Die Leistung des Wechselrichters mit Hochfrequenz-PWM-Technologie verbessern
Da die Nachfrage nach präziser Steuerung in industriellen Prozessen weiter zunimmt, kann die traditionelle Pulsweitenmodulation (PWM) die Anforderungen an eine hohe dynamische Leistung und geringe harmonische Verzerrung nicht mehr erfüllen. Im Gegensatz dazu verbessert die Hochfrequenz-PWM-Technologie die Ausgangswellenform und reduziert Systemharmonische, indem sie die Trägerfrequenz erhöht, was die Leistung von Wechselrichtern optimiert. Daher ist das Ausbalancieren von Systemeffizienz und -zuverlässigkeit bei der Anwendung von Hochfrequenz-PWM-Technologie ein kritischer Aspekt der Entwicklung von Wechselrichtertechnologien geworden.
1. Grundlegende Theorie und technische Eigenschaften der Hochfrequenz-PWM
PWM-Technologie ist die Kernmethode, die in elektrischen Steuersystemen von Wechselrichtern zur Regulierung von Spannung und Frequenz verwendet wird. Sie erzeugt Pulssequenzen, indem Referenzsignale mit Trägersignalen verglichen werden, und verwendet diese Pulssequenzen, um den Schaltzustand von Leistungselementen zu steuern, wodurch eine präzise Steuerung der Energieversorgung des Lastes erreicht wird. In der Wechselrichtersteuerung kann der Tastgrad D der PWM im Verhältnis zur Amplitude des Referenzsignals Vref und der Amplitude des Trägersignals Vtri wie folgt ausgedrückt werden:
Das Modulationsverhältnis m wird als das Verhältnis der Amplitude des Referenzsignals zur Amplitude des Trägersignals definiert. Es beeinflusst direkt den Effektivwert und die harmonischen Eigenschaften der Ausgangsspannung. Der Ausdruck für dieses Verhältnis lautet:
Die Trägerfrequenz fc bezieht sich auf die Frequenz des Dreieckssignals, das zum Erzeugen des PWM-Signals verwendet wird. Ihr Wert beeinflusst direkt die dynamische Reaktionsgeschwindigkeit des Systems und die Verteilung der Ausgangsharmonischen. Das Frequenzverhältnis N wird als das Verhältnis der Trägerfrequenz zur Frequenz des Referenzsignals definiert, ausgedrückt als:
wobei die Frequenz des Referenzsignals ist. Hochfrequenz-PWM-Technologie bezieht sich allgemein auf PWM-Steuerungstechniken mit einer Trägerfrequenz, die 10 kHz übersteigt. In modernen Wechselrichtern, bei ständig fortschreitenden Verbesserungen der Leistungselemente, erreichen Trägerfrequenzen 20 kHz oder höher. Durch die Erhöhung der Trägerfrequenz werden die Ausgangsharmonischen in höhere Frequenzbereiche verschoben, was die nachfolgende Filterung erleichtert und die Motorengeräusche und -vibrationen wirksam reduziert.
Experimente zeigen, dass die Erhöhung der Trägerfrequenz von 5 kHz auf 20 kHz die Motorengeräusche um 12–15 dB und die Temperaturerhöhung um 5–8 °C reduzieren kann. Mit zunehmender Trägerfrequenz nähert sich die PWM-Ausgangswelle immer mehr einer idealen Sinuswelle an, und die Gesamtharmonische Verzerrung (THD) wird signifikant reduziert. Bei einer Trägerfrequenz von 20 kHz sinkt die THD der Ausgangsspannung des Wechselrichters auf etwa 5 %, was deutlich besser als die 8 %–12 % typischer Niederfrequenz-PWM-Techniken ist. Darüber hinaus bietet Hochfrequenz-PWM Vorteile wie schnellere dynamische Reaktion und höhere Steuerungsgenauigkeit.
