Жоғары дауысты PWM технологиясы арқылы инвертордың жұмыс істейісін жақсарту

Echo

Өріс: Трансформатор талдауы

China

Сандық басқару технологияларында дәл басқару талаптарының артуына қарай, традициялық импульс-енімделген модуляция (PWM) технологиясы жоғары динамикалық сипаттамалар мен төмен гармоникалық искемпелер талаптарын қанағаттанбай қала береді. Осыған сол келетін, жоғары дауысты PWM технологиясы негізгі айналымдың сипатын және системаның гармоникалық компоненттерін азайту арқылы инверторлардың жұмыс істеу үzdігін жақсартады. Сондықтан, жоғары дауысты PWM технологиясы қолданылуы кезінде системаның үздік жұмыс істеуі мен қаржыландығын теңсіздікті бекіту инверторлар технологиясының өсуінің маңызды аспектісіне айналды.

1. Жоғары дауысты PWM-дің негізгі теориясы және техникалық қасиеттері

PWM технологиясы - инверторлардың электр басқару системаларында напряжение мен доғаны басқару үшін қолданылатын негізгі ықтималдылық. Бұл технология референцалық сигналдарды және носитель сигналдарды салыстыру арқылы пульстарды құрастырып, оларды энергетикалық құрылғылардың шығу режимдерін басқару үшін қолданады, сондықтан электр қамтамасыз ету үшін дәл басқару жүзеге асырылады. Инверторлардың басқаруында PWM-дің duty cycle $D$ референцалық толқынының амплитудасы $V_{ref}$ және носитель толқынының амплитудасы $V_{tri}$ арқылы мынадай түрде білдірілетіні мүмкін:

Модуляция коэффициенті $m$ референцалық толқынының амплитудасы мен носитель толқынының амплитудасының қатынасы ретінде анықталады. Бұл коэффициент шығыс напряжение параметрлерінің және гармоникалық қасиеттерінің өзгеруіне тікелей тәсіл етеді. Бұл қатынастың формуласы:

Носитель толқынының дауысы $f_{c}$ PWM сигналын құрастыру үшін қолданылатын үшбұрыштық толқынының дауысын білдіреді. Оның мәні системаның динамикалық жауап беру жылдамдығына және шығыс гармоникалық компоненттердің таралуына тікелей тәсіл етеді. Дауыстың қатынасы $N$ носитель толқынының дауысы мен референцалық толқынының дауысының қатынасы ретінде анықталады, мынадай түрде білдірілетіні мүмкін:

мұнда $f_{1}$ - референцалық толқынының дауысы. Жоғары дауысты PWM технологиясы - бұл носитель толқынының дауысы 10 кГц-ден жоғары болған PWM басқару ықтималдылықтарын білдіреді. Жаңа инверторларда, энергетикалық құрылғылардың үzdігінің үнемі өзгеруімен, носитель толқынының дауысы 20 кГц немесе одан да жоғары деңгейге жетеді. Носитель толқынының дауысын арттыру арқылы шығыс гармоникалық компоненттер жоғары дауысты диапазонға жылжытылады, сонымен қатар кейінгі фильтрлеу және электр құралының шуы мен вибрациясын азайту үшін ыңғайлау жасалады.

Жабыстамалар 5 кГц-тен 20 кГц-ке дейін носитель толқынының дауысын арттыру арқылы электр құралының шуын 12-15 дБ-ға азайтуға және температуралық тышқанды 5-8 °C-ге азайтуға мүмкіндік беретінін көрсетеді. Носитель толқынының дауысының артуымен PWM шығыс толқыны идеалды синусоидалық толқынға жақын болады, ал жалпы гармоникалық ауытқу (THD) өте азаяді. 20 кГц носитель толқынының дауысында инвертор шығыс напряжение параметрлерінің THD 5% азайады, бұл 5-12% THD-ға тең төмен дауысты PWM технологиясынан өте жақсы. Сонымен қатар, жоғары дауысты PWM технологиясы динамикалық жауап беру жылдамдығын және басқару дәлдігін жақсартады.

