Тема 15 Алгоритмы шим_управления транзисторного автономного инвертора напряжения электроприводов ат

Широтно-имульсное (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 p ряд. Одновременное включение двух ключей одной фазы недопустимо, т.к. приводит к короткому замыканию источника Ud.

• Ключи соседних фаз работают аналогично со сдвигом на 2/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 — когда включен верхний ключ (А+, В+, С+);

А(В,С)=0 — когда включен нижний ключ (А_, В_, С_).

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

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» комбинаций 000 и 111 обеспечивают отключение фаз нагрузки от источника Ud и их закорачивание на одном из полюсов источника (схема для комбинации 111 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 таблица. Задача оптимизации алгоритма ШИМ-управления АИН электроприводов АТ 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.

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

Каждой из шести рабочих комбинаций ключей АИН соответствует определенное положение вектора на плоскости фаз нагрузки (рис.4). Нулевые комбинации ключей обращают вектор в ноль.

Весь период выходной частоты АИН состоит из 6 шестидесятиградусных периодов повторяемости, ограниченных двумя соседними векторами (см. 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 Т1, Т2, Т0, причем, Тц=Т1+Т2+Т0.

Дискретность перемещения вектора и, следовательно, гармонический состав напряжения определяются соотношением частоты ШИМ и выходной частоты АИН.

Для транзисторных (IGBT) АИН электроприводов серии АТ разработан алгоритм высокочастотного асинхронного ШИМ-управления, предполагающий постоянство частоты ШИМ (Тц=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 АТ 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 АТ используется метод асинхронной ШИМ, означающий, что период выходной частоты инвертора не синхронизирован с частотой ШИМ.

В момент счета, соответствующий содержимому счетчика длительности периода ШИМ «0», вычисляются значения Т1 и Т2 (с учетом Т0) для текущего расчетного угла поворота вектора Uкэ. 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 UкX и Uк(X+60°), ключи принудительно устанавливаются в состояние, соответствующее UкX, если вращение вектора производится по часовой стрелке или Uк(X+60°), если против (см. рис.5).

Аппаратная логика формирования управляющих сигналов ключей обеспечивает следующий алгоритм переключения:

• По совпадению текущего содержимого счетчика при прямом счете с содержимым первого регистра сравнения (Т1/2) ключи устанавливаются в состояние, соответствующее Uк(X+60°), если вращение вектора производится по часовой стрелке или UкX, если против (см. рис.5).

• По совпадению текущего содержимого счетчика при прямом счете с содержимым второго регистра сравнения (Т1/2 + 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(X+60°), если вращение вектора производится по часовой стрелке или UкX, если против (см. рис. 5).

• По совпадению текущего содержимого счетчика при обратном счете с содержимым первого регистра сравнения (Т1/2 + Т2/2) ключи устанавливаются в состояние, соответствующее UкX, если вращение вектора производится по часовой стрелке или Uк(X+60°), если против (см. рис. 5).

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.

Регулирование частоты вращения

Известны разные варианты осуществления ШИР и ШИМ. При двуполярном ШИР каждая полуволна выходного напряжения однофазного АИН состоит из нескольких обычно одинаковых пар прямоугольников противоположной полярности, как это показано на рис.5а. Регулирование амплитуды основной гармоники напряжения достигается изменением соотношения продолжительности положительных и отрицательных прямоугольных импульсов.

Метод двуполярной ШИМ является частным случаем ШИР, при котором соотношение ширины импульсов противоположной полярности на протяжении каждой полуволны выходного напряжения изменяется таким образом, чтобы среднее значение каждой пары импульсов за период их частоты следования (частоты ШИМ) равнялось мгновенному значению основной гармоники выходного напряжения в середине интервала усреднения. Кривая выходного напряжения (однофазного) АИН для такой двуполярной ШИМ показана на рис.5б.

При формировании выходных напряжений трехфазного АИН каждая из фаз нагрузки в любой момент времени оказывается подключенной к одному из двух полюсов входного постоянного напряжения. Поэтому в момент подключения данной фазы к одному полюсу возможны три комбинации подключений двух других фаз:

1)обе фазы подключены к тому же полюсу;

2) одна из фаз подключена к тому же полюсу, а другая к противоположному;

3) обе фазы подключены к противоположному полюсу напряжения.

Следовательно, мгновенное напряжение каждой фазы трехфазного АИН может принимать значения, соответствующие пяти уровням: U=0; U=± Ud/3; U=±2Ud/3, где Ud — постоянное напряжение на входе АИН. Пример кривой выходного напряжения трехфазного АИН с ШИМ показан на рис. 6. Частота высших гармонических составляющих выходного напряжения определяется частотой ШИМ, которая при использовании в АИН современных транзисторов типа IGBT может без заметного снижения КПД преобразователя повышена до величины более 4кГц. Поэтому, несмотря на значительный уровень амплитуды высших гармоник напряжения АИН, токи активно-индуктивной нагрузки (например, асинхронный двигатель) практически синусоидальны.