στο μεγάλο σχέδιο.

Βήμα 3: Παραγωγή τάσης εξόδου χρησιμοποιώντας PWM

Παρόλο που ελέγχουμε έμμεσα το ρεύμα εξόδου, είναι μια τάση εξόδου που δημιουργούμε ανά πάσα στιγμή. Χρησιμοποιούμε PWM (Pulse Width Modulation) για να παράγουμε την τάση εξόδου μας. Τα σήματα PWM μπορούν εύκολα να παραχθούν από μικροελεγκτές και μπορούν να ενισχυθούν χρησιμοποιώντας ένα H-Bridge. Είναι απλές κυματομορφές που χαρακτηρίζονται από 2 παραμέτρους, τη συχνότητα F και τον κύκλο λειτουργίας D.

Μια κυματομορφή PWM αλλάζει μεταξύ 2 τάσεων, στην περίπτωσή μας 0v και Vsupply

• Με D = 1.0 η κυματομορφή PWM είναι απλώς DC στο Vsupply
• Με D = 0,5, παίρνουμε ένα τετραγωνικό κύμα με μέση τάση 0,5 x Vsupply, (δηλαδή D x Vsupply)
• Με D = 0.1, παίρνουμε μια παλμική κυματομορφή με μέσο όρο περιόδου 0.1 x Vsupply
• Με D = 0.0, η έξοδος είναι επίπεδη (DC στα 0v)

Η μέση τάση είναι το κλειδί. Με ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης μπορούμε να αφαιρέσουμε τα πάντα εκτός από το μέσο μέσο DC. Έτσι, μεταβάλλοντας τον κύκλο λειτουργίας PWM D, είμαστε σε θέση να κάνουμε οποιαδήποτε επιθυμητή τάση DC. Γλυκός!

Χρησιμοποιώντας ένα H-Bridge

Ένα H-Bridge αποτελείται από 4 στοιχεία μεταγωγής. Αυτά μπορεί να είναι BJT, MOSFET ή IGBT. Για να παράγουμε το πρώτο μισό (0 - 180 μοίρες) του ημιτονοειδούς κύματος, θέτουμε τη φάση Β χαμηλά σβήνοντας το Q3 και ενεργοποιώντας το Q4 (δηλαδή εφαρμόζοντας PWM με D = 0). Στη συνέχεια εκτελούμε το PWMing στη φάση Α. Για το δεύτερο εξάμηνο, όπου το VAB είναι αρνητικό, θέτουμε τη Φάση Α χαμηλά και εφαρμόζουμε το PWM στη φάση Β. Αυτό είναι γνωστό ως διπολική μεταγωγή.

Τα MOSFET στη γέφυρα Η πρέπει να οδηγούνται από έναν οδηγό πύλης. Αυτό είναι ένα θέμα από μόνο του, αλλά ένα απλό τσιπ μπορεί να το φροντίσει. Η πλακέτα DRV8301 dev φιλοξενεί βολικά το H-Bridge, τους οδηγούς πύλης και τα τρέχοντα παράθυρα για εμάς, κάνοντας αυτό το έργο πολύ πιο εύκολο.

Βήμα 4: Μέτρηση ρεύματος

Κάθε σκέλος του H-Bridge έχει αντίσταση διακλάδωσης και διαφορικό ενισχυτή. Τα shunt μας είναι 0,01ohms και οι ενισχυτές μας έχουν οριστεί για κέρδος 40. Επομένως, 1 Amp αναπτύσσει 10mV σε όλη τη διακλάδωση, η οποία στη συνέχεια ενισχύεται στα 400mV.

Οι έξοδοι από τους ενισχυτές διακλάδωσης διαβάζονται από τους ADC 12bit στο STM32F407 που εκτελούνται σε λειτουργία συνεχούς μετατροπής. Τα ADC έχουν ρυθμιστεί ώστε να λαμβάνουν δείγμα κάθε διακλάδωσης στα 110KSPS και ο ελεγκτής DMA γράφει αυτόματα τις μετατροπές σε κυκλικό buffer 11 λέξεων στη μνήμη RAM. Όταν απαιτείται μια τρέχουσα μέτρηση καλούμε μια συνάρτηση που επιστρέφει τη διάμεση τιμή αυτού του buffer 11 λέξεων.

