Более эффективный подход к разработке автоматических регуляторов напряжения AC-AC

Разработка AVR перешла к системам с цифровым управлением построены на 8-битных микроконтроллерах, но программируемые ASIC со смешанными сигналами предлагают преимущества в снижении стоимости и размера, что особенно важно для небольших портативных AVR, которые очень популярны в некоторых регионах.

Автоматические регуляторы напряжения (АРН) используются для регулирования уровня подаваемого напряжения путем компенсации любых колебаний входящего напряжения. АРН также широко известны как стабилизаторы напряжения и находят применение во многих промышленных и жилых помещениях. Например, АРН используются в генераторных установках на кораблях, в аварийных источниках питания и на нефтяных вышках для стабилизации уровней напряжения во время колебаний спроса на электроэнергию.

Для энергокомпаний регулирование напряжения в распределительной сети является ключевой обязанностью, определяющей качество электроэнергии, поставляемой конечным потребителям. С этой целью коммунальные компании должны обеспечить надлежащее краткосрочное и долгосрочное планирование, техническое обслуживание энергетического оборудования и размещение регуляторов на распределительных линиях. Однако это может оказаться сложной задачей, особенно в некоторых регионах мира. Во многих странах Южной Азии, включая Пакистан, Индию и Бангладеш, система распределения электроэнергии является хрупкой из-за проблем с ее хищением и нехваткой электроэнергии, что может привести к периодам отключения нагрузки и другим сбоям. В результате конечные пользователи могут столкнуться с проблемами колебаний напряжения в линии электропередач. Поэтому для обеспечения безопасности и надлежащей работы дорогих устройств, таких как кондиционеры, холодильники и телевизоры, очень популярно использование небольших портативных AVR. АРН - это простые в использовании устройства, которые обычно работают в заранее определенном диапазоне уровней напряжения (например, 150–240 В или 90–280 В).

Функционально АРН обычно используют автотрансформатор с ответвлениями для поддержания выходного переменного тока в приемлемом диапазоне. Механизм обратной связи используется для управления положением ответвлений путем переключения соответствующих реле для регулирования выходного напряжения. Обычно он состоит из двух блоков:чувствительного и регулирующего. Задача чувствительного блока - определять уровни входного и выходного напряжения стабилизатора, тогда как блок регулирования поддерживает выходное напряжение в допустимых заранее определенных пределах.

Традиционно микросхемы операционных усилителей используются вместе с аналоговыми компараторами для управления в схемах АРН на основе реле. В последнее время использование 8-битных микроконтроллеров (MCU) значительно расширилось в коммерчески доступных AVR с цифровым управлением. Однако аналогичная функциональность и возможности могут быть достигнуты с помощью недорогих программируемых ASIC со смешанными сигналами GreenPAK ™ (специализированных интегральных схем) от Dialog Semiconductor. Эта замена может быть выгодна с точки зрения снижения затрат и требований к пространству, а также отсутствия необходимости явно программировать MCU.

В этой статье мы объясняем, как разработчики могут использовать программируемые ASIC, такие как GreenPAK SLG46537V IC, для разработки AVR. Будет подробно описан общий дизайн системы и дизайн GreenPAK. Чтобы подтвердить осуществимость и работоспособность этого АРН, мы также представляем экспериментальные результаты, полученные на прототипе.

Рисунок 1:Блок-схема. (Источник:BarqEE)

Функциональная блок-схема предлагаемой конструкции АРН показана на рисунке 1. Система по существу основана на механизме обратной связи. Напряжение переменного тока на выходе АРН снижается до функциональных пределов постоянного тока микросхемы SLG46537V. В зависимости от измеряемого напряжения ИС приводит в действие соответствующие реле, чтобы выбрать подходящие отводные обмотки автотрансформатора.

