Исследование и разработка инверторов напряжения с шим с пассивной фазой
На правах рукописи
Хухтиков Сергей Витальевич ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИНВЕРТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ С ШИМ С ПАССИВНОЙ ФАЗОЙ Специальность 05.09.12 – Силовая электроника
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учной степени кандидата технических наук
Москва 2013 2
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» на кафедре промышленной электроники.
Научный руководитель Чаплыгин Евгений Евгеньевич.
кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ», Институт радиотехники и электроники, профессор кафедры «Промышленной электроники» Официальные оппоненты Осипов Олег Иванович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ», Институт электротехники, профессор кафедры «Автоматизированного электропривода» Аверин Сергей Владимирович.
кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «МАИ (НИУ)», зав. кафедрой «Микроэлектронные электросистемы» Ведущая организация ЗАО «ММП-Ирбис», г. Москва.
Защита состоится «06» июня 2013 г. в 12 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.157.12 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 13, аудитория Е-511.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим присылать по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Учный совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».
Автореферат диссертации разослан «» 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.12, к.т.н., доцент Ремизевич Т.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
.
Актуальность проблемы. Настоящее диссертационное исследование посвящено проблемам, связанным с одним из наиболее востребованных устройств преобразовательной техники – устройством, преобразующим постоянное напряжение в трхфазное переменное, называемым автономным инвертором напряжения (АИН) или DC/AC преобразователем. Данный тип преобразователей необходим для использования c трехфазными двигателями, требующими изменения частоты для регулирования скорости, для создания источников бесперебойного питания потребителей трехфазным током и в ряде других отраслей техники. Выходное напряжение в современных трехфазных АИН формируется методами широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
При использовании IGBT-транзисторов частота коммутации силовых полупроводниковых приборов достигает 10-20 кГц, при этом коммутационные потери в силовых приборах достигают 50 % общих потерь. В связи с этим разработаны современные разновидности ШИМ, применение которых позволяет снизить коммутационные потери, повысить к.п.д. и уменьшить затраты на охлаждение. Получил распространение способ формирования, называемый в отечественной литературе «векторной» или «симплексной» ШИМ. Термины эти малоинформативны, поскольку способы управления, основанные на преобразованиях обобщенного вектора, позволяют реализовать всевозможные разновидности ШИМ. Более точным определением этого класса способов формирования выходного напряжения является – ШИМ с пассивной фазой.
Степень разработанности проблемы. Несмотря на большое количество исследований и наличие внедренных в промышленность образцов, в данной области науки и техники остается много нерешенных вопросов. Во-первых, рассмотрены только разновидности ШИМ, в которых пассивной выбирается фаза, формирующая максимальное по величине напряжение (или ток), в то время как существуют возможности разработки иных алгоритмов переключения с пассивной фазой. Во вторых, несмотря на то, что показатели качества выходного напряжения инверторов при реализации ШИМ с пассивной фазой заметно хуже, чем при применении «классической» ШИМ, поиски способов улучшения качества выходного напряжения не проводились. В-третьих, наибольшее распространение для управления преобразователями получили способы, основанные на преобразовании обобщенного вектора. В то же время известны альтернативные пути реализации алгоритма управления. Сравнения различных способов построения систем управления ранее не проводилось.
Целью работы является исследование и усовершенствование алгоритмов управления АИН, основанных на применении ШИМ с пассивной фазой, выявление их достоинств и недостатков, а также сравнительный анализ различных способов реализации микропроцессорных систем управления инверторами с ШИМ с пассивной фазой.
Задачи диссертации. Поставленная цель достигается решением следующих задач:
1. Исследованы существующие алгоритмы управления трехфазным инвертором напряжения и способы их формирования (векторный способ и способ, основанный на формировании напряжения предмодуляции).
2. Предложены альтернативные способы реализации ШИМ с пассивной фазой, проведено сравнение их с известными способами по коммутационным потерям и показателям качества выходного напряжения.
3. Исследовано применение ШИМ с пассивной фазой для инверторов, предназначенных для работы на несимметричную нагрузку.
4. Проведен анализ способов построения и сравнение различных микропроцессорных систем управления инверторами с ШИМ с пассивной фазой.
Методология и методы исследований базируются на общих положениях теории цепей, теории дифференциальных и алгебраических уравнений и использовании современных инструментальных систем моделирования: MatLab, спектральные методы анализа вентильных преобразователей в базисе MathCAD. Проводились эксперименты на макете АИН полной мощностью 3 кВА.
Достоверность научных результатов обеспечена сочетанием компьютерного моделирования и воспроизведением основных зависимостей на физической модели (макете) устройства.
Научная новизна работы:
1. Определены условия, выполнение которых необходимо для построения алгоритма управления трехфазным инвертором для снижения потерь на коммутацию ключей и повышения отношения основной гармоники выходного напряжения к напряжению питания обеспечивающих высокое качество выходного напряжения.
2. Разработаны и исследованы оригинальные способы реализации ШИМ с пассивной фазой для мостового инвертора, позволяющие воздействовать на ширину области спектра, в которой группируются комбинационные гармоники. Установлено, что при увеличении периода повторения сигнала предмодуляции происходит значительное сужение области комбинационных гармоник и практически исключается их проникновение в низкочастотную часть спектра выходного напряжения.
3. Разработана методика анализа, отличающаяся оценкой потерь на коммутацию для различных разновидностей ШИМ без полного расчета коммутационных потерь.
4. Установлено, что векторные способы построения микропроцессорных систем управления инвертором значительно уступают координатным способам по быстродействию и требуют использования бльших объемов памяти микроконтроллера.
Теоретическая и практическая значимость работы:
1. Предложены новые способы построения СУ инвертором, позволяющие значительно снизить коммутационные потери (от 25 до 50% в зависимости от варианта) при улучшении гармонического состава выходного напряжения.
2. Разработаны алгоритмы управления при работе инвертора на несимметричную нагрузку, позволяющие снизить коммутационные потери при сохранении качества выходного напряжения на должном уровне.
3. Рассмотрены основные требования к микропроцессорной системе управления инвертором. Разработаны алгоритмы управления, позволяющие снизить требования к вычислительной мощности микроконтроллера.
4. Предложен универсальный алгоритм построения координатной системы управления инвертором, позволяющий формировать любой способ формирования ШИМ с пассивной фазой, рассмотренный в данной работе.
Основные положения, выносимые на защиту:
Методика синтеза управляющего сигнала для управления трехфазным инвертором.
Результаты оценки различных способов управления формирования ШИМ с пассивной фазой в сравнении с «классической» ШИМ по гармоническому составу выходного напряжения и потерям в силовых ключах для трехфазных инверторов с симметричной и несимметричной нагрузкой.
Результаты сравнения различных способов построения микропроцессорных систем управления, альтернативные алгоритмы построения системы управления.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием известных положений фундаментальных наук, совпадением теоретических результатов с экспериментальными данными.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научных семинарах кафедры Промышленной электроники МЭИ и на международных научно технических конференциях студентов и аспирантов в 2010, 2011 и 2012 г.г.
Публикации. по результатам работы опубликовано 6 работ: 3 статьи и публикации тезисов докладов, из них три в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений. Содержит 169 стр. текста (без приложений), 17 таблиц и 36 рисунков. Список литературы содержит 101 элемент на страницах.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
.
Во введении обоснована актуальность темы, рассмотрена степень е разработанности, сформулированы цели и задачи исследований, определены методы исследования и положения, выносимые на защиту, рассмотрена степень достоверности полученных результатов.
В первой главе диссертационной работы рассматриваются известные способы управления АИН для мостового инвертора (рисунок 1) и выбраны критерии, по которым проводится сравнение способов управления.
Сопоставлены два способа построения управления инвертором, позволяющие получить ШИМ с пассивной фазой (ПФ) и повышенное отношение выходного напряжения к напряжению питания:
Рисунок 1 Трехфазный мостовой инвертор Рисунок 2 Структурная схема "векторной" ШИМ Использование аппарата обобщенного вектора, который широко применяется при анализе процессов в электрических машинах. Структурная схема "векторной" ШИМ строится в Рисунок 3 Управляющие сигналы для "векторной" ШИМ соответствии с рисунком 2, а на рисунке 3 представлены полученные сигналы управления, подаваемые на модулятор.
Способ, основанный на применении принципа предмодуляции, Рисунок 4 Управляющие сигналы, полученные с помощью предмодуляции который описывается системой уравнений (1). На рисунке 4 показаны полученные управляющие сигналы.
vуA ( ) vэт. A ( ) vпм ( ) U m kм sin( ) vпм ();
vуB ( ) vэт. B ( ) vпм ( ) U m kм sin( ) vпм ( );
(1) vуC ( ) vэт.C ( ) vпм ( ) U m kм sin( ) vпм ( ), где vэт. A ( ), vэт. B ( ), vэт.C ( ) - эталонной сигнал синусоидальной формы, vпм ( ) - сигнал предмодуляции, одинаковый для всех фаз, Um – максимально допустимая амплитуда управляющего сигнала, kм – коэффициент модуляции.
Показано, что ШИМ с пассивной фазой, полученная путем синтеза сигнала предмодуляции и «векторная» ШИМ имеют идентичные кривые управляющих сигналов и одинаковый алгоритм переключения. На этом основании сделан вывод, что способ получения алгоритма переключения является вторичным, поэтому за основу принято исследование алгоритмов переключения.
В силу большого объема модельного эксперимента в качестве основного выбран спектральный метод моделирования модифицированный метод переключающихся функций, отличающийся повышенной производительностью.
Результаты моделирования проверены на имитационных моделях и макете инвертора.
В конце первой главы приводится спектральная модель мостового инвертора с ШИМ с пассивной фазой, которая в дальнейшем использована как базовая.
Во второй главе на основании проведенного анализа сформулированы требования к сигналу предмодуляции, которые обеспечивают формирование ШИМ с пассивной фазой с повышенным отношением выходного напряжения к напряжению питания инвертора:
1. В каждый момент времени пассивной должна быть одна из фаз инвертора.
2. На периоде повторения кривых управляющего сигнала область работы в пассивном режиме должна составлять 1/3 длительности периода повторения. Это обеспечивает равенство коммутационных потерь во всех фазах.
3. Кривые управляющих сигналов на периоде повторения должны быть симметричны, что обеспечивает равенство потерь во всех фазах.
4. Для достижения предельных значений коэффициента модуляции амплитуда сигнала предмодуляции должна быть минимизирована.
Для выполнения данных требований выбор пассивной фазы вблизи экстремальных значений эталонного сигнала фазы может осуществляться по двум алгоритмам:
– Версия А. Пассивной является фаза, управляющий сигнал которой находится в области экстремальных значений. На рисунке 5 представлены времена Рисунок 5 Выбор пассивной фазы по версии А формирования пассивной фазы.
Обозначение А+ информирует о том, что на данном интервале периода фаза А подключается к «+» шины питания инвертором.
– Версия Б. Пассивными являются Рисунок 6 Выбор пассивной фазы по версии Б другие фазы, причем включаются транзисторы, принадлежащие к противоположной группе по сравнению с группой, проводящей ток в режиме версии А (Рисунок 6).
На основе этих положений были рассмотрены следующие варианты формирования сигнала предмодуляции:
Общеизвестный вариант формирования, где выбор пассивной фазы происходит при экстремальных значениях напряжения, обозначим как вариант ПФ по максимуму напряжения (вар. 0) (рисунок 4). При формировании данного варианта использовался только алгоритм версии А (рисунок 5).
Второй ранее изученный вариант - вариант 1 ПФ по максимуму тока (вар. 1). При симметричной нагрузке фактически отличается от варианта тем, что сдвигается что начало и конец Рисунок 7 Управляющий сигнал фазы А для вар. интервалов работы фазы в пассивном режиме смещаются на угол (рисунок 7). Для построения такой системы управления необходимо иметь датчики тока в каждой фазе. При формировании данного варианта используется как алгоритм версии А, так и алгоритм версии Б.
Были предложены следующие ранее не изученные варианты формирования сигнала предмодуляции:
Вариант с увеличенным периодом сигнала предмодуляции: период повторения сигнала предмодуляции равен 10/3, а период повторения управляющего сигнала составляет 5 периодов основной частоты. Назовем его вариант 2 с увеличенным периодом (вар. 2). Для реализации используется алгоритм формирования ПФ как по версии А, так и по версии Б. (рисунок 8) Еще один вариант с увеличенным периодом сигнала предмодуляции. Так же, как и в вар. 2, период повторения сигнала предмодуляции равен 10/3, а период повторения управляющего сигнала составляет 5 периодов основной частоты. Но в отличии от предыдущего варианта, данный алгоритм реализуется только по версии А. Назовем данный вариант 2а с увеличенным периодом (вар. 2а).
(рисунок 9) Вариант 3 «Зеркальный» (вар.
Рисунок 8 Управляющий сигнал фазы А для вар. 3): В данной разновидности ШИМ с пассивной фазой период повторения управляющего сигнала равен периоду основной частоты, а период повторения сигнала предмодуляции Рисунок 9 Управляющий сигнал фазы А для вар. 2а равен 2/3. При реализации данного алгоритма используется исключительно версия Б (Рисунок 6), таким образом в данном варианте пассивная фаза формируется с Рисунок 10 Управляющий сигнал фазы А для вар. помощью ключей, расположенных «зеркально» по сравнению с вар.0.
(рисунок 10) Вариант 4 с уменьшенным периодом сигнала предмодуляции (вар.
Рисунок 11 Управляющий сигнал фазы А для вар. 4): В этом варианте построения кривой управляющего сигнала последовательно чередуются версии А и Б. Каждая фаза трижды становится пассивной за половину периода выходной частоты и пребывает в пассивном состоянии на протяжении угла /9. (рисунок 11) В результате спектрального моделирования рассчитана интенсивность высших гармонических составляющих в спектре ШИМ-последовательности, называемый коэффициент гармоник:
A w C k k A w kг.к, (2) C где C1 – амплитуда основной гармоники выходного напряжения, A = fком/fвых - коэффициент, равный отношению частоте коммутации силовых ключей к выходной частоте инвертора, w - ширина области комбинационных гармоник.
Ширина области комбинационных гармоник w (граница области интенсивных комбинационных гармоник) определена из условия учета гармоник, амплитуда которых выше 3% от амплитуды основной гармоники.
Рисунок 12 Ширина области комбинационных гармоник Данные показывают, что все рассмотренные разновидности ШИМ с пассивной фазой имеют примерно одинаковый коэффициент гармоник, определяемый по выражению (2), но ширина области комбинационных гармоник w зависит от частоты повторения сигнала предмодуляции, и в вар. 2 она минимальна, а в вар. 4 максимальна. (рисунок 12) На рисунках 13 и 14 представлены спектры выходного напряжения инвертора при коэффициенте модуляции 0,3 и А=200 при использовании вар. 2, при этом возможно снижение частоты коммутации ключей инвертора, причем комбинационные Рисунок 13 Спектр выходного напряжения при вар. гармоники не попадают в область низких частот даже при низких коэффициентах модуляции, за счет чего Рисунок 14 Спектр выходного напряжения при вар. можно добиться снижения потерь в нагрузке.
Предложен способ оценки коммутационных потерь в инверторах с различными вариантами ШИМ не использующий параметры конкретных полупроводниковых приборов.
Известна полученная эмпирически формула для расчета динамических потерь:
Kv I E Pдин f k W0 н (3) I 0 E где W0 Eon Eoff энергия, выделяющая на включение и выключение IGBT, I 0 - номинальный средний ток через полупроводниковый прибор, U кэ max - половина от максимального напряжения IGBT между коллектором и E эмиттером, Kv - коэффициент, равный от 1,3 до 1,5в зависимости от класса ключа. Например для IGBT 1700В Kv 1,35.
Поскольку сравнение вариантов управляющих сигналов ведется при одинаковом напряжении питания и одинаковой частоте коммутации, то коммутационные потери пропорциональны среднему коммутируемому току через прибор.
Введен и рассчитан параметр kт, характеризующий средний коммутируемый ток приборов для различных вариантов ШИМ с пассивной фазой и позволяющий сравнивать потери на коммутацию без полного расчета коммутационных потерь:
I (4) kт т.ср.
I max В таблице Таблица 1. Параметр kт при изменении угла нагрузки представлены результаты Класс. Вар.0 Вар.1 Вар.1 Вар.2 Вар 2a Вар. расчета параметра kт при ШИМ 12 различном фазовом угле =0 0,954 0,477 0,495 0,54 0,528 0,54 0, нагрузки. =/12 0,954 0,495 0,477 0,495 0,543 0,543 0, =/6 0,954 0,54 0,495 0,477 0,585 0,573 0, Видно, что =/4 0,954 0,618 0,54 0,495 0,639 0,615 0, коммутационные потери =/3 0,954 0,717 0,618 0,54 0,69 0,654 0, возможно уменьшить в 2 =5/12 0,954 0,798 0,717 0,618 0,726 0,69 0, =/2 0,954 0,828 0,798 0,717 0,738 0,717 0, раза по сравнению с синусоидальной версией ШИМ. В наибольшей степени "классической" коммутационные потери снижаются для реализации Вар.1 при согласованном выборе положения пассивной фазы.
В третьей главе рассматривались способы формирования ШИМ с пассивной фазой при работе инвертора на несимметричную нагрузку. При подключении несимметричной нагрузки, соединенной в звезду без Рисунок 15 Инвертор с дополнительным полумостом вывода нейтрали, принципиально невозможно добиться равенства фазных напряжений в мостовом инверторе, поэтому была исследована схема "Трехфазный инвертор с дополнительным полумостом" (Рисунок 15). На основе методики, изложенной в главе 2, рассмотрены варианты формирования ШИМ с пассивной фазой в инверторе с дополнительным полумостом:
Вар. 0 ПФ по максимуму напряжения – пассивный режим в фазе формируется на интервале длительностью 60 град. вблизи максимального или минимального значения кривой фазного напряжения.
Вар. 1 ПФ по максимуму тока – пассивный режим формируется в окрестности максимального или минимального значения кривой фазного тока. При работе на несимметричную нагрузку длительности пассивных интервалов в различных фазах могут быть неодинаковыми.
Таблица 2. Коэффициент гармоник kг.к для различных вариантов ШИМ Разновидность ШИМ Коэффициент модуляции kм 0,6 0,7 0,8 0,9 «Классическая» ШИМ По фронту 1,263 1,211 1,154 1,094 1, Двухстор. 0,543 0,62 0,69 0,753 0, Коэффициент модуляции для пассивной фазы Kмp 0,7 0,8 0,9 1 1, По фронту Вар.0 0,881 0,833 0,817 0, 0, Двухстор. 0,881 0,833 0,817 0, 0, Вар. 1, симметричная По фронту 0,816 0,785 0,784 0, 0, нагрузка Двухстор. 0,816 0,785 0,784 0, 0, Вар. 1, несимметричная По фронту 1,069 1,015 0,963 0, 0, нагрузка Двухстор. 1,069 1,015 0,963 0, 0, В таблице 2 приведены значения коэффициентов гармоник kг.к при различных коэффициентах модуляции. Рассмотрена работа на симметричную нагрузку с фазовым углом = 30° и работа на существенно несимметричную нагрузку:
амплитуды токов в фазах А и В максимальны, амплитуда тока фазы С в 10 раз меньше, фазовый угол нагрузки в фазах А и С равен 30 град, в фазе B угол = 0.
Гармонический состав выходного напряжения, получаемого с помощью ШИМ с пассивной фазой, хуже, чем в «классической» ШИМ с двухсторонней модуляцией.
Однако при работе с коэффициентом модуляции, близким к максимально возможным значениям, что характерно для источников гарантийного питания, наибольшая разница коэффициента kг.к «классической» ШИМ и ШИМ с пассивной фазой не превышает 20%.
При работе на несимметричную нагрузку появляются пульсации на стороне постоянного тока с частотой 2fвых. На рисунке 16 представлены результаты моделирования реализации ШИМ в различных нагрузочных режимах:
I. Токи фаз А и В максимальны, ток фазы С в 2 раза меньше, A = B = C =0о.
II. Токи фаз А и В максимальны, ток фазы С в 2 раза меньше, A=B=C=30 о.
III. Токи фаз А и В максимальны, ток Рисунок 16 Коэффициенты пульсации тока о источника питания kп в % фазы С в 10 раз меньше, A=B=C=0.
IV. Токи фаз А и В максимальны, ток фазы С в 10 раз меньше, A=С=0 о, В=30о.
Коэффициент модуляции kм = 0,9 kм.макс.
Установлено, что при любом способе формирования ШИМ коэффициенты пульсации в цепи постоянного тока имеют фактически одинаковые значения.
Для сравнения коммутационных потерь различных типов ШИМ с пассивной фазой в инверторе с дополнительным полумостом в зависимости от нагрузки рассчитан параметр kт, характеризующий средний коммутируемый ток приборов (Таблица 3).
Применение ШИМ с пассивной фазой позволяет значительно снизить потери на коммутацию как в симметричных, так и в несимметричных режимах. Наименьшие коммутационные потери достигаются при реализации вар. 1, но для его реализации необходимы датчики тока в каждой фазе.
В главе 4 диссертационной работы рассмотрены основные требования к микропроцессорной системе управления инвертором.
Проведен анализ способов построения различных микропроцессорных систем управления инверторами с ШИМ с пассивной фазой, а также проведено сравнение их показателей. Практическая реализация микропроцессорной системы управления осуществлена на цифровом сигнальном процессоре TMS320F2808 (DSP).
Таблица 3. Коэффициенты коммутационных потерь kт Разновидность kм / Kмp Режим ШИМ Сим., I II III IV =30.
0.1 1.906 1.988 1.931 1.965 1. 0.2 1.911 1.929 1.92 1.919 1. 0.3 1.918 1.911 1.906 1.907 1. 0.4 1.913 1.906 1.903 1.904 1. «Классическая» 0.5 1.916 1.911 1.906 1.909 1. ШИМ 0.6 1.922 1.918 1.909 1.915 1. 0.7 1.924 1.937 1.907 1.929 1. 0.8 1.925 1.967 1.907 1.95 1. 0.9 1.927 2.025 1.909 1.986 1. 1 1.927 2.101 1.907 2.024 1. 0.1 / 0.115 1,618 1,609 1,625 1,674 1, 0.2 / 0.23 1,357 1,43 1,407 1,356 1, 0.3 / 0.345 1,219 1,313 1,305 1,264 1, 0.4 / 0.46 1,172 1,249 1,272 1,25 0, Вариант. 0. 0.5 / 0.575 1,153 1,217 1,258 1,247 0, 0.6 / 0.69 1,139 1,199 1,253 1,25 1, 0.7 / 0.805 1,138 1,187 1,249 1,255 1, 0.8 / 0.92 1,14 1,179 1,25 1,272 1, 0.9/ 1.035 1,144 1,196 1,252 1,295 1, 1/ 1.15 1,15 1,268 1,256 1,329 1, 0.1 / 0.115 1,598 1,608 1,535 1,665 1, 0.2 / 0.23 1,441 1,279 1,412 1,286 1, 0.3 / 0.345 1,367 1,163 1,356 1,174 0, 0.4 / 0.46 1,319 1,156 1,331 1,154 0, 0.5 / 0.575 1,332 1,149 1,328 1,15 0, Вариант. 1а. 0.6 / 0.69 1,33 1,15 1,321 1,149 0, 0.7 / 0.805 1,29 1,156 1,315 1,153 0, 0.8 / 0.92 1,239 1,182 1,321 1,171 0, 0.9/ 1.035 1,033 1,144 1,19 1,18 0, 1/ 1.15 1,02 1,22 1,157 1,214 0, Была синтезирована векторная система управления на основе библиотеки модулей, находящейся в свободном распространении на сайте фирмы Texas Instruments. Для примера рассматривалась бездатчиковая разомкнутая система управления.
Предложен альтернативный способ построения координатной системы управления - управление по линейному напряжению, для которого в памяти необходимо хранить 1/ Таблица 3 Сравнение различных способов построения системы части периода управления инвертором.
Способ СУ Затраты Временные эталонного сигнала.
памяти, затраты, Формирование сигнала слово цикл Векторная СУ с табличным 512 управления происходит синусом элементарными Векторная СУ с расчетом 10 операциями, благодаря тригонометрических функций чему данный способ СУ по линейному 43 позволяет снизить напряжению требования к Координатная СУ (хранение 7680 3-х кривых управляющих вычислительной сигналов для каждой фазы мощности при различных микроконтроллера и коэффициентах модуляции) Координатная СУ (хранение 768 повысить 3-х кривых управляющих быстродействие сигналов для каждой фазы) функционирования Координатная СУ (хранение 64 1/4 управляющего сигнала системы управления.
для одной фазы) Также предложен Универсальная СУ 64 универсальный алгоритм построения координатной системы управления инвертором, позволяющий формировать любую версию ШИМ с пассивной фазой из числа рассмотренных во 2 и 3 главе данной диссертационной работы.
В таблице представлены результаты Рисунок 17 Структурная схема макета сравнения различных подходов к формированию СУ инвертора. Анализ данных показывает, что менее требовательные СУ к памяти и быстродействию МПС являются координатная СУ и СУ по линейному напряжению.
Как на математической модели, так и на реальном макете была проверена и подтверждена эффективность предложенных способов управления трехфазным инвертором. Структурная схема и внешний вид макета представлен на рисунках 17 и 18.
На плате управления находится сигнальный процессор TMS320F2808 (DSP), выполняющий задачи управления силовыми ключами повышающего преобразователя и инвертора, входными ключами, шунтирующими резистор для заряда промежуточной емкости, вентиляторами для охлаждения, функции мониторинга работы устройства, введение журнала состояний в энергонезависимой памяти, обеспечения связи с компьютером по RS-232 и CAN интерфейсу.
Рисунок 18 Внешний вид макета Заключение На основании исследований, проведенных в Диссертации, можно сделать следующие выводы:
Определены условия, выполнение которых необходимо для построения 1.
кривой сигнала предмодуляции для формирования ШИМ с пассивной фазой, что обеспечивает снижение потерь на коммутацию в ключах инвертора и повышение отношения основной гармоники выходного напряжения к напряжению питания на 15,5% при сохранении высоких показателей качества выходного напряжения инвертора.
Разработаны и исследованы ранее неизвестные способы реализации 2.
ШИМ с пассивной фазой для трехфазного мостового инвертора, позволяющие воздействовать на спектр выходного напряжения инвертора за счет уменьшения ширины области, в которой группируются комбинационные гармоники.
Установлено, что коэффициенты комбинационных гармоник 3.
практически не зависят от выбора формы сигнала предмодуляции.
Разработана методика анализа, позволяющая сравнивать 4.
коммутационные потери в инверторе при различных способах формирования выходного сигнала без использования параметров полупроводниковых ключей.
Исследована работа инвертора с дополнительным полумостом при 5.
работе на несимметричную нагрузку при управлении ШИМ с пассивной фазой.
Предложены новые способы реализации ШИМ с пассивной фазой, позволяющие значительно снизить коммутационные потери (от 25 до 50%) при сохранении качества выходного напряжения на должном уровне.
Проведена сравнительная оценка параметров преобразователей при 6.
реализации известных и предложенных разновидностей ШИМ с пассивной фазой, дана оценка новых способов формирования ШИМ в сравнении с «классической» ШИМ.
Рассмотрены основные требования к микропроцессорной системе 7.
управления инвертором. Разработаны алгоритмы управления, позволяющие снизить требования к вычислительной мощности микроконтроллера и повысить быстродействие работы системы управления. Проведен анализ алгоритмов управления инвертором по затратам необходимой памяти МК и временным затратам на формирования сигнала управления.
Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:
1. Чаплыгин Е.Е., Хухтиков С.В. Способ управления автономным инвертором напряжения с векторной ШИМ. // Практическая силовая электроника, вып. 39, 2010, с. 40-43.
2. Чаплыгин Е.Е., Хухтиков С.В. Широтно-импульсная модуляция с пассивной фазой в трехфазных инверторах напряжения. // Электричество, № 5, 2011, с. 53-61.
3. Чаплыгин Е.Е., Вилков А.Е., Хухтиков С.В. Широтно-импульсная модуляция с пассивной фазой в инверторах напряжения с дополнительным полумостом // Электричество, № 8, 2012, с. 36-43.
4. Хухтиков С.В., Чаплыгин Е.Е. Сравнительный анализ систем управления автономными инверторами напряжения. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. XVI Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докладов.: В 3-х т. – М.: Издательский дом МЭИ, 2010. Т.1, с. 5. Хухтиков С.В., Чаплыгин Е.Е. Сравнение способов реализации ШИМ с пассивной фазой для трехфазных инверторов напряжения (АИН). // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. XVII Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докладов.: В 3-х т. – М.: Издательский дом МЭИ, 2011. Т.1, с. 272- 6. Хухтиков С.В., Чаплыгин Е.Е. Способы снижения коммутационных потерь в инверторе с дополнительным полумостом. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. XVIII Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тез. докладов.: В 3-х т. – М.:
Издательский дом МЭИ, 2012. Т.1, с. Подписано в печать Зак. Тир. П.л.
Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д.