автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Исследование и разработка инверторов напряжения с ШИМ с пассивной фазой

На правах рукописи

0050586/*

Хухтиков Сергей Витальевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИНВЕРТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ С ШИМ С ПАССИВНОЙ ФАЗОЙ

Специальность 05.09.12 - Силовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 6 МАЙ Ш

Москва 2013

005058674

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» на кафедре промышленной

электроники. Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация

Чаплыгин Евгений Евгеньевич, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ», Институт радиотехники и электроники , профессор кафедры «Промышленной электроники»

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» 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, Учёный совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат диссертации разослан « А> ^2013 г. Ученый секретарь диссертационного совета

Д 212.157.12, к.т.н., доцент ^Гр^р^^ 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 трёхфазное переменное, называемым автономным инвертором напряжения (АИН) или БС/АС преобразователем. Данный тип преобразователей необходим для использования с 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 ЮВТ-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: МаСаЬ, спектральные методы анализа вентильных преобразователей в базисе МаЛСАО. 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 больших 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 и2012г.г.

Публикации, по результатам работы опубликовано 6 работ: 3 статьи и 3 публикации тезисов докладов, из них три в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, литературы и иллюстративного материала, приложений. Содержит 189 стр. текста (без приложений) , 17 таблиц и 63 рисунка. Список литературы содержит 108 наименований на 12 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы, рассмотрена степень её 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:

Опорное напряжение

развертка

ГЛИН

Рисунок 1 Трехфазный мостовой инвертор

ар /

-•■» / —1—

оьс

Модулятор 31-36 ^ Преобразователь

Задающий генератор

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 соответствии с рисунком 2, а на рисунке 3 представлены полученные сигналы управления, подаваемые на модулятор.

• Способ, основанный на

Рисунок 4 Управляющие сигналы, полученные с помощью предмодуляции

применении принципа предмодуляции, который описывается системой уравнений (1). На рисунке 4 показаны полученные управляющие сигналы.

vyA (0) = (0) + Vro, (9) = £/„. кы • sin(9) + vnM (0);

2тг

vyfl(0) = v)T, (9) + vm, (0) = £/„■*„• sin(9-—) + vnM (9); (1)

4n

vyC(9) = v3T C(9) + vnM(9) = Um ■ k„ ■ sin(9- —) + v„M(0),

где v^ Jfi), vrl B(0), v.„ c{0) - эталонной сигнал синусоидальной формы, v„„(<?) - сигнал предмодуляции, одинаковый для всех фаз, Um - максимально допустимая амплитуда управляющего сигнала, км - 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 формирования пассивной фазы. Обозначение А+ информирует о том, что на данном интервале периода фаза А подключается к «+» шины питания инвертором.

- Версия Б. Пассивными являются 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 О 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 Рисунок 7 Управляющий сигнал фазы А

Рисунок 5 Выбор пассивной фазы по версии А

1 1 К •!"" 1 - \1 1/ ч 1 1 1 1/\| I/ V 1 К /г \1 1 1 1 е+'/А*] 1 • \ 1 / \|

( г, ' 1 \ 1 / \ / Г, ^ 1 / 1 <Ы | I"—Л

Рисунок 6 Выбор пассивной фазы по версии Б

максимуму тока (вар. 1). При симметричной нагрузке фактически отличается от варианта 0 тем, что сдвигается что начало и конец интервалов работы фазы в пассивном режиме смещаются на угол <р (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 10я/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 10зг/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. 3): В данной разновидности ШИМ с пассивной фазой период повторения управляющего сигнала равен периоду основной частоты, а период повторения сигнала предмодуляции равен 2я/3.