2. Hauptprobleme bei der Implementierung von Hochfrequenz-PWM und deren Lösungen
2.1 Hohe Schaltverluste und Minderungsmaßnahmen
Das prominenteste Problem der Hochfrequenz-PWM-Technologie ist der scharfe Anstieg der Schaltverluste. Da die Schaltverluste der Leistungselemente proportional zur Schaltfrequenz sind, führt die Betriebsweise mit hoher Frequenz zu einer Reduzierung der Systemeffizienz und erhöhten Anforderungen an die Wärmeabfuhr. Der Schaltverlust Psw eines einzelnen Isolierter-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT)-Moduls kann wie folgt modelliert werden:
wobei und die Einschalts- und Ausschalteenergieverluste sind; Err ist die Rückwärts-Wiederherstellungsenergie; Vdc ist die tatsächliche Gleichstrombusspannung; ist die Referenzspannung; ist die tatsächliche Stromstärke; und Iref ist die Referenzstromstärke.
Um die Schaltverluste zu unterdrücken, können die folgenden Maßnahmen ergriffen werden:
Erstens, verwenden Sie fortgeschrittene Leistungselemente wie Siliciumcarbid-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (SiC MOSFETs), die bessere Schalteigenschaften bieten als herkömmliche IGBTs;
Zweitens, optimieren Sie die Gate-Treiber-Schaltung durch die Verwendung von Doppelneigungstreibern, um den Gate-Widerstand während der Schaltübergänge dynamisch anzupassen, wodurch die Schaltgeschwindigkeit und elektromagnetische Störungen (EMI) ausgeglichen werden;
Schließlich, implementieren Sie sanfte Schalttechniken, wie Nullspannungs-Schalttopologien (ZVS) oder Nullstrom-Schalttopologien (ZCS), um die Schaltverluste signifikant zu reduzieren.
2.2 Totzeit-Effekt und Kompensationstechniken
Bei Hochfrequenz-PWM-Betrieb bleibt die absolute Totzeit konstant, ihr Anteil bezogen auf die Schaltperiode nimmt jedoch zu, wodurch der Totzeit-Effekt ausgeprägter wird. Dies kann zu Verzerrungen der Ausgangsspannung, degradierten Leistungen bei niedriger Geschwindigkeit und erhöhtem Drehmoment-Ripple führen. Um diese Probleme effektiv zu mildern, werden Totzeit-Kompensationsalgorithmen eingesetzt, ausgedrückt als:
3 FPGA-basierte Implementierungsschema für Hochfrequenz-PWM-Technologie
3.1 Systemarchitekturdesign
Hochfrequenz-PWM-Steuerung stellt höhere Anforderungen an die Echtzeitleistung und Steuerungsgenauigkeit von Rechenplattformen. Traditionelle digitale Signalprozessoren (DSPs) stoßen oft auf Grenzen wie unzureichende Rechenleistung und erhebliche Unterbrechungszeiten, wenn sie Hochfrequenz-PWM implementieren. Im Gegensatz dazu sind Feldprogrammierbare Gatterarrays (FPGAs) aufgrund ihrer parallelen Verarbeitungsfähigkeiten und der Flexibilität der Hardwareimplementierung besser geeignet.
Die gesamte Architektur des FPGA-basierten Hochfrequenz-PWM-Steuerungssystems besteht aus vier Kernmodulen: dem Hauptsteuermodul, dem PWM-Generierungsmodul, dem Rückführsignal-Verarbeitungsmodul und dem Schutzmodul. Genauer gesagt:
Hauptsteuermodul: Führt geschlossene Regelkreisalgorithmen wie Geschwindigkeits-, Strom- und Positionsschleifen aus;
PWM-Generierungsmodul: Ist verantwortlich für die Erzeugung hochgenauer PWM-Wellenformen und die Verwaltung der Totzeitsteuerung;
Rückführsignal-Verarbeitungsmodul: Behandelt die Erfassung und Vorverarbeitung von Signalen wie Strom, Spannung und Position;
Schutzmodul: Erkennt und reagiert auf Fehler wie Überstrom, Überspannung und Überhitzen, um die Systemicherheit zu gewährleisten.
Das System verwendet ein modulares Design, bei dem die Funktionsmodule über standardisierte Schnittstellen verbunden sind. Intern verwendet das FPGA eine Doppeltaktdomänenarchitektur: Die Steuerungsalgorithmen arbeiten in einem niedrigeren Taktdomänenbereich, um die Ressourcenverbrauch zu reduzieren, während das PWM-Generierungsmodul in einem hochfrequenten Taktdomänenbereich läuft, um präzise Zeitsteuerung und hohe Auflösung zu gewährleisten.
