Comment concevoir et mettre en œuvre un onduleur monophasé : 9 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:06

Ce Instructable explore l'utilisation des CMIC GreenPAK ™ de Dialog dans les applications d'électronique de puissance et démontrera la mise en œuvre d'un onduleur monophasé à l'aide de diverses méthodologies de contrôle. Différents paramètres sont utilisés pour déterminer la qualité de l'onduleur monophasé. Un paramètre important est la distorsion harmonique totale (THD). Le THD est une mesure de la distorsion harmonique dans un signal et est défini comme le rapport de la somme des puissances de toutes les composantes harmoniques à la puissance de la fréquence fondamentale.

Ci-dessous, nous avons décrit les étapes nécessaires pour comprendre comment la solution a été programmée pour créer l'onduleur monophasé. Cependant, si vous souhaitez simplement obtenir le résultat de la programmation, téléchargez le logiciel GreenPAK pour afficher le fichier de conception GreenPAK déjà terminé. Branchez le kit de développement GreenPAK à votre ordinateur et cliquez sur programme pour créer l'onduleur monophasé.

Étape 1: Onduleur monophasé

Un onduleur, ou onduleur, est un dispositif ou un circuit électronique qui transforme le courant continu (CC) en courant alternatif (CA). Selon le nombre de phases de la sortie CA, il existe plusieurs types d'onduleurs.

● Onduleurs monophasés

● Onduleurs triphasés

DC est le flux unidirectionnel de charge électrique. Si une tension constante est appliquée à travers un circuit purement résistif, il en résulte un courant constant. Comparativement, avec le courant alternatif, le flux de courant électrique inverse périodiquement la polarité. La forme d'onde AC la plus typique est une onde sinusoïdale, mais elle peut aussi être une onde triangulaire ou carrée. Afin de transférer de l'énergie électrique avec différents profils de courant, des dispositifs spéciaux sont nécessaires. Les appareils qui convertissent le courant alternatif en courant continu sont appelés redresseurs et les appareils qui convertissent le courant continu en courant alternatif sont appelés onduleurs.

Étape 2: Topologies de l'onduleur monophasé

Il existe deux topologies principales d'onduleurs monophasés; topologies en demi-pont et en pont complet. Cette note d'application se concentre sur la topologie en pont complet, car elle fournit le double de la tension de sortie par rapport à la topologie en demi-pont.

Étape 3: Topologie en pont complet

Dans une topologie en pont complet, 4 commutateurs sont nécessaires, car la tension de sortie alternative est obtenue par la différence entre deux branches de cellules de commutation. La tension de sortie est obtenue en commutant intelligemment les transistors sous et hors tension à des instants particuliers. Il existe quatre états différents selon les interrupteurs qui sont fermés. Le tableau ci-dessous résume les états et la tension de sortie en fonction desquels les commutateurs sont fermés.

Pour maximiser la tension de sortie, la composante fondamentale de la tension d'entrée sur chaque branche doit être déphasée de 180º. Les semi-conducteurs de chaque branche sont complémentaires en performances, c'est-à-dire que lorsque l'un est conducteur l'autre est coupé et inversement. Cette topologie est la plus utilisée pour les onduleurs. Le schéma de la figure 1 montre le circuit d'une topologie en pont complet pour un onduleur monophasé.

Étape 4: Transistor bipolaire à porte isolée

Le transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) est comme un MOSFET avec l'ajout d'une troisième jonction PN. Cela permet un contrôle basé sur la tension, comme un MOSFET, mais avec des caractéristiques de sortie comme un BJT concernant des charges élevées et une faible tension de saturation.

Quatre régions principales peuvent être observées sur son comportement statique.

● Région avalancheuse

● Région de saturation

● Zone de coupe

● Région active

La région d'avalanche est la zone où une tension inférieure à la tension de claquage est appliquée, entraînant la destruction de l'IGBT. La zone de coupure comprend des valeurs allant de la tension de claquage jusqu'à la tension de seuil, dans lesquelles l'IGBT ne conduit pas. Dans la zone de saturation, l'IGBT se comporte comme une source de tension dépendante et une résistance série. Avec de faibles variations de tension, une amplification élevée du courant peut être obtenue. Cette zone est la plus souhaitable pour l'exploitation. Si la tension est augmentée, l'IGBT entre dans la région active et le courant reste constant. Une tension maximale est appliquée à l'IGBT pour s'assurer qu'il n'entrera pas dans la région d'avalanche. C'est l'un des semi-conducteurs les plus utilisés en électronique de puissance, car il peut supporter une large gamme de tensions allant de quelques volts à kV et des puissances comprises entre kW et MW.

Ces transistors bipolaires à grille isolée agissent comme des dispositifs de commutation pour la topologie d'onduleur monophasé à pont complet.

Étape 5: Bloc de modulation de largeur d'impulsion dans GreenPAK

Le bloc de modulation de largeur d'impulsion (PWM) est un bloc utile qui peut être utilisé pour une large gamme d'applications. Le bloc DCMP/PWM peut être configuré comme un bloc PWM. Le bloc PWM peut provenir de FSM0 et FSM1. La broche PWM IN+ est connectée à FSM0 tandis que la broche IN- est connectée à FSM1. FSM0 et FSM1 fournissent des données 8 bits au bloc PWM. La période de temps PWM est définie par la période de temps de FSM1. Le rapport cyclique du bloc PWM est contrôlé par le FSM0.

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

Il existe deux options pour la configuration du cycle de service:

● 0-99,6 %: DC est compris entre 0 % et 99,6 % et est déterminé comme IN+/256.

● 0,39-100 %: le courant continu va de 0,39 % à 100 % et est déterminé comme (IN+ + 1)/256.

Étape 6: Conception GreenPAK pour la mise en œuvre d'ondes carrées basées sur PWM

Il existe différentes méthodologies de contrôle qui peuvent être utilisées pour mettre en œuvre un onduleur monophasé. Une telle stratégie de contrôle comprend une onde carrée basée sur PWM pour l'onduleur monophasé.

Un CMIC GreenPAK est utilisé pour générer des modèles de commutation périodiques afin de convertir facilement le courant continu en courant alternatif. Les tensions CC sont alimentées par la batterie et la sortie obtenue de l'onduleur peut être utilisée pour alimenter la charge CA. Aux fins de cette application, notez que la fréquence CA a été réglée sur 50 Hz, une fréquence d'alimentation domestique courante dans de nombreuses régions du monde. En conséquence, la période est de 20 ms.

Le modèle de commutation qui doit être généré par GreenPAK pour SW1 et SW4 est illustré à la Figure 3.

Le schéma de commutation pour SW2 et SW3 est illustré à la Figure 4

Les modèles de commutation ci-dessus peuvent être facilement produits à l'aide d'un bloc PWM. La période de temps PWM est définie par la période de temps de FSM1. La période de temps pour FSM1 doit être réglée sur 20 ms correspondant à une fréquence de 50 Hz. Le cycle d'utilisation du bloc PWM est contrôlé par les données provenant de FSM0. Afin de générer le cycle de service de 50 %, la valeur du compteur FSM0 est définie sur 128.

La conception GreenPAK correspondante est illustrée à la figure 5.

Étape 7: Inconvénient de la stratégie de contrôle des ondes carrées

L'utilisation de la stratégie de contrôle d'onde carrée amène l'onduleur à produire une grande quantité d'harmoniques. Outre la fréquence fondamentale, les onduleurs à onde carrée ont des composantes de fréquence impaires. Ces harmoniques provoquent une saturation du flux machine, conduisant ainsi à de mauvaises performances de la machine, parfois même endommageant le matériel. Par conséquent, le THD produit par ces types d'onduleurs est très important. Afin de surmonter ce problème, une autre stratégie de contrôle connue sous le nom d'onde quasi carrée peut être utilisée pour réduire considérablement la quantité d'harmoniques produites par l'onduleur.

Étape 8: Conception GreenPAK pour la mise en œuvre d'ondes quasi carrées basées sur PWM

Dans la stratégie de contrôle d'onde quasi carrée, une tension de sortie nulle est introduite, ce qui peut réduire considérablement les harmoniques présentes dans la forme d'onde carrée conventionnelle. Les principaux avantages de l'utilisation d'un onduleur à onde quasi carrée comprennent:

● L'amplitude de la composante fondamentale peut être contrôlée (en contrôlant α)

● Certains contenus harmoniques peuvent être éliminés (également en contrôlant α)

L'amplitude de la composante fondamentale peut être contrôlée en contrôlant la valeur de comme indiqué dans la formule 1.

Le nième harmonique peut être éliminé si son amplitude est rendue nulle. Par exemple, l'amplitude de la troisième harmonique (n=3) est nulle lorsque = 30° (Formule 2).

La conception GreenPAK pour la mise en œuvre de la stratégie de contrôle à ondes quasi carrées est illustrée à la figure 9.

Le bloc PWM est utilisé pour générer une forme d'onde carrée avec un rapport cyclique de 50 %. La tension de sortie nulle est introduite en retardant la tension apparaissant sur la sortie Pin-15. Le bloc P-DLY1 est configuré pour détecter le front montant de la forme d'onde. P-DLY1 détectera périodiquement le front montant après chaque période et déclenchera le bloc DLY-3, qui produit un délai de 2 ms avant de cadencer le VDD sur une bascule D pour activer la sortie Pin-15.

La broche 15 peut activer à la fois SW1 et SW4. Lorsque cela se produit, une tension positive apparaîtra aux bornes de la charge.

Le mécanisme de détection de front montant P-DLY1 active également le bloc DLY-7, qui après 8 ms réinitialise la bascule D et 0 V apparaît sur la sortie.

DLY-8 et DLY-9 sont également déclenchés à partir du même front montant. DLY-8 produit un retard de 10 ms et déclenche à nouveau DLY-3, qui, après 2 ms, cadencera le DFF, provoquant un haut logique entre les deux portes ET.

À ce stade, Out+ du bloc PWM devient 0, car le rapport cyclique du bloc a été configuré pour être de 50 %. Out apparaîtra sur la broche 16, provoquant l'activation de SW2 et SW3, produisant une tension alternative sur la charge. Après 18 ms, DLY-9 réinitialisera le DFF et 0 V apparaîtra sur la broche 16 et le cycle périodique continue de produire un signal CA.

La configuration des différents blocs GreenPAK est illustrée aux Figures 10-14.

Étape 9: Résultats

Une tension de 12 V CC est fournie de la batterie à l'onduleur. L'onduleur convertit cette tension en une forme d'onde CA. La sortie de l'onduleur est alimentée à un transformateur élévateur qui convertit la tension alternative de 12 V en 220 V qui peut être utilisé pour piloter les charges CA.

Conclusion

Dans ce Instructable, nous avons mis en œuvre un onduleur monophasé à l'aide de stratégies de contrôle d'onde carrée et d'onde quasi carrée à l'aide de GreenPAK un CMIC. Les CMIC GreenPAK remplacent facilement les microcontrôleurs et les circuits analogiques traditionnellement utilisés pour mettre en œuvre un onduleur monophasé. De plus, les CMIC GreenPAK ont un potentiel dans la conception d'onduleurs triphasés.