Подобрување на перформансите на инверторот со технологија на ПЧМ во висока фреквенција
Покрај нарастањето на барањето за прецизно контролирање во индустријалните процеси, традиционалната технологија на модулација со ширина на импулс (PWM) се труди да исполнува барањата за висок динамички перформанси и ниска хармоничка деформација. Насупроти тоа, високочестотната PWM технологија го подобрува квалитетот на излезниот сигнал и ги намалува системските хармоници, зголемувајќи ја честотата на носачкиот сигнал, со што се оптимизира перформансата на инверторите. Затоа, балансирањето на ефикасноста и надежноста на системот при примената на високочестотната PWM технологија стана критичен аспект во развојот на технологијата на инверторите.
1. Основна теорија и технички карактеристики на високочестотната PWM
Технологијата PWM е основна техника користена во електричките контролни системи на инверторите за регулирање на напонот и фреквенцијата. Генерира последователности на импулси споредувајќи референтни сигнали со носачки сигнали и користи овие последователности на импулси за контрола на состојбите на превклучување на моќните уреди, тако што се постигува прецизна контрола над доставата на моќ до оптерот. Во контролата на инверторот, должината на импулс D на PWM може да се изрази во однос на амплитудата на референтниот сигнал Vref и амплитудата на носачкиот сигнал Vtri како следува:
Коефициентот на модулација m е дефиниран како однос на амплитудата на референтниот сигнал и амплитудата на носачкиот сигнал. Тукути влијае на ефективната вредност и хармоничките карактеристики на излезниот напон. Изразот за овој однос е:
Честотата на носачкиот сигнал fc се однесува на честотата на триаголниот сигнал користен за генерирање на PWM сигнал. Нејзината вредност директно влијае на динамичкиот одговор на системот и распределбата на излезните хармоници. Односот на честотите N е дефиниран како однос на честотата на носачкиот сигнал и честотата на референтниот сигнал, изразен како:
каде е честотата на референтниот сигнал. Високочестотната PWM технологија обично се однесува на техники на контрола со PWM со честота на носачкиот сигнал над 10 kHz. Во современи инвертори, со непрекинати подобрувања во перформансите на моќните уреди, честотите на носачкиот сигнал достигнуваат 20 kHz или дораже. Со зголемување на честотата на носачкиот сигнал, хармоничките компоненти на излезот се преместуваат кон повисоки честотни опсеги, што овозможува последебно филтрирање и ефективно намалување на моторскиот шум и вибрации.
Експериментите покажуваат дека зголемувањето на честотата на носачкиот сигнал од 5 kHz до 20 kHz може да намали моторскиот шум за 12–15 dB и да понизи температурата за 5–8 °C. Со зголемување на честотата на носачкиот сигнал, излезниот сигнал на PWM поблиско се приближува до идеален синусоиден сигнал, а тоталната хармоничка деформација (THD) значително се намалува. При честота на носачкиот сигнал од 20 kHz, THD на излезниот напон на инверторот се намалува до околу 5%, што е значително подобро од типичните 8%–12% на нискочестотните техники на PWM. Помину на тоа, високочестотната PWM предлажа предности како побрза динамичка реакција и подобра контрола.
2. Клучни предизвици во имплементацијата на високочестотната PWM и нивните решенија
2.1 Високи губитоци при превклучување и методи за намалување
Најзначајниот проблем со високочестотната PWM технологија е резкото зголемување на губитоците при превклучување. Бидејќи губитоците при превклучување на моќните уреди се правопропорционални со честотата на превклучување, операцијата на висока честота доведува до намалена ефикасност на системот и зголемени барања за термална управување. Губитокот при превклучување Psw на еден модул Insulated-Gate Bipolar Transistor (IGBT) може да се моделира како следува:
каде и се губитоци при вклучување и исклучување, соодветно; Err е енергијата за обратно востанување; Vdc е актуалниот DC напон; е референтниот напон; е актуалниот струја; и Iref е референтната струја.
За потиснување на губитоците при превклучување, можат да се применат следниве мерки:
Прво, користете напредни моќни уреди како Silicon Carbide Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors (SiC MOSFETs), кои нудат подобри карактеристики на превклучување во однос на традиционалните IGBTs;
Второ, оптимизирајте дизајнот на циркулитот за управување на порта, користејќи техники на двојна нагиба за превклучување за динамичко прилагодување на отпорот на порта во текот на превклучувањето, со што се постигува балансирање на брзина на превклучување и електромагнетна интерференција (EMI);
На крај, применете техники за меко превклучување, како што се топологиите на нулт напон (ZVS) или нулт струја (ZCS) за значително намалување на губитоците при превклучување.
2.2 Ефектот на мртво време и техники за компензација
Под високочестотна PWM операција, иако абсолютното мртво време останува константно, неговиот однос во однос на периодот на превклучување се зголемува, што прави ефектот на мртвото време поизразен. Ова може да доведе до деформација на излезниот напон, понижена перформанса при ниска брзина и зголемена варијација на моментот. За ефективно намалување на овие проблеми, се користат алгоритми за компензација на мртвото време, изразени како:
3 Реализација на високочестотната PWM технологија базирана на FPGA
3.1 Дизајн на системска архитектура
Високочестотната контрола на PWM поставува повисоки барања за реално време и прецизност на контрола на платформите за пресметки. Традиционалните Цифрови Сигнални Процесори (DSP) често се соочуваат со ограничувања како недостаток на пресметковна моќ и значајна латенца на прекинот при имплементација на високочестотна PWM. Насупроти тоа, Полуводници со програмабилна матрица на полева (FPGA) се подобро прилагодени за такви применби поради нивните капацитети за паралелна обработка и флексибилност на имплементација на ниво на хардвер.
Целокупната архитектура на системот за контрола на високочестотна PWM базирана на FPGA се состои од четири основни модули: главна контролна единица, единица за генерирање на PWM, единица за обработка на повратни сигнали и единица за заштита. Конкретно:
Главна контролна единица: Извршува алгоритми за затворена контрола како што се контурите за брзина, струја и положба;
Единица за генерирање на PWM: Одговорна е за генерирање на високо прецизни PWM сигнални форми и управување на контрола на мртво време;
Единица за обработка на повратни сигнали: Обработува придобивање и претпроцесирање на сигнали како што се струја, напон и положба;
Единица за заштита: Детектира и одговара на грешки како што се премногу струја, премногу напон и премногу температура за осигурување на безопасност на системот.
Системот го применува модуларниот дизајн, со функционални модули поврзани преку стандардизирани интерфејси. Внатрешно, FPGA го користи дизајнот на двојен домен на часовник: алгоритмите за контрола функционираат во домен на часовник со ниска честота за намалување на потрошувачките ресурси, додека модулот за генерирање на PWM функционира во домен на часовник со висока честота за осигурување на прецизно време и висока резолуција.
3.2 Оптимизација и имплементација на алгоритамот за контрола на PWM
За постигање на високоперформансна високочестотна контрола на PWM, конвенционалниот алгоритам за просторна векторска модулација со широчина на импулс (SVPWM) се оптимизира со воведување на подобрен алгоритам за контрола на PWM, изразен како:
каде Ta е временското период на проводливост на горниот дел на Фаза A; vα и vβ се компоненти на референтниот напон во α-β координатен систем. Овој алгоритам се имплементира во FPGA користејќи архитектура на конвејер, претварајќи комплексни тригонометриски пресметки во едноставни линеарни операции. Ова значително намалува задоцнувањето во пресметките и овозможува изведување во еден циклус. За оптимизација на контролата на мртво време, се применува стратегија за адаптивна компензација на мртво време.
3.3 Тестирање и анализа на перформансите на системот
За евалуација на превлечноста на предложената имплементација на високочестотна PWM (напредок, "предложена шема"), се прави споредба со конвенционална имплементација базирана на DSP (напредок, "конвенционална шема"). Тестирачкиот платформа е изградена на Xilinx Artix-7 FPGA и TMS320F28379D DSP, користејќи идентични топологии на моќните кружници и моќни модули (1200 V/50 A SiC MOSFET). Метриките на перформансите вклучуваат тотална хармоничка деформација (THD) на излезниот напон, временски период на динамичка реакција, фактор на моќ и ефикасност на системот. Секој тест се повторува три пати, со просечни резултати за осигурување на надежност.
Како што е прикажано во Табела 1, предложената шема демонстрира значителни предности во однос на конвен