...........I.....=рь / \

V \

Рисунок 8 Управляющий сигнал фазы А для вар. 2

Г

Л

\\

г\

и

Рисунок 9 Управляющий сигнал фазы А для вар. 2а

Рисунок 10 Управляющий сигнал фазы А для вар. 3

рч

— _ _

и-1 —

к И

О 2а

Рисунок 1 ] Управляющий сигнал фазы А для вар.4

При реализации данного алгоритма используется

исключительно версия Б (Рисунок 6), таким образом в данном варианте пассивная фаза формируется с помощью ключей, расположенных «зеркально» по сравнению с вар.О . (рисунок 10) • Вариант 4 с уменьшенным периодом сигнала предмодуляции (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 тс/9, (рисунок 11)

В результате спектрального моделирования рассчитана интенсивность высших гармонических составляющих в спектре ШИМ-последовательности, называемый коэффициент гармоник:

К. =

С,

(2)

где С, - амплитуда основной гармоники выходного напряжения,

А = /коМ//вых - коэффициент, равный отношению частоте коммутации силовых

ключей к выходной частоте инвертора,

н» - ширина области комбинационных гармоник.

Ширина области комбинационных гармоник п (граница области интенсивных

комбинационных гармоник) определена из условия учета гармоник, амплитуда которых выше 3% от амплитуды основной гармоники.

Данные показывают, что все рассмотренные разновидности ШИМ с пассивной фазой имеют примерно одинаковый коэффициент гармоник, определяемый по выражению (2), но

Рисунок 12 Ширина области комбинационных гармоник

ширина области комбинационных гармоник и> 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 гармоники не попадают в область низких частот даже при низких коэффициентах модуляции, за счет чего можно добиться снижения потерь в нагрузке.

50 i 00 150 200 250

Рисунок 13 Спектр выходного напряжения при вар.О

1 1

, J Ilk,______________ _ J . -U J

О 50 100 150 200 250 300

Рисунок 14 Спектр выходного напряжения при вар.2

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:

. А"

Л,

^лин Л ' ' ^ ^

где = Еоп +Е0/Г - энергия, выделяющая на включение и выключение ЮВТ, /0- номинальный средний ток через полупроводниковый прибор, Е/

(3)

Еп =-

половина от максимального напряжения ЮВТ между коллектором

и эмиттером,

Ку — коэффициент, равный от 1,3 до 1,5в зависимости от класса ключа. Например для ЮВТ 1700В 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 кт, характеризующий средний коммутируемый ток приборов для различных вариантов ШИМ с пассивной фазой и позволяющий сравнивать потери на коммутацию без полного расчета коммутационных потерь: у ^

В таблице 1 представлены результаты расчета параметра кт при различном фазовом угле нагрузки.

Видно, что коммутационные потери возможно уменьшить в 2 раза по сравнению с "классической" синусоидальной версией ШИМ. В наибольшей степени коммутационные потери снижаются для реализации Вар.1 при согласованном выборе положения пассивной фазы.

Таблица 1. Параметр к, при изменении угла нагрузки

Класс. ШИМ Вар.О Вар.1 Вар.1 * = % Вар.2 Вар 2а Вар.З

<р=0 0,954 0.477 0,495 0,54 0,528 0,54 0,606

(р=ж/12 0,954 0,495 0,477 0,495 0,543 0,543 0,618

(р=к/6 0,954 0.54 0,495 0,477 0,585 0,573 0,651

(р=п/4 0,954 0,618 0.54 0,495 0,639 0,615 0.675

(р=к/3 0,954 0,717 0,618 0,54 0,69 0,654 0.651

II к! 0,954 0,798 0,717 0,618 0,726 0,69 0,618

<р~к/2 0,954 0,828 0,798 0,717 0,738 0,717 0,606

В третьей главе рассматривались способы формирования ШИМ с пассивной фазой при работе инвертора на несимметричную нагрузку. При подключении несимметричной нагрузки, соединенной в звезду без 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

Вар. О 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 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 кт для различных вариантов ШИМ

Разновидность ШИМ Коэффициент модуляции

щл 0,6 0,7 0,8 0,9 1

«Классическая» ШИМ По фронту 1,263 1,211 1,154 1,094 1,027

Двухстор. 0,543 0,62 0,69 0,753 0,806

Коэффициент модуляции для пассивной фазы

"мр 0,7 0,8 0,9 1 1,15

Вар.О По фронту 0,881 0,833 0,817 0,818 0,849

Двухстор. 0,881 0,833 0,817 0,818 0,849

Вар. 1, симметричная нагрузка По фронту 0,816 0,785 0,784 0,804 0,848

Двухстор. 0,816 0,785 0,784 0,801 0,848

Вар. 1, несимметричная нагрузка По фронту 1,069 1,015 0,963 0,91 0,876

Двухстор. 1,069 1,015 0,963 0,91 0,876

В таблице 2 приведены значения коэффициентов гармоник £гкпри различных коэффициентах модуляции. Рассмотрена работа на симметричную нагрузку с фазовым углом ср = 30° и работа на существенно несимметричную нагрузку: амплитуды токов в фазах А и В максимальны, амплитуда тока фазы С

