Ein effektiverer Ansatz für die Entwicklung automatischer AC-AC-Spannungsregler

Die Entwicklung von AVRs hat sich auf digital gesteuerte Systeme verlagert gebaut mit 8-Bit-Mikrocontrollern, aber programmierbare Mixed-Signal-ASICs bieten Vorteile bei der Reduzierung von Kosten und Größe – besonders wichtig für kleine tragbare AVRs, die in einigen Regionen sehr beliebt sind.

Automatische Spannungsregler (AVRs) werden verwendet, um einen zugeführten Spannungspegel zu regulieren, indem sie jegliche Schwankungen der eingehenden Spannungen ausgleichen. AVRs werden auch allgemein als Spannungsstabilisatoren bezeichnet und finden Anwendung in vielen Industrie- und Wohnanwendungen. AVRs werden beispielsweise in Generatorsätzen auf Schiffen, in Notstromversorgungen und auf Bohrinseln verwendet, um das Spannungsniveau bei Schwankungen des Strombedarfs zu stabilisieren.

Für Energieversorgungsunternehmen ist die Spannungsregelung im Verteilnetz eine zentrale Aufgabe, die die Stromqualität der Endverbraucher bestimmt. Zu diesem Zweck müssen Versorgungsunternehmen eine ordnungsgemäße kurz- und langfristige Planung, Wartung der Energieausrüstung und den Einsatz von Reglern in Verteilungsleitungen sicherstellen. Dies kann jedoch insbesondere in einigen Regionen der Welt eine herausfordernde Aufgabe sein. In vielen südasiatischen Ländern, darunter Pakistan, Indien und Bangladesch, ist das Stromverteilungssystem aufgrund von Stromdiebstahl und mangelnder Stromerzeugung anfällig, was zu Phasen von Lastabwurf und anderen Störungen führen kann. Infolgedessen können Endbenutzer Probleme mit Spannungsschwankungen in der Stromleitung haben. Um die Sicherheit und ordnungsgemäße Funktion teurer Geräte wie Klimaanlagen, Kühlschränke und Fernseher zu gewährleisten, ist die Verwendung kleiner tragbarer AVRs daher sehr beliebt. AVRs sind einfach zu bedienende Geräte, die im Allgemeinen in einem vordefinierten Spannungsbereich arbeiten (z. B. 150 V – 240 V oder 90 V – 280 V).

Funktionell verwenden AVRs im Allgemeinen einen angezapften Autotransformator, um die AC-Ausgabe in einem akzeptablen Bereich zu halten. Ein Rückkopplungsmechanismus wird verwendet, um die Position der Abgriffe zu steuern, indem geeignete Relais geschaltet werden, um die Ausgangsspannung zu regulieren. Diese besteht in der Regel aus zwei Einheiten:einer Sensoreinheit und einer Regeleinheit. Die Aufgabe der Sensoreinheit besteht darin, die Eingangs- und Ausgangsspannungspegel des Stabilisators zu bestimmen, während die Regeleinheit die Ausgangsspannung in akzeptablen vorbestimmten Grenzen hält.

Traditionell werden Operationsverstärker-ICs in Verbindung mit analogen Komparatoren zur Steuerung in relaisbasierten AVR-Designs verwendet. In jüngerer Zeit hat die Verwendung von 8-Bit-Mikrocontrollern (MCUs) in digital gesteuerten kommerziell erhältlichen AVRs erheblich zugenommen. Ähnliche Funktionalitäten und Merkmale können jedoch unter Verwendung kostengünstiger programmierbarer Mixed-Signal-ASICs (anwendungsspezifische integrierte Schaltungen) GreenPAK™ von Dialog Semiconductor erreicht werden. Dieser Austausch kann im Hinblick auf reduzierte Kosten und Platzbedarf vorteilhaft sein und erfordert keine explizite Programmierung einer MCU.

In diesem Artikel erklären wir, wie Entwickler programmierbare ASICs wie einen GreenPAK SLG46537V IC verwenden können, um einen AVR zu entwickeln. Das Gesamtsystemdesign und das GreenPAK-Design werden ausführlich beschrieben. Um die Machbarkeit und Funktionsfähigkeit dieses AVR zu validieren, präsentieren wir auch die experimentellen Ergebnisse eines Prototyps.

Systemdesign

Abbildung 1:Blockschaltbild. (Quelle:BarqEE)

Das Funktionsblockdiagramm des vorgeschlagenen AVR-Designs ist in Abbildung 1 dargestellt. Das System basiert im Wesentlichen auf einem Rückkopplungsmechanismus. Die AC-Spannung am Ausgang des AVR wird aufbereitet, um sie auf die funktionalen DC-Grenzen des SLG46537V IC zu reduzieren. Abhängig von der erfassten Spannung werden vom IC entsprechende Relais angesteuert, um die geeigneten Stufenwicklungen am Spartransformator auszuwählen.

Die Spezifikationen eines AVR hängen von der jeweiligen Anwendung ab. In diesem Artikel hat unser AVR die folgenden Spezifikationen:

• Die Eingangsspannung reicht von 125 V bis 240 V.
• Die Ausgangsspannung wird zwischen 200 V und 240 V geregelt.
• Unterspannungs- und Überspannungsschutzfunktionen werden bereitgestellt. Wenn die AVR-Ausgangsspannung unter 180 V (Unterspannung) fällt oder über 255 V (Überspannung) ansteigt, wird die Ausgangsversorgung getrennt.
• Vier elektromechanische Relais werden im AVR-Design verwendet.
• Für die Spannungserhöhung wird ein Spartransformator verwendet, der über einen 0-V-Neutralanschluss und vier zusätzliche Abgriffe bei 135 V, 174 V, 196 V und 220 V verfügt.
• Die Ausgangswellenform und -frequenz sind gegenüber der Eingabe unverändert.
• Das AVR-Design (Controller) ist kostengünstig.
• LED-Anzeigen werden verwendet, um Normal-, Über- oder Unterspannungszustände anzuzeigen.

Beachten Sie, dass diese Angaben willkürlich sind. Die angegebenen Spezifikationen können in der Konfiguration des GreenPAK IC je nach Anwendungsfall einfach angepasst werden.

Funktionales Design

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Abbildung 2:Vorgeschlagenes AVR-Design. (Quelle:BarqEE)

Abbildung 2 zeigt das vorgeschlagene funktionale Design des AVR mit dem SLG46537V-IC.

Kraftkonditionierung

Der Power Conditioning Block versorgt den GreenPAK IC mit Strom. Es nimmt den aktiven Wechselstrom als Eingang und setzt ihn auf 12 V herunter, die mit einem geeigneten Spannungsregler-IC weiter in 5 VDC umgewandelt wird.

Wechselspannungsmessung

Für die Spannungsmessung wird die AC-Ausgangsspannung (Live_out ) wird heruntertransformiert und gleichgerichtet, um unter Verwendung eines Dioden- und Widerstandsteilernetzwerks einen niedrigen Gleichspannungspegel zu erhalten. Anschließend wird ein Ausgangsfilter (Elektrolytkondensator) verwendet, um die Welligkeit zu minimieren und eine konstante glatte Gleichspannung zu erhalten. Ein Bypass-Kondensator wird auch verwendet, um die Transienten herauszufiltern. Daher wird eine gefilterte Gleichspannung (Vsense ) erhalten. Um sicherzustellen, dass die Gleichspannungspegel mit dem IC kompatibel sind, wurde ein Abwärtsfaktor von (ungefähr) 0,01 verwendet (d. h. 200 VAC Û 2 VDC).

GreenPAK

Vsense verwenden und basierend auf der GreenPAK-Logik (Abschnitt 2) steuert der IC die erforderlichen Relais (über BJTs) zur Ansteuerung an. Digitale Ausgänge des ICs werden auch verwendet, um LED-Anzeigen umzuschalten, um den Benutzer über die normalen und Über-/Unterspannungszustände des AVR zu informieren. Die Schaltpläne des ICs mit den IO-Anschlüssen wurden als Referenz bereitgestellt.

Betätigung

Drei elektromechanische Relais (RL1, RL2 und RL3) werden verwendet, um die Eingangswechselspannung (Live_in ) Verbindung zwischen den Abgriffen 135 V, 174 V, 196 V und 220 V des Spartransformators. Ein viertes elektromechanisches Relais (RL4) wird verwendet, um den AVR-Ausgang bei Unter- oder Überspannung zu trennen und so jegliche Beschädigung der angeschlossenen Last am AVR-Ausgang zu verhindern.

GreenPAK Logic

Die vollständige Designdatei, die mit der GreenPAK Designer-Software (kostenlos erhältlich) erstellt wurde, finden Sie hier.

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Abbildung 3:GreenPAK-Designschema. (Quelle:BarqEE)

Abbildung 3 zeigt das Schema des GreenPAK-Designs. Vsense wird über Pin 6 verschiedenen Komparatoren zugeführt. Die analogen Komparatoren ACMP0 und ACMP1 dienen der Regelung im normalen Arbeitsbereich des AVR, während ACMP2 und ACMP3 der Über- und Unterspannungserkennung dienen. Da die maximale interne Referenz der Komparatoren nicht größer als 1,2 V eingestellt werden kann, wird eine Verstärkung von 0,33 verwendet, um sicherzustellen, dass die Ausgangsspannung verglichen und in verschiedene Bereiche richtig kategorisiert werden kann. Die Referenzen der Komparatoren sind so eingestellt, dass sie die in Abschnitt 1.2 beschriebenen Spezifikationen erfüllen. Ein Block einer asynchronen Zustandsmaschine (ASM) wird verwendet, um eine endliche Zustandsmaschine für die Spannungsregelung einzurichten.

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Abbildung 4:Finite State Machine. (Quelle:BarqEE)

Abbildung 4 zeigt die fünf verwendeten Zustände. In jedem Zustand werden die Relais 1, 2 und 3 über die ASM-Ausgänge OUT3, OUT2 bzw. OUT1 angesteuert. Dies ermöglicht die Auswahl der relevanten Autotransformator-Anzapfungen und folglich des Autotransformator-Umdrehungsverhältnisses. Das Verschieben von Zustand 0 nach 4 bewirkt eine schrittweise Verringerung des Autotransformator-Windungsverhältnisses. Tabelle 1 zeigt die Entsprechung jedes Zustands zu den Windungsverhältnissen.

Tabelle 1:AT-Wendeverhältnisse entsprechend den einzelnen Bundesstaaten (Quelle:BarqEE)

Staat 0 1 2 3 4 AT-Wendeverhältnis 220/135  1,63 196/135 1,45 220/174  1,26 196/174  1,13 220/220 =1

Die Spannungsregelung wird durch einen Zustandsübergang erreicht, der auftritt, wenn Live_out größer als der obere Grenzwert (≈ 240 VAC, eingestellt durch Bezug von ACMP1) oder kleiner als der untere Grenzwert (≈ 200 VAC, eingestellt durch Bezug von ACMP0) ist. Wenn irgendein Zustand nicht den gewünschten geregelten Ausgangsspannungspegel (200 V

Um sicherzustellen, dass elektromechanische Relais richtig funktionieren, werden abrupte Zustandsübergänge durch Verzögerungen in der Rückmeldung des ASM-Blocks gesteuert. Zu diesem Zweck werden die Ausgänge des ASM-Blocks OUT3, OUT4, OUT5, OUT6 und OUT7 den Verzögerungsblöcken DLY2, DLY3, DLY4, DLY5 bzw. DLY6 zugeführt. Abbildung 5 zeigt die Konfiguration des RAM-Blocks des ASM, wobei der Status jedes der Binärausgänge OUT0 – OUT7 angezeigt wird.

Abbildung 5:RAM-Block. (Quelle:BarqEE)

Zustände werden für eine vordefinierte Zeitdauer tp (≈ 0,5 s) beibehalten, die in den Verzögerungen eingestellt ist. Zustandsübergänge treten nur auf, wenn Live_out für mindestens tp außerhalb des gewünschten Bereichs bleibt. Die Ausgänge der Verzögerungen werden zusammen mit den Ausgängen von ACMP0 und ACMP1 an verschiedene LUTs (und UND-Blöcke) zurückgekoppelt, wie in Abbildung 4 gezeigt. Dadurch wird sichergestellt, dass Zustandsübergänge nur dann auftreten, wenn tp abgelaufen ist und Live_out außerhalb des gewünschten Bereichs liegt. Der jeweilige Zustandsübergang hängt von den Ausgängen von ACMP0 und ACMP1 ab. Wenn beispielsweise Zustand 1 für tp beibehalten wird, ist kein Übergang zu Zustand 0 und Zustand 2 möglich. Wenn der gewünschte Spannungspegel erreicht wurde, wird Zustand 1 beibehalten. Andernfalls erfolgt ein Übergang zu State 0 und State 2, je nachdem, ob Live_out größer als die Obergrenze oder kleiner als die Untergrenze ist.

Ein weiteres wichtiges Merkmal des vorgeschlagenen GreenPAK-Designs ist der Schutz bei Über- und Unterspannungsbedingungen. Die Komparatoren ACMP2 und ACMP3 werden für Überspannungs- bzw. Unterspannungsbedingungen verwendet. Der Ausgang von ACMP2 und der invertierte Ausgang von ACMP3 werden an die Verzögerungsblöcke DLY0 und DLY1 geleitet, um sicherzustellen, dass Über- und Unterspannungszustände für keine Transienten erkannt werden. Anschließend werden die Ausgänge von DLY0 und DLY1 einem LUT-Block zugeführt, der entscheidet, ob es sich um einen Normal-, Überspannungs- oder Unterspannungszustand handelt. Unter normalen Bedingungen wird RLY4 mit Strom versorgt und der AVR regelt die Spannung. Ansonsten ist keine Regelung möglich und RLY4 fährt. Dem Benutzer werden auch Angaben zu den Normal-, Überspannungs- und Unterspannungszuständen bereitgestellt.

Experimentelle Ergebnisse

Experimentelle Hardware

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Abbildung 6:Versuchsaufbau. (Quelle:BarqEE)

Abbildung 6 zeigt den Versuchsaufbau des Prototyps. Ein Variac wird verwendet, um die dem AVR zugeführte Eingangswechselspannung zu steuern. Der AVR enthält einen Spartransformator und eine Platine, die die Steuerschaltung enthält. Ein GreenPAK-Entwicklungsboard ist mit der Platine verbunden, um die elektromechanischen Relais zu steuern. Ein Oszilloskop wird verwendet, um die Eingangs- und Ausgangsspannungen aufzuzeichnen.

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Abbildung 7:PCB-Schaltung. (Quelle:BarqEE)

Abbildung 7 zeigt die PCB-Schaltung, in der die elektromechanischen Relais, BJTs und andere Hilfskomponenten montiert sind.

AVR-Leistungsdaten

Die Leistungsdaten des AVR sind wie folgt zusammengefasst:

• Lastbereich:450 VA – 550 VA
• Eingangsspannungsbereich:125 V – 240
• Ausgangsspannung:200 V – 240
• Frequenz:50 Hz – 60 Hz.
• Isolationswiderstand:> 5 MΩ
• Reaktionszeit:10 ms – 15 ms
• Übertemperatur Transformator:65 °C – 70 °C (bei 1,2-facher Nennlast)
• Systemeffizienz:> 95 %
• Umgebungstemperatur:0 °C -40 °C

Oszilloskop-Ergebnisse

Die folgenden Abbildungen zeigen die Oszilloskopprotokolle für das Experimentieren. Die gelben und blauen Markierungen zeigen die Eingangs- bzw. Ausgangsspannungen an.

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Abbildung 8:Quantitative experimentelle Zusammenfassung. (Quelle:BarqEE)

Abbildung 8 zeigt die quantitative Zusammenfassung der experimentellen Ergebnisse für die normale Funktionalität des AVR. Die Eingangsspannung wird in einem Spannungsbereich (niedrig bis hoch) gesweept und die entsprechende Ausgangsspannung beobachtet. Der IC steuert erfolgreich die Relais an, um die Autotransformator-Abgriffe und damit das Übersetzungsverhältnis von 1,63 auf 1 für die Spannungsregelung zu ändern.

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Abbildung 9:Normale Funktionalität. (Quelle:BarqEE)

Abbildung 9 zeigt die normale Funktionalität des AVR, bei der das Gewindebohrer-Umdrehungsverhältnis von 1,63 erfolgreich bestimmt und ausgewählt wurde.

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Abbildung 10:Nahende Überspannung. (Quelle:BarqEE)

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Abbildung 11:Überspannungszustand. (Quelle:BarqEE)

Abbildung 10 zeigt die Wellenformen der Eingangs- und Ausgangsspannung, wenn sich der Überspannungszustand nähert. Beide haben ähnliche Wellenformen, da der Abgriff für das Windungsverhältnis 1 ist.

Abbildung 11 zeigt den Fall des Überspannungszustands. Es ist zu sehen, dass die Ausgangsspannung zusammengebrochen ist, da der AVR RL4 zum Schutz erfolgreich ausgelöst hat.

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Abbildung 12:Annäherung an Unterspannung. (Quelle:BarqEE)

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Abbildung 13:Unterspannungszustand. (Quelle:BarqEE)

Abbildung 12 zeigt die Eingangs- und Ausgangsspannungswellenformen, wenn sich der Unterspannungszustand nähert. Der AVR wählt unter dieser Bedingung den Gewindebohrer für das maximale Übersetzungsverhältnis (1,63).

Abbildung 13 zeigt den Fall des Unterspannungszustands. Es ist zu beobachten, dass die Ausgangsspannung abfällt, da RL4 zum Schutz ausgelöst wurde.

Beachten Sie, dass es keine Frequenzänderung oder Phasenverschiebung der Eingangs- und Ausgangsspannung gibt, wenn der AVR regelt.

Schlussfolgerungen

In diesem Artikel haben wir die Verwendung von programmierbaren ASICs wie einem GreenPAK SLG46537V IC als Controller für AVRs beschrieben, die in Wohn- und Industrieanwendungen beliebt sind. Der ASIC kann diskrete Komponenten und MCUs ersetzen, die derzeit in diesen Anwendungen verwendet werden. Die Rolle des SLG46537V im vorgeschlagenen AVR wurde veranschaulicht und das GreenPAK-Design ausführlich erklärt. Darüber hinaus wurden die Details von Experimenten an einem AVR-Prototyp vorgestellt, um das vorgeschlagene Design zu validieren.

Wir schließen daraus, dass die Schaltung reichlich Möglichkeiten bietet, um als Controller zu dienen, insbesondere in Wohn-AVRs. Daher können mit dem IC Steuergeräte für AVRs entworfen werden, die kostengünstig sind und den PCB-Footprint reduzieren. Anspruchsvollere Controller können mit anderen ASICs entworfen werden, die ASMs mit mehr Zuständen anbieten.

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Aamir Hussain Chughtai ist derzeit ein Kandidat für Ph.D. Elektrotechnik bei LUMS, Lahore. Seine Arbeitsgebiete beziehen sich auf Signalverarbeitung, Machine Learning und IoT. Er ist Mitbegründer des in Lahore ansässigen IT-Startups BarqEE. Aamir kann unter [email protected] kontaktiert werden. Mohammed Saqib erhielt den M.S.-Abschluss in Elektrotechnik von NUCES, Lahore. Zu seinen Arbeitsschwerpunkten gehören Leistungselektronik, Embedded Systems und Instrumentation. Er ist Mitbegründer des in Lahore ansässigen IT-Startups BarqEE. M. Saqib kann unter [email protected] kontaktiert werden.

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