Grid Tie Inverter: 10 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:08

Ini adalah projek yang gemuk sehingga berjaya!

Penyongsang tali leher membolehkan anda memasukkan kuasa ke soket utama yang merupakan keupayaan hebat. Saya dapati sistem kuasa elektronik dan kawalan yang terlibat dalam reka bentuknya menarik jadi saya membina sendiri. Laporan ini berkongsi apa yang saya pelajari dan mendokumentasikan bagaimana saya melakukan sesuatu. Saya berminat dengan sebarang komen yang anda ada (selain daripada komen tentang tidak mengganggu elektrik.

Semua konsep boleh diskalakan tetapi persediaan ini mempunyai output maksimum 40 watt sebelum induktor penapis mulai tepu. Arus keluaran sinusoidal dengan THD <5%.

Lihat perisian di GitHub saya

Bekalan

• Saya menggunakan papan pengembangan STM32F407. Ia berjalan pada 168MHz dan mempunyai 3 ADC bawaan yang mampu resolusi 12bit pada lebih dari 2.4MSPS (Juta Sampel Per Detik) setiap satu. Itu tidak waras!
• Saya menggunakan papan pengembangan DRV8301. Ini menempatkan Hv Bridge 60v bersama dengan pemandu pintu yang diperlukan, shunt semasa dan penguat shunt semasa. Hebat!
• Saya menggunakan pengubah toroidal 230-25v dengan 2 ketukan output. Ini bermaksud saya tidak perlu menghasilkan voltan elektrik secara langsung tetapi boleh berfungsi dengan voltan puncak 40 volt. Jauh lebih selamat!
• Saya menghubungkan banyak induktor dan kapasitor untuk mendapatkan nilai L dan C yang saya mahukan untuk penapis.
• Osiloskop dan probe pembezaan adalah kunci untuk projek seperti ini. Saya mempunyai Picoskop

Langkah 1: Apakah Kekuatan Mains?

Apa yang anda dapat di soket elektrik (di UK) ialah isyarat sinusoidal 50v 230v RMS dengan impedans yang sangat rendah. Beberapa perkara yang perlu diperkatakan mengenai perkara itu:

50Hz - Frekuensi utama dikekalkan dengan tepat pada 50Hz. Ia sedikit berbeza tetapi 90% masa antara 49.9-50.1Hz. Lihat di sini. Anda dapat membayangkan semua penjana besar di stesen janakuasa naik dan turun di negara ini berputar serentak. Mereka berputar secara serentak menghasilkan isyarat sinusoidal 50Hz untuk kita. Inersia putaran besar yang digabungkan memerlukan masa untuk melambatkan atau mempercepat.

Secara teori, jika beban BESAR dilampirkan ke grid, ia akan mula melambatkan penjana negara. Namun, sebagai tindak balas, orang-orang di pejabat kawalan National Grid akan meminta stesen janakuasa untuk menghidupkan dandang mereka, menaikkan panas dan memaksa penjana itu lebih keras untuk memenuhi permintaan tersebut. Oleh itu, penawaran dan permintaan saling menari antara satu sama lain.

Satu perkara lagi yang perlu diperkatakan mengenai isyarat 50Hz. Walaupun sedikit berbeza kira-kira 50Hz, lelaki di atas memastikan bahawa frekuensi rata-rata sepanjang hari adalah tepat 50Hz. Oleh itu, jika grid berada pada 49.95Hz selama 10 minit, mereka akan memastikan ia berjalan pada 50.05Hz kemudian untuk menjadikan bilangan kitaran tepat menjadi 50Hz x 60 saat x 60 minit x 24 jam = 4, 320, 000 / hari. Mereka melakukan ini dengan tepat menggunakan Waktu Atom Antarabangsa. Oleh itu, peralatan rumah tangga, pejabat dan perindustrian dapat menggunakan frekuensi grid untuk menjaga masa. Ini biasanya dilakukan dengan pemasa soket mekanikal misalnya.

230v - Ini adalah voltan RMS (Root Mean Square) isyarat 50Hz. Isyarat sebenar beralih ke puncak 325v. Ini penting untuk diketahui kerana jika anda membina penyongsang, anda perlu menghasilkan voltan setinggi ini jika anda ingin arus mengalir ke palam.

Pada hakikatnya, voltan yang dilihat pada palam di rumah anda agak berubah-ubah. Ini disebabkan oleh penurunan voltan pada rintangan pada wayar, penyambung, sekering, transformer dan lain-lain. Terdapat rintangan di mana-mana. Sekiranya anda menghidupkan pancuran elektrik yang menarik 11 kilowatt (itu ~ 50Amps), maka rintangan 0.2ohms akan menjatuhkan anda 10 volt. Anda mungkin melihat ini sebagai lampu yang malap sedikit. Motor besar, seperti yang ada di hoover menarik arus besar semasa motor naik ke kelajuan. Oleh itu, anda sering melihat sedikit kelipan lampu semasa anda menyalakannya.

Maksud saya adalah, voltan utama jauh lebih berubah. Di UK ini seharusnya 230v dengan toleransi +10% / - 6%. Anda boleh melihat perubahan dan turun naik secara tiba-tiba kerana beban besar di dekatnya dihidupkan / dimatikan. Fikirkan mesin pengering, cerek, ketuhar, penyangkut dll.

Sinusoidal - Isyarat mestilah gelombang sinus bersih yang bagus tetapi pada hakikatnya beberapa peralatan bukan linear menyedut kuasanya dari titik-titik tertentu dalam kitaran gelombang sinus. Ini memperkenalkan herotan dan sebab itulah isyaratnya bukan gelombang sinus yang sempurna. Beban tidak linear biasanya merangkumi bekalan kuasa komputer, lampu pendarfluor, pengecas, TV, dll.

Penyimpangan harmonik total (THD) mengukur ini dalam bentuk gelombang. Terdapat peraturan tentang seberapa bersih keluaran penyongsang. Sekiranya tidak dapat menghasilkan isyarat yang cukup bersih, ia tidak akan disetujui untuk dijual. Ini penting kerana kandungan harmonik dalam grid mengurangkan kecekapan beberapa peranti yang bersambung dengannya (terutamanya harmonik ganjil). Saya percaya THD maksimum yang dibenarkan ialah 8%

Impedans rendah - Apabila memikirkan penyongsang tali sari grid, ini penting untuk dipertimbangkan. Terdapat pelbagai jenis beban yang terpasang pada arus utama termasuk beban induktif, resistif dan kadang-kadang kapasitif. Jadi impedans tidak diketahui dan berubah. Rintangan sangat kecil maksudnya jika anda menyambungkan beban arus tinggi, voltan tidak akan turun sama sekali.

Langkah 2: Cara Mendorong Kuasa Ke Grid

Untuk mendorong kuasa ke dalam grid, kita perlu mensintesis isyarat yang sepadan dengan frekuensi dan fasa sesalur tetapi dengan voltan yang sedikit lebih tinggi.

Oleh kerana rintangan rendah grid, sukar untuk mengetahui dengan tepat berapa tinggi untuk membuat voltan itu. Dan semasa voltan RMS berubah-ubah, kita perlu memastikan kita berubah-ubah dengannya. Hanya menghasilkan isyarat voltan 50Hz yang tetap sedikit lebih tinggi daripada voltan utama tidak akan berfungsi!

PI Kawalan arus keluaran

Apa yang kita perlukan adalah gelung kawalan di mana kita mengukur arus sesaat yang kita tekan ke dalam grid dan secara automatik menyesuaikan voltan keluaran kita untuk mendorong arus yang kita mahukan. Ini dengan berkesan akan mengubah output kita menjadi sumber arus (bukannya sumber voltan) yang lebih sesuai untuk mendorong impedansi rendah. Kita dapat mencapainya dengan menggunakan gelung kawalan PI (Proportional Integral):

Gelung kawalan PI hebat! Terdapat 3 bahagian untuk mereka:

• Nilai yang diukur - Semasa yang kita masukkan ke dalam arus utama
• Titik titik - Arus yang kita mahu masuk ke arus utama
• Output - Voltan isyarat untuk dijana

Setiap kali kita memanggil algoritma PID, kita melewati pengukuran terkini dan titik titik yang kita mahukan. Ia akan mengembalikan nombor sewenang-wenang (berkadar dengan voltan output yang akan dihasilkan).