инверторе с дополнительным полумостом:

- * - \ \ V ,1- \ с \

и а V иь [ м г 4

Рисунок 15 Инвертор с дополнительным полумостом

тока - пассивный режим формируется в

в 10 раз меньше, фазовый угол нагрузки в фазах А и С равен 30 град, в фазе В угол ф = 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 ктк «классической» ШИМ и ШИМ с пассивной фазой не превышает 20%.

При работе на несимметричную нагрузку появляются пульсации на стороне постоянного тока с частотой 2/вь.х- 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, Фа= фв= фс=0°.

II. Токи фаз А и В максимальны, ток фазы С в 2 раза меньше, фА=фв=фС=30

III. Токи фаз А и В максимальны, ток фазы С в 10 раз меньше, фА=фв=Фс=0

IV. Токи фаз А и В максимальны, ток фазы С в 10 раз меньше, фА=Фс=0°, Фв=30°.

Коэффициент модуляции км = 0,9 км 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 дополнительным полумостом в зависимости от нагрузки рассчитан параметр кл, 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.

ш •"Классическая4 ШИМ

«а Вар. 0 ............ Вэр. I ■Ем 1 и

1 врв [ ии 1 шшш

I I! Щ IV

Рисунок 16 Коэффициенты пульсации тока источника питания кп в %

пассивной фазой в инверторе с

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 ТМ8320Р2808 (В8Р).

Таблица 3. Коэффициенты коммутационных потерь к7

Разновидность ШИМ К /кмр Режим

Сим., <р=30. I II III rv

«Классическая» ШИМ 0,1 1,906 1,988 1,931 1,965 1,754

0,2 1,911 1,929 1,92 1,919 1,572

0,3 1,918 1,911 1.906 1,907 1,571

0,4 1,913 1,906 1,903 1,904 1,577

0,5 1,916 1,911 1,906 1,909 1,592

0,6 1,922 1,918 1,909 1,915 1,612

0,7 1,924 1,937 1,907 1,929 1,624

0,8 1,925 1,967 1,907 1,95 1,63

0,9 1,927 2,025 1.909 1,986 1,65

1 1,927 2,101 1.907 2,024 1,666

Вариант. 0. 0,1/0,115 1,618 1,609 1,625 1,674 1,526

0,2 / 0,23 1,357 1,43 1,407 1,356 1,132

0,3 / 0,345 1,219 1,313 1,305 1,264 1,024

0,4 / 0,46 1,172 1,249 1,272 1,25 0,996

0,5 / 0,575 1,153 1,217 1,258 1,247 0,994

0,6 / 0,69 1,139 1,199 1,253 1,25 1,004

0,7 / 0,805 1,138 1,187 1,249 1,255 1,015

0,8 / 0,92 1.14 1,179 1.25 1,272 1,029

0,9/ 1,035 1,144 1,196 1,252 1,295 1.037

1/ 1,15 1.15 1,268 1.256 1,329 1,054

Вариант. 1а. 0,1/0,115 1,598 1,608 1.535 1,665 1,52

0,2 / 0,23 1.441 1,279 1,412 1,286 1,096

0,3 / 0,345 1.367 1,163 1,356 1,174 0,968

0,4 / 0,46 1,319 1,156 1,331 1,154 0,925

0,5 / 0,575 1,332 1,149 1.328 1,15 0,92

0,6 / 0,69 1,33 1,15 1.321 1,149 0,934

0,7 / 0,805 1.29 1,156 1.315 1,153 0,939

0,8 / 0,92 1.239 1,182 1,321 1,171 0,946

0,9/1,035 1,033 1,144 1.19 1,18 0,94

1/1,15 1.02 1,22 1,157 1,214 0.961

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 1/6 части периода эталонного сигнала. Формирование сигнала управления происходит элементарными операциями, благодаря чему данный способ позволяет снизить требования к вычислительной мощности микроконтроллера и повысить быстродействие функционирования системы управления.

Также предложен 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 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.

Таблица 4 Сравнение различных способов построения системы _управления инвертором.__

Способ СУ Затраты Временные

памяти, затраты,

слово цикл

Векторная СУ с табличным 512 396

синусом

Векторная СУ с расчетом 10 501

тригонометрических функций

СУ по линейному напряжению 43 48

Координатная СУ (хранение 3-х 7680 20

кривых управляющих сигналов

для каждой фазы при различных

коэффициентах модуляции)

Координатная СУ (хранение 3-х 768 29

кривых управляющих сигналов

для каждой фазы)

Координатная СУ (хранение 1/4 64 96

управляющего сигнала для одной

фазы)

Универсальная СУ 64 125

Рисунок 17 Структурная схема макета

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. Рисунок 18 Внешний вид макета

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.

Заключение

На основании исследований, проведенных в Диссертации, можно сделать следующие выводы:

1. Определены условия, выполнение которых необходимо для построения 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.

2. Разработаны и исследованы ранее неизвестные способы реализации 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.

3. Установлено, что коэффициенты комбинационных гармоник практически не зависят от выбора формы сигнала предмодуляции.

4. Разработана методика анализа, позволяющая сравнивать коммутационные потери в инверторе при различных способах формирования выходного сигнала без использования параметров полупроводниковых ключей.

5. Исследована работа инвертора с дополнительным полумостом при 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.

6. Проведена сравнительная оценка параметров преобразователей при реализации известных и предложенных разновидностей ШИМ с пассивной фазой, дана оценка новых способов формирования ШИМ в сравнении с «классической» ШИМ.

7. Рассмотрены основные требования к микропроцессорной системе 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.

>

С •

Основные результаты" диссертации изложены в следующих работах:

1. Чаплыгин Е.Е., Хухтиков C.B. Способ управления автономным инвертором напряжения с векторной ШИМ. // Практическая силовая электроника, вып. 39, 2010, с. 40-43.

2. Чаплыгин Е.Е., Хухтиков C.B. Широтно-импульсная модуляция с пассивной фазой в трехфазных инверторах напряжения. // Электричество, № 5, 2011, с. 53-61.

3. Чаплыгин Е.Е., Вилков А.Е. , Хухтиков C.B. Широтно-импульсная модуляция с пассивной фазой в инверторах напряжения с дополнительным полумостом // Электричество, № 8, 2012, с. 36-43.

4. Хухтиков C.B., 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. 272

5. Хухтиков C.B., 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. 272-273

6. Хухтиков C.B., 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. 266

Подписано в печатьД 9-Сф Дб/У/7Зак. -Щ Тир. ¡00 П.л. (]Л0 Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»

На правах рукописи

04201357647

Хухтиков Сергей Витальевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИНВЕРТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ С ШИМ С ПАССИВНОЙ ФАЗОЙ

Специальность 05.09.12 - «Силовая электроника»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Чаплыгин Е. Е.

МОСКВА 2013

Оглавление

Оглавление.....................................................................................................................2

Введение.........................................................................................................................5

1. Алгоритмы управления автономным инвертором напряжения..................10

1.1. «Классическая» трехфазная широтно-импульсная модуляция в инверторах напряжения. Критерии оценки качества выходного напряжения...............................................................................................................10

1.2. ШИМ с трапецеидальным законом управления..........................................19

1.3. Векторные способы расчета алгоритма переключения..............................22

1.4. Применение предмодуляции..........................................................................37

1.4.1. Предмодуляция третьей гармоникой....................................................39

1.4.2. ШИМ с пассивной фазой........................................................................43

1.5. Выбор способа моделирования.....................................................................49

1.6. Основные задачи исследования.....................................................................61

1.7. Выводы по главе 1...........................................................................................62

2. ШИМ с пассивной фазой в трехфазном мостовом инверторе......................63

2.1. Построение кривой сигнала предмодуляции...............................................63

