Vývojová deska pro třífázový antiparalelní měnič s využitím NI Multisim a NI GPIC

Článek popisuje novou konstrukci výkonového měniče s antiparalelním zapojením. Projekt zahrnuje návrh prototypu silových obvodů vyvinutých pomocí NI Multisim a NI Ultiboard a digitálního řídicího modulu s FPGA vyvinutého pomocí NI LabVIEW a implementovaného na jednodeskový vestavný počítač NI Single Board RIO 9606 a desku NI Single Board RIO GPIC (General Purpose Inverter Controller).

Koncepce a motivace

Základní myšlenkou bylo vytvořit otevřenou platformu, která umožňuje vývojovým inženýrům simulovat, vyvíjet prototypy a v malém měřítku modelovat zařízení s výkonem řádově v megawattech používané např. při přenosu a distribuci elektřiny velkých výkonů, u solárních elektráren nebo pro řízení elektromotorů.

Skutečnost, že platforma je otevřená (open source), vyvinutá v prostředí Multisim a Ulti­board, umožňuje konstruktérům návrh po­dle potřeby přizpůsobovat a vyvíjet knihovny různých konfigurací.

Příklady úloh, které mohou být takto modelovány a simulovány, jsou (obr. 1):

• měnič síťové frekvence,
• střídač pro galvanické akumulátory a akumulátory s ultrakapacitory,
• měnič frekvence pro řízení pohonů s rekuperací,
• měnič pro fotovoltaické panely s funkcí MPPT (Maximum Power Point Tracking).

Paralelní simulace systému

K efektivitě vývojových prací významně přispívá možnost přesné paralelní simulace systému na počítači ještě před výrobou prototypu. Prostředí LabVIEW a Multisim nabízejí množství funkcí pro paralelní simulaci kompletního systému skládajícího se z analogových součástek a obvodů (včetně tranzistorů IGBT, výstupních filtrů RLC, můstkových usměrňovačů a spínačů pro přípravné nabíjení akumulátorů) a řídicího programu v FPGA (včetně výpočtu efektivní hodnoty/fáze, bloků smyček fázového závěsu – PLL nebo generování signálu pulzně šířkové modulace – PWM). Paralelní simulace programového kódu výkonového měniče je součástí průvodce návrhem obvodů výkonové elektroniky.

Paralelní simulace ukazuje výbornou shodu s hodnotami naměřenými na prototypu (obr. 2). Tímto postupem se podařilo optimalizovat některé výkonové parametry a v důsledku toho byl před finální prací na konstrukci hardwaru potřebný jen jediný fyzický prototyp. Paralelní simulace umožnila:

• validovat řídicí program,
• zhodnotit různá nastavení PID regulátoru,
• odladit parametry spínačů pro přípravné nabíjení, které jsou nutné pro eliminaci zkratových proudů v kondenzátorech stejnosměrných meziobvodů,
• určit potřebnou kapacitu kondenzátorů stejnosměrných meziobvodů,
• srovnat topologie různých výstupních filtrů,
• vyhodnotit přechodové jevy a určit čas, který regulátor potřebuje pro uvedení systému do ustáleného stavu.

Obvodové schéma v prostředí Multisim

Konstrukce zařízení obsahuje dva výkonové měniče v antiparalelním zapojení. Díky tomu je možné systém využít v různých úlohách – viz předchozí kapitola. Řídicím členem je jediné hradlové pole (FPGA) na vestavném počítači sbRIO-9606. Připojení k měničům je realizováno prostřednictvím desky sbRIO-GPIC. V dalších odstavcích budou komentována obvodová schémata každého bloku z blokového diagramu na obr. 3.

Výkonové měniče

Tento blok (obr. 4) obsahuje dva jednočipové obvody třífázových měničů a dva můstkové usměrňovače. Jsou použity šestinásobné moduly IPM (Intelligent Power Module) s vestavěnými budiči pro IGBT (gate-drivers) a termistorovými snímači teploty od ST Microelectronics (STGIPS10K60A). Konstrukce zahrnuje všechny doporučované oddělovací kondenzátory. Provoz je testován v regulační smyčce do 20 kHz.

Provozní napětí desky je 50 V DC, jmenovitý proud 8 A. Ve stejnosměrném meziobvodu je omezovač přechodového proudu, využívající termistor a reléový stykač řízený z desky GPIC.

Na desce jsou integrovány také snímače proudu a napětí pro každý polomůstek. Pro měření proudů jsou použity Hallovy senzory ASC712 od firmy Allegro, napětí je měřeno pomocí děličů napětí. Všechny výstupní signály snímačů jsou v rozsahu ±10 V a jsou přivedeny na galvanicky oddělené simultánní analogové vstupy GPIC.

Úprava signálů

Tento blok (obr. 5) obsahuje elektroniku potřebnou k oddělení digitální řídicí části a analogových obvodů měniče.

Spínací řídicí signály (S1A, S1B, S2A, S2B…, S6A, S6B), které přicházejí z GPIC, jsou odpovědné za přepínání tranzistorů IGBT v obvodu měniče IPM. Před přechodem do výkonové části zařízení jsou galvanicky odděleny optočleny. Všechny snímače proudu jsou napájeny z galvanicky odděleného zdroje napětí (VBT1-S12-S12).

Připojení ke GPIC

Blok připojení k desce GPIC obsahuje výstupní konektory pro všechny signály GPIC (obr. 6). Pro co nejsnazší připojení signálů byl vybrán pravoúhlý konektor se zásuvnými svorkami od firmy Phoenix Contact (obr. 7).

Všechny vstupně-výstupní signály pro GPIC procházejí přes propojovací můstky (jumper), které jsou fyzicky umístěny na spodní straně desky. To je užitečné v případě, že příslušný vstup nebo výstup má být použit jiným způsobem.

Osm digitálních vstupů/výstupů +3,3 V LVTTL je připojeno na děliče napětí pro případ, že je třeba přímo k desce připojit 5V digitální vstupy (např. signál ze snímače otáček motoru).

Zdroje napájení

Pro napájení desky jsou zapotřebí tyto dva zdroje (obr. 8):

• 12V zdroj ATX s 24 kontakty k napájení základní digitální části zařízení a sbRIO,
• 15V zdroj pro napájení měniče.

Návrh prototypu v prostředí Ultiboard

Prototyp analogových obvodů byl vytvořen na desce plošných spojů (obr. 9) s využitím prostředí Ultiboard. Při návrhu je dodržena podmínka úplného oddělení vysokonapěťových analogových signálů a nízkonapěťových řídicích digitálních signálů. Deska se proto skládá ze tří základních částí (obr. 10):

• Část digitálního řízení s konektory pro GPIC, uzemněná na D-GND. Tato část obsahuje směrování signálů HBDO, výstupní konektory pro DIO, reléové digitální signály, 24kolíkový zdroj ATX, optické vazební členy a izolovaný zdroj napětí pro napájení měniče a snímačů na analogové straně.
• Analogová nízkonapěťová část, která obsahuje zpětnovazební signály uzemněné na P-GND. Tato část zahrnuje směrování izolovaných signálů ze snímačů, které se mají připojit do GPIC, a jejich výstupní konektory.
• Analogová vysokonapěťová část, obsahující síťový vstup, kondenzátory stejnosměrného meziobvodu a třífázové výstupy obou měničů. Obsahuje také obvody termistorů a relé pro digitální omezení přechodových proudů v kondenzátorech stejnosměrných meziobvodů.

Jak objednat a rekonfigurovat vlastní vývojovou desku GPIC? Stačí dodržet tento postup:

• stáhnout konstrukční podklady z webových stránek,
• otevřít soubor v28.ewprj (deska s měniči),
• je-li třeba, modifikovat konstrukci a rozpisku materiálu,
• následovat instrukce v tutoriálu pro export souborů formátu Gerber z prostředí Ultiboard,
• dodat firmě Screaming Circuits, partneru společnosti National Instruments, soubory Gerber a rozpisku (lze využít službu Full Proto – viz tab. 1, nebo firmu kontaktovat přímo).

Závěr

Účelem článku bylo představit vývojovou desku pro výkonové měniče frekvence v antiparalelním zapojení a zejména seznámit čtenáře s možností paralelní simulace. Ta umožňuje v jednotném prostředí současně simulovat různé části systému v jejich součinnosti. Významně tak zrychluje návrh zařízení a omezuje nutnost úprav nebo opakované výroby prototypů. Další informace získají zájemci na webové stránce společnosti National Instruments v sekci NI Developer Zone. 

(National Instruments)

Obr. 1. Příklady úloh s antiparalelním zapojením měničů

Obr. 2. Hodnoty naměřené na prototypu

Obr. 3. Blokové schéma zařízení

Obr. 4. Obvodové schéma části výkonových měničů

Obr. 5. Obvodové schéma části úpravy signálů

Obr. 6. Obvodové schéma části připojení k desce GPIC

Obr. 7. Fyzické provedení konektoru (Phoenix Contact)

Obr. 8. Obvodové schéma zdrojů

Obr. 9. Návrh desky plošných spojů

Obr. 10. Osazená deska plošných spojů

Tab. 1. Služby společnosti Screaming Circuits (www.screamingcircuits.com)