Δεδομένου ότι ζητάμε τρέχουσες μετρήσεις κάθε επανάληψη PID (στα 10KHz) αλλά γεμίζουμε τα buffer ADC των 11 λέξεων με ρυθμό 110KHz, θα πρέπει να λαμβάνουμε εντελώς νέα δεδομένα κάθε επανάληψη PID. Ο λόγος για τη χρήση ενός μέσου φίλτρου είναι επειδή η αλλαγή PWM μπορεί να εισάγει αιχμές στο μίγμα και τα διάμεσα φίλτρα να εξαλείψουν τα πλαστά δείγματα ADC πολύ αποτελεσματικά.

Ένα σημαντικό σημείο που πρέπει να επισημανθεί εδώ: Ποιο σκέλος του H-Bridge χρησιμοποιούμε για τρέχουσες μετρήσεις; Λοιπόν, εξαρτάται από το πόδι που είμαστε επί του παρόντος PWMing και ποιο είναι απλά χαμηλό. Το πόδι που κρατιέται χαμηλά είναι αυτό από το οποίο θέλουμε να μετρήσουμε το ρεύμα μας αφού το ρεύμα ρέει πάντα μέσω της αντίστασης διακλάδωσης από εκείνη την πλευρά. Συγκριτικά, από την πλευρά που είναι PWMed, όταν το MOSFET υψηλής πλευράς είναι ενεργοποιημένο και η χαμηλή πλευρά είναι απενεργοποιημένο, κανένα ρεύμα δεν ρέει μέσω της διακλάδωσης χαμηλής πλευράς. Έτσι, αλλάζουμε σε ποιο σκέλος μετράμε το ρεύμα με βάση την πολικότητα εξόδου του μετατροπέα. Μπορείτε να το δείτε καθαρά στην εικόνα, που δείχνει την έξοδο από έναν από τους ενισχυτές διακλάδωσης για μια περίοδο. Προφανώς θέλουμε να κάνουμε αναγνώσεις κατά τη διάρκεια του ομαλού κομματιού.

Για να διορθώσετε τις τρέχουσες αναγνώσεις μας. Ρύθμιση του ψηφιακού μετατροπέα σε αναλογικό στο STM32F407. Έγραψα τις τρέχουσες αναγνώσεις που πήρα και έγραψα το αποτέλεσμα. Μπορείτε να το δείτε στην τελική εικόνα, το μπλε είναι η τάση στην αντίσταση του buffer εξόδου (δηλ. Το ρεύμα εξόδου/1,1 ohm) και το κόκκινο σήμα είναι η έξοδος DAC.

Βήμα 5: Φιλτράρισμα της εξόδου

Το φίλτρο εξόδου είναι ένα βασικό μέρος του σχεδιασμού. Χρειαζόμαστε αυτά τα χαρακτηριστικά από αυτό:

1. Αποκλείστε όλους τους διακόπτες υψηλής συχνότητας αλλά περάστε ένα σήμα 50Hz
2. Χαμηλές απώλειες
3. Για να μην έχει απήχηση!
4. Για την αντιμετώπιση των ρευμάτων και τάσεων που εμπλέκονται

Ο μετασχηματισμός Fourier ενός σήματος PWM συχνότητας F, κύκλος λειτουργίας D, μεταξύ 0 - VsVolt είναι: (D x Vsupply) + Ημιτονοειδή κύματα στη θεμελιώδη συχνότητα F, και αρμονικές στη συνέχεια

Αυτό είναι λαμπρό! Σημαίνει ότι εάν βάλουμε το σήμα PWM μέσω φίλτρου χαμηλής διέλευσης που μπλοκάρει το θεμελιώδες PWM και όλα τα παραπάνω. Μας έχει μείνει ο όρος τάσης DC. Μεταβάλλοντας τον κύκλο λειτουργίας μπορούμε εύκολα να παράγουμε οποιαδήποτε τάση θέλουμε μεταξύ 0 - Vsupply όπως εξηγείται.

