Mikrokontrolleriohjattu tehokertoimen korjain
Maailman digitalisoituminen tuo mukanaan haasteita laitevalmistajille, jotka käyttävät perinteistä analogista tekniikkaa. Kun kysyntä digitaalisista piiriestä kasvaa, näkyy se edeltävien analogisten piirien valmistuksen lopetuksena. Tällöin niitä käyttävien yritysten on käynnistettävä päivitysprojekteja siirtyäkseen uusiin ratkaisuihin. Jatkuvasti kutistuvan analogiapiirivalikoiman takia onkin syytä kääntää päivittäessä katse kohti digitaalisia ratkaisuja.
Tehokertoimen korjaaminen on tärkeä vaihe sähkönjakeluverkkoon kytkettävän laitteen toiminnassa. Korjaus toteutetaan useimmiten PFC (tehokertoimen korjain) -kytkennällä. Korkealla tehokertoimella vähennetään sähkönjakeluverkon kuormitusta. PFC vaatii ohjausta, joka on perinteisesti toteutettu analogisella ohjaimella eli säätäjällä.
Micropower Oy:lle toimeksiantona tehdyssä opinnäytetyössä tutkittiin PFC-kytkennän analogisen säädinpiirin korvaamista mikro-ohjaimella. Työn tavoitteena oli kartoittaa mikro-ohjainvaihtoehtoja tulevaisuuden kehitystyöhön. Painopiste työssä oli mikro-ohjaimen käytöstä syntyvissä rajoitteissa ja niiden huomioimisessa.
Tutkimus simulaatioympäristössä
Opinnäytetyö toteutettiin simuloimalla PFC-kytkentää sekä sen ohjausta keskittyen ohjaukseen. Kytkentä simuloitiin kahdella ohjelmalla: LTSpice ja Simulink. Yhteensä työssä mallinnettiin tehokertoimen korjain kolmella eri säätäjällä. Kahdessa ensimmäisessä mallinnettiin perinteistä analogista säätäjää ja kolmannessa digitaalista. Kahden ensimmäisen simulaation tuloksia käytettiin digitaalisen säätäjän toimintaa arvioidessa vertailuarvona.
Digitaalisen säätäjän simulaation avulla tutkittiin mikro-ohjaimen eri ominaisuuksien vaikutusta kytkennän toimintaan. Erityistä huomiota kiinnitettiin siihen, kuinka AD (analogidigitaali) -muunnos vaikutti kytkennän toimintaan.
Kriittisimmäksi tekijäksi PFC:n toiminnan kannalta havaittiin AD-muunnoksen nopeus sekä mittaustaajuus. Ne luonnollisesti asettavat rajoitteita kytkennässä, joka operoi korkealla taajuudella. Simulaation avulla määritettiin vähimmäisvaatimukset mikro-ohjaimelle. Näiden perusteella kartoitettiin kyseiseen käyttötarkoitukseen sopivia mikro-ohjaimia. Päällimmäiseksi ehdotuksesi nousi STM32F3-sarjan mikro-ohjaimet.
Digitaalinen tulevaisuus
Vaikka perinteisesti analogisten kytkentöjen digitalisoinnissa esiintyy merkittäviä haasteita, tuo se mukanaan myös mahdollisuuksia. Mikro-ohjaimella toteutettu säätäjä on joustavampi ja vähemmän komponenttien saatavuudesta riippuvainen ratkaisu, kuin perinteinen analoginen säätäjä. Se tarjoaa myös mahdollisuuden toteuttaa uusia ominaisuuksia, jotka eivät ole olleet mahdollisia analogisilla piireillä. Digitaalisten ratkaisujen yleistyessä myös näitä paremmin hyödyntäviä topologioita syntyy jatkuvan tutkimustyön tuloksena.
Lähde:
Pyörre, E. 2023. Microprocessor control of power factor correction – Theseus, Turun ammattikorkeakoulun opinnäytetyö.