Технические характеристики AVR зависят от конкретного приложения. В этой статье наш AVR имеет следующие характеристики:

• Диапазон входного напряжения от 125 до 240 В.
• Выходное напряжение регулируется в диапазоне от 200 до 240 В.
• Предусмотрены функции защиты от пониженного и повышенного напряжения. Когда выходное напряжение АРН падает ниже 180 В (пониженное напряжение) или поднимается выше 255 В (повышенное напряжение), выходное питание отключается.
• Четыре электромеханических реле используются в конструкции АРН.
• Автотрансформатор используется для повышения напряжения с нейтралью 0 В и четырьмя дополнительными ответвлениями на 135 В, 174 В, 196 В и 220 В.
• Форма и частота выходного сигнала не изменяются по сравнению с входным.
• Конструкция AVR (контроллера) стоит недорого.
• Светодиодные индикаторы используются для сигнализации нормального, повышенного или пониженного напряжения.

Обратите внимание, что эти спецификации произвольны. Приведенные характеристики могут быть легко изменены в конфигурации GreenPAK IC в зависимости от фактического применения.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рисунок 2:Предлагаемая конструкция АРН. (Источник:BarqEE)

На рисунке 2 показан предлагаемый функциональный дизайн AVR с использованием микросхемы SLG46537V.

Регулировка мощности

Блок согласования мощности питает ИС GreenPAK. Он принимает действующий переменный ток в качестве входа и понижает его до 12 В, которое затем преобразуется в 5 В постоянного тока с помощью подходящей ИС регулятора напряжения.

Измерение переменного напряжения

Для измерения напряжения выходное переменное напряжение ( Live_out ) понижается и выпрямляется для получения низкого уровня постоянного напряжения с помощью диода и цепи резистивного делителя. Впоследствии используется выходной фильтр (электролитический конденсатор), чтобы минимизировать пульсации и получить постоянное плавное напряжение постоянного тока. Шунтирующий конденсатор также используется для фильтрации переходных процессов. Следовательно, фильтрованное постоянное напряжение ( Vsense ) получается. Чтобы гарантировать, что уровни постоянного напряжения совместимы с ИС, был использован понижающий коэффициент (приблизительно) 0,01 (т.е. 200 В переменного тока Û 2 В постоянного тока).

GreenPAK

Использование Vsense и на основе логики GreenPAK (раздел 2), IC управляет необходимыми реле (через BJT) для срабатывания. Цифровые выходы ИС также используются для переключения светодиодных индикаторов, чтобы информировать пользователя о нормальном и пониженном / повышенном напряжении АРН. Схема IC, показывающая соединения ввода-вывода, была предоставлена ​​для справки.

Срабатывание

Три электромеханических реле (RL1, RL2 и RL3) используются для переключения входного переменного напряжения ( Live_in ) соединение между ответвлениями автотрансформатора 135 В, 174 В, 196 В и 220 В. Четвертое электромеханическое реле (RL4) используется для отключения выхода АРН в случае пониженного или повышенного напряжения, предотвращая, таким образом, любое повреждение подключенной нагрузки на выходе АРН.

GreenPAK Logic

Полный файл дизайна, созданный в программе GreenPAK Designer (доступен бесплатно), можно найти здесь.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рис. 3. Схема конструкции GreenPAK. (Источник:BarqEE)

На рисунке 3 показана схема конструкции GreenPAK. Всенсе подается на разные компараторы через контакт 6. Аналоговые компараторы ACMP0 и ACMP1 используются для регулирования в нормальном рабочем диапазоне АРН, тогда как ACMP2 и ACMP3 используются для обнаружения повышенного и пониженного напряжения. Поскольку максимальное внутреннее задание компараторов может быть установлено не более 1,2 В, коэффициент усиления 0,33 используется для обеспечения возможности сравнения выходного напряжения и правильной категоризации в различных диапазонах. Артикулы компараторов соответствуют спецификациям, указанным в разделе 1.2. Блок асинхронного конечного автомата (ASM) используется для настройки конечного автомата для регулирования напряжения.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рисунок 4:Конечный автомат. (Источник:BarqEE)

На рисунке 4 показаны пять используемых состояний. В каждом состоянии реле 1, 2 и 3 активируются с помощью выходов ASM OUT3, OUT2 и OUT1 соответственно. Это позволяет выбрать соответствующие ответвления автотрансформатора и, следовательно, коэффициент поворота автотрансформатора. Переход из состояния 0 в 4 вызывает ступенчатое уменьшение коэффициента трансформации автотрансформатора. В таблице 1 показано соответствие каждого состояния соотношению поворотов.