Με βάση τα επιθυμητά χαρακτηριστικά που αναφέρονται παραπάνω μπορούμε να σχεδιάσουμε το φίλτρο εξόδου. Χρειαζόμαστε ένα φίλτρο χαμηλής διέλευσης κατασκευασμένο με ελάχιστη αντίσταση για να αποφύγουμε απώλειες. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιούμε απλώς επαγωγείς και πυκνωτές. Εάν επιλέξουμε μια συντονισμένη συχνότητα μεταξύ 1 - 2KHz, θα αποφύγουμε τον συντονισμό αφού δεν εγχέουμε κανένα σήμα κοντά σε αυτήν τη συχνότητα. Εδώ είναι ο σχεδιασμός του φίλτρου μας. Λαμβάνουμε την έξοδό μας ως τάση στο C1.

Επιλέγοντας L1 = L2 = 440uH, C1 = 8.4uF υπολογίζουμε μια συχνότητα συντονισμού 1,85KHz. Αυτές είναι ρεαλιστικές τιμές συστατικών επίσης.

Είναι ζωτικής σημασίας να διασφαλίσουμε ότι οι επαγωγείς μας δεν αρχίζουν να κορεστούν στα ρεύματα που περιμένουμε. Οι επαγωγείς που έχω χρησιμοποιήσει έχουν ρεύμα κορεσμού 3Α. Αυτός θα είναι ο περιοριστικός παράγοντας στην ισχύ εξόδου του κυκλώματός μας. Η ονομαστική τάση του πυκνωτή είναι επίσης σημαντικό να ληφθεί υπόψη. Χρησιμοποιώ κεραμικά 450v που είναι πολύ υπερβολικά σε αυτή την περίπτωση!

Το διάγραμμα bode (για ελαφρώς διαφορετικές τιμές L/C) έχει δημιουργηθεί χρησιμοποιώντας LTspice. Μας δείχνει την εξασθένηση που προκαλείται σε διαφορετικές συχνότητες εισόδου. Μπορούμε να δούμε καθαρά τη συχνότητα συντονισμού στα 1,8KHz. Δείχνει ότι ένα σήμα 50Hz είναι σχεδόν εντελώς ανόθευτο, ενώ μπορώ να σας πω ότι ένα σήμα 45 KHz εξασθενεί κατά 54dB!

Ας επιλέξουμε λοιπόν τη συχνότητα του φορέα PWM μας να είναι ~ 45KHz. Επιλέγοντας υψηλότερες συχνότητες φορέα PWM, η συχνότητα φίλτρου μπορεί να γίνει υψηλότερη. Αυτό είναι καλό γιατί κάνει τις τιμές L και C μικρότερες. Αυτό σημαίνει μικρότερα και φθηνότερα εξαρτήματα. Το αρνητικό είναι ότι οι υψηλότερες συχνότητες μεταγωγής PWM εισάγουν μεγαλύτερες απώλειες στους διακόπτες τρανζίστορ.

Βήμα 6: Συγχρονισμός φάσης και συχνότητας

Ο συγχρονισμός με τη φάση και τη συχνότητα του δικτύου είναι αυτό που κάνει έναν μετατροπέα σύνδεσης δικτύου. Χρησιμοποιούμε ψηφιακή εφαρμογή PLL (Phase Locked Loop) για να επιτύχουμε ακριβή παρακολούθηση φάσης του σήματος δικτύου. Αυτό το κάνουμε με:

1. Δειγματοληψία τάσης δικτύου
2. Παράγοντας ένα δικό μας ημιτονοειδές σήμα 50Hz
3. Συγκρίνοντας τη φάση μεταξύ του τοπικού σήματος και του κύριου σήματος
4. Ρύθμιση της συχνότητας του τοπικού σήματος έως ότου η διαφορά φάσης μεταξύ των 2 σημάτων είναι μηδενική

1) Δειγματοληψία τάσης δικτύου

Διαμορφώνουμε ένα τρίτο κανάλι ADC για να διαβάζει την τάση της γραμμής. Αυτό το παίρνουμε διαιρώντας τάση μια βρύση μετασχηματιστή όπως φαίνεται. Αυτό παρέχει μια κλιμακωτή τάση κυμαινόμενη περίπου 1,65v που αντιπροσωπεύει ακριβώς την τάση του δικτύου.

2) Η παραγωγή ενός τοπικού ημιτονοειδούς σήματος 50Hz Η παραγωγή του δικού μας τοπικού ημιτονοειδούς κύματος 50Hz είναι εύκολη. Αποθηκεύουμε έναν πίνακα αναζήτησης με 256 τιμές ημιτόνου. Η προσομοιωμένη τιμή ημιτόνου μας λαμβάνεται εύκολα χρησιμοποιώντας ένα ευρετήριο αναζήτησης που περιστρέφεται σταδιακά στον πίνακα.

Πρέπει να αυξήσουμε τον δείκτη μας στο σωστό ρυθμό για να λάβουμε σήμα 50Hz. Δηλαδή 256 x 50Hz = 12, 800/s. Το κάνουμε αυτό χρησιμοποιώντας το χρονόμετρο9 χρονισμένο στα 168MHz. Περιμένοντας 168MHz/12800 = 13125 χρονόμετρα, θα ανεβάσουμε τον δείκτη μας στο σωστό ρυθμό.

3) Συγκρίνοντας τη φάση μεταξύ του τοπικού σήματος και του κύριου σήματος Αυτό είναι το δροσερό μέρος! Εάν ενσωματώσετε το γινόμενο cos (wt) x sin (wt) σε 1 περίοδο, το αποτέλεσμα είναι μηδέν. Εάν η διαφορά φάσης είναι κάτι διαφορετικό από 90 μοίρες, παίρνετε μη μηδενικό αριθμό. Μαθηματικά:

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

Αυτό είναι υπέροχο! Μας επιτρέπει να συγκρίνουμε το κύριο σήμα, sin (ωt) με το τοπικό μας σήμα, sin (⍵t + φ) και να λάβουμε μια τιμή.

Υπάρχει ωστόσο ένα ζήτημα που πρέπει να αντιμετωπιστεί: Εάν θέλουμε τα σήματά μας να παραμείνουν σε φάση, πρέπει να προσαρμόσουμε την τοπική μας συχνότητα ώστε να διατηρηθεί ο μέγιστος όρος Ccos (φ). Αυτό δεν θα λειτουργήσει πολύ καλά και θα έχουμε κακή παρακολούθηση φάσης. Αυτό συμβαίνει επειδή το d/dφ του ɑcos (φ) είναι 0 στο φ = 0. Αυτό σημαίνει ότι ο όρος Ccos (φ) δεν θα διαφέρει πολύ με τις αλλαγές στη φάση. Βγάζει νόημα αυτό?

Θα ήταν πολύ καλύτερο να αλλάξετε φάση το σήμα του δείγματος ρεύματος κατά 90 μοίρες, έτσι ώστε να γίνει cos (ωt + φ). Τότε έχουμε αυτό:

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

Η εισαγωγή μιας αλλαγής φάσης 90 μοιρών είναι εύκολη, απλώς εισάγουμε τα δείγματα τάσης ADC του δικτύου μας στο ένα άκρο ενός buffer και τα βγάζουμε αργότερα μερικά δείγματα, που αντιστοιχούν σε μια μετατόπιση φάσης 90 μοιρών. Δεδομένου ότι η συχνότητα δικτύου κυμαίνεται ελάχιστα από 50Hz, μια απλή τεχνική καθυστέρησης χρόνου λειτουργεί εξαιρετικά.

Τώρα πολλαπλασιάζουμε το σήμα μετατόπισης φάσης 90 μοιρών με το τοπικό μας σήμα και διατηρούμε ένα ολοκλήρωμα λειτουργίας του προϊόντος κατά την τελευταία περίοδο (δηλαδή κατά τις τελευταίες 256 τιμές).

Το αποτέλεσμα που γνωρίζουμε θα είναι μηδέν εάν τα 2 σήματα διατηρούνται με ακρίβεια 90 μοίρες μεταξύ τους. Αυτό είναι φανταστικό γιατί αναιρεί τη μετατόπιση φάσης που μόλις εφαρμόσαμε στο σήμα δικτύου. Απλώς για να διευκρινίσουμε, αντί να μεγιστοποιήσουμε τον ακέραιο όρο προσπαθούμε να τον διατηρήσουμε μηδενικό και αλλάζουμε φάση το σήμα του δικτύου μας. Οι βάρδιες φάσης 90 μοιρών που εισάγονται από αυτές τις 2 αλλαγές ακυρώνουν η μία την άλλη.

Έτσι, αν το Integral_Result <0 το γνωρίζουμε, πρέπει να αυξήσουμε τη συχνότητα των τοπικών ταλαντωτών μας για να τον επαναφέρουμε σε φάση με το δίκτυο και αντίστροφα.

4) Ρύθμιση της συχνότητας του τοπικού σήματος Αυτό το κομμάτι είναι εύκολο. Απλώς προσαρμόζουμε την περίοδο μεταξύ της αύξησης μέσω του ευρετηρίου μας. Περιορίζουμε πόσο γρήγορα μπορούμε να διορθώσουμε τη διαφορά φάσης ουσιαστικά φιλτράροντας τα ψεύτικα. Το κάνουμε αυτό χρησιμοποιώντας έναν ελεγκτή PI με έναν πολύ μικρό όρο I.

Και αυτό είναι. Κλειδώσαμε τον τοπικό μας ταλαντωτή ημιτονοειδούς κύματος (που ορίζει το σημείο ρύθμισης του ρεύματος εξόδου) να βρίσκεται σε φάση με την τάση δικτύου. Έχουμε εφαρμόσει έναν αλγόριθμο PLL και λειτουργεί σαν όνειρο!

Η αύξηση της συχνότητας του τοπικού ταλαντωτή μας μειώνει επίσης τη μετατόπιση φάσης που τίθεται στο σήμα δικτύου. Δεδομένου ότι περιορίζουμε τη ρύθμιση συχνότητας σε +/- 131 τσιμπούρια (+/- ~ 1%), θα επηρεάσουμε τη μετατόπιση φάσης το πολύ κατά +/- 1 °. Αυτό δεν θα έχει καμία σημασία, ενώ οι φάσεις συγχρονίζονται.

Θεωρητικά εάν η συχνότητα του δικτύου αποκλίνει περισσότερο από 0,5Hz θα χάναμε το κλείδωμα φάσης. Αυτό οφείλεται στον παραπάνω περιορισμό μας στο πόσο μπορούμε να προσαρμόσουμε την τοπική μας συχνότητα ταλαντωτών. Ωστόσο, αυτό δεν πρόκειται να συμβεί εάν το δίκτυο δεν πρόκειται να αποτύχει. Η αντι-νησιωτική μας προστασία θα ξεκινήσει σε αυτό το σημείο ούτως ή άλλως.

Πραγματοποιούμε μηδενική ανίχνευση διασταύρωσης κατά την εκκίνηση για να κάνουμε το καλύτερο δυνατό για να ξεκινήσουμε τα σήματα σε φάση από την offset.

Βήμα 7: Αντι-νησιωτική

Η Βικιπαίδεια έχει ένα φοβερό άρθρο για τις τεχνικές νησιωτικής και αντι-νησιωτικής. Υπονοεί επίσης ότι οι άνθρωποι σφυρίζουν και χτυπούν περισσότερο από όσο χρειάζεται όταν πρόκειται για αυτό το θέμα. "Ω, δεν μπορείτε να φτιάξετε τον δικό σας αντιστροφέα πλέγματος, θα σκοτώσετε κάποιον κλπ. Κλπ."

Όπως εξηγείται καλύτερα από το άρθρο της wikipedia, χρησιμοποιούμε μερικές προφυλάξεις ασφαλείας που παρέχουν μαζί επαρκή προστασία (κατά τη γνώμη μου):

1. Υπό/υπέρταση
2. Κάτω/Υπερβολική συχνότητα

Μπορούμε να ανιχνεύσουμε αυτές τις καταστάσεις απλώς αναλύοντας τη δειγματοληπτική κλίμακα τάσης δικτύου μας. Εάν κάτι δεν πάει καλά, απενεργοποιήστε τη γέφυρα H και περιμένετε να επιστρέψουν τα πράγματα στο φυσιολογικό.