Bagaimana Merancang dan Mengimplementasikan Inverter Fase Tunggal: 9 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:54

Instruksi ini mengeksplorasi penggunaan GreenPAK™ CMICs Dialog dalam aplikasi elektronika daya dan akan mendemonstrasikan penerapan inverter fase tunggal menggunakan berbagai metodologi kontrol. Parameter yang berbeda digunakan untuk menentukan kualitas inverter satu fasa. Parameter penting adalah Total Harmonic Distortion (THD). THD adalah pengukuran distorsi harmonik dalam sinyal dan didefinisikan sebagai rasio jumlah kekuatan semua komponen harmonik dengan kekuatan frekuensi dasar.

Di bawah ini kami menjelaskan langkah-langkah yang diperlukan untuk memahami bagaimana solusi telah diprogram untuk membuat inverter satu fase. Namun, jika Anda hanya ingin mendapatkan hasil pemrograman, unduh perangkat lunak GreenPAK untuk melihat File Desain GreenPAK yang sudah selesai. Pasang GreenPAK Development Kit ke komputer Anda dan tekan program untuk membuat inverter satu fase.

Langkah 1: Inverter fase tunggal

Power inverter, atau inverter, adalah perangkat elektronik atau sirkuit yang mengubah arus searah (DC) menjadi arus bolak-balik (AC). Tergantung pada jumlah fase output AC, ada beberapa jenis inverter.

● Inverter fase tunggal

● Inverter tiga fase

DC adalah aliran searah muatan listrik. Jika tegangan konstan diterapkan di sirkuit resistif murni, itu menghasilkan arus konstan. Relatif, dengan AC, aliran arus listrik secara berkala membalikkan polaritas. Bentuk gelombang AC yang paling umum adalah gelombang sinus, tetapi bisa juga gelombang segitiga atau persegi. Untuk mentransfer daya listrik dengan profil arus yang berbeda, diperlukan perangkat khusus. Perangkat yang mengubah AC menjadi DC dikenal sebagai penyearah dan perangkat yang mengubah DC menjadi AC dikenal sebagai inverter.

Langkah 2: Topologi Inverter Fase Tunggal

Ada dua topologi utama inverter fase tunggal; topologi half-bridge dan full-bridge. Catatan aplikasi ini berfokus pada topologi jembatan penuh, karena memberikan tegangan output dua kali lipat dibandingkan dengan topologi setengah jembatan.

Langkah 3: Topologi Jembatan Penuh

Dalam topologi jembatan penuh 4 sakelar diperlukan, karena tegangan keluaran bolak-balik diperoleh dari perbedaan antara dua cabang sel sakelar. Tegangan keluaran diperoleh dengan menyalakan dan mematikan transistor secara cerdas pada saat-saat tertentu. Ada empat status berbeda tergantung pada sakelar mana yang ditutup. Tabel di bawah ini merangkum status dan tegangan keluaran berdasarkan sakelar mana yang ditutup.

Untuk memaksimalkan tegangan keluaran, komponen dasar tegangan masukan pada setiap cabang harus berbeda fasa 180º. Semikonduktor dari masing-masing cabang saling melengkapi dalam kinerja, artinya ketika salah satu sedang melakukan yang lain terputus dan sebaliknya. Topologi ini paling banyak digunakan untuk inverter. Diagram pada Gambar 1 menunjukkan rangkaian topologi jembatan penuh untuk inverter satu fasa.

Langkah 4: Transistor Bipolar Gerbang Terisolasi

Transistor Bipolar Gerbang Terisolasi (IGBT) seperti MOSFET dengan penambahan PNjunction ketiga. Hal ini memungkinkan kontrol berbasis tegangan, seperti MOSFET, tetapi dengan karakteristik keluaran seperti BJT mengenai beban tinggi dan tegangan saturasi rendah.

Empat wilayah utama dapat diamati pada perilaku statisnya.

● Wilayah Longsor

● Wilayah Saturasi

● Area Potong

● Wilayah Aktif

Daerah longsoran adalah daerah ketika tegangan di bawah tegangan tembus diterapkan, mengakibatkan penghancuran IGBT. Area potong mencakup nilai dari tegangan tembus hingga tegangan ambang, di mana IGBT tidak berjalan. Di wilayah saturasi, IGBT berperilaku sebagai sumber tegangan dependen dan resistansi seri. Dengan variasi tegangan yang rendah, penguatan arus yang tinggi dapat dicapai. Area ini adalah yang paling diinginkan untuk operasi. Jika tegangan ditambah, IGBT memasuki wilayah aktif, dan arus tetap konstan. Ada tegangan maksimum yang diterapkan untuk IGBT untuk memastikan tidak masuk ke wilayah longsoran. Ini adalah salah satu semikonduktor yang paling banyak digunakan dalam elektronika daya, karena dapat mendukung berbagai tegangan dari beberapa volt hingga kV dan daya antara kW dan MW.

Transistor Bipolar Gerbang Terisolasi ini bertindak sebagai perangkat switching untuk topologi inverter fase tunggal jembatan penuh.

Langkah 5: Blok Modulasi Lebar Pulsa di GreenPAK

Blok Pulse Width Modulation (PWM) adalah blok berguna yang dapat digunakan untuk berbagai aplikasi. Blok DCMP/PWM dapat dikonfigurasi sebagai Blok PWM. Blok PWM dapat bersumber melalui FSM0 dan FSM1. Pin PWM IN+ terhubung ke FSM0 sedangkan pin IN- terhubung ke FSM1. Baik FSM0 dan FSM1 menyediakan data 8-bit ke Blok PWM. Periode waktu PWM ditentukan oleh periode waktu FSM1. Siklus tugas untuk blok PWM dikendalikan oleh FSM0.

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

Ada dua opsi untuk konfigurasi siklus tugas:

● 0-99,6%: DC berkisar dari 0% hingga 99,6% dan ditentukan sebagai IN+/256.

● 0,39-100%: DC berkisar dari 0,39% hingga 100% dan ditentukan sebagai (IN+ + 1)/256.

Langkah 6: Desain GreenPAK untuk Implementasi Gelombang Persegi Berbasis PWM

Ada berbagai metodologi kontrol yang dapat digunakan untuk mengimplementasikan inverter satu fasa. Salah satu strategi kontrol tersebut mencakup gelombang persegi berbasis PWM untuk inverter fase tunggal.

GreenPAK CMIC digunakan untuk menghasilkan pola switching periodik untuk mengubah DC menjadi AC dengan mudah. Tegangan DC diumpankan dari baterai dan output yang diperoleh dari inverter dapat digunakan untuk memasok beban AC. Untuk tujuan aplikasi ini perhatikan frekuensi AC telah diatur ke 50Hz, frekuensi listrik rumah tangga umum di banyak bagian dunia. Sejalan dengan itu, periodenya adalah 20 ms.

Pola switching yang harus dibangkitkan oleh GreenPAK untuk SW1 dan SW4 ditunjukkan pada Gambar 3.

Pola switching untuk SW2 dan SW3 ditunjukkan pada Gambar 4

Pola switching di atas dapat dengan mudah diproduksi menggunakan blok PWM. Periode waktu PWM diatur oleh periode waktu FSM1. Jangka waktu untuk FSM1 harus diatur ke 20ms sesuai dengan frekuensi 50Hz. Siklus tugas untuk blok PWM dikendalikan oleh data yang bersumber dari FSM0. Untuk menghasilkan siklus kerja 50%, nilai penghitung FSM0 diatur menjadi 128.

Desain GreenPAK yang sesuai ditunjukkan pada Gambar 5.

Langkah 7: Kerugian dari Strategi Kontrol Gelombang Persegi

Menggunakan strategi kontrol gelombang persegi menyebabkan inverter menghasilkan sejumlah besar harmonik. Terlepas dari frekuensi dasar, inverter gelombang persegi memiliki komponen frekuensi ganjil. Harmoni ini menyebabkan fluks mesin menjadi jenuh, sehingga menyebabkan kinerja mesin yang buruk, kadang-kadang bahkan merusak perangkat keras. Oleh karena itu, THD yang dihasilkan oleh inverter jenis ini sangat besar. Untuk mengatasi masalah ini strategi kontrol lain yang dikenal sebagai Quasi-Square Wave dapat digunakan untuk secara signifikan mengurangi jumlah harmonik yang dihasilkan oleh inverter.

Langkah 8: Desain GreenPAK untuk Implementasi Gelombang Kuasi-Kuadrat Berbasis PWM

Dalam strategi kontrol gelombang kuasi-kuadrat, tegangan keluaran nol diperkenalkan yang secara signifikan dapat mengurangi harmonik yang ada dalam bentuk gelombang persegi konvensional. Keuntungan utama menggunakan inverter gelombang kuasi-persegi meliputi:

● Amplitudo komponen fundamental dapat dikontrol (dengan mengontrol)

● Konten harmonik tertentu dapat dihilangkan (juga dengan mengontrol)

Amplitudo komponen fundamental dapat dikontrol dengan mengontrol nilai seperti yang ditunjukkan pada Rumus 1.

Harmonik ke-n dapat dihilangkan jika amplitudonya dibuat nol. Misalnya, amplitudo harmonik ketiga (n=3) adalah nol ketika = 30° (Rumus 2).

Desain GreenPAK untuk Implementasi strategi pengendalian Gelombang Kuasi-Kuadrat ditunjukkan pada Gambar 9.

Blok PWM digunakan untuk membangkitkan bentuk gelombang persegi dengan duty cycle 50%. Tegangan keluaran nol diperkenalkan dengan menunda tegangan yang muncul pada keluaran Pin-15. Blok P-DLY1 dikonfigurasi untuk mendeteksi tepi naik dari bentuk gelombang. P-DLY1 secara berkala akan mendeteksi tepi naik setelah setiap periode dan memicu blok DLY-3, yang menghasilkan penundaan 2 ms sebelum clock VDD melintasi D-flip flop untuk mengaktifkan output Pin-15.

Pin-15 dapat menyebabkan SW1 dan SW4 menyala. Ketika ini terjadi, tegangan positif akan muncul di seluruh beban.

Mekanisme deteksi tepi naik P-DLY1 juga mengaktifkan blok DLY-7, yang setelah 8 ms me-reset D-flip flop dan 0 V muncul di seluruh output.

DLY-8 dan DLY-9 juga dipicu dari sisi naik yang sama. DLY-8 menghasilkan penundaan 10 ms dan memicu DLY-3 lagi, yang setelah 2 ms akan membuat clock DFF menyebabkan tinggi logis di dua gerbang AND.

Pada titik ini Out+ dari blok PWM menjadi 0, karena duty cycle dari blok tersebut dikonfigurasi menjadi 50%. Keluar akan muncul di Pin-16 menyebabkan SW2 dan SW3 menyala, menghasilkan tegangan bolak-balik di seluruh beban. Setelah 18ms DLY-9 akan mengatur ulang DFF dan 0V akan muncul di Pin-16 dan siklus periodik terus menghasilkan sinyal AC.

Konfigurasi untuk blok GreenPAK yang berbeda ditunjukkan pada Gambar 10-14.

Langkah 9: Hasil

Tegangan 12 V DC disuplai dari baterai ke inverter. Inverter mengubah tegangan ini menjadi bentuk gelombang AC. Output dari inverter diumpankan ke transformator step-up yang mengubah Tegangan AC 12 V menjadi 220 V yang dapat digunakan untuk menggerakkan beban AC.

Kesimpulan

Dalam Instruksi ini, kami telah menerapkan Inverter Fase Tunggal menggunakan strategi kontrol Gelombang Persegi dan Gelombang Kuasi Kuasi menggunakan GreenPAK a CMIC. GreenPAK CMICs bertindak sebagai pengganti yang mudah dari Kontroler Mikro dan sirkuit analog yang secara konvensional digunakan untuk mengimplementasikan inverter fase tunggal. Selanjutnya, CMIC GreenPAK memiliki potensi dalam desain Inverter Tiga Fasa.