2.2. ШИМ с пассивной фазой. Вариант 1 - ПФ по максимуму тока.................67

2.3. ШИМ с пассивной фазой. Вариант 2а с увеличенным периодом..............69

2.4. ШИМ с пассивной фазой. Вариант 2 с увеличенным периодом...............74

2.5. ШИМ с пассивной фазой. Вариант 3 «Зеркальный»..................................78

2.6. ШИМ с пассивной фазой. Вариант 4 с уменьшенным периодом..............81

2.7. Сравнение коэффициентов гармоник различных вариантов ШИМ с пассивной фазой......................................................................................................84

2.8. Сравнительная оценка коммутационных потерь в ключах различных вариантов ШИМ с пассивной фазой......................................................................88

2.9. Выводы по 2-й главе.......................................................................................93

3. ШИМ с пассивной фазой в инверторе напряжения с дополнительным полумостом...................................................................................................................95

3.1. «Классическая» трехфазная ШИМ в инверторах напряжения при работе на асимметричную нагрузку......................................................................95

3.2. Реализация ШИМ с пассивной фазой в инверторе с дополнительным полумостом...............................................................................................................99

3.3. ШИМ с пассивной фазой в инверторе с дополнительным полумостом. Вариант О ПФ по максимуму напряжения...................................102

3.4. ШИМ с пассивной фазой в инверторе с дополнительным полумостом. Вариант 1 ПФ по максимуму тока................................................119

3.5. Сравнение коэффициентов гармоник различных вариантов ШИМ с пассивной фазой....................................................................................................136

3.6. Оценка пульсации тока источника питания для инвертора с дополнительным полумостом..............................................................................138

3.7. Сравнительная оценка коммутационных потерь в ключах различных вариантов ШИМ с пассивной фазой в инверторе с доп. мостом......................140

3.8. Выводы по 3-й главе.....................................................................................142

4. Способы микропроцессорного управления инверторами с ШИМ с пассивной фазой.........................................................................................................143

4.1. Требования к микропроцессорной системе управления...........................143

4.2. Векторная система управления...................................................................148

4.3. Управление по линейному напряжению....................................................151

4.4. Универсальная координатная система управления...................................160

4.5. Сравнение реализаций систем управления................................................165

4.6. Выводы по главе 4.........................................................................................167

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................168

Список сокращений и условных обозначений.......................................................170

Список литературы....................................................................................................172

Список иллюстративного материала.......................................................................185

Приложение 1. Текст программы модуля 8УвЕК для построения ШИМ с

непрерывным управляющим сигналом (Алгоритм А)..........................................190

Приложение 2. Текст программы модуля ЗУвЕЫ для построения ШИМ с

разрывным управляющим сигналом. (Алгоритм В)..............................................192

Приложение 3. Текст программы для построения координатной ШИМ с

хранением четверти синусоиды в памяти...............................................................194

Приложение 4. Текст программы для построения ШИМ по линейному

напряжению................................................................................................................197

Приложение 5. Текст программы для построения универсальной

координатной ШИМ..................................................................................................200

Приложение 6. Макет трехфазного инвертора.......................................................204

Введение

Актуальность проблемы. Настоящее диссертационное исследование посвящено проблемам, связанным с одним из наиболее востребованных устройств преобразовательной техники - устройством, преобразующим постоянное напряжение в трёхфазное переменное, называемым автономным инвертором напряжения (АИН) или DC/AC преобразователем. Данный тип преобразователей необходим для использования с 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 н методы исследований базируются на общих положениях теории цепей, теории дифференциальных и алгебраических уравнений и использовании современных инструментальных систем моделирования: МаИ^аЬ, спектральные методы анализа вентильных преобразователей в базисе МаЛСАО. 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 альтернативные 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, позволяющая сравнивать потери на коммутацию для различных разновидностей ШИМ без полного расчета коммутационных потерь.

4. Установлено, что векторные способы построения микропроцессорных систем управления значительно уступают координатным способам по быстродействию и требуют использования больших 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 3 публикации тезисов докладов, из них три в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, литературы и иллюстративного материала, приложений. Содержит 189 стр. текста (без приложений), 17 таблиц и 63 рисунка. Список литературы содержит 108 элементов на 12 страницах.

1. Алгоритмы управления автономным инвертором напряжения

1.1. «Классическая» трехфазная широтно-импульсная модуляция в инверторах напряжения. Критерии оценки качества выходного напряжения

Высокие требования к гармоническому составу [8] выходного напряжения трехфазных инверторов привели к тому, что на сегодняшний день в большинстве случаев используется наиболее распространенный тип - мостовой инвертор (рисунок 1.1.1) [31, 32, 39, 45, 48 ,72- 74, 82] с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), который применяется при питании симметричной нагрузки, не имеющей вывода нулевой точки (схемы инверторов с многоуровневым выходным напряжением и устройства, содержащие трансформаторы, в данной работе не рассматриваются). На рисунке 1.1.2 а и б представлены спектры выходного напряжения при «классической» ШИМ по синусоидальному закону. При реализации «классической» ШИМ в каждой фазе формируются однофазные двухполярные ШИМ-последовательности, основные гармоники которых за счет работы системы управления имеют взаимный фазовый сдвиг на 120 градусов.

\

1-т

51 \ ЭЗ

исА

3«

ия

\

Э5

36

О*

иь

«ее

52

О"

иг

О

Рисунок 1.1.1 Трехфазный мостовой инвертор

а)

б)

Рисунок 1.1.2 Спектры выходного напряжения инвертора

а) спектр при модуляции фронта (или среза) импульса,

б) при двухсторонней модуляции фронта и среза

Приведенные спектры в низкочастотной области содержат только основную гармонику, высшие гармоники располагаются вблизи и выше частоты коммутации. Это свидетельствует о высоком качестве выходного напряжения инверторов при высокой частоте коммутации. В реальных инверторах

напряжения в низкочастотной части спектра появляются паразитные гармоники, обусловленные процессами в течение «мертвой паузы», погрешностями в работе системы управления, процессами при включении и выключении транзисторов и диодов, неидеальностыо напряжения на стороне постоянного тока. Однако интенсивность этих низкочастотных гармоник сравнительно невелика и их воздействие на параметры инверторов с различными разновидностями 1ПИМ практически одинаково.

Для сравнения спектров при различных алгоритмах переключения необходимо использование параметров, характеризующих показатели качества в обобщенном виде. Такие параметры предложены в [34, 37].

Использование коэффициента гармоник выходного напряжения неинформативно, так как гармоники высокой и низкой частоты влияют на нагрузку по-разному. Коэффициент гармоник выходного тока зависит от параметров нагрузки, т.е. характеризует не столько параметры инвертора, сколько параметры системы «инвертор-нагрузка».

Для большинства потребителей наиболее существенны гармоники в низкочастотной области спектра, среди комбинационных гармоник это гармоники вблизи частоты коммутации. Как показывает модельный эксперимент при А = Л-ом^ых> А-р = 20-К30 амплитуда комбинационной гармоники с номером А+п, где п - целое положительное или отрицательное число, не зависит от значения А. Совокупность комбинационных гармоник, расположенных вблизи частоты коммутации, может быть заменена эквивалентной комбинационной гармоникой с частотой/=/кош амплитуда которой расчитывается по формуле (1.1.1)

где м> - число, ограничивающее область спектра вблизи частоты коммутации, содержащую существенные гармонические составляющие. В правильности выбора \у=7+9 легко убедиться: при увеличении м величина СЭК11 практически не

(1.1.1)

меняется.

При А > Акр амплитуда эквивалентной гармоники (Сэкв) не зависит от того, какой способ модуляции выбран: ШИМ-1 либо ШИМ-2.

Интенсивность высших гармонических составляющих в спектре ШИМ-последовательности характеризует коэффициент гармоник

А + уу

Т.С1

кгк=^-, (1.1.2)

где С\ - амплитуда основной гармоники выходного напряжения. При известных параметрах нагрузки коэффициент кгк позволяет определить коэффициент гармоник для выходного тока инвертора

' (1.1.3)

^п — кгк

где и 1(/к) - модуль сопротивления нагрузки на выходной частоте и на

частоте коммутации.

Рассмотрим формирование последовательности фазных напряжений при симметричной нагрузке в схеме мостового инвертора (см. рисунок 1.1.1). [15, 35]

2<Рл ~<Рв ~<РС . 3

2 <Рв -<Рл -<Рс .

иА=