Il-ħal mill-inverter permezz tal-teknoloġija ta' PWM għall-frekwenza tgħira

Echo

Camp: Analisi tal-Transformer

China

Fliehija għal kontroll preċiż fl-proċessi industrjali segwenti, it-teknoloġija tradizzjonali tal-Pulse-Width Modulation (PWM) qattgħet tkun tinsab l-aħjar biex taqbeż il-maqsid għal prestazzjoni dinamika u distortjoni armonika fgħala. Fl-kontrarju, it-teknoloġija ta’ PWM tal-frekwenza ħajja timprova l-qualità tal-forma tal-output u timxella l-armoniki tas-sistema permezz ta’ żid fil-frekwenza tal-carrier, bl-għadi joptimizaw l-prestazzjoni tal-inverters. Bhalhekk, l-ebda bilanċ bejn l-effiċjenza u r-rebħ tas-sistema meta jintuża l-PWM tal-frekwenza ħajja saret aspekt kritiku fit-tixxil tat-teknoloġija tal-inverter.

1. Teorija Bażika u Karatteristiċi Tekniċi tal-PWM tal-Frekwenza Ħajja

It-teknoloġija tal-PWM hija l-tekniċa ċentrale tuża f’sistemi tal-kontroll elektriku ta’ inverters biex tirregola l-voltàġġ u l-frekwenza. Ttellaqqas seqwenzi tal-pulsi b’modd ta’ konfront mill-signali referenzjali mal-signali carrier u tuża dawn is-seqwenzi tal-pulsi biex tkontrolla l-stati tal-switching ta’ dispozitivi tal-potenza, f’dan noqsma tinrealizza l-kontroll preċiż fuq is-somministru tal-enerġija lil l-load. Fil-kontroll tal-inverter, id-duty cycle $D$ tal-PWM jista' jiġi espress relazzjonat mal-amplitud tal-ondata referenzjali $V_{ref}$ u l-amplitud tal-ondata carrier $V_{tri}$ kif segue:

Ir-rapport ta’ modulazzjoni $m$ huwa definit bħala rapport tal-amplitud tal-ondata referenzjali mal-amplitud tal-ondata carrier. Dan influenża direttament il-valur effettiv u l-karatteristiċi armonika tal-voltàġġ tal-output. L-espressjoni għal dan ir-rapport hi:

Il-frekwenza tal-carrier $f_{c}$ tiferfa ll-frekwenza tal-triangulu tal-PWM. Valur tiegħu influenża direttament ir-ridott ta’ risposta dinamika tas-sistema u d-distribuzzjoni tal-armoniki tal-output. Il-rapport tal-frekwenza $N$ huwa definit bħala rapport tal-frekwenza tal-carrier mal-frekwenza tal-ondata referenzjali, espress bħal:

fejn $f_{1}$ huwa l-frekwenza tal-ondata referenzjali. It-teknoloġija tal-PWM tal-frekwenza ħajja tipikament tiriferisce għall-tekniki tal-kontroll tal-PWM b’frekwenza tal-carrier li tagħmel aktar minn 10 kHz. F’inverters moderni, bl-għadi l-aktar mhuxjawr fis-sistemi tal-dispozitivi tal-potenza, ifrekwenzi tal-carrier arraġġew sa 20 kHz jew aktar. Permezz ta’ żid fil-frekwenza tal-carrier, ikomponenti armoniki tal-output jiġu miftuħa fil-diagrammi tal-frekwenza akbar, facilitand is-silġ tal-filtraggio u mxiema effettivament il-ħasir u t-tremor tal-motor.

L-esperienzi jmuraw liż-żid fil-frekwenza tal-carrier minn 5 kHz sa 20 kHz jistgħu jiġġmużaw l-ħasir tal-motor b’12–15 dB u jiġġmużaw l-ktir tal-ħalih minn 5–8 °C. Meta tfrekwenza tal-carrier tiżdied, it-tip tal-forma tal-PWM jkun aktar karib għal ondata sine perfetta, u l-Total Harmonic Distortion (THD) jiġi mxiem signifikant. Fil-frekwenza tal-carrier ta’ 20 kHz, it-THD tal-voltàġġ tal-output tal-inverter jiġi xejn għal approssimativament 5%, li huwa considerabilment aħjar mill-8%–12% tipiku tal-tekniki tal-PWM ta’ frekwenza bassa. Fuq il-konsegwenza, it-teknoloġija tal-PWM tal-frekwenza ħajja toffri avantaggi kif huma l-ridott ta’ risposta dinamika veloċi u l-akku rat tal-kontroