एकल-चरण इन्वर्टर को कैसे डिज़ाइन और कार्यान्वित करें: 9 चरण

2024 लेखक: John Day | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2024-01-30 09:19

यह निर्देशयोग्य पावर इलेक्ट्रॉनिक्स अनुप्रयोगों में डायलॉग के ग्रीनपैक ™ सीएमआईसी के उपयोग की पड़ताल करता है और विभिन्न नियंत्रण विधियों का उपयोग करके एकल-चरण इन्वर्टर के कार्यान्वयन को प्रदर्शित करेगा। एकल-चरण इन्वर्टर की गुणवत्ता निर्धारित करने के लिए विभिन्न मापदंडों का उपयोग किया जाता है। एक महत्वपूर्ण पैरामीटर टोटल हार्मोनिक डिस्टॉर्शन (THD) है। THD एक संकेत में हार्मोनिक विरूपण का एक माप है और इसे सभी हार्मोनिक घटकों की शक्तियों के योग के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है जो मौलिक आवृत्ति की शक्ति है।

नीचे हमने आवश्यक चरणों का वर्णन किया है यह समझने के लिए कि एकल-चरण इन्वर्टर बनाने के लिए समाधान को कैसे प्रोग्राम किया गया है। हालाँकि, यदि आप केवल प्रोग्रामिंग का परिणाम प्राप्त करना चाहते हैं, तो पहले से पूर्ण की गई ग्रीनपैक डिज़ाइन फ़ाइल को देखने के लिए ग्रीनपैक सॉफ़्टवेयर डाउनलोड करें। ग्रीनपैक डेवलपमेंट किट को अपने कंप्यूटर में प्लग करें और सिंगल-फेज इन्वर्टर बनाने के लिए प्रोग्राम को हिट करें।

चरण 1: सिंगल-फेज इन्वर्टर

एक पावर इन्वर्टर, या इन्वर्टर, एक इलेक्ट्रॉनिक उपकरण या सर्किटरी है जो डायरेक्ट करंट (DC) को अल्टरनेटिंग करंट (AC) में बदल देता है। एसी आउटपुट के चरणों की संख्या के आधार पर, कई प्रकार के इनवर्टर होते हैं।

● सिंगल फेज इनवर्टर

●तीन चरण इनवर्टर

डीसी विद्युत आवेश का यूनिडायरेक्शनल प्रवाह है। यदि एक विशुद्ध रूप से प्रतिरोधक सर्किट में एक निरंतर वोल्टेज लगाया जाता है, तो इसका परिणाम निरंतर चालू होता है। तुलनात्मक रूप से, एसी के साथ, विद्युत प्रवाह का प्रवाह समय-समय पर ध्रुवीयता को उलट देता है। सबसे विशिष्ट एसी तरंग एक साइन लहर है, लेकिन यह त्रिकोणीय या वर्ग तरंग भी हो सकती है। विभिन्न वर्तमान प्रोफाइल के साथ विद्युत शक्ति को स्थानांतरित करने के लिए, विशेष उपकरणों की आवश्यकता होती है। एसी को डीसी में बदलने वाले उपकरणों को रेक्टिफायर के रूप में जाना जाता है और डीसी को एसी में बदलने वाले उपकरणों को इनवर्टर के रूप में जाना जाता है।

चरण 2: सिंगल-फेज इन्वर्टर की टोपोलॉजी

सिंगल-फेज इनवर्टर के दो मुख्य टोपोलॉजी हैं; आधा पुल और पूर्ण पुल टोपोलॉजी। यह एप्लिकेशन नोट फुल-ब्रिज टोपोलॉजी पर केंद्रित है, क्योंकि यह हाफ-ब्रिज टोपोलॉजी की तुलना में दोगुना आउटपुट वोल्टेज प्रदान करता है।

चरण 3: पूर्ण-पुल टोपोलॉजी

एक पूर्ण-पुल टोपोलॉजी में 4 स्विच की आवश्यकता होती है, क्योंकि वैकल्पिक आउटपुट वोल्टेज स्विचिंग कोशिकाओं की दो शाखाओं के बीच के अंतर से प्राप्त होता है। आउटपुट वोल्टेज विशेष समय पर ट्रांजिस्टर को बुद्धिमानी से चालू और बंद करके प्राप्त किया जाता है। चार अलग-अलग राज्य हैं जिनके आधार पर स्विच बंद हैं। नीचे दी गई तालिका राज्यों और आउटपुट वोल्टेज को सारांशित करती है जिसके आधार पर स्विच बंद होते हैं।

आउटपुट वोल्टेज को अधिकतम करने के लिए, प्रत्येक शाखा पर इनपुट वोल्टेज का मूल घटक 180º चरण से बाहर होना चाहिए। प्रत्येक शाखा के अर्धचालक प्रदर्शन में पूरक होते हैं, जिसका अर्थ है कि जब एक दूसरे का संचालन कर रहा होता है तो कट-ऑफ होता है और इसके विपरीत। यह टोपोलॉजी इनवर्टर के लिए सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाती है। चित्रा 1 में आरेख एकल चरण इन्वर्टर के लिए एक पूर्ण-पुल टोपोलॉजी का सर्किट दिखाता है।

चरण 4: अछूता गेट द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर

इंसुलेटेड गेट बाइपोलर ट्रांजिस्टर (आईजीबीटी) तीसरे पीएनजंक्शन के साथ एमओएसएफईटी की तरह है। यह MOSFET की तरह वोल्टेज-आधारित नियंत्रण की अनुमति देता है, लेकिन उच्च भार और कम संतृप्ति वोल्टेज के संबंध में BJT जैसी आउटपुट विशेषताओं के साथ।

इसके स्थिर व्यवहार पर चार मुख्य क्षेत्रों को देखा जा सकता है।

हिमस्खलन क्षेत्र

संतृप्ति क्षेत्र

कट क्षेत्र

सक्रिय क्षेत्र

हिमस्खलन क्षेत्र वह क्षेत्र है जब ब्रेकडाउन वोल्टेज के नीचे वोल्टेज लागू होता है, जिसके परिणामस्वरूप आईजीबीटी का विनाश होता है। कट क्षेत्र में ब्रेकडाउन वोल्टेज से लेकर थ्रेशोल्ड वोल्टेज तक के मान शामिल हैं, जिसमें आईजीबीटी आचरण नहीं करता है। संतृप्ति क्षेत्र में, IGBT एक आश्रित वोल्टेज स्रोत और एक श्रृंखला प्रतिरोध के रूप में व्यवहार करता है। वोल्टेज की कम भिन्नता के साथ, वर्तमान का उच्च प्रवर्धन प्राप्त किया जा सकता है। यह क्षेत्र संचालन के लिए सबसे वांछनीय है। यदि वोल्टेज बढ़ाया जाता है, तो आईजीबीटी सक्रिय क्षेत्र में प्रवेश करता है, और वर्तमान स्थिर रहता है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह हिमस्खलन क्षेत्र में प्रवेश नहीं करेगा, आईजीबीटी के लिए अधिकतम वोल्टेज लागू किया गया है। यह बिजली इलेक्ट्रॉनिक्स में सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले अर्धचालकों में से एक है, क्योंकि यह कुछ वोल्ट से केवी तक वोल्टेज की एक विस्तृत श्रृंखला और किलोवाट और मेगावाट के बीच की शक्तियों का समर्थन कर सकता है।

ये इंसुलेटेड गेट बाइपोलर ट्रांजिस्टर फुल-ब्रिज सिंगल-फेज इन्वर्टर टोपोलॉजी के लिए स्विचिंग डिवाइस के रूप में कार्य करते हैं।

चरण 5: ग्रीनपाक में पल्स चौड़ाई मॉडुलन ब्लॉक

पल्स चौड़ाई मॉडुलन (पीडब्लूएम) ब्लॉक एक उपयोगी ब्लॉक है जिसका उपयोग अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए किया जा सकता है। DCMP/PWM ब्लॉक को PWM ब्लॉक के रूप में कॉन्फ़िगर किया जा सकता है। PWM ब्लॉक को FSM0 और FSM1 के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है। PWM IN+ पिन FSM0 से जुड़ा है जबकि IN- पिन FSM1 से जुड़ा है। FSM0 और FSM1 दोनों PWM ब्लॉक को 8-बिट डेटा प्रदान करते हैं। PWM समय अवधि FSM1 की समयावधि द्वारा परिभाषित की जाती है। PWM ब्लॉक के लिए कर्तव्य चक्र FSM0 द्वारा नियंत्रित किया जाता है।

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

कर्तव्य चक्र विन्यास के लिए दो विकल्प हैं:

● 0-99.6%: डीसी 0% से 99.6% तक होता है और इसे IN+/256 के रूप में निर्धारित किया जाता है।

● 0.39-100%: DC 0.39% से 100% तक होता है और इसे (IN+ + 1)/256 के रूप में निर्धारित किया जाता है।

चरण 6: पीडब्लूएम आधारित स्क्वायर वेव कार्यान्वयन के लिए ग्रीनपैक डिजाइन

एकल-चरण इन्वर्टर को लागू करने के लिए विभिन्न नियंत्रण पद्धतियों का उपयोग किया जा सकता है। ऐसी ही एक नियंत्रण रणनीति में सिंगल-फेज इन्वर्टर के लिए पीडब्लूएम-आधारित स्क्वायर वेव शामिल है।

डीसी को एसी में आसानी से बदलने के लिए ग्रीनपैक सीएमआईसी का उपयोग आवधिक स्विचिंग पैटर्न उत्पन्न करने के लिए किया जाता है। डीसी वोल्टेज को बैटरी से फीड किया जाता है और इन्वर्टर से प्राप्त आउटपुट का उपयोग एसी लोड की आपूर्ति के लिए किया जा सकता है। इस एप्लिकेशन के प्रयोजन के लिए, एसी आवृत्ति को 50 हर्ट्ज पर सेट किया गया है, जो दुनिया के कई हिस्सों में एक सामान्य घरेलू बिजली आवृत्ति है। तदनुसार, अवधि 20ms है।

स्विचिंग पैटर्न जिसे ग्रीनपैक द्वारा SW1 और SW4 के लिए उत्पन्न किया जाना चाहिए, चित्र 3 में दिखाया गया है।

SW2 और SW3 के लिए स्विचिंग पैटर्न चित्र 4. में दिखाया गया है

पीडब्लूएम ब्लॉक का उपयोग करके उपरोक्त स्विचिंग पैटर्न आसानी से तैयार किए जा सकते हैं। PWM समय अवधि FSM1 की समयावधि द्वारा निर्धारित की जाती है। FSM1 की समयावधि 50Hz आवृत्ति के अनुरूप 20ms पर सेट की जानी चाहिए। PWM ब्लॉक के लिए कर्तव्य चक्र FSM0 से प्राप्त डेटा द्वारा नियंत्रित किया जाता है। 50% शुल्क चक्र उत्पन्न करने के लिए, FSM0 काउंटर वैल्यू 128 पर सेट है।

संबंधित ग्रीनपैक डिजाइन चित्र 5 में दिखाया गया है।

चरण 7: स्क्वायर वेव नियंत्रण रणनीति का नुकसान

स्क्वायर वेव कंट्रोल स्ट्रैटेजी का उपयोग करने से इन्वर्टर बड़ी मात्रा में हार्मोनिक्स का उत्पादन करता है। मौलिक आवृत्ति के अलावा, वर्ग तरंग इनवर्टर में विषम आवृत्ति घटक होते हैं। ये हार्मोनिक्स मशीन के प्रवाह को संतृप्त करने का कारण बनते हैं, इस प्रकार मशीन के खराब प्रदर्शन की ओर ले जाते हैं, कभी-कभी हार्डवेयर को भी नुकसान पहुंचाते हैं। इसलिए, इस प्रकार के इनवर्टर द्वारा उत्पादित THD बहुत बड़ा है। इस समस्या को दूर करने के लिए क्वासी-स्क्वायर वेव नामक एक अन्य नियंत्रण रणनीति को इन्वर्टर द्वारा उत्पादित हार्मोनिक्स की मात्रा को काफी कम करने के लिए नियोजित किया जा सकता है।

चरण 8: पीडब्लूएम आधारित क्वासी-स्क्वायर वेव कार्यान्वयन के लिए ग्रीनपैक डिजाइन

अर्ध-वर्ग तरंग नियंत्रण रणनीति में, एक शून्य आउटपुट वोल्टेज पेश किया जाता है जो पारंपरिक वर्ग तरंग में मौजूद हार्मोनिक्स को काफी कम कर सकता है। क्वासी-स्क्वायर वेव इन्वर्टर का उपयोग करने के प्रमुख लाभों में शामिल हैं:

मौलिक घटक के आयाम को नियंत्रित किया जा सकता है (α को नियंत्रित करके)

कुछ हार्मोनिक सामग्री को समाप्त किया जा सकता है (α को नियंत्रित करके भी)

मूल घटक के आयाम को α के मान को नियंत्रित करके नियंत्रित किया जा सकता है जैसा कि फॉर्मूला 1 में दिखाया गया है।

nवें हार्मोनिक को समाप्त किया जा सकता है यदि इसका आयाम शून्य कर दिया जाए। उदाहरण के लिए, तीसरे हार्मोनिक (एन = 3) का आयाम शून्य है जब α = 30 डिग्री (सूत्र 2)।

अर्ध-स्क्वायर वेव नियंत्रण रणनीति को लागू करने के लिए ग्रीनपैक डिजाइन चित्र 9 में दिखाया गया है।

PWM ब्लॉक का उपयोग 50% कर्तव्य चक्र के साथ एक वर्ग तरंग उत्पन्न करने के लिए किया जाता है। शून्य आउटपुट वोल्टेज को आउटपुट पिन -15 में प्रदर्शित होने वाले वोल्टेज में देरी से पेश किया जाता है। P-DLY1 ब्लॉक को तरंग के बढ़ते किनारे का पता लगाने के लिए कॉन्फ़िगर किया गया है। P-DLY1 समय-समय पर प्रत्येक अवधि के बाद बढ़ते किनारे का पता लगाएगा और DLY-3 ब्लॉक को ट्रिगर करेगा, जो पिन-15 आउटपुट को सक्षम करने के लिए D-फ्लिप फ्लॉप में VDD को देखने से पहले 2ms की देरी पैदा करता है।

पिन-15 के कारण SW1 और SW4 दोनों चालू हो सकते हैं। जब ऐसा होता है, तो पूरे लोड में एक सकारात्मक वोल्टेज दिखाई देगा।

P-DLY1 राइजिंग एज डिटेक्शन मैकेनिज्म भी DLY-7 ब्लॉक को सक्रिय करता है, जो 8ms के बाद D-फ्लिप फ्लॉप को रीसेट करता है और 0 V पूरे आउटपुट में दिखाई देता है।

DLY-8 और DLY-9 भी एक ही राइजिंग एज से ट्रिगर होते हैं। DLY-8 10ms की देरी पैदा करता है और DLY-3 को फिर से ट्रिगर करता है, जो 2ms के बाद DFF को क्लॉक कर देगा, जिससे दोनों और गेट्स के बीच तार्किक ऊंचाई आ जाएगी।

इस बिंदु पर पीडब्लूएम ब्लॉक से आउट + 0 हो जाता है, क्योंकि ब्लॉक का कर्तव्य चक्र 50% होने के लिए कॉन्फ़िगर किया गया था। आउट- पिन-16 में दिखाई देगा, जिससे SW2 और SW3 चालू हो जाएंगे, जिससे पूरे लोड में एक वैकल्पिक वोल्टेज उत्पन्न होगा। 18ms के बाद DLY-9 DFF को रीसेट कर देगा और 0V पिन-16 में दिखाई देगा और आवधिक चक्र एक AC सिग्नल को आउटपुट करना जारी रखता है।

विभिन्न ग्रीनपाक ब्लॉकों का विन्यास चित्र 10-14 में दिखाया गया है।

चरण 9: परिणाम

बैटरी से इन्वर्टर को 12 वी डीसी वोल्टेज की आपूर्ति की जाती है। इन्वर्टर इस वोल्टेज को एसी वेवफॉर्म में बदल देता है। इन्वर्टर से आउटपुट एक स्टेप-अप ट्रांसफॉर्मर को फीड किया जाता है जो 12 वी एसी वोल्टेज को 220 वी में परिवर्तित करता है जिसका उपयोग एसी लोड को चलाने के लिए किया जा सकता है।

निष्कर्ष

इस निर्देशयोग्य में, हमने ग्रीनपैक एक सीएमआईसी का उपयोग करके स्क्वायर वेव और क्वासी स्क्वायर वेव नियंत्रण रणनीतियों का उपयोग करके सिंगल-फेज इन्वर्टर लागू किया है। ग्रीनपैक सीएमआईसी माइक्रो कंट्रोलर और एनालॉग सर्किट्री के सुविधाजनक विकल्प के रूप में कार्य करता है जो पारंपरिक रूप से सिंगल-फेज इन्वर्टर को लागू करने के लिए उपयोग किया जाता है। इसके अलावा, ग्रीनपाक सीएमआईसी में थ्री फेज इनवर्टर के डिजाइन की क्षमता है।