Inverterin performansını yüksək dərəcəli PWM texnologiyası ilə artırmaq
Endüstriyel proseslərdə dəqiq idarəetmə tələblərinin artması ilə birlikdə, gədəkli PWM (Puls Genişliyi Modulasiya) texnologiyası yüksək dinamik performans və aşağı harmonik deformatsiya tələblərini qarşılamaqda çətinlik çəkir. Bu qarşıda, yüksək frekvanslı PWM texnologiyası nosilən frekvansı artıraraq, çıxış dalğanın keyfiyyətini yaxşılaşdırır və sistem harmonikalarını azaldır, bu da inverterlərin performansını optimallaşdırır. Beləliklə, yüksək frekvanslı PWM texnologiyasının tətbiqində sistem effektivliyini və mənfəətini müzakirə etmək inverter texnologiyasının inkişafında əhəmiyyətli bir aspekt halına gəlmüşdür.
1. Yüksək Frekvanslı PWM-nin Bazı Teorik və Texniki Xüsusiyyətləri
PWM texnologiyası, inverterlərin elektrik idarəetmə sistemlərində voltaj və frekvansı nizamlamaq üçün istifadə olunan əsas metoddur. Bu, referans sinyalları nosilə sinyallarla müqayisə edərək puls sıralarını yaratır və bu puls sıralarını enerji cihazlarının kənar hallarını idarə etmək üçün istifadə edir, beləcə yükə göstərilən enerjinin dəqiq idarəetməsinə nail olunur. Inverter idarəetməsində, PWM-nin dolglu dövrü D referans dalğanın amplituduna Vref və nosilə dalğanın amplituduna Vtri nisbəti ilə ifadə edilir:
Modulyasiya nisbəti m referans dalğanın amplitudunun nosilə dalğanın amplituduna nisbəti kimi təyin edilir. Bu, çıxış voltajının effektiv qiyməti və harmonik xüsusiyyətlərini doğrudan təsirləyir. Bu nisbətin ifadəsi aşağıdakı kimidir:
Nosilə frekvans fc PWM sinyalını yaratmaq üçün istifadə olunan üçbucaq dalğanın frekvansını nəzərdə tutur. Onun dəyəri, sistemin dinamik cavab sürəti və çıxış harmonikalarının paylanmasını doğrudan təsirləyir. Frekvans nisbəti N nosilə frekvansın referans dalğanın frekvansına nisbəti kimi təyin edilir və aşağıdakı kimi ifadə edilir:
burada referans dalğanın frekvansıdır. Yüksək frekvanslı PWM texnologiyası adətən nosilə frekvansın 10 kHz-dən yuxarı olan PWM idarəetmə metodlarını nəzərdə tutur. Cari inverterlərdə, enerji cihazlarının performansında davamlı yeniliklər ilə birlikdə, nosilə frekvanslar 20 kHz və hətta daha yüksək səviyyələrə çatmışdır. Nosilə frekvansın artırılması, çıxış harmonik komponentlərini daha yüksək frekvans aralığına köçürür, bu da ardıcıllıqla filtrasiyanın asanlaşmasına və motor gürültüsünün və titrəmənin effektiv şəkildə azalmasına imkan verir.
Təcrübələr göstərir ki, nosilə frekvansın 5 kHz-dan 20 kHz-ə artırılması, motor gürültüsünü 12-15 dB və temperaturun 5-8 °C azaldır. Nosilə frekvansın artması, PWM çıxışı dalğası ideal sinus dalğasına daha yaxınlaşır və Ümumi Harmonik Deformasiya (THD) ciddi şəkildə azalır. 20 kHz nosilə frekvansında, inverter çıxış voltajının THD-i təxminən 5% səviyyəsinə düşür, bu, alçaq frekvanslı PWM metodlarının tipik 8%-12% dəyərlərinə nisbətən bəhsedən daha yaxşıdır. Buna əlavə, yüksək frekvanslı PWM, daha sürətli dinamik cavab və daha yüksək idarəetmə dəqiqliyi kimi üstünlük lərə malikdir.
2. Yüksək Frekvanslı PWM-nin Tətbiqində Əsas Zərurlülər və Onların Həll Edilməsi
2.1 Yüksək İdarəetmə Zədələri və Onların Azaldılması Üçün Metodlar
Yüksək frekvanslı PWM texnologiyası ilə bağlı ən açıq problem, idarəetmə zədələrinin ciddi şəkildə artırılmasıdır. Enerji cihazlarının idarəetmə zədələri, idarəetmə frekvansına mütənasib olduğu üçün, yüksək frekvanslı işləmə, sistem effektivliyinin azalmasına və termal idarəetməyə daha yüksək tələblər qoyur. Bir IGBT modulu üçün idarəetmə zədəsi Psw aşağıdakı kimi modelənə bilər:
burada və on/off enerji zədələridir; Err tərs bərpa enerjisidir; Vdc faktiki DC avtomobil voltajıdır; referans voltajıdır; faktiki akım; və Iref referans akımıdır.
Idarəetmə zədələrini azaltmaq üçün aşağıdakı tədbirlər alınabilir:
Öncə, karbon silis metal oksit polikristal tranzistorları (SiC MOSFET) kimi innovativ enerji cihazları istifadə edin, bunlar gədəkli IGBT-lərə nisbətən daha yaxşı idarəetmə xüsusiyyətlərə malikdir;
İkinci, qapı sürücü devasinin dizaynını optimallaşdırın, iki qalınlıq sürüş təkliflərini istifadə edərək, idarəetmə çevrilməsi zamanı qapaq mukavemetini dinamik şəkildə ayarlamaq və idarəetmə sürəti və elektromaqnitik təcrid (EMI) arasında balans qurmaq;
Son olaraq, sıfır voltaj idarəetmə (ZVS) və ya sıfır akım idarəetmə (ZCS) topolojiləri kimi yumşaq idarəetmə metodlarını tətbiq edin, bu, idarəetmə zədələrini ciddi şəkildə azaltdır.
2.2 Ölüm Vaxtı Təsiri və Kompensasiya Metodları
Yüksək frekvanslı PWM rejimində, əgər mutlak ölüm vaxtı sabit qalırsa, bu, idarəetmə dövrünə nisbətən nisbi olaraq artırılır, bu da ölüm vaxtı təsirinin daha maraqlı olmasına səbəb olur. Bu, çıxış voltajının deformasiyasına, alçaq sürət performansının azalmasına və moment titrəməsinin artırılmasına səbəb olur. Bu problemləri effektiv şəkildə həll etmək üçün ölüm vaxtı kompensasiya alqoritmləri tətbiq olunur, belə ifadə edilir:
3 Yüksək Frekvanslı PWM Texnologiyası Üçün FPGA-Səsli Tətbiq Şeması
3.1 Sistem Arxitekturunun Dizaynı
Yüksək frekvanslı PWM idarəetməsi, hesablama platformlarının real vaxt performansına və idarəetmə dəqiqliyinə daha yüksək tələblər qoyur. Gədəkli DSP-lər, yüksək frekvanslı PWM-nin tətbiqində, hesablama gücü yetərsizliyi və interrupsiya gecikməsi kimi limitlərlə üzləşir. Bu qarşıda, paralel emal imkanları və aparatura səviyyəsində tətbiq edilə bilən fleksibiləyi ilə FPGA-lar bu tətbiqlər üçün daha uyğun olur.
FPGA-səsli yüksək frekvanslı PWM idarəetmə sisteminin ümumi arxitekturu, dörd əsas moduldur: baş idarəetmə birimi, PWM yaratma birimi, geri bildirim sinyalının emalı birimi və himaya birimi. Xüsusi olaraq:
Baş Idarəetmə Birimi: sürət, akım və pozisiya dövrləri kimi kapalı dövr idarəetmə alqoritmlərini icra edir;
PWM Yaratma Birimi: yüksək dəqiqlikli PWM dalğalarını yaratmaq və ölüm vaxtı idarəetməsini həyata keçirmək məsuliyyətidir;
Geri Bildirim Sinyalının Emalı Birimi: akım, voltaj və pozisiya kimi sinyalların əldə edilməsini və öncədən emalını həyata keçirir;
Himaya Birimi: ağ çəkisi, ağ voltajı və ağ temperaturu kimi arızaları aşkarlayır və sistem təhlükəsizliyini təmin edir.
Sistem standart interfeyslər vasitəsilə birləşdirilmiş funksional modulların modulyar dizaynını tətbiq edir. Daxili FPGA, iki saat domenləri ilə işləyir: idarəetmə alqoritmləri daha aşağı frekvanslı saat domenində işləyir ki, resurs tələbləri azalsın, PWM yaratma modulu isə yüksək frekvanslı saat domenində işləyir ki, dəqiq zamanlama və yüksək dərəcəli dəqiqlik təmin edilsin.
3.2 PWM Idarəetmə Alqoritminin Optimallaşdırılması və Tətbiqi
Yüksək performanslı yüksək frekvanslı PWM idarəetməsinə nail olmaq üçün, gədəkli kosmos vektorlu pulswidli modulasiya (SVPWM) alqoritmi, yaxşılaşdırılmış PWM idarəetmə alqoritmi ilə optimallaşdırılır, belə ifadə edilir:
burada Ta A fazasının yuxarı bacasının iletik vaxtıdır; vα və vβ referans voltajının α-β koordinat sisteminin komponentləridir. Bu alqoritm, FPGA-da boruçlu arxitektura ilə tətbiq olunur, kompleks trigonometrik hesablamaları sadə xətti əməliyyatlara çevrilir. Bu, hesablama gecikməsini ciddi şəkildə azaltdır və bir dövrədə icra edilə bilər. Ölüm vaxtı idarəetməsini optimallaşdırmak üçün adaptiv ölüm vaxtı kompensasiya strategiyası tətbiq olunur.
3.3 Sistem Performansının Testlənməsi və Analizi
Təklif olunan yüksək frekvanslı PWM tətbiq şemasının (burada "təklif olunan şema" kimi adlandırılır) üstünlüklərini qiymətləndirmək üçün, gədəkli DSP-səsli tətbiq (burada "gədəkli şema" kimi adlandırılır) ilə müqayisə edilir. Test platforması, Xilinx Artix-7 FPGA və TMS320F28379D DSP-nin əsasında inşa edilmişdir, eyni güc səviyyəli schema topolojiləri və güc modulları (1200 V/50 A SiC MOSFET) istifadə edilmişdir. Performans göstəriciləri, çıxış voltajının Ümumi Harmonik Deformasiyası (THD), dinamik cavab vaxtı, enerji faktoru və sistem effektivliyi daxildir. Hər test üç dəfə təkrarlanır və nəticələr ortalama olaraq hesablanır, təhlükəsizlik təmin edilir.
Cədvəl 1-də göstərilən kimi, təklif olunan şema, gədəkli şemadan daha çox göstəricilərdə üstünlük göstərir: çıxış voltajının THD-i 8,63%-dən 5,33%-ə azalır, 38,2%-lik iyimələtmə; dinamik cavab vaxtı 428 μs-dən 245 μs-a azalır, 42,5%-lik azalmadır; və enerji faktoru 0,91-dən 0,98-ə qaldırılır. Sistem effektiv