3.2 Optimierung und Implementierung des PWM-Steuerungsalgorithmus
Um eine hochleistungsfähige Hochfrequenz-PWM-Steuerung zu erreichen, wird der konventionelle Raumvektor-Pulsweitenmodulationsalgorithmus (SVPWM) durch die Einführung eines verbesserten PWM-Steuerungsalgorithmus optimiert, ausgedrückt als:
wobei Ta die Leitzeit des oberen Beins der Phase A ist; vα und vβ die Komponenten der Referenzspannung im α-β-Koordinatensystem sind. Dieser Algorithmus wird im FPGA mit einer Pipeline-Architektur implementiert, wodurch komplexe trigonometrische Berechnungen in einfache lineare Operationen transformiert werden. Dies reduziert die Berechnungsverzögerung erheblich und ermöglicht die Ausführung in einem einzigen Zyklus. Um die Totzeitsteuerung zu optimieren, wird eine adaptive Totzeitkompensationsstrategie angewendet.
3.3 Systemleistungstests und -analyse
Um die Überlegenheit des vorgeschlagenen Hochfrequenz-PWM-Implementierungsschemas (im Folgenden als "vorgeschlagenes Schema" bezeichnet) zu bewerten, wird es mit einer herkömmlichen DSP-basierten Implementierung (im Folgenden als "konventionelles Schema" bezeichnet) verglichen. Die Testplattform basiert auf einem Xilinx Artix-7 FPGA und einem TMS320F28379D DSP, wobei identische Leistungsschaltungstopologien und Leistungsmodule (1200 V/50 A SiC MOSFET) verwendet werden. Leistungsparameter umfassen die Gesamtharmonische Verzerrung (THD) der Ausgangsspannung, die dynamische Reaktionszeit, den Leistungsfaktor und die Systemeffizienz. Jeder Test wird dreimal wiederholt, und die Ergebnisse werden gemittelt, um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten.
Wie in Tabelle 1 gezeigt, zeigt das vorgeschlagene Schema gegenüber dem konventionellen Schema in den meisten Metriken signifikante Vorteile: Die THD der Ausgangsspannung wird von 8,63 % auf 5,33 % reduziert, eine Verbesserung um 38,2 %; die dynamische Reaktionszeit sinkt von 428 μs auf 245 μs, eine Reduktion um 42,5 %; und der Leistungsfaktor steigt von 0,91 auf 0,98. Obwohl die Systemeffizienz nur um 0,1 % verbessert wird, ist dieser marginaler Gewinn trotzdem bedeutend, da die Basiseffizienz bereits über 92 % liegt.
Die Machbarkeit des vorgeschlagenen Schemas unter variierenden Lastbedingungen wird weiterhin getestet, wobei die Ergebnisse in Tabelle 2 dargestellt werden. Die Tests umfassen ohmsche, induktive und Motorenlasten. Die Ergebnisse zeigen, dass das vorgeschlagene Schema über alle Lasttypen hinweg eine stabile Leistung aufrechterhält: Die Variation der THD der Ausgangsspannung beträgt nur 0,47 %, was die exzellente Robustheit des Steuerungsalgorithmus demonstriert; die Schaltverluste bleiben zwischen 125 W und 138 W, mit einer Schwankung von nur 10,4 %, was eine effektive Energieverwaltung anzeigt; und die Temperaturerhöhung bleibt innerhalb von 41–45 °C, was eine überlegene thermische Stabilität bestätigt.
4 Schlussfolgerung
Hochfrequenz-PWM-Technologie ist ein wesentlicher Faktor für die Verbesserung der Leistung von Wechselrichtern, ihre Implementierung in elektrischen Steuersystemen steht jedoch vor zahlreichen technischen Herausforderungen. Dieser Artikel behandelt kritische Probleme wie hohe Schaltverluste bei Hochfrequenz, Totzeit-Effekte und Treiber-Schaltungsentwurf, indem systematische Lösungen vorgeschlagen und ein FPGA-basiertes Implementierungskonzept präsentiert werden.
Das vorgeschlagene Schema bietet hohe Präzision, geringe Latenz und starke Echtzeitleistung, verbessert sowohl die dynamische Reaktion als auch die stationäre Genauigkeit. Die Forschung bietet solide technische Unterstützung für die Steuerung von leistungsfähigen Wechselrichtern und hat breites Anwendungspotenzial in Bereichen wie Industrieautomatisierung, erneuerbare Energien und Elektrofahrzeuge.