Таблица 1. Передаточные числа поворота, соответствующие каждому состоянию (Источник:BarqEE)

Штат 0 1 2 3 4 Передаточное отношение AT 220/135 ≈ 1,63 196/135 ≈ 1,45 220/174 ≈ 1,26 196/174 ≈ 1,13 220/220 =1

Регулировка напряжения достигается с помощью перехода между состояниями, который происходит, если Live_out больше верхнего предела (≈ 240 В переменного тока, заданного параметром ACMP1) или меньше нижнего предела (≈ 200 В переменного тока, заданного параметром ACMP0). Если какое-либо состояние не обеспечивает желаемый уровень регулируемого выходного напряжения (200 В

Чтобы гарантировать правильную работу электромеханических реле, резкие переходы между состояниями контролируются с помощью задержек в обратной связи блока ASM. С этой целью выходы блока ASM OUT3, OUT4, OUT5, OUT6 и OUT7 подаются на блоки задержки DLY2, DLY3, DLY4, DLY5 и DLY6 соответственно. На рисунке 5 изображена конфигурация блока RAM ASM, где показано состояние каждого из двоичных выходов OUT0 - OUT7.

Рисунок 5:Блок ОЗУ. (Источник:BarqEE)

Состояния сохраняются в течение заранее определенного временного периода tp (≈ 0,5 с), установленного в задержках. Переходы между состояниями происходят только в том случае, если Live_out остается вне желаемого диапазона в течение как минимум tp. Выходы задержек передаются обратно в различные LUT (и блоки AND) вместе с выходами ACMP0 и ACMP1, как показано на рисунке 4. Это гарантирует, что переходы между состояниями происходят только после истечения времени tp и выхода Live_out за пределы желаемого диапазона. Конкретный переход состояния зависит от выходов ACMP0 и ACMP1. Например, если Состояние 1 сохраняется для tp, переход в Состояние 0 и Состояние 2 невозможен. Если желаемый уровень напряжения был достигнут, Состояние 1 сохраняется. В противном случае происходит переход в состояние 0 и состояние 2 в зависимости от того, больше ли Live_out верхнего предела или меньше нижнего предела.

Еще одна важная особенность предлагаемой конструкции GreenPAK - защита от повышенного и пониженного напряжения. Компараторы ACMP2 и ACMP3 используются для условий повышенного и пониженного напряжения соответственно. Выход ACMP2 и инвертированный выход ACMP3 передаются на блоки задержки DLY0 и DLY1, чтобы гарантировать, что условия перенапряжения и пониженного напряжения не обнаруживаются ни для каких переходных процессов. Впоследствии выходы DLY0 и DLY1 подаются на блок LUT, который решает, является ли это нормальным состоянием, повышенным или пониженным напряжением. В нормальных условиях RLY4 находится под напряжением, а АРН регулирует напряжение. В противном случае регулирование невозможно и RLY4 отключится. Для пользователя также предоставляются индикаторы нормального, повышенного и пониженного напряжения.

Результаты экспериментов

Экспериментальное оборудование

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рисунок 6:Экспериментальная установка. (Источник:BarqEE)

На рисунке 6 показана экспериментальная установка для прототипа. Variac используется для управления входным переменным напряжением, подаваемым на АРН. АРН содержит автотрансформатор и печатную плату, которая содержит схему управления. Плата разработки GreenPAK подключена к печатной плате для управления электромеханическими реле. Осциллограф используется для регистрации входного и выходного напряжений.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рисунок 7:Схема печатной платы. (Источник:BarqEE)

На рисунке 7 показана электрическая схема печатной платы, на которой установлены электромеханические реле, BJT и другие вспомогательные компоненты.

Данные о производительности AVR

Данные о производительности AVR приведены ниже:

• Диапазон нагрузки:450–550 ВА.
• Диапазон входного напряжения:125–240 В
• Выходное напряжение:200–240 В
• Частота:50–60 Гц.
• Сопротивление изоляции:> 5 МОм.
• Время отклика:10–15 мс
• Повышение температуры трансформатора:65–70 ° C (при полной номинальной нагрузке в 1,2 раза).
• Эффективность системы:> 95%
• Температура окружающей среды:0–40 ° C.

Результаты осциллографа

На следующих рисунках показаны журналы осциллографа для экспериментов. Желтые и синие маркеры показывают входное и выходное напряжения соответственно.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рис. 8:Резюме количественного эксперимента. (Источник:BarqEE)

На рисунке 8 представлена ​​количественная сводка экспериментальных результатов для нормальной работы AVR. Входное напряжение изменяется в диапазоне напряжений (от низкого до высокого), и наблюдается соответствующее выходное напряжение. ИС успешно управляет реле, чтобы изменить ответвления автотрансформатора и, следовательно, коэффициент трансформации с 1,63 до 1 для регулирования напряжения.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рисунок 9:Нормальная функциональность. (Источник:BarqEE)

На рисунке 9 показаны нормальные функции АРН, где ответвление для коэффициента передачи 1,63 успешно определено и выбрано.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рис. 10:приближение перенапряжения. (Источник:BarqEE)

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рис. 11:Состояние перенапряжения. (Источник:BarqEE)

На рисунке 10 показаны формы сигналов входного и выходного напряжений при приближении к состоянию перенапряжения. У обоих одинаковые формы волны, так как коэффициент отвода для коэффициента поворотов равен 1.

На рисунке 11 показан случай состояния перенапряжения. Видно, что выходное напряжение упало, поскольку АРН успешно отключил RL4 для защиты.

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рис. 12. Приближение пониженного напряжения. (Источник:BarqEE)

щелкните, чтобы просмотреть изображение в полном размере

Рис. 13:Пониженное напряжение. (Источник:BarqEE)

На рисунке 12 показаны формы сигналов входного и выходного напряжения при приближении к пониженному напряжению. В этих условиях АРН выбирает ответвление для максимального передаточного числа (1,63).

На рисунке 13 показан случай пониженного напряжения. Можно заметить, что выходное напряжение падает из-за срабатывания защиты RL4.

Обратите внимание, что при регулировке АРН не происходит изменения частоты или сдвига фаз входного и выходного напряжений.

Выводы

В этой статье мы описали использование программируемых ASIC, таких как GreenPAK SLG46537V IC, в качестве контроллера для AVR, которые популярны в жилых и промышленных приложениях. ASIC может заменить дискретные компоненты и микроконтроллеры, которые в настоящее время используются в этих приложениях. Была проиллюстрирована роль SLG46537V в предлагаемом АРН и подробно объяснена конструкция GreenPAK. Более того, подробности экспериментов на прототипе АРН были представлены для проверки предложенной конструкции.

Мы пришли к выводу, что схема предоставляет широкие возможности для использования в качестве контроллера, особенно в домашних АРН. Следовательно, блоки управления для AVR могут быть разработаны с использованием недорогих ИС, которые уменьшают занимаемую площадь на печатной плате. Более сложные контроллеры могут быть разработаны с использованием других ASIC, предлагающих ASM с большим количеством состояний.

---

Амир Хуссейн Чухтай в настоящее время кандидат Ph.D. Электротехника в LUMS, Лахор. Его области работы связаны с обработкой сигналов, машинным обучением и Интернетом вещей. Он является соучредителем базирующегося в Лахоре ИТ-стартапа BarqEE. С Аамиром можно связаться по адресу [email protected]. Мухаммад Сакиб получил степень магистра электротехники в NUCES, Лахор. Его основные направления работы включают силовую электронику, встраиваемые системы и приборы. Он является соучредителем базирующегося в Лахоре ИТ-стартапа BarqEE. С М. Сакибом можно связаться по адресу [email protected].

---

Связанное содержание:

• Полностью программируемые SoC - новое поколение устройств.
• Высокопроизводительные встроенные вычисления - Аппаратные ускорители
• Разработка быстро реагирующей системы обратной связи для миниатюрных конструкций с моторным приводом.
• Аналоговая выборка:что означают точность, чувствительность, прецизионность и шум?
• Экономия энергии с помощью реле и соленоидов

Чтобы получить больше информации о Embedded, подпишитесь на еженедельную рассылку Embedded по электронной почте.