Технические науки/5. Энергетика

Донченко А.М., к.т.н. Сошинов А.Г.

Камышинский технологический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет», Россия

Оптимизация алгоритма ШИМ - управления транзисторного авто­номного инвертора напряжения электроприводов AT

Широтно-импульсное (ШИМ) управление силовыми ключами (транзисторами) трехфазного автономного инвертора напряжения (АИН) обеспечивает регулирование величины и формирование квазисинусоидальной кривой выходного напряжения при неизменном значении входного напряжения (Ud=const). При этом обеспечивается заданное соотношение напряжение-частота (U/f) во всем диапазоне регулирования. Алгоритм ШИМ-управления задает последовательность, фазу и длительность включения всех шести транзисторов АИН. Схема транзисторного АИН с подключенными к его выходу обмотками двигателя показана на рис. 1.

Значение выходного напряжения АИН в каждый момент времени определяется состоянием транзисторных ключей всех трех фаз.

Основополагающие принципы управления и работы трехфазного мостового АИН сводятся к следующему: два ключа одной фазы АИН включаются поочередно, т. е. интервал проводимости каждого ключа в течение периода выходной частоты составляет π ряд. Одновременное включение двух ключей одной фазы недопустимо, т.к. приводит к короткому замыканию источника Ud; ключи соседних фаз работают аналогично со сдвигом на 2π/3 рад; одновременно в каждый момент времени в состоянии проводимости находятся три ключа — по одному в каждой фазе. За счет этого в каждый момент вре­мени все фазы нагрузки подключены к полюсам источника питания Ud и существует цепь для протека­ния тока (через транзисторы либо обратные диоды).

Условно обозначим состояние ключей фазы: А(В,С)=1 – включен верхний ключ (А+, В+, С+); А(В,С)=0 –  включен нижний ключ (А-, В-, С-).

В трехфазном мостовом АИН возможны восемь ком­бинаций состояний ключей (из шести по три):

Рис. 1                                Рис. 2

Шесть «рабочих» комбинаций 001,010,011,100, 101, 110 обеспечивают подключение фаз нагрузки к источнику Ud. Схема, соответствующая комбинации 010, в качестве примера показана на рис. 2. Ко всем трем фазам нагрузки приложено напряжение. Две «нулевых» комбинации 000 и 111 обеспечивают отключение фаз нагрузки от источника Ud и их закорачивание на одном из полюсов источника (схема для комбинации 111 показана на рис. 3). Напряжение на всех трех фазах нагрузки равно нулю. Соответствие комбинаций вентилей АИН и значений фазных и линейных напряжений нагрузки (относительно Ud) иллюстрирует диаграмма (рис.4). Задача оптимизации алгоритма ШИМ-управления АИН электроприводов асинхронных транзисторных (AT) заключается в определении числа, последовательности, временных и фазовых параметров различных рабочих и нулевых комбинаций ключей в течение периода выходной частоты с целью: получения полного от нуля до номинального значения диапазона регулирования выходного напряжения; максимального использования напряжения входного источника Ud; формирования прямоугольно-импульсной кривой выходного напряжения с гармоническим составом, обеспечивающим практически синусоидальную форму кривой тока нагрузки (двигателя); минимизации мощности потерь переключения силовых транзисторов АИН, пропорциональной числу переключений, т. е. частоте ШИМ. Два последних требования противоречат друг другу и требуют компромиссного решения.

Рис. 3                             Рис. 4

При разработке ШИМ-управления электроприводов AT использован аппарат результирующего вектора Uk трехфазной системы напряжений (зарубежная терминология – Space Vector).

Каждой из шести рабочих комбинаций ключей АИН соответствует определенное положение вектора Ukx на плоскости фаз нагрузки (рис. 4). Нулевые комбинации ключей обращают вектор Ukx в ноль. Весь период выходной частоты АИН состоит из 6 шестидесятиградусных периодов повторяемости, ограниченных двумя соседними векторами Ukx (рис. 4).

ШИМ - управление позволяет формировать кроме шести фиксированных бесконечное число промежуточных эквивалентных положений вектора требуемой амплитуды. Для этого в высокочастотном цикле ШИМ длительностью Тц устанавливаются по очереди две соседние рабочие и нулевая комбинация ключей, каждая на соответствующее время Т,, Т2, Т0, причем, Тц=Ту+Т2+Т0. Тогда эквивалентный вектор представлен видом:

геометрической суммой частей двух базовых векторов Ukx и Uk(X + 600 ), что иллюстрирует рис.5.

