Een effectievere aanpak voor het ontwikkelen van AC-AC automatische spanningsregelaars

De ontwikkeling van AVR's is verschoven naar digitaal gestuurde systemen gebouwd met 8-bits microcontrollers, maar programmeerbare mixed-signal ASIC's bieden voordelen bij het verminderen van kosten en grootte - vooral belangrijk voor kleine draagbare AVR's die in sommige regio's erg populair zijn.

Automatische spanningsregelaars (AVR's) worden gebruikt om een ​​geleverd spanningsniveau te regelen door eventuele schommelingen in de binnenkomende spanningen te compenseren. AVR's zijn ook algemeen bekend als spanningsstabilisatoren en hebben toepassingen in veel industriële en residentiële toepassingen. AVR's worden bijvoorbeeld gebruikt in generatorsets op schepen, in noodstroomvoorzieningen en op booreilanden om de spanningsniveaus te stabiliseren tijdens fluctuaties in de stroomvraag.

Voor energiebedrijven is spanningsregeling in het distributienetwerk een belangrijke verantwoordelijkheid bij het bepalen van de stroomkwaliteit die aan eindgebruikers wordt geleverd. Daartoe moeten nutsbedrijven zorgen voor een goede planning voor de korte en lange termijn, voor het onderhoud van de elektriciteitsapparatuur en voor de inzet van regelaars op distributielijnen. Dit kan echter een uitdagende taak zijn, vooral in sommige regio's van de wereld. In veel Zuid-Aziatische landen, waaronder Pakistan, India en Bangladesh, is het stroomdistributiesysteem kwetsbaar vanwege problemen met stroomdiefstal en een gebrek aan stroomopwekking, wat kan leiden tot perioden van stroomuitval en andere verstoringen. Als gevolg hiervan kunnen eindgebruikers problemen krijgen met fluctuaties in de netspanning. Om de veiligheid en goede functionaliteit van dure apparaten zoals airconditioners, koelkasten en televisies te garanderen, is het gebruik van kleine draagbare AVR's daarom erg populair. AVR's zijn gebruiksvriendelijke apparaten die over het algemeen werken in een vooraf gedefinieerd bereik van spanningsniveaus (bijv. 150 V – 240 V of 90 V – 280 V).

Functioneel gezien gebruiken AVR's over het algemeen een getapte autotransformator om de AC-uitgang binnen een acceptabel bereik te houden. Een feedbackmechanisme wordt gebruikt om de positie van de aftakkingen te regelen door geschikte relais te schakelen om de uitgangsspanning te regelen. Deze bestaat meestal uit twee eenheden:een sensoreenheid en een regeleenheid. De taak van de sensoreenheid is om de ingangs- en uitgangsspanningsniveaus van de stabilisator te bepalen, terwijl de regeleenheid de uitgangsspanning binnen acceptabele vooraf bepaalde limieten houdt.

Traditioneel worden opamp-IC's gebruikt in combinatie met analoge comparators voor besturing in op relais gebaseerde AVR-ontwerpen. Meer recentelijk is het gebruik van 8-bit microcontrollers (MCU's) aanzienlijk toegenomen in digitaal gestuurde, in de handel verkrijgbare AVR's. Vergelijkbare functionaliteit en functies kunnen echter worden bereikt met behulp van goedkope GreenPAK™ programmeerbare mixed-signal ASIC's (toepassingsspecifieke geïntegreerde schakelingen) van Dialog Semiconductor. Deze vervanging kan voordelig zijn in termen van lagere kosten en ruimtevereisten, en het is niet nodig om expliciet een MCU te programmeren.

In dit artikel leggen we uit hoe ontwikkelaars programmeerbare ASIC's zoals een GreenPAK SLG46537V IC kunnen gebruiken om een ​​AVR te ontwikkelen. Het algehele systeemontwerp en het GreenPAK-ontwerp zullen grondig worden beschreven. Om de haalbaarheid en bruikbaarheid van deze AVR te valideren, presenteren we ook de experimentele resultaten die zijn verkregen met een prototype.

Systeemontwerp

Figuur 1:Blokschema. (Bron:BarqEE)

Het functionele blokschema van het voorgestelde AVR-ontwerp is weergegeven in figuur 1. Het systeem is in wezen gebaseerd op een feedbackmechanisme. De AC-spanning aan de uitgang van de AVR is geconditioneerd om deze te verlagen tot de functionele DC-limieten van de SLG46537V IC. Afhankelijk van de gedetecteerde spanning worden de juiste relais aangestuurd door het IC om de geschikte aftakwikkelingen op de autotransformator te selecteren.

De specificaties van een AVR zijn afhankelijk van de specifieke toepassing. In dit artikel heeft onze AVR de volgende specificaties:

• De ingangsspanning varieert van 125 V tot 240 V.
• De uitgangsspanning wordt geregeld tussen 200 V en 240 V.
• Onderspannings- en overspanningsbeveiligingsfuncties zijn aanwezig. Wanneer de uitgangsspanning van de AVR onder 180 V (onderspanning) of boven 255 V (overspanning) komt, wordt de uitgangsvoeding losgekoppeld.
• Er worden vier elektromechanische relais gebruikt in het AVR-ontwerp.
• Een autotransformator wordt gebruikt voor spanningsverhoging met een nul-aansluiting van 0 V en vier extra aftakkingen op 135 V, 174 V, 196 V en 220 V.
• De uitgangsgolfvorm en frequentie zijn ongewijzigd ten opzichte van de ingang.
• Het ontwerp van de AVR (controller) is goedkoop.
• LED-indicatoren worden gebruikt om normale, overspannings- of onderspanningscondities te signaleren.

Merk op dat deze specificaties willekeurig zijn. De opgegeven specificaties kunnen eenvoudig worden aangepast in de configuratie van de GreenPAK IC, afhankelijk van de daadwerkelijke toepassing.

Functioneel ontwerp

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 2:Voorgesteld AVR-ontwerp. (Bron:BarqEE)

Afbeelding 2 toont het voorgestelde functionele ontwerp van de AVR met behulp van de SLG46537V IC.

Stroomconditionering

Het stroomconditioneringsblok voedt de GreenPAK IC. Het neemt de live AC als ingang en verlaagt deze naar 12 V, die verder wordt omgezet naar 5 VDC met behulp van een geschikte spanningsregelaar-IC.

AC-spanningsdetectie

Voor spanningsdetectie is de AC-uitgangsspanning (Live_out ) wordt verlaagd en gecorrigeerd om een ​​laagspannings-gelijkstroomniveau te verkrijgen met behulp van een diode en een resistief scheidingsnetwerk. Vervolgens wordt een uitgangsfilter (elektrolytische condensator) gebruikt om de rimpel te minimaliseren en een constante gelijkmatige gelijkspanning te verkrijgen. Er wordt ook een bypass-condensator gebruikt om de transiënten uit te filteren. Vandaar dat een gefilterde gelijkspanning (Vsense ) is verkregen. Om ervoor te zorgen dat de DC-spanningsniveaus compatibel zijn met het IC, werd een step-down-factor van (ongeveer) 0,01 gebruikt (d.w.z. 200 VAC Û 2 VDC).

GreenPAK

Vsense gebruiken en op basis van GreenPAK-logica (sectie 2) stuurt de IC de vereiste relais (via BJT's) aan voor activering. Digitale uitgangen van het IC worden ook gebruikt om LED-indicatoren te schakelen om de gebruiker te informeren over de normale en over-/onderspanningscondities van de AVR. De schema's van de IC, die de IO-verbindingen tonen, zijn ter referentie verstrekt.

Actuatie

Drie elektromechanische relais (RL1, RL2 en RL3) worden gebruikt om de ingangswisselspanning te schakelen (Live_in ) verbinding tussen de 135 V, 174 V, 196 V en 220 V kranen van de autotransformator. Een vierde elektromechanisch relais (RL4) wordt gebruikt om de AVR-uitgang los te koppelen in geval van onder- of overspanning, waardoor schade aan de aangesloten belasting op de AVR-uitgang wordt voorkomen.

GreenPAK Logic

Het volledige ontwerpbestand dat is gemaakt in de GreenPAK Designer-software (gratis beschikbaar) is hier te vinden.

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 3:GreenPAK-ontwerpschema. (Bron:BarqEE)

Figuur 3 toont het schema van het GreenPAK-ontwerp. Vsense wordt via pin 6 naar verschillende comparatoren gevoerd. Analoge comparatoren ACMP0 en ACMP1 worden gebruikt voor regeling in het normale werkbereik van de AVR, terwijl ACMP2 en ACMP3 worden gebruikt voor detectie van over- en onderspanning. Aangezien de maximale interne referentie van de comparatoren niet hoger dan 1,2 V kan worden ingesteld, wordt een versterking van 0,33 gebruikt om ervoor te zorgen dat de uitgangsspanning kan worden vergeleken en correct kan worden ingedeeld in verschillende bereiken. De referenties van de comparators zijn ingesteld om te voldoen aan de specificaties beschreven in sectie 1.2. Een asynchrone toestandsmachine (ASM) -blok wordt gebruikt om een ​​eindige toestandsmachine op te zetten voor spanningsregeling.

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 4:Eindige-toestandsmachine. (Bron:BarqEE)

Figuur 4 toont de vijf toestanden die worden gebruikt. In elke toestand worden relais 1, 2 en 3 geactiveerd met respectievelijk de ASM-uitgangen OUT3, OUT2 en OUT1. Dit maakt de selectie van de relevante autotransformatorkranen en bijgevolg de autotransformator-draaiverhouding mogelijk. Verplaatsen van toestand 0 naar 4 veroorzaakt een stapsgewijze afname van de omwentelingenverhouding van de autotransformator. Tabel 1 toont de overeenkomst van elke staat met de wikkelverhoudingen.

Tabel 1:AT-draaiverhoudingen die overeenkomen met elke staat (Bron:BarqEE)

Staat 0 1 2 3 4 AT-draaiverhouding 220/135 ≈ 1,63 196/135 ≈ 1,45 220/174 ≈ 1,26 196/174 ≈ 1.13 220/220 =1

Spanningsregeling wordt bereikt met behulp van een toestandsovergang die optreedt als Live_out groter is dan de bovengrens (≈ 240 VAC, ingesteld op basis van ACMP1) of lager dan de ondergrens (≈ 200 VAC, ingesteld op basis van ACMP0). Als een toestand niet het gewenste gereguleerde uitgangsspanningsniveau produceert (200 V

Om ervoor te zorgen dat elektromechanische relais goed werken, worden abrupte toestandsovergangen gecontroleerd door vertragingen in de feedback van het ASM-blok te gebruiken. Hiertoe worden uitgangen van de ASM-blokken OUT3, OUT4, OUT5, OUT6 en OUT7 respectievelijk toegevoerd aan de vertragingsblokken DLY2, DLY3, DLY4, DLY5 en DLY6. Afbeelding 5 toont de configuratie van het RAM-blok van de ASM, waar de status van elk van de binaire uitgangen OUT0 – OUT7 wordt weergegeven.

Figuur 5:RAM-blok. (Bron:BarqEE)

Statussen worden bewaard voor een vooraf gedefinieerde tijdsperiode tp (≈ 0,5 s) die is ingesteld in de vertragingen. Statusovergangen vinden alleen plaats als Live_out minimaal tp buiten het gewenste bereik blijft. Uitgangen van de vertragingen worden teruggekoppeld naar verschillende LUT's (en AND-blokken) samen met uitgangen van ACMP0 en ACMP1, zoals weergegeven in figuur 4. Dit zorgt ervoor dat statusovergangen alleen plaatsvinden als tp verstrijkt en Live_out buiten het gewenste bereik is. De specifieke toestandsovergang hangt af van de uitgangen van ACMP0 en ACMP1. Als bijvoorbeeld State 1 wordt vastgehouden voor tp, is er geen overgang mogelijk naar State 0 en State 2. Als het gewenste spanningsniveau is bereikt, blijft State 1 behouden. Anders vindt er een overgang naar Status 0 en Status 2 plaats, afhankelijk van of Live_out groter is dan de bovengrens of kleiner dan de ondergrens.

Een ander belangrijk kenmerk van het voorgestelde GreenPAK-ontwerp is de bescherming tijdens over- en onderspanning. Comparatoren ACMP2 en ACMP3 worden gebruikt voor respectievelijk over- en onderspanningsomstandigheden. De uitgang van de ACMP2 en de geïnverteerde uitgang van ACMP3 worden doorgegeven aan de vertragingsblokken DLY0 en DLY1 om ervoor te zorgen dat over- en onderspanning niet worden gedetecteerd voor transiënten. Vervolgens worden de uitgangen van DLY0 en DLY1 toegevoerd aan een LUT-blok dat beslist of het een normale, overspannings- of onderspanningstoestand is. Onder normale omstandigheden blijft RLY4 bekrachtigd en regelt de AVR de spanning. Anders is er geen regeling mogelijk en RLY4-ritten. Indicaties voor de normale, overspannings- en onderspanningscondities zijn ook beschikbaar voor de gebruiker.

Experimentele resultaten

Experimentele hardware

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 6:Experimentele opstelling. (Bron:BarqEE)

Figuur 6 toont de experimentele opstelling voor het prototype. Een Variac wordt gebruikt om de ingangswisselspanning te regelen die aan de AVR wordt geleverd. De AVR bevat een autotransformator en een PCB die de besturingsschakelingen bevat. Een GreenPAK-ontwikkelbord is aangesloten op de printplaat om de elektromechanische relais aan te sturen. Een oscilloscoop wordt gebruikt om de ingangs- en uitgangsspanningen te loggen.

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 7:PCB-schakeling. (Bron:BarqEE)

Afbeelding 7 toont het PCB-circuit waar de elektromechanische relais, BJT's en andere hulpcomponenten zijn gemonteerd.

AVR-prestatiegegevens

De prestatiegegevens van de AVR worden als volgt samengevat:

• Belastingsbereik:450 VA – 550 VA
• Ingangsspanningsbereik:125 V – 240
• Uitgangsspanning:200 V – 240
• Frequentie:50 Hz – 60 Hz.
• Isolatieweerstand:> 5 MΩ
• Responstijd:10 msec – 15 msec
• Temperatuurstijging transformator:65 °C – 70 °C (bij 1,2 keer volledige nominale belasting)
• Systeemefficiëntie:> 95%
• Omgevingstemperatuur:0 °C -40 °C

Oscilloscoopresultaten

De volgende afbeeldingen tonen de oscilloscoop-logboeken voor de experimenten. De gele en blauwe markeringen geven respectievelijk de ingangs- en uitgangsspanningen aan.

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 8:Kwantitatieve experimentele samenvatting. (Bron:BarqEE)

Figuur 8 toont de kwantitatieve samenvatting van de experimentele resultaten voor de normale functionaliteit van de AVR. De ingangsspanning wordt in een spanningsbereik (laag naar hoog) gezwaaid en de bijbehorende uitgangsspanning wordt waargenomen. Het IC stuurt met succes de relais aan om de autotransformator-aftakkingen te veranderen en daarmee de wikkelverhouding van 1,63 tot 1 voor spanningsregeling.

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 9:Normale functionaliteit. (Bron:BarqEE)

Afbeelding 9 toont de normale functionaliteit van de AVR waarbij de verhouding tikken voor bochten van 1,63 met succes is bepaald en geselecteerd.

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 10:Overspanning nadert. (Bron:BarqEE)

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 11:Overspanningstoestand. (Bron:BarqEE)

Afbeelding 10 toont de golfvormen van de ingangs- en uitgangsspanningen wanneer de overspanningstoestand nadert. Beide hebben vergelijkbare golfvormen, aangezien de verhouding van tikken voor bochten 1 is.

Afbeelding 11 toont het geval van de overspanningstoestand. Het is te zien dat de uitgangsspanning is gedaald omdat de AVR met succes RL4 heeft geactiveerd voor bescherming.

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 12:Naderende onderspanning. (Bron:BarqEE)

klik voor afbeelding op volledige grootte

Figuur 13:Onderspanningstoestand. (Bron:BarqEE)

Afbeelding 12 toont de golfvormen van de ingangs- en uitgangsspanning wanneer de onderspanningstoestand nadert. De AVR selecteert onder deze voorwaarde de kraan voor maximale draaiverhouding (1,63).

Afbeelding 13 toont het geval van de onderspanningstoestand. Het kan worden opgemerkt dat de uitgangsspanning daalt als RL4 is uitgeschakeld ter bescherming.

Merk op dat er geen frequentieverandering of faseverschuiving van de ingangs- en uitgangsspanningen is wanneer de AVR regelt.

Conclusies

In dit artikel hebben we het gebruik beschreven van programmeerbare ASIC's zoals een GreenPAK SLG46537V IC als controller voor AVR's, die populair zijn in residentiële en industriële toepassingen. De ASIC kan discrete componenten en MCU's vervangen die momenteel in deze toepassingen worden gebruikt. De rol van de SLG46537V in de voorgestelde AVR werd geïllustreerd en het GreenPAK-ontwerp werd grondig uitgelegd. Bovendien werden de details van experimenten op een prototype AVR gepresenteerd om het voorgestelde ontwerp te valideren.

We concluderen dat het circuit voldoende mogelijkheden biedt om als controller te dienen, met name in residentiële AVR's. Daarom kunnen regeleenheden voor AVR's worden ontworpen met behulp van de IC die goedkoop zijn en de PCB-voetafdruk verkleinen. Meer geavanceerde controllers kunnen worden ontworpen met behulp van andere ASIC's die ASM's met meer statussen bieden.

---

Aamir Hussain Chughtai is momenteel een kandidaat van Ph.D. Elektrotechniek bij LUMS, Lahore. Zijn werkgebieden zijn gerelateerd aan Signal Processing, Machine Learning en IoT. Hij is medeoprichter van de in Lahore gevestigde IT-startup BarqEE. U kunt contact opnemen met Aamir via [email protected]. Mohammed Saqib behaalde de MS-graad in Electrical Engineering aan NUCES, Lahore. Zijn belangrijkste werkgebieden zijn onder meer Power Electronics, Embedded Systems en Instrumentation. Hij is medeoprichter van de in Lahore gevestigde IT-startup BarqEE. U kunt contact opnemen met M. Saqib via [email protected].

---

Verwante inhoud:

• Volledig programmeerbare SoC's - Een nieuw soort apparaten
• Hoogwaardige embedded computing – hardwareversnellers
• Een snel reagerend feedbacksysteem ontwerpen voor geminiaturiseerde, door een motor aangedreven ontwerpen
• Analoge bemonstering:wat betekenen nauwkeurigheid, gevoeligheid, precisie en ruis?
• Energie besparen met relais en elektromagneten

Abonneer u voor meer Embedded op de wekelijkse e-mailnieuwsbrief van Embedded.