Część 2. Sterowanie fazowe

Transkrypt

1 Część 2 Sterowanie fazowe

2 Sterownik fazowy prądu przemiennego (AC phase controller) Prąd w obwodzie triak wyłączony: i = 0 triak załączony: i = ui / RL Zmiana kąta opóźnienia załączania θz powoduje zmianę wartości skutecznej więc także mocy czynnej odbiornika Po / Po(max) I / Imax 2

3 Sterowanie obciążenia indukcyjnego Zakres sterowania ograniczony przez kąt fazowy odbiornika Powolne narastanie prądu może wymagać wydłużenia lub zwielokrotnienia impulsów prądu bramki w celu przekroczenia prądu zatrzasku tyrystora 3

4 Sterownik grupowy prądu przemiennego (AC on-of controller) Zastosowania odbiorniki o długiej nieelektrycznej stałej czasowej (grzejnictwo) gdy moc ma być dostarczana długimi impulsami (stroboskop) Liniowa charakterystyka sterowania Małe stromości napięcia i prądu większe bezpieczeństwo tyrystora, mniejszy poziom generowanych zaburzeń elektromagnetycznych w.cz. Powstają podharmoniczne prądu niekorzystne dla elementów magnetycznych z powodu podmagnesowania rdzeni skutkującego nasyceniem I / Imax Po / Po(max) 4

5 Sterownik prądu przemiennego sterowany cyfrowo w pętli otwartej (poziom 2) V CC=U Z,D1 U F,D2 I G= V CC U GK U CE R7 TRC1 Q4016LH3: I GT =20 ma (I, II, III) I B V CC U BE R8 IGP2(max) =±25 ma 5

6 Ogólna idea sterowania Odbiornikiem jest element grzejny Sterowanie grupowe z załączaniem w zerze mniejsze zaburzenia, gdyż niewielka stromość prądowa Ujemne impulsy wyzwalające triaka wynika z topologii rezystancyjny o dużej stałej czasowej korzystne ćwiartki II i III (MT+G, MT G ) Pętla otwarta stałe zasilanie (±5%) i obciążenie 6

7 Układ i algorytm sterowania POT1 nastawa mocy wyjściowej Po wykryciu zera przez GP3, na GP2 wystawiana jest 1 przez 2 ms, o ile triak ma być w danym półokresie sieci załączony 7

8 Detekcja przejścia przez zero UZ,D1 UF,D2=4,5 V VZX GP3 UOUT+UF,D1 VL VL + 0 V UF,D2 8

9 Pomiar rezystancji potencjometru: idea (VL+) GP1 jako wyjście ustawienie 1 na cały półokres C6 ładuje się przez R13 do 3V (VCC VZD4)/R13 > IZD4 (VL ) GP1 jako wejście C6 rozładowuje się przez POT1 i R12 pomiar czasu rozładowania tdis za pomocą czasomierza 0 i wewnętrznego komparatora 0,6 V dobór stałej czasowej: tdis(max) < T/2 VC6 D4 eliminuje wpływ tętnienia VCC 9

10 Pomiar rezystancji potencjometru: program 10

11 Filtracja zaburzeń filtr zaburzeń w.cz. filtr przepięciowy filtr dolnoprzepustowy rozdzielone masy obwodu mocy (sieci) i sterowania (mikrokontrolera) fitry dolnoprzepustowe fc 1 khz (kondensatory ceramiczne) 11

12 Zasilacz beztransformatorowy rezystancyjny Do kondensatora musi dopłynąć tyle ładunku, ile jest z niego odbierane I IN V HW,RMS V HW,RMS R1 V PEAK V Z 2 IOUT = 2 V RMS V Z 2 Skrajne wartości prądu: minimalna istotna ze względu na zasilany układ VRMS = 220 V (min) VZ = 5,1 V (max) R1 = 6,8 kω 1,1 = 7,48 kω (max ±10%) IIN = 20,5 ma (min) maksymalna istotna ze względu na moce strat VRMS = 240 V (max) VZ = 5,0 V (min) R1 = 6,8 kω 0,9 = 6,12 kω (min ±10%) IIN = 27,3 ma (max) Wymagane moce znamionowe maksymalne moce strat: ( ) ( P R1 V RMS R1 2 R 1 = ) ,12 k=9,4 W 6,12 k V RMS 240 P D1 V Z =5,1 =0,20 W R1 6,12 k P D2 V F I IN=0,7 27,3 m=0,019 W 12

13 Zasilacz beztransformatorowy pojemnościowy R1 ogranicza tylko przetężenie po załączeniu zasilania (można zastosować termistor NTC) 2 V RMS I PEAK = R1 C2 ogranicza tętnienie napięcia wyjściowego T V OUT C 2 I OUT Stan ustalony IIN V HW,RMS X C1 +R 1 V HW,RMS 2 I OUT ; X C1 = V PEAK V Z 2 = 1 2 π f C1 2 V RMS V Z 2 Skrajne wartości prądu ograniczone głównie przez C1: minimalna VRMS = 220 V (min) VZ = 5,1 V (max) f = 49,5 Hz (min) C1 = 0,62 µf 0,8 = 0,496 µf (min ±20%) XC1 = 6,48 kω R1 = 680 Ω 1,1 = 748 Ω (max ±10%) IIN = 21,2 ma (min) maksymalna VRMS = 240 V (max) VZ = 5,0 V (min) f = 50,5 Hz (max) C1 = 0,62 µf 1,2 = 0,744 µf (max ±20%) XC1 = 4,24 kω R1 = 680 Ω 0,9 = 612 Ω (min ±10%) IIN = 34,5 ma (max) ( P R1 V R1,RMS X C1 ) 2 R1 =2,0 W V R1,RMS P D1 U Z =0,28 W X C1 P D2 U F IIN =0,024 W 13

14 Napięcie wyjściowe w funkcji obciążenia Wyniki badań zasilacza zaprojektowanego na: Vout = 4,5 V Iout = 10 ma Obciążenie opornikiem Rload Rload = 10kΩ Iout = 0,45mA Rload = 500 Ω Iout = 9 ma Rload = 270 Ω Iout = 16 ma 14

15 Modyfikacje Układy z zabezpieczeniami R1+R2 zmniejszenie napięcia mniejsze ryzyko przebicia R3 C3 / R2 C1 filtry zaburzeń wstrzykiwanych do sieci Zasilacz rezystancyjny z prostownikiem dwupołówkowym zwiększa prąd wyjściowy 2 razy gdyż 2 V RMS V Z V FW,RMS 2 mniejsze tętnienie VOUT większa sprawność większy koszt i wymiary VOUT nie jest odniesione do sieci (L lub N) niemożliwe sterowanie triakami 15

16 Cechy zasilaczy beztransformatorowych Wspólne Pojemnościowe względem rezystancyjnych mniejsze wymiary niż transformatorowych (transformator sieciowy) tańsze od transformatorowych i impulsowych brak izolacji galwanicznej (bezpieczeństwo) zalety przeważają wyłącznie dla małej mocy wyjściowej (rzędu 100 mw) mniejsze straty mocy większa sprawność mniejsze moce znamionowe elementów wyższy koszt Rezystancyjne najmniejszy koszt moc strat w oporniku rośnie w kwadracie obciążenia możliwość detekcji zera napięcia sieci brak przesunięcia fazy na kondensatorze 16

17 Sterownik prądu przemiennego sterowany cyfrowo zasilany z sieci 230 V (poziom 2) V CC =U Z,D1 U F,D2 I G= V CC U GK U CE R7 TRC1 Q4016LH3: I GT =20 ma (I, II, III) I B V CC U BE R8 IGP2(max) =±25 ma 17

18 Ogólna idea sterowania Odbiornikiem jest element grzejny Sterowanie grupowe z załączaniem w zerze mniejsze zaburzenia, gdyż niewielka stromość prądowa Ujemne impulsy wyzwalające triaka rezystancyjny o dużej stałej czasowej korzystne ćwiartki II i III (MT+G, MT G ) Pętla otwarta stałe zasilanie (±5%) i obciążenie 18

19 Układ i algorytm sterowania POT1 nastawa mocy wyjściowej Po wykryciu zera przez GP3, na GP2 wystawiana jest 1 przez 2 ms, o ile triak ma być w danym półokresie sieci załączony 19

20 Detekcja przejścia przez zero 4.5 V VZX GP3 VL VL + 20

21 Pomiar wartości POT1 (VL+) GP1 jako wyjście ustawienie 1 na cały półokres C6 ładuje się przez R13 do 3V (VCC VZD4)/R13 > IZD4 (VL ) GP1 jako wejście C6 rozładowuje się przez POT1 i R12 pomiar czasu rozładowania tdis za pomocą czasomierza Timer0 i wewnętrznego komparatora 0,6 V dobór stałej czasowej: tdis(max) < T/2 VC6 D4 eliminuje wpływ tętnienia VCC 21

22 Pomiar wartości POT1 (2) 22

23 Filtracja zaburzeń fc 1 khz (cer) 23

24 Prostownik mostkowy (bridge rectifier) 24

25 Prostownik mostkowy sterowany fazowo Zmiana kąta załączania powoduje zmianę wartości skutecznej napięcia wyjściowego 25

26 Podstawa działania współczesnych falowników elektronicznych (inverters) Topologia mostka lub podobna (półmostek, mostek trójfazowy itp.) Końcówki wyjściowe (lub jedna z nich) są w kolejnych etapach zwierane przez łączniki (najprościej: jeden na końcówkę) do punktów o określonym stałym potencjale (najprościej: 0 lub napięcie zasilania) VL Vs t VR Vs t Vo Vs Q1, Q3 of Q2, Q4 on 0 Falownik mostkowy o wyjściu prostokątnym Vs T/2 Q1, Q3 on T Q2, Q4 of t 26

27 Falowniki o zmodyfikowanym wyjściu prostokątnym (modified sine wave inverters) Różne modyfikacje topologii i strategii sterowania Mostek wielopoziomowy 2n+1 poziomów napięcia czasy ich trwania dobrane wg kryterium minimalnych zniekształceń harmonicznych n=2 dh(min) 5% 27