Рис. 5

От цикла к циклу в пределах периода повторяемости изменяется величина и соотношение времени Т1 и Т2, за счет чего вектор Ukx вращается в заданном направлении по плоскости фаз. На границе периодов повторяемости изменяются участвующие в процессе комбинации ключей.

Дискретность перемещения вектора и, следовательно, гармонический состав напряжения определяются соотношением частоты ШИМ и выходной частоты АИН. Для транзисторных (IGBT) АИН электроприводов серии AT разработан алгоритм высокочастотного асинхронного ШИМ-управления, предполагающий постоянство частоты ШИМ (Tu=const) во всем диапазоне изменения выходной частоты АИН. Частота ШИМ программируется в диапазоне 0,4...16 кГц. Рекомендуемое для большинства потребителей значение — 4 кГц. Разработанный алгоритм обеспечивает минимизацию числа пе­реключений транзисторов АИН мощности потерь.

Для реализации операций программного управления и регулирования, в т.ч. алгоритма ШИМ-управления электроприводов AT используется специализированный микроконтроллер с цифровым сигнальным процессором (DSP) типа TMS 320C24 производства Texas Instruments.

Конкретная реализация метода построена на использовании общего счетчика длительности периода ШИМ с реверсивным счетом, регистров сравнения «на лету» текущего содержимого таймера с содержимым регистров и логических цепей, обеспечивающих выдачу импульсов управления каждым из шести силовых ключей по результатам такого сравнения с учетом коммутационной паузы. На рис. 6 приведены эпюры работы таймера с ре­версивным счетом. Значение максимального числа, до которого будет производиться прямой счет с последу­ющим реверсом счета, определяет период ШИМ. В электроприводах   AT используется метод асинхронной ШИМ, означающий, что период выходной частоты инвертора не синхронизирован с частотой ШИМ.

1 – Период циклической работы счетчика

2 – Изменение периода циклической работы счетчика

3 – Код содержимого счетчика

4 – Счетные импульсы

 

Рис. 6

Рис. 7

В момент счета, соответствующий содержимому счетчика длительности периода ШИМ «О», вычисляются значения Т1 и Т2 (с учетом Т0) для текущего расчетного угла поворота вектора UK3. Эти расчетные значения ис­пользуются в качестве кодов загрузки регистров срав­нения на текущий период ШИМ. В этот же момент в начале первого периода ШИМ после перехода текущего вектора в следующий сектор плоскости фаз нагрузки, ограниченный двумя соседними базовыми векторами UKX и Uк(Х+600), ключи принудительно устанавливаются в состояние, соответствующее UKX, если вращение векто­ра производится по часовой стрелке или Uк(Х+600), если против (рис.5).

Аппаратная логика формирования управляющих сигналов ключей обеспечивает следующий алгоритм переключения (рис.5): по совпадению текущего содержимого счетчика при прямом счете с содержимым первого регистра сравнения (Т1/2) ключи устанавливаются в состояние, со ответствующее Uк(Х+600), если вращение вектора производится по часовой стрелке или UKX, если против ; по совпадению текущего содержимого счетчика при прямом счете с содержимым второго регистра сравнения (Т 1/2 + Т2/2) ключи устанавливаются в состояние 000 или 111, отличающееся от предыдущего состояния положением только одного ключа; по совпадению текущего содержимого счетчика при обратном счете с содержимым второго регистра сравнения (Т1/2 + Т2/2) ключи устанавливаются в состояние, соответствующее Uк(Х+600), если вращение вектора производится по часовой стрелке или UKX, если против; по совпадению текущего содержимого счетчика при обратном счете с содержимым первого регистра сравнения (Т1/2 + Т2/2) ключи устанавливаются в со­стояние, соответствующее UкХ, если вращение вектора производится по часовой стрелке или Uк(Х+600), если против. Для иллюстрации работы описанного алгоритма ШИМ-управления на рис. 7 приведены диаграммы: модулирующих синусоидальных сигналов фаз А, В, С, рассчитанных по текущему заданию выходной частоты АИН; несущего сигнала.