regulacija izmeniČne napetosti - core

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

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.

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 3.15: Spekter izhodne napetosti ................................................................................. 15

Slika 3.16: Modulacijska funkcija z modulacijskim indeksom 3/5 .................................... 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


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


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


25



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


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


[7] Microchip, PIC16F882/883/884/886/887 Data Sheet. [spletni vir]

http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en026562


[8] Microchip, 28-pin demo board Data Sheet. [spletni vir]

http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/41301A.pdf


http://en.wikipedia.org/wiki/Power_inverter

http://en.wikipedia.org/wiki/Uninterruptible_power_supply

http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/41291F.pdf

http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en026562

http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/41301A.pdf

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);


__CONFIG(4, CCP2MUX_OFF);

//#pragma config CONFIG4L = 0x85

__CONFIG(5, STVR_OFF & LVP_OFF);


__CONFIG(6, CP0_OFF & CP1_OFF & CP2_OFF & CP3_OFF);

//#pragma config CONFIG5H = 0xC0

__CONFIG(7, CPB_OFF & CPD_OFF);


__CONFIG(8, WRT0_OFF & WRT1_OFF & WRT2_OFF & WRT3_OFF);

//#pragma config CONFIG6H = 0xE0

__CONFIG(9, WRTC_OFF & WRTB_OFF & WRTD_OFF);


__CONFIG(10, EBTR0_OFF & EBTR1_OFF & EBTR2_OFF & EBTR3_OFF);


__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


if(Sin2 >= count)


else


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

regulacija izmeniČne napetosti - core

Documents