2. Жоғары дауысты PWM-ді енгізу үшін маңызды кедергілер және олардың шешімдері

2.1 Жоғары коммутациялық жоюлар және оларды азайту ықтималдылықтары

Жоғары дауысты PWM технологиясының ең көрінетін мәселесі - бұл коммутациялық жоюлардың өте жоғары деңгейде өсуі. Энергетикалық құрылғылардың коммутациялық жоюлары коммутациялық дауысына пропорционалды болғандықтан, жоғары дауысты қолдану системаның үздігін азайтады және термодинамикалық басқаруға өзгертілер талап етеді. Бір IGBT модулінің коммутациялық жоюлары $P_{sw}$ мынадай түрде модельдеу мүмкін:

мұнда $E_{on}$ және $E_{off}$ - соңғы жоюлары; $E_{rr}$ - кері жою; $V_{dc}$ - нақты DC автобус напряжение параметрлері; $V_{ref}$ - референцалық напряжение; $I_{c}$ - нақты ағым; және $I_{ref}$ - референцалық ағым.

Коммутациялық жоюларды азайту үшін төмендегі ықтималдылықтар қолданылады:
Бірінші, кремний карбид металл-оксид-полевик транзисторлары (SiC MOSFET) сияқты жаңа энергетикалық құрылғыларды қолдану, олар традициялық IGBT-лерге қарағанда ұзақтырақ коммутация қасиеттерін ұсынады;
Екінші, гейт драйвер схемасын оптимизациялау, екі жолақты драйв ықтималдылықтарын қолдану, коммутация уақытында гейт қарсылығын динамикалық түрде өзгерту арқылы коммутация жылдамдығы мен электромагниттік интерференция (EMI) арасын теңсіздікті бекіту;
Үшінші, нөл напряжение коммутация (ZVS) немесе нөл ағым коммутация (ZCS) топологиялары сияқты жеке коммутация ықтималдылықтарын қолдану, коммутациялық жоюларды өте азайту.

2.2 Мерт уақыт эффектісі және оны компенсациялау ықтималдылықтары

Жоғары дауысты PWM қолдану кезінде, мерт уақыт абсолюттік түрде тұратында, оның коммутация периодына қатынасы артады, мерт уақыт эффектісі көрінетін болады. Бұл шығыс напряжение параметрлерінің бұзылуына, төмен жылдамдықтағы сипаттамалардың қысқартылуына және моменттік осцилляцияның артуына әкеледі. Бұл мәселелерді қолдану үшін мерт уақыт компенсациялау алгоритмдері қолданылады, олар мынадай түрде білдірілетіні мүмкін:

3 FPGA-ға негізделген жоғары дауысты PWM технологиясын қолдану схемасы

3.1 Система архитектурасын құрастыру

Жоғары дауысты PWM басқару үшін есептеу платформаларының үздік жұмыс істеуі мен басқару дәлдігіне жоғары талаптар қойылады. Традициялық цифирлік сигнал процессорлары (DSP) жоғары дауысты PWM қолдану кезінде есептеу қуаты жетіспейді және перерыв латенттілігі зиянды. Керісінше, параллель есептеу қабілеттері және аппараттық деңгейде қолдану ықтималдылықтары бар ПЗУ (FPGA) қолданылуы үшін ыңғайлау жасайды.

FPGA-ға негізделген жоғары дауысты PWM басқару системасының жалпы архитектурасы төрт негізгі модулдан тұрады: негізгі басқару модулі, PWM құрастыру модулі, кері байланыс сигналдарын өңдеу модулі және қорғау модулі. Сондықтан:

Негізгі басқару модулі: Жылдамдық, ағым және орналасу циклдері сияқты жабыстыру алгоритмдерін орындайды;
PWM құрастыру модулі: Жоғары дәлдіктегі PWM толқындарын құрастырып, мерт уақыт басқаруын жүзеге асырады;
Кері байланыс сигналдарын өңдеу модулі: Ағым, напряжение және орналасу сияқты сигналдарды жинау және өңдеу;
Қорғау модулі: Жоғары ағым, напряжение және температуралық жоғалту сияқты қателерді анықтай және жауап береді, сондықтан системаның қауіпсіздігін қамтамасыз етеді.

Система модульді құрастыру ықтималдылығын қолданады, функционалдық модулдер стандартты байланыс интерфейстері арқылы байланысады. Ішкі FPGA екі такт аймагын қолданады: басқару алгоритмдері төмен дауысты такт аймагында қызмет етеді, ресурстарды азайту үшін, ал PWM құрастыру модулі жоғары дауысты такт аймагында қызмет етеді, сонымен қатар дәл уақытты және жоғары резолюциялық қызмет етеді.

3.2 PWM басқару алгоритмін оптимизациялау және қолдану

Жоғары сипаттамалы жоғары дауысты PWM басқару үшін, ұсынылатын жаңа PWM басқару алгоритмін енгізу арқылы традициялық Космостық векторлық импульс-енімделген модуляция (SVPWM) алгоритмін оптимизациялады, ол мынадай түрде білдірілетіні мүмкін: