Энергоснабжение должно осуществляться эффективно и практично, а инверторы должны быть компактными и портативными, чтобы их можно было использовать там, где нет подключения к электросети и где необходим резервный источник питания в случае чрезвычайной ситуации. Такие инверторы также должны отличаться простотой использования и возможностью обслуживания на месте.
Инвертор заказчика рассчитан на номинальное напряжение батареи 24 В или 48 В, весит всего 8 кг и обеспечивает номинальную выходную мощность 2200 ВА с максимальной эффективностью 93%. Объединение технологии зарядки и инвертора в одном устройстве позволяет достичь двух целей: компактности и портативности. Заказчик использует архитектуру инвертора на основе высокочастотного трансформатора, включающую входной высокочастотный силовой каскад, высокочастотный трансформатор, промежуточное звено постоянного тока и выходной силовой каскад. Автономный инвертор основан на небольшом высокочастотном трансформаторе, в отличие от громоздких низкочастотных трансформаторов, часто используемых в качестве альтернативы.
Концепция высокочастотного режима подразумевает, что нагрузки, подключенные к инвертору, практически напрямую соединены с выходным каскадом без затухания, часто присутствующего в низкочастотных конструкциях на основе трансформаторов. Таким образом, все колебания на стороне нагрузки могут регулироваться через силовой каскад на выходе. Реализация этой архитектуры с высокой эффективностью и высококачественным выходным сигналом, соответствующим требованиям по частоте, напряжению и гармоническим искажениям, представляла собой серьезную проектную задачу.
Параллельное подключение и переключение автономных инверторов на стороне переменного тока представляло собой серьезную проблему, поскольку автономный инвертор функционирует как источник напряжения. Это означает, что он генерирует собственное стабильное выходное напряжение и регулирует ток в соответствии с подключенными нагрузками. Поэтому, когда два или более источника напряжения подключены, но не синхронизированы, нагрузки становятся несбалансированными, и между источниками протекает ток, что приводит к потерям мощности и нулевой активной мощности. Этот ток также может негативно влиять на источники питания.
Небольшой фазовый сдвиг между двумя источниками напряжения также может вызвать эту асимметричную ситуацию, приводящую к разности напряжений между ними, которая может установить прямое соединение между источниками напряжения на стороне переменного тока. Это происходит из-за их очень низкого сопротивления, что, в свою очередь, приводит к очень большому току, протекающему между инверторами. Для решения этой проблемы клиент внедрил очень быстрый и точный алгоритм управления и связи.
Концепция модульной конструкции учитывала эксплуатационные требования нескольких автономных инверторов, работающих параллельно. Резервный инвертор функционирует как стандартный (DC/AC) инвертор и заряжает батареи от источника переменного тока (AC/DC); та же силовая электронная схема используется в качестве генератора. Поскольку на рынке в настоящее время отсутствуют инверторы с такой функциональностью, и они основаны на высокочастотной трансформаторной архитектуре, потребовалась совершенно новая стратегия интерфейса и управления. На рисунке 1 представлено предложение заказчика по инверторной системе, состоящей из четырех различных функциональных блоков, обслуживаемых тремя различными контроллерами сигналов: DC/DC, DC/AC и интерфейсом отображения и пользовательского интерфейса.
Заказчик искал среди цифровых сигнальных контроллеров (DSC) и выбрал DSC на базе микроконтроллеров dsPIC, которые имеют совместимые с источниками питания периферийные устройства, такие как модули ШИМ (широтно-импульсной модуляции) на основе счетчиков, модули обратной связи на основе аналоговых компараторов и скоординированные АЦП, а также обеспечивают быстрое умножение за один такт. Эти DSC на базе dsPIC30F могут обеспечить высокую скорость выполнения, необходимую для алгоритмов замкнутого контура в инверторах заказчика.
Внешние компоненты, такие как контроллер сброса, микросхемы памяти, АЦП или контроллер CAN (Controller Area Network), не требуются, поскольку они интегрированы в DSC. DSC на базе dsPIC30F обеспечивают скорость выполнения до 30 MIPS и гарантируют повышенную эффективность и надежность инверторной системы. Еще одним преимуществом является простота модернизации, поскольку DSC могут работать в широком диапазоне напряжений от 2,5 В до 5,5 В.
Конструкция инвертора была гибкой и модульной; цифровые сигнальные контроллеры (DSC) предлагали различные объемы флэш-памяти и оперативной памяти, а также разнообразные возможности подключения. В блоке силового каскада постоянного тока DSC микроконтроллер dsPIC30F5015 управляет высокочастотным каскадом между входом батареи и высокочастотным трансформатором. Это устройство также использовалось для точного измерения напряжения и тока батареи. В силовом каскаде постоянного/переменного тока микроконтроллер dsPIC30F6010A управлял схемой силовой электроники с помощью запатентованного пропорционально-интегрального (PI) контура управления.
Для управления приборной панелью и дисплеем инвертора микроконтроллер dsPIC30F6010A подключается к dsPIC30F5011 через шину CAN. Он также регулирует режимы работы инвертора в соответствии с инструкциями пользователя. dsPIC30F5011 имеет 66 КБ флэш-памяти и интерфейс CAN, а встроенная флэш-память помогает хранить все графические значки для многоязычного пользовательского интерфейса инвертора. Пользователи могут перемещаться по различным режимам работы и меню с помощью навигационных клавиш, расположенных на панели.
Эти высокостабильные, быстродействующие инверторы, созданные на основе высокочастотной трансформаторной технологии и имеющие модульную конструкцию, могут быть соединены параллельно. Для трехфазного режима работы можно параллельно подключить до пяти дополнительных инверторов на фазу, что в сумме составляет 15 инверторов в системе.
Благодаря цифровым суперконденсаторам dsPIC30F от Microchip заказчик смог разработать компактный и многофункциональный инвертор, обеспечивающий автономное электропитание без необходимости подключения к общественной электросети.
Примечание: Названия и логотипы Microchip и dsPIC являются зарегистрированными товарными знаками компании Microchip Technology Inc. в США и других странах. Все остальные упомянутые товарные знаки принадлежат соответствующим компаниям.
Автор:
Виктор Алькасар,
директор по развитию рынка
подразделения высокопроизводительных микроконтроллеров компании
Microchip Technology Inc.
