View
3
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Matic Pečečnik
REGULACIJA IZMENIČNE NAPETOSTI
DC/AC PRETVORNIKA
Diplomsko delo
Maribor, september 2012
REGULACIJA IZMENIČNE NAPETOSTI DC/AC
PRETVORNIKA
Diplomsko delo
Študent: Matic Pečečnik
Študijski program: UN ŠP Elektrotehnika
Smer: Avtomatika in robotika
Mentor: prof. dr. Miro Milanovič
Somentorica: doc. dr. Alenka Hren
III
IV
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju, prof dr. Miru
Milanoviču, za pomoč pri opravljanju
diplomskega dela. Prav tako se zahvaljujem
somentorici doc. dr. Alenki Hren, za pomoč
pri programiranju in testiranju vezja.
Hvala tudi osebju laboratorija za energetsko
elektroniko za vso tehnično pomoč.
Posebna zahvala velja staršem in podjetju BSH
Nazarje, ki so mi omogočili študij.
V
VI
Kazalo vsebine
1 UVOD ............................................................................................................................ 1
1.1 OPREDELITEV DIPLOMSKEGA DELA ........................................................................ 1
1.2 STRUKTURA DIPLOMSKEGA DELA ........................................................................... 2
2 RAZSMERNIKI ........................................................................................................... 2
2.1 SISTEMI NEPREKINJENEGA NAPAJANJA (UNINTERRUPTIBLE POWER SUPLIES SYSTEM
- UPS) 3
2.2 IZMENIČNI ELEKTROMOTORNI POGONI ................................................................... 4
3 ENOFAZNI RAZSMERNIK ...................................................................................... 4
3.1 ARHITEKTURA ENOFAZNEGA PRETVORNIŠKEGA SISTEMA (PRETVORNIKA) ............ 4
3.1.1 Prvi tip pretvornika: Dvig napetosti z zapornim pretvornikom in razsmerjanje5
3.1.2 Drugi tip pretvornika: Visoka napetost na vhodu, samo razsmeri ................... 5
3.1.3 Tretji tip pretvornika: Razsmeritev in dvig napetosti........................................ 6
3.2 IZHODNI SIGNALI .................................................................................................... 6
3.2.1 Pulzni signal ...................................................................................................... 7
3.2.2 Modificiran pulzni signal (stopnični) ................................................................ 7
3.2.3 Sinusni signal .................................................................................................... 8
3.3 DELOVANJE ENOFAZNEGA RAZSMERNIKA .............................................................. 8
3.3.1 Dvonivojski izhod .............................................................................................. 8
3.3.2 Nadmodulacija ................................................................................................ 15
3.3.3 Trinivojski izhod .............................................................................................. 17
4 OPIS OPREME .......................................................................................................... 19
4.1 PIC MIKROKRMILNIK 18F252 .............................................................................. 19
4.2 ENOFAZNI MOSTIČNI RAZSMERNIK ....................................................................... 19
4.3 28-PIN DEMO BOARD (TESTNA PLOŠČICA) ........................................................... 21
5 MERILNI REZULTATI ........................................................................................... 22
6 SKLEP ......................................................................................................................... 28
7 VIRI IN LITERATURA ............................................................................................ 29
VII
8 PRILOGE ................................................................................................................... 30
8.1 DIAGRAM POTEKA ................................................................................................ 30
8.2 PROGRAM ............................................................................................................. 31
8.3 IZJAVE .................................................................................................................. 34
VIII
SEZNAM SLIK
Slika 2.1: Shema UPS sistema .............................................................................................. 3
Slika 3.1: Shema zapornega pretvornika z razsmernikom .................................................... 5
Slika 3.2: Shema pretvornika z visoko napetostjo na vhodu ................................................. 5
Slika 3.3: Razsmeritev in dvig napetosti ............................................................................... 6
Slika 3.4: Pulzni signal .......................................................................................................... 7
Slika 3.5: Modificiran pulzni signal ...................................................................................... 7
Slika 3.6: Sinusni signal ........................................................................................................ 8
Slika 3.7: Enofazni razsmernik ............................................................................................. 9
Slika 3.8: Polmostična vezava razsmernika .......................................................................... 9
Slika 3.9: Stikalna funkcija pri modulacijskem indeksu 1/2 ............................................... 11
Slika 3.10: Modulacijski postopek ...................................................................................... 12
Slika 3.11: Izhodna napetost pretvornika ............................................................................ 13
Slika 3.12: Spekter izhodne napetosti ................................................................................. 14
Slika 3.13: Modulacijska funkcija z modulacijskem indeksom ¼ ...................................... 14
Slika 3.14: Izhodna napetost pretvornika ............................................................................ 14
Slika 3.15: Spekter izhodne napetosti ................................................................................. 15
Slika 3.16: Modulacijska funkcija z modulacijskim indeksom 3/5 .................................... 15
Slika 3.17: Izhodna napetost pretvornika ............................................................................ 15
Slika 3.18: spekter izhodne napetosti .................................................................................. 16
Slika 3.19: Odvisnost prve harmonske komponente od modulacijskega indeksa ............... 16
Slika 3.20: Spektralne črte trinivojskega izhoda ................................................................. 17
Slika 3.21: Izhodna napetost z ustreznimi modulacijskimi funkcijami .............................. 18
Slika 4.1: Diagram pinov .................................................................................................... 19
IX
Slika 4.2: Mostični razsmernik .......................................................................................... 200
Slika 4.3: Breme ................................................................................................................ 200
Slika 4.4: 28-PIN demo board ........................................................................................... 211
Slika 5.1: Laboratorijski prototip ….……………………………….…………………….22
Slika 5.2: Modulacijski indeks 1 ………………………………….…….……………….23
Slika 5.3: Modulacijski indeks 1,1 .………………………….……………..…………….23
Slika 5.4: Modulacijski indeks 1,2 .………………….……….………………………….24
Slika 5.5: Modulacijski indeks 1,5 .………………………..……………………………. 24
Slika 5.6: Modulacijski indeks 0,75 ………………..….…….………….……………….25
Slika 5.7: Modulacijski indeks 0,5 .………………….…….……………………………. 25
Slika 5.8: Modulacijski indeks 0,25 .…………………..………………………………... 26
Slika 5.9: Odvisnost prve harmonske komponente od modulacijskega indeksa ….……..26
X
REGULACIJA IZMENIČNE NAPETOSTI DC/AC PRETVORNIKA
Ključne besede: enofazni razsmernik, PIC mikrokrmilnik, tri-nivojska modulacija,
filtriranje motenj, regulacija napetosti
UDK: 621.38(043.2)
POVZETEK
Diploma predstavlja delovanje in implementacijo DC/AC pretvornika, ki je izveden s
PIC mikrokrmilnikom. Cilj naloge je bil napisati program za takšno krmiljenje stikal
pretvornika, da je izhodna napetost trinivojska. V nalogi je predstavljeno matematično
ozadje in delovanje pretvornika. Vsebuje tudi opis posameznih delov sistema in analizo
eksperimentalnih rezultatov.
XI
CONTROL OF DC-AC CONVERTER OUTPUT VOLTAGE
Key words: single-phase inverter, PIC microcontroller, three-level modulation,
interference filtering, voltage regulation
UDK: 621.38(043.2)
ABSTRACT
This diploma work presents the implementation and operation of a DC/AC inverter, which
is implemented with a PIC microcontroller. The goal was to write a program for three-level
switch control. The thesis presents the matematical background and operation of inverter.
It also contains a description of individual parts of the system analysis the experimental
results.
XII
UPORABLJENI SIMBOLI
V - Volt (enota za električno napetost)
A - Amper (enota za električni tok)
Hz - Hertz (enota za frekvenco)
Ω - Ohm (enota za električno upornost)
W - Vat (enota za moč)
XIII
UPORABLJENE KRATICE
DC - Enosmerna napetost
AC - Izmenična napetost
GND - Ozemljitev
PŠM - Pulzno širinsko moduliranje
SPŠM - Sinusno pulzno širinsko moduliranje
PIC - Periferni vmesni krmilnik
UPS - Sistem neprekinjenega napajanja
EEPROM - Električni zbrisljivi bralni pomilnik
LED - Svetleča dioda
DIP - Kvadratno ohišje z dvema paralelnima vrstama pinov
1
1 UVOD
V domačem in industrijskem okolju se velikokrat srečamo s potrebo po pretvorbi
enosmerne napetosti v izmenično. Naprave, ki nam to omogočajo, imenujemo razsmerniki,
pri le-teh pa želimo spreminjati tako amplitudo, kot frekvenco izhodne napetosti in toka, ki
naj bi bila čimbolj sinusne oblike. Razsmerniki so najpogosteje izvedeni z mostičnim
vezjem, tako je oblika izhodne napetosti razsmernika odvisna od načina proženja stikal v
mostiču. V tem primeru harmonska analiza izhodne napetosti pokaže, da je v njej ob
osnovnem harmoniku prisotnih tudi veliko število višje-harmonskih komponent. V
primeru, da porabnik zahteva čisto sinusno obliko napetosti, moramo izhodno napetost
ustrezno filtrirati.
Enofazno napetost, ki jo razsmerjamo, običajno dobimo iz akumulatorskih baterij
(električni avto) ali iz diodnega usmernika, če kot vir uporabimo omrežje. Glede na
zahteve po sinusnem napajanju in minimalnih stikalnih izgubah se je razvilo več
modulacijskih principov.
Na voljo imamo sinusno pulzno širinsko krmiljenje (SPŠM) ali pa pulzno frekvenčno
krmiljenje. V glavnem uporabljamo SPŠM, ki ga lahko nadomestimo z mikrokrmilnikom
PIC, z njim večkrat vklopimo in izklopimo napetosti v eni pol periodi. Tako dobimo veliko
boljši sinusni potek predvsem toka, manjša pa so tudi harmonska popačenja.
1.1 Opredelitev diplomskega dela
V okviru diplomske naloge je bila izdelana programska oprema za PIC mikrokrmilnik, ki
bo z ustrezno stikalno strategijo preklapljal enofazni DC/AC pretvornik med napetostima
–Ud in +Ud in tako organiziral izhodno napetost v treh nivojih. Tako se bodo na izhodu
pojavljali trije napetostni nivoji in sicer –Ud, 0, +Ud. Za to bo potrebno izvesti tri-nivojski
modulacijski algoritem, ki bo s spreminjanjem modulacijskega indeksa omogočal
napetostno regulacijo izmenične napetosti. Te algoritme bo potrebno tudi laboratorijsko
verificirati.
2
1.2 Struktura diplomskega dela
Diplomsko delo je sestavljeno iz več delov:
v prvem delu je opisano delovanje razsmernikov
v drugem je natančno predstavljeno delovanje dvo- in tri-nivojskega algoritma,
v tretjem delu je opisan eksperimentalni prototip
četrto poglavje sestavljajo sklepi in rezultati.
2 RAZSMERNIKI
Funkcija razsmenika je, da enosmerno napetost na vhodu, spremeni v izmenično
napetost, poljubne velikosti in frekvence na izhodu oz. bremenu. Razsmerniki se
uporabljajo v širokem spektru aplikacij, od majhnih stikalnih napajalnikov v
računalnikih, do velikih električnih aplikacij, kot je npr. prenos električne energije. Če
želimo na izhodu spremenljivo amplitudo napetosti, je to mogoče dobiti s
spreminjanjem velikostjo vhodne enosmerne napetosti. Če pa je vhodna napetost
konstantna, pa regulacijo običajno dosežemo s pulzno širinsko modulacijo znotraj
razsmernika s spreminjanjem modulacijskega indeksa. Modulacijski indeks je mogoče
določiti iz razmerja Uiz/Uvh . Za izhodno napetost razsmernika želimo, da bi imela
sinusno obliko, vendar to v praksi ni mogoče izvesti, saj zaradi stikalnih preklopov
vsebuje izhodna napetost pretvornika tudi višje-harmonske komponente [5].
V glavnem so razsmerniki razdeljeni v dve veliki skupini, ki izhajata iz njihove uporabe
in sicer:
sistemi neprekinjenega napajanja,
izmenični elektromotorni pogoni.
3
2.1 Sistemi neprekinjenega napajanja (Uninterruptible Power Suplies
System - UPS)
Pri teh sistemih se enosmerna vhodna napetost dobi iz akumulatorskih baterij, ki so preko
usmernika povezane z omrežjem. Za te sisteme je značilno, da ima izhodna napetost
konstantno frekvenco in efektivno vrednost izhodne napetosti.
Ti sistemi se večinoma uporabljajo za zagotavljanje napajanja kritičnih bremen v primeru
izpada omrežja. UPS zagotavlja takojšne napajanje iz baterij, s čimer pridobimo čas, da
vklopimo zasilen vir (dizel agregat) ali da varno izklopimo naprave in s tem zavarujemo
opremo. Večina teh sistemov je zmožna popravljati različne omrežne težave, kot so [6]:
napetostne konice,
reduciranje vhodne napetosti,
odpravljanje visoko frekvenčnih motenj,
nestabilnost omrežne frekvence,
odpravljanje harmonskih popačenj .
Slika 2.1: Shema UPS sistema
4
2.2 Izmenični elektromotorni pogoni
Tudi pri teh pogonih dobimo na vhodu razsmernika enosmerno napetost z usmerjanjem
in ustreznim filtriranjem. Ti pogoni se uporabljajo za regulacijo hitrosti izmeničnih
motorjev, za kar pa potrebujemo eno-fazni ali tri-fazni napetostni ali tokovni vir s
nastavljivo frekvenco ter amplitudo. Zaradi nezmožnost uporabe pasivnih LC-filtrov
(spremenljiva frekvenca), so bili razviti posebni modulacijski postopki, ki omogočajo
izločanje višjih harmonskih komponent [1].
Kot stikalni elementi se uporabljajo polprevodniki različnih močnostnih razredov:
MOSFET do 10kW
IGBT do 100kW
GTO nad 100kw
3 ENOFAZNI RAZSMERNIK
V večini aplikacij ni potrebna samo pretvorba enosmerne napetosti v izmenično, ampak
je potrebno hkrati zagotoviti tudi ustrezno prilagoditev napetostnih nivojev. Takšnim
zahtevam ne more zadostiti samo razsmernik v mostični vezavi, ampak potrebujemo še
dodatna vezja, ki nam omogočajo prilagoditev napetostnih nivojev in v določenih
strukturah tudi galvansko ločitev med vhodom in izhodom. Takšna sestavljena vezja
imenujemo pretvorniški sistemi oz. krajše pretvorniki, različne strukture oz. arhitekture
so predstavljene v nadaljevanju.
3.1 Arhitektura enofaznega pretvorniškega sistema (pretvornika)
Pri oblikovanju pretvornika obstajajo trije osnovni sistemi za pretvorbo enosmerne
energije v izmenično.
5
3.1.1 Prvi tip pretvornika: Dvig napetosti z zapornim pretvornikom in
razsmerjanje
Slika 3.1: Shema zapornega pretvornika z razsmernikom
Na sliki 3.1 je prikazan pretvornik, ki najprej transformira nizko enosmerno napetost v
visoko in jo nato pretvori v izmenično. Prednost te arhitekture je v galvanski ločitvi med
vhodom in izhodom, ter enostavno načrtovanje vhodnega pretvornika. Zato se ta
pretvornik velikokrat uporablja v majhnih in nekvalitetnih blokovno moduliranih
pretvornikih. Izkoristki takšnih pretvornikov segajo do 95% za blokovno modulacijo, in
malo manj za sinusno modulacijo.
3.1.2 Drugi tip pretvornika: Visoka napetost na vhodu, samo razsmeri
Slika 3.2: Shema pretvornika z visoko napetostjo na vhodu
Na sliki 3.2 je prikazan pretvornik z visoko napetost na vhodu in jo pretvori direktno v
želeno izmenično napetost. Prednost tega principa pretvorbe je visok izkoristek
razsmernika, običajno do 96 %. Glavna pomanjkljivost pa je, da nima galvanske ločitve
med vhodom in izhodom.
6
3.1.3 Tretji tip pretvornika: Razsmeritev in dvig napetosti
Slika 3.3: Razsmeritev in dvig napetosti
Na sliki 3.3 je shema pretvornika, ki pretvori nizko enosmerno napetost v nizko
izmenično in jo nato transformira v želen nivo napetosti na izhodu. Glavne prednosti
tega tipa so, da mostično vezje deluje pri nizki napetosti in zanesljivo delovanje zaradi
majhnega števila polprevodnikov na močnostnem delu. Pomanjkljivosti je uporaba
transformatorja, ki vpliva na relativno majhen izkoristek, okoli 92 %.
V svojem delu bom uporabil ta način, vendar brez transformatorskega dela.
3.2 Izhodni signali
Zaradi potrebe po čim bolj sinusnem poteku napetosti, je potrebno izhod filtrirati s
kondenzatorjem ali tuljavo. Če pretvornik vsebuje transformator, lahko filtriramo na
primarni, sekundarni ali na obeh straneh. Z namestitvijo nizkopasovnih filtrov omejimo
prehod harmoničnim komponentam. Pri razsmernikih, ki zagotavljajo izhodno napetost
konstantne frekvence, lahko uporabimo LC–filter, če pa imamo razsmernik, ki daje na
izhodu izmenično napetost spremenljive frekvence, pa moramo uporabiti filter, ki ima
nastavljeno lomno frekvenco tik nad maksimalno frekvenco izhodne napetosti.
Oblika napetosti na bremenu je odvisna od vrste bremena oz. bremenskih komponent.
Če imamo uporovno breme, se bo signal na bremenu ujemal z izhodnim signalom
razsmernika. Pri induktivnih bremenih bo tok bolj sinusne oblike kot napetost, zaradi
filtrirnih lastnosti induktivnosti [3].
7
3.2.1 Pulzni signal
Slika 3.4: Pulzni signal
Na sliki 3.4 je prikazan izhod iz nekakovostnih razsmernikov. Ta tip ne vsebuje
modulacijskih algoritmov in se lahko uporablja samo za napajanje grelcev, luči in v
aplikacijah, kjer se ne uporabljajo kondenzatorji za shranjevanje energije. V času vzpona
napetosti bi namreč vhodni tok, ki je potreben za napolnitev kondenzatorja, uničil
napajalne komponente.
3.2.2 Modificiran pulzni signal (stopnični)
Slika 3.5: Modificiran pulzni signal
Slika 3.5 predstavlja signal, ki ga uporabimo za rešitev težav s prevelikim tokom, saj
dvigujemo napetost v majhnih korakih in s tem ohranimo tok v mejah in se bolj približamo
sinusnem poteku signala. Ta signal lahko še bolj zgladimo s filtri. Kljub temu elektronske
komponente še vedno ne bodo pravilno delovala na takšnem napajanju.
8
3.2.3 Sinusni signal
Slika 3.6: Sinusni signal
Signal, prikazan na sliki 3.6, predstavlja dobro aproksimacijo sinusnega signala. Takšno
modulacijo signala imenujemo sinusno pulzno širinsko moduliranje (SPŠM).
Elektronska oprema bo na takšnem signalu normalno delovala.
3.3 Delovanje enofaznega razsmernika
To poglavje je povzeto iz učbenika Močnostna elektronika, poglavje 4, ki ga je napisal
prof. Milanovič Miro [1].
3.3.1 Dvonivojski izhod
V UPS-sistemih nižjega močnostnega razreda se uporabljajo razsmerniki, ki so
organizirani kot mostična vezja kot je prikazano na sliki 3.7.
Mostič je sestavljen iz štirih stikal S11, S12, S21, S22 ter štirih diod. Takšna kombinacija
nam omogoča dvosmerni pretok toka, ki ga potrebujejo vsa ohmsko induktivna
bremena.
9
Slika 3.7: Enofazni razsmernik
To vezje lahko tudi modificiramo z uvedbo nevtralnega priključka. Takšna izvedba
omogoča, da uporabimo le polovično število stikal.
Slika 3.8: Polmostična vezava razsmernika
Takšno vezje je znano kot polmostični razsmernik in se uporablja kot že povedano v
sistemih neprekinjenega napajanja manjših moči ter avdio ojačevalnikih D-razreda.
10
Vezje analiziramo z uvedbo stikalnih funkcij (Hj), ki so definirana z opazovanjem
dogajanja v vezju:
(3.1)
kjer je j = 1, 2. Istočasni vklop obeh stikal ne sme biti dovoljen, kar je razvidno iz
sheme. To izrazimo kot:
(3.2)
sedaj lahko opišemo napetostne razmere:
(
) (3.3)
Z upoštevanjem zgornjih dveh enačb se spremeni v:
(3.4)
(3.5)
– napetost, ki jo želimo dobiti na izhodu
- temenska vrednost želene napetosti bremena
- krožna frekvenca
Ob upoštevanju te enačbe lahko izračunamo stikalno funkcijo:
(3.6)
Iz enačbe 3.6 je razvidno, da ima lahko ta funkcija maksimalno vrednost ½, saj ne sme
nikoli preseči 1. Iz tega lahko sedaj definiramo modulacijsko funkcijo.
(3.7)
- modulacijski indeks
11
Slika 3.9 prikazuje časovni potek stikalne funkcije, ki je izračunana ob pogoju
.
Tako, da stikalna funkcija doseže svoj maksimum pri (
) in minimum
(
) . V tem primeru znaša modulacijski indeks ½.
Slika 3.9: Stikalna funkcija pri modulacijskem indeksu 1/2
Na sliki 3.10 je prikazan modulacijski postopek za:
generiranje prožilnega signala tranzistorja Tr1 (a),
generiranje prožilnega signala tranzistorja Tr2 (b).
12
Slika 3.10: Modulacijski postopek
Ker je proces, ki se odvija v razsmerniku ''digitalen'', stikalna funkcija pa je zvezna, je
potrebno iz te funkcije izračunati modulacijsko funkcijo. To lahko rešimo z izgradnjo
sinusnega pulzno širinskega modulatorja za dvonivojski napetostni signal na bremenu
pretvornika.
(3.8)
Iz enačbe 3.8 je razvidno, kako deluje modulacijski postopek na sliki 3.10. Če časovno
funkcijo razdelimo na – časovnih intervalov, dobimo:
(3.9)
13
Prožilni pulzi se na tranzistorju Tr1 generirajo tedaj, ko je trenutna vrednost H1 večja od
vrednosti signala trikota na Ts in večja od ½, na Tr2 pa, kadar je trenutna vrednost H1 večja
od vrednosti trikota na Ts in manjša od ½. To lahko predstavimo z logičnimi operatorji:
Slika 3.11: Izhodna napetost pretvornika
- izhodna napetost pretvornika
- nizkofrekvenčna aproksimacija izhodne napetosti
Rezultat modulacijskega postopka pri frekvenci 50 Hz in sinusno pulzno širinskega signala
(SPŠM), sestavljenega s pomočjo trikotnega signala, ki je imel frekvenco fs=2 kHz, je
prikazan na sliki 3.11, na sliki 3.12 pa je prikazan frekvenčni spekter Fourier-ove
transformacije. Poleg osnovne spektralne komponente so vidne tudi spektralne črte, ki se
pojavljajo v okolici mnogokratnika stikalne frekvence SPŠM. To je v tem primeru pri:
14
Slika 3.12: Spekter izhodne napetosti
Temensko vrednost prve harmonske komponente je mogoče spreminjati s
spreminjanjem modulacijske funkcije .
Slika 3.13: Modulacijska funkcija z modulacijskem indeksom ¼
Slika 3.14: Izhodna napetost pretvornika
15
Slika 3.15: Spekter izhodne napetosti
3.3.2 Nadmodulacija
Z nadmodulacijo imamo opravka kadar povečamo modulacijski indeks na več kot ½. To
uporabljamo takrat, ko želimo povečati amplitudo osnovne harmonske komponente
izhodne napetosti na višjo vrednost, kot to omogoča definicija modulacijske funkcije.
Slika 3.16: Modulacijska funkcija z modulacijskim indeksom 3/5
Slika 3.17: Izhodna napetost pretvornika
16
Slika 3.18: spekter izhodne napetosti
Iz spektralnih izračunov lahko preučimo obnašanje temenske vrednosti prve
harmonske komponente izhodne napetosti pretvornika pri različnih modulacijskih
indeksih. Ta odvisnost je prikazana na sliki 3.19. Odvisnost je linearna do
modulacijskega indeksa 1, nato pa se počasi začne približevati 4/π , kar predstavlja
amplitudo osnovne harmonske komponente pravokotnega signala.
Slika 3.19: Odvisnost prve harmonske komponente od modulacijskega indeksa
17
3.3.3 Trinivojski izhod
SPŠM proces je mogoče z ustrezno stikalno strategijo organizirati tako, da se na izhodu
pojavijo trije napetostni nivoji in sicer –Ud, 0, +Ud. Na sliki 3.21 so prikazani vsi
napetostni nivoji potrebni za generiranje napetosti .
Pretvornik na sliki 3.7 obravnavamo kot dva dvonivojska pretvornika. Stikali S11 in S21
predstavljata prvo polmostično vezavo, stikali S12 in S22 pa drugo. Prvo moduliramo s
signalom, ki predstavlja kosinusno funkcijo, drugo pa s kosinusno funkcijo, ki je
zakasnjena za 180°. Za razliko od razsmernika z dvonivojskim izhodom, pri tem deluje
posamičen polmostič le s polovično stikalno frekvenco, od tiste frekvence, ki se pojavi na
izhodu SPŠM procesa. Če bi uporabili takšno frekvenco kot pri dvonivojskem
izhodu , bi na bremenu dobili spektralne črte prve skupine pri dvojni
frekvenci, torej bi se pojavile pri frekvenci , kot je prikazano na sliki 3.20.
Slika 3.200: Spektralne črte trinivojskega izhoda
18
Slika 3.211: Izhodna napetost UAB in ustrezni modulacijski funkciji
Iz izračunanih spektrov lahko naredimo primerjavo med dvo- in trinivojskim signalom:
spektralne črte se pojavijo pri vseh sodih mnogokratnikih frekvence trikotnega
signala,
spektralne črte izginejo pri vseh lihih mnogokratnikih frekvence trikotnega
signala,
stikalna frekvenca 2 kHz je prisotna pri ''faznih'' napetostih in , toda
sestavljena napetost ima dvakrat višjo frekvenco, ki znaša 4 kHz,
filtrske komponente so lahko zaradi podvojene frekvence pri manjše.
Spekter pri trinivojski regulaciji je ugodnejši, saj omogoča boljše izločanje višjih
harmonikov saj znaša njegova prva skupina harmonskih črt okoli 22% amplitude prve
hormonske komponente, medtem ko ima pri dvonivojskem okoli 65% amplitude, ob
enakem modulacijskem indeksu.
19
4 OPIS OPREME
4.1 PIC mikrokrmilnik 18F252
Je visoko zmogljiv, cenovno dostopen in lahko programirljiv FLASH – 8 bitni
microchipov mikrokontroler s 28 pini. Deluje v napetostnem območju od 2 do 5,5 V ter
ima 256 bytov EEPROM spomina, 32 kB programirljivega spomina in 1536 bytov RAM-
a. Vsebuje 5 kanalni 10 - bitni analogno-digitalni pretvornik, 2 kanalni PWM modul, 24
vhodno/izhodnih pinov. Frekvenca delovanja je z uporabo ustreznih notranjih ali zunanjih
oscilatorjev nastavljiva vse do 40MHz. V našem primeru smo uporabili zunanji oscilator
ter nastavili frekvenco delovanja na najvišjo možno vrednost, to je 40 MHz. Zaradi teh
lastnosti je ta mikrokontroler odlična izbira za avtomobilsko, industrijsko in domačo
uporabo [7].
Slika 4.1: Diagram pinov
4.2 Enofazni mostični razsmernik
Na sliki 4.2 je prikazan mostični razsmernik, ki sem ga uporabil pri testiranju
programske opreme, na sliki 4.3 pa breme. Na razsmerniku je 6 MOSFET tranzistorjev
(IRF540N), vendar sem za potrebe trinivojske modulacije za enofazni razsmernik
potreboval le 4. Za galvansko ločeno proženje tranzistorjev M1 in M2 potrebujemo
posebna krmilna vezja (driverje IR2101), ki jih napajamo z napetostjo UBat, le-to sem
20
dobil iz 12V napajalnika na napajalni mizi. Breme je sestavljeno iz treh 75Ω - 11W
močnostnih uporov.
Slika 4.2: Mostični razsmernik
Slika 4.3: Breme
21
4.3 28-PIN demo board (testna ploščica)
28 PIN-ska testna ploščica je majhna in enostavna demonstracija tiskanine za
Microchipove 28-pinske čipe v DIP ohišju. Na njej so štiri LED diode, gumb,
potenciometer ter 10MHz oscilator. Vsebuje tudi veliko število vhodno/izhodnih pinov.
Lahko jo programiramo s PICkit 3 in PICkit 2 programatorjem [8].
Slika 4.4: 28-PIN demo board
22
5 MERILNI REZULTATI
Merilni rezultati so bili dobljeni na laboratorijskem prototipu, ki je prikazan na sliki 5.1.
Izhodna napetost razsmernika je bila pomerjena s pomočjo diferenčne sonde in
osciloskopa.
Slika 5.1: Laboratorijski prototip
Delovanje programske opreme za sinusno pulzno širinsko modulacijo sem preveril tako,
da sem izmerjeno obliko izhodne napetosti pri različnih modulacijskih indeksih prenesel
preko vmesnika SP107 iz osciloskopa na osebni računalnik. Merilne rezultate sem
shranil v takšni obliki, da sem lahko v MATLABU z ustrezno funkcijo izrisal
frekvenčni spekter Fourier-ove transformacije. Dobljeni rezultati so prikazani na slikah
5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7 ter 5.8.
Meritve so bile opravljene pri vhodni napetosti 12V.
Frekvenca trikotnega signala je zaradi tehničnih omejitev mikrokrmilnika znašala fs = 1
kHz, kar z 20 vzorci sinusa da izhodno napetost 50 Hz.
23
Slika 5.2 Modulacijski indeks 1
Slika 5.3: Modulacijski indeks 1.1
24
Slika 5.4: Modulacijski indeks 1,2
Slika 5.5: Modulacijski indeks 1,5
25
Slika 5.6: Modulacijski indeks 0,75
Slika 5.7: Modulacijski indeks 0,50
26
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
0 0,25 0,5 0,75 1 1,1 1,2 1,5
Modulacijski indeks
Prva harmonskakomponenta
Slika 5.8: Modulacijski indeks 0,25
Vrednost prve harmonske komponente sem odčital z Matlabom in jih uredil v graf. Ta
graf ustreza grafu, ki je prikazan na sliki 5.1.
Slika 5.9: Odvisnost prve harmonske komponente od modulacijskega indeksa
27
Sodeč po rezultatih meritev, tri-nivojski modulacijski algoritem dobro deluje. Izhodni
signal bi lahko z uporabo močnejšega, predvsem hitrejšega mikrokrmilnika lahko še
izboljšali z večjim številom vzorcev sinusa ter večjo ločljivostjo trikotnega signala. Iz slike
5.2 je razvidno, da se spektralne črte pojavljajo v okolici 1. sodega večkratnika nosilne
frekvence fs, ko je bilo pričakovati iz teorije.
28
6 SKLEP
Namen diplomske naloge je bil sprogramirati PIC mikrokrmilnik tako, da bi preko
prožilnih stopenj krmilil MOSFET stikala v mostičnem razsmerniku, po principu
SPŠM. Da bi izhodna napetost vsebovala čim manj višje-harmonskih komponent, je
bila izbrana trinivojska SPŠM modulacija.
Iz rezultatov je razvidno, da spektralne črte izginejo pri vseh lihih mnogokratnikih
frekvence trikotnega signala modulatorja.
Ker je moral program delovati tako, da je na vsakih 10µs generiral novo vrednost
trikotnega signala, mikrokrmilnik 18F252 ni bil najboljša izbira, saj ob kakšni bolj
zahtevni računski operaciji, kot je npr. množenje, ni uspel dovolj hitro opraviti svojega
dela in zaradi tega frekvenca izhodnega signala ni bila ustrezna. Zaradi te omejitve tudi
ni bilo mogoče izvesti regulacije napetosti.
29
7 VIRI IN LITERATURA
[1] M. Milanovič, Močnostna elektronika, 1. izd., , Maribor: Fakulteta za
elektrotehniko, računalništvo in informatiko, 2007
[2] F. Mihalič, Energetska elektronika, 1. izd., Maribor: Fakulteta za elektrotehniko,
računalništvo in informatiko, 2006
[3] Daniel W. Hart, Power Electronics, New York : McGraw-Hill, cop. 2011, str 331-
386
[4] J. Mikeln, Programirajmo mikrokontrolerje,1. Izd., Ljubljana: AX elektrnika
d.o.o., 2004
[5] Wikipedia, Power inverter. [Spletni vir].
http://en.wikipedia.org/wiki/Power_inverter
[Dostopano 8.9.2012]
[6] Wikipedia, Uninterruptible power supply. [Spletni vir]
http://en.wikipedia.org/wiki/Uninterruptible_power_supply
[Dostopano 8.9.2012]
[7] Microchip, PIC16F882/883/884/886/887 Data Sheet. [spletni vir]
http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en026562
[Dostopano 8.9.2012]
[8] Microchip, 28-pin demo board Data Sheet. [spletni vir]
http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/41301A.pdf
[Dostopano 8.9.2012]
30
8 PRILOGE
8.1 Diagram poteka
31
8.2 Program
* File: main.c
* Author: Matic-PC
*
* Created on Petek, 7 september 2012, 23:53
*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pic18f252.h>
#include <xc.h>
//#pragma config CONFIG1H = 0x26
__CONFIG(1, OSC_HSPLL & OSCS_OFF);
//#pragma config CONFIG2L = 0xF
__CONFIG(2, PWRT_OFF & BOR_OFF & BORV_20);
//#pragma config CONFIG2H = 0xE
__CONFIG(3, WDT_OFF & WDTPS_1);
//#pragma config CONFIG3H = 0x1
__CONFIG(4, CCP2MUX_OFF);
//#pragma config CONFIG4L = 0x85
__CONFIG(5, STVR_OFF & LVP_OFF);
//#pragma config CONFIG5L = 0xF
__CONFIG(6, CP0_OFF & CP1_OFF & CP2_OFF & CP3_OFF);
//#pragma config CONFIG5H = 0xC0
__CONFIG(7, CPB_OFF & CPD_OFF);
//#pragma config CONFIG6L = 0xF
__CONFIG(8, WRT0_OFF & WRT1_OFF & WRT2_OFF & WRT3_OFF);
//#pragma config CONFIG6H = 0xE0
__CONFIG(9, WRTC_OFF & WRTB_OFF & WRTD_OFF);
//#pragma config CONFIG7L = 0xF
__CONFIG(10, EBTR0_OFF & EBTR1_OFF & EBTR2_OFF & EBTR3_OFF);
//#pragma config CONFIG7H = 0x40
__CONFIG(11, EBTRB_OFF);
#define _XTAL_FREQ 40000000
#define AMPLITUDA 1 // modulacijski index
// makroji za manipulacijo bitov
#define SETBIT(ADDRESS,BIT) (ADDRESS |= (1<<BIT))
#define CLEARBIT(ADDRESS,BIT) (ADDRESS &= ~(1<<BIT))
#define FLIPBIT(ADDRESS,BIT) (ADDRESS ^= (1<<BIT))
#define CHECKBIT(ADDRESS,BIT) (ADDRESS & (1<<BIT))
/*
*
// sine values 0 to 250, 20 samples
int sin_table1[20] = 9,52,86,110,123,124,112,90,61,27,-9,-45,-77,-102,-119,-125,-119,-100,-70,-32; //
sinus
int sin_table2[20] = 9,45,77,102,119,125,119,100,70,32,-9,-52,-86,-110,-123,-124,-112,-90,-61,-27; // -
sinus
void interrupt isr()
static int count = 0; // vrednost trikota
32
static int cnt_dir = 0; // smer trikota (povecuje/zmansuje)
static int i = 0; // vzorec sinus/-sinusa
static int Sin1 = 0; // treutna vrednost sinusa
static int Sin2 = 0; // trenutna vrednost -sinusa
int temp = 0;
PORTC = 0xff;
if (TMR2IF == 1) // timer 2 interrupt flag
TMR2IF = 0; // clear the flag
if(count ==0) // ce je zacetek periode trikota
// povecaj zaporedno stevilko vzorca
if(i >19) // ce je zadnji vzorec
i=0;
// izberi prvi vzorec
Sin1 = 125+sin_table1[i]; // preberi vrednost sinusa
Sin2 = 125-sin_table2[i];// preberi vrednost -sinusa
i++;
if(cnt_dir == 0) // ce je smer stetja navzgor
count+=5; // povecaj vrednost trikota
if(count >= 250) // ce je vrednost trikota maksimalna,
cnt_dir = 1; // stej navzdol
else // ce je smer stetja navzdol
count-=5; // zmanjsaj vrednost trikota
if(count <= 0) // ce je vrednost trikota minimalna
cnt_dir = 0; // stej navzgor
if(Sin1 >= count) // ce je vrednost sinusa vecja od vrednosti trikota
SETBIT(temp,0); // vklopi S1
else
SETBIT(temp,2); // vklopi S3
if(Sin2 >= count)
SETBIT(temp,1); // vklopi S2
else
SETBIT(temp,3); // vklopi S4
PORTB = temp; // nastavi izhode
PORTC = 0;
int main(int argc, char** argv)
int j;
33
// definiraj vhode in izhode
TRISB = 0x00;
PORTB = 0x00;
TRISC = 0x00;
for(int j = 0; j<20; j++)
sin_table1[j] = sin_table1[j]*AMPLITUDA;
sin_table2[j] = sin_table2[j]*AMPLITUDA;
T2CON = 0b00000100; // timer 2 on, prescale 1:1, postscale 1:1
PR2 = 100; // stej do te vrednosti, prozi interrupt na 10us
// INTERRUPT settings,
TMR2IE = 1; // omogocime prekinitev timerja 2
TMR2IF = 0; // brisemo prekinitveno zastavico
GIE = 1; // globalno omogocime prekinitve
PEIE = 1; // omogolime periferne prekinitve
while(1)
return (EXIT_SUCCESS);
34
8.3 Izjave
35
36
Recommended