Algoritma kawalan PID kami membolehkan kami memilih arus keluaran yang kami mahukan pada waktu tertentu. Untuk menghasilkan arus output sinusoidal 50Hz, kita perlu terus mengubah arus yang diminta dengan cara sinusoidal.

Algoritma PID dipanggil setiap 100us (menyamai 200 kali setiap kitaran 50Hz). Setiap kali disebut, ia dapat membuat penyesuaian langsung pada voltan output dan dengan itu secara tidak langsung menyesuaikan arus output. Hasilnya, kami menghasilkan output arus bertahap seperti yang ditunjukkan dalam gambar dengan setiap langkah berlaku setiap 100us. Itu memberikan resolusi yang mencukupi.

Kawalan feedforward

Kami dapat mengurangkan beban kerja pengawal PI secara besar-besaran dengan menambahkan pengawal feedforward juga. Ini mudah! Kami mengetahui anggaran voltan keluaran yang perlu kami hasilkan (sama dengan voltan grid sesaat). Pengawal PI kemudian boleh dibiarkan untuk menambahkan voltan tambahan kecil yang diperlukan untuk menggerakkan arus keluaran.

Pengawal feedforward memadankan voltan output penyongsang dengan voltan grid. Tidak ada arus yang harus mengalir jika kita cukup sesuai. Oleh itu, kawalan feedforward melakukan 99% kawalan output.

Oleh kerana rintangan rendah grid, perbezaan voltan keluaran FF kami dan voltan grid akan menghasilkan arus yang besar. Oleh itu, saya menambah rintangan penyangga 1ohm antara penyongsang dan grid. Ini memang memberi kerugian, tetapi mereka sangat kecil dalam skema besar.

Langkah 3: Menghasilkan Voltan Keluaran Menggunakan PWM

Walaupun secara tidak langsung kita mengawal arus keluaran, ia adalah voltan output yang kita hasilkan pada waktu tertentu. Kami menggunakan PWM (Pulse Width Modulation) untuk menghasilkan voltan keluaran kami. Isyarat PWM dapat dihasilkan dengan mudah oleh mikrokontroler dan ia dapat diperkuat menggunakan H-Bridge. Ia adalah bentuk gelombang sederhana yang dicirikan oleh 2 parameter, frekuensi F, dan kitaran tugas D.

Bentuk gelombang PWM bertukar antara 2 voltan, dalam kes kami 0v dan Vsupply

• Dengan D = 1.0 bentuk gelombang PWM hanya DC pada Vsupply
• Dengan D = 0.5, kita mendapat gelombang persegi dengan voltan purata 0.5 x Vsupply, (iaitu D x Vsupply)
• Dengan D = 0.1, kita mendapat bentuk gelombang berdenyut dengan purata tempoh 0.1 x V
• Dengan D = 0.0, outputnya adalah garis datar (DC pada 0v)

Voltan purata adalah yang penting. Dengan penapis lorong rendah kita dapat membuang segala-galanya kecuali komponen rata-rata DC. Oleh itu, dengan mengubah kitaran tugas PWM D, kita dapat membuat voltan DC yang dikehendaki. Manis!

Menggunakan H-Bridge

Jambatan H terdiri daripada 4 elemen pensuisan. Ini boleh menjadi BJT, MOSFET atau IGBT. Untuk menghasilkan separuh pertama (0 - 180 darjah) gelombang sinus, kami menetapkan tahap B rendah dengan mematikan Q3 dan Q4 menyala (iaitu menerapkan PWM dengan D = 0). Kami kemudian melakukan PWMing kami pada fasa A. Untuk separuh masa kedua, di mana VAB negatif, kami menetapkan Fasa A rendah dan menerapkan PWM kami ke fasa B. Ini dikenali sebagai pertukaran bipolar.

MOSFET di jambatan H mesti dipandu oleh pemandu pintu. Ini adalah topik tersendiri tetapi cip sederhana dapat mengurusnya. Papan dev DRV8301 dengan selesa menempatkan H-Bridge, pemandu gerbang dan jalan keluar semasa untuk kita menjadikan projek ini lebih mudah.

Langkah 4: Mengukur Arus

Setiap kaki H-Bridge mempunyai perintang shunt dan penguat pembezaan. Shunt kami adalah 0.01ohms dan penguat kami ditetapkan untuk keuntungan 40. Oleh itu, 1 Amp mengembangkan 10mV merentasi shunt yang kemudiannya diperkuat menjadi 400mV.

Keluaran dari penguat shunt dibaca oleh ADC 12bit pada STM32F407 yang berjalan dalam mod penukaran berterusan. ADC ditetapkan untuk mengambil sampel setiap shunt pada 110KSPS dan pengawal DMA secara automatik menulis penukaran menjadi penyangga bulat 11 kata dalam RAM. Apabila pengukuran semasa diinginkan, kita memanggil fungsi yang mengembalikan nilai median penyangga 11 perkataan ini.

Oleh kerana kami meminta pengukuran semasa setiap lelaran PID (pada 10KHz) tetapi mengisi buffer ADC 11 kata kami pada kadar 110KHz, kami harus mendapatkan data yang baru setiap kali lelaran PID. Sebab untuk menggunakan penapis median, adalah kerana pengalihan PWM dapat memasukkan lonjakan ke dalam campuran dan saringan median membasmi sampel ADC palsu dengan sangat berkesan.

Perkara penting untuk dibuat di sini: Kaki H-Bridge mana yang kita gunakan untuk pengukuran semasa? Baiklah, bergantung pada kaki mana yang sedang kita PWMing dan mana yang masih rendah. Kaki yang dipegang rendah adalah yang kita mahu mengukur arus kita sejak arus selalu mengalir melalui perintang shunt di sisi itu. Sebagai perbandingan, di sisi menjadi PWMed, ketika MOSFET sisi tinggi dihidupkan dan sisi rendah dimatikan tidak ada arus yang mengalir melalui shunt sisi rendah. Oleh itu, kita menukar bahagian mana yang kita ukur arus berdasarkan kekutuban output penyongsang. Anda dapat melihatnya dengan jelas dalam gambar, menunjukkan output dari salah satu penguat shunt dalam satu jangka masa. Jelas sekali kita mahu membaca dengan lancar.

Untuk membantu memperbetulkan pembacaan semasa kami. Saya menyediakan penukar Digital-ke-analog pada STM32F407. Saya menulis pembacaan semasa yang saya peroleh dan menjangkakan hasilnya. Anda dapat melihatnya pada gambar akhir, biru adalah voltan melintasi perintang penyangga output (iaitu arus keluaran / 1.1ohms) dan isyarat merah adalah keluaran DAC kami.

Langkah 5: Menapis Hasil

Penapis output adalah bahagian penting dalam reka bentuk. Kami memerlukan ciri-ciri berikut:

1. Sekat semua peralihan frekuensi tinggi tetapi lulus isyarat 50Hz
2. Kerugian rendah
3. Tidak bergema!
4. Untuk mengatasi arus dan voltan yang terlibat

Transformasi Fourier isyarat PWM frekuensi F, Duty cycle D, antara 0 - Vsupply volt adalah: (D x Vsupply) + Gelombang sinus pada frekuensi asas F, dan harmonik selepas itu

Ini hebat! Ini bermaksud jika kita meletakkan isyarat PWM kita melalui penapis lulus rendah yang menyekat asas PWM dan semua perkara di atas. Kami tinggal dengan istilah voltan DC. Dengan mengubah kitaran tugas kita dapat menghasilkan voltan yang kita inginkan dengan mudah antara 0 - Vsupply seperti yang dijelaskan.

Berdasarkan ciri-ciri yang diinginkan di atas kita dapat merancang penapis output. Kami memerlukan saringan lulus rendah yang dibuat dengan rintangan minimum untuk mengelakkan kerugian. Oleh itu kita hanya menggunakan induktor dan kapasitor. Sekiranya kita memilih frekuensi resonan antara 1 - 2KHz, kita akan mengelakkan resonans kerana kita tidak menyuntikkan isyarat yang berdekatan dengan frekuensi tersebut. Inilah reka bentuk penapis kami. Kami mengambil output kami sebagai voltan di C1.

Dengan memilih L1 = L2 = 440uH, C1 = 8.4uF kita mengira frekuensi resonan 1.85KHz. Ini juga merupakan nilai komponen yang realistik.

Sangat penting untuk memastikan induktor kita tidak mulai tepu pada arus yang kita harapkan. Induktor yang saya gunakan mempunyai arus tepu 3A. Ini akan menjadi faktor pembatas pada daya keluaran litar kita. Penarafan voltan kapasitor juga penting untuk dipertimbangkan. Saya menggunakan sebilangan seramik 450v yang sangat banyak dalam kes ini!

Plot bode (untuk nilai L / C yang sedikit berbeza) telah dihasilkan menggunakan LTspice. Ini menunjukkan kepada kita pelemahan yang dikenakan pada frekuensi input yang berbeza. Kita dapat melihat frekuensi resonan dengan jelas pada 1.8KHz. Ini menunjukkan bahawa isyarat 50Hz hampir keseluruhannya tidak diubah sedangkan saya dapat memberitahu anda bahawa isyarat 45 KHz dilemahkan oleh 54dB!

Oleh itu, mari pilih frekuensi pembawa PWM kami menjadi ~ 45KHz. Dengan memilih frekuensi pembawa PWM yang lebih tinggi, frekuensi penapis dapat dibuat lebih tinggi. Itu bagus kerana menjadikan nilai L dan C lebih kecil. Itu bermaksud komponen yang lebih kecil dan lebih murah. Kelemahannya ialah, frekuensi pensuisan PWM yang lebih tinggi memperkenalkan kerugian yang lebih besar pada suis transistor.

Langkah 6: Menyelaraskan Fasa dan Kekerapan

Menyegerakkan ke fasa utama dan frekuensi inilah yang menjadikan penyongsang tali leher. Kami menggunakan implementasi digital PLL (Phase Locked Loop) untuk mencapai pengesanan fasa tepat pada isyarat utama. Kami melakukan ini dengan:

1. Pensampelan voltan utama
2. Menghasilkan isyarat sinusoidal 50Hz tempatan kita sendiri
3. Membandingkan fasa antara isyarat tempatan dan isyarat utama
4. Menyelaraskan frekuensi isyarat tempatan sehingga perbezaan fasa antara 2 isyarat adalah sifar

1) Pensampelan voltan utama

Kami mengkonfigurasi saluran ADC ke-3 untuk membaca voltan talian. Ini kita dapat dengan voltan membahagi paip transformer seperti yang ditunjukkan. Ini memberikan voltan berskala yang bervariasi sekitar 1.65v yang betul-betul mewakili voltan grid.

2) Menghasilkan isyarat sinusoidal 50Hz tempatanMenghasilkan gelombang sinus 50Hz tempatan kita mudah. Kami menyimpan jadual carian dengan 256 nilai sinus. Nilai sinus simulasi kami diperoleh dengan mudah menggunakan indeks carian yang berputar secara bertahap melalui jadual.

Kita mesti meningkatkan indeks kita pada kadar yang tepat untuk mendapatkan isyarat 50Hz. Yaitu 256 x 50Hz = 12, 800 / s. Kami melakukan ini dengan menggunakan pemasa9 jam 168MHz. Dengan menunggu 168MHz / 12800 = 13125 kutu jam, kita akan meningkatkan indeks kita pada kadar yang betul.

3) Membandingkan fasa antara isyarat tempatan dan isyarat utama Ini adalah bahagian yang menarik! Sekiranya anda mengintegrasikan produk cos (wt) x sin (wt) selama 1 tempoh hasilnya adalah sifar. Sekiranya perbezaan fasa tidak lain daripada 90 darjah, anda akan mendapat nombor bukan sifar. Secara matematik:

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

Ini bagus! Ia membolehkan kita membandingkan isyarat utama, sin (ωt) dengan isyarat tempatan kita, sin (+t + φ) dan mendapatkan nilai.

Namun ada masalah yang harus ditangani: Jika kita ingin agar isyarat kita tetap dalam fasa, kita perlu menyesuaikan frekuensi tempatan kita untuk memastikan istilah Ccos (φ) maksimal. Ini tidak akan berfungsi dengan baik dan kita akan mendapat pengesanan fasa yang buruk. Ini kerana d / dφ ɑcos (φ) adalah 0 pada φ = 0. Ini bermaksud istilah Ccos (φ) tidak akan berubah sangat banyak dengan perubahan fasa. Adakah itu masuk akal?

Lebih baik mengalihkan fasa isyarat utama sampel sebanyak 90 darjah sehingga menjadi cos (ωt + φ). Kemudian kita mempunyai ini:

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

Memperkenalkan peralihan fasa 90 darjah adalah mudah, kami hanya memasukkan sampel voltan ADC utama kami ke satu hujung penyangga dan mengeluarkannya sejumlah sampel kemudian, sesuai dengan peralihan fasa 90 darjah. Oleh kerana frekuensi grid hampir tidak berbeza dari 50Hz, teknik penundaan waktu sederhana berfungsi dengan cemerlang.

Kami sekarang memperbanyakkan isyarat utama beralih fasa 90 darjah dengan isyarat tempatan kita dan mengekalkan integral produk sepanjang tempoh terakhir (iaitu melebihi 256 nilai terakhir).

Hasil yang kita tahu akan menjadi sifar jika 2 isyarat dikekalkan dengan tepat 90 darjah. Ini hebat kerana ia melepaskan peralihan fasa yang baru kita gunakan pada isyarat utama. Hanya untuk menjelaskan, bukannya memaksimumkan istilah integral, kami berusaha untuk mengekalkannya sebagai sifar dan kami sedang mengubah isyarat utama kami. Pergeseran fasa 90 darjah yang diperkenalkan oleh 2 perubahan ini saling membatalkan.

Oleh itu, jika Integral_Result <0 kita tahu, kita mesti meningkatkan frekuensi pengayun tempatan kita untuk membawanya kembali fasa dengan rangkaian utama, dan sebaliknya.

4) Menyelaraskan frekuensi isyarat tempatan Bit ini mudah. Kami hanya menyesuaikan jangka masa antara kenaikan melalui indeks kami. Kami mengekang seberapa cepat kita dapat membetulkan perbezaan fasa yang pada dasarnya menyaring penipu palsu. Kami melakukan ini menggunakan pengawal PI dengan istilah I yang sangat kecil.

Itu sahaja. Kami telah mengunci pengayun gelombang sinus tempatan kami (yang menetapkan titik output arus output) berada dalam fasa dengan voltan utama. Kami telah menerapkan algoritma PLL dan berfungsi seperti mimpi!

Meningkatkan frekuensi pengayun tempatan kita juga mengurangkan peralihan fasa pada isyarat utama. Oleh kerana kami menyekat penyesuaian frekuensi menjadi +/- 131 kutu (+/- ~ 1%), kami akan mempengaruhi peralihan fasa paling banyak +/- 1 °. Ini sama sekali tidak menjadi masalah semasa fasa diselaraskan.

Secara teorinya jika frekuensi utama menyimpang lebih dari 0.5Hz kita akan kehilangan kunci fasa kita. Ini kerana kekangan di atas mengenai seberapa banyak kita dapat menyesuaikan frekuensi pengayun tempatan kita. Namun itu tidak akan berlaku kecuali grid hampir gagal. Perlindungan anti-pulau kami akan tetap berlaku pada tahap ini.

Kami melakukan pengesanan persilangan sifar pada awal untuk mencuba yang terbaik dalam memulakan isyarat secara bertahap dari ofset.

Langkah 7: Anti-pulau

Wikipedia mempunyai artikel hebat mengenai teknik kepulauan dan anti-pulau. Ini juga menunjukkan bahawa orang mendesis dan mengepakkan lebih banyak daripada yang diperlukan ketika datang ke topik ini. "Oh, anda tidak boleh membina penyongsang tali leher anda sendiri, anda akan membunuh seseorang dll."

Seperti yang dijelaskan dengan lebih baik oleh artikel wikipedia, kami menggunakan beberapa langkah keselamatan yang bersama-sama memberikan perlindungan yang memadai (pada pendapat saya):

1. Voltan bawah / lebih
2. Kekerapan bawah / Lebih

Kami dapat mengesan keadaan ini dengan hanya menganalisis voltan utama berskala sampel kami. Sekiranya ada masalah, matikan jambatan H dan tunggu perkara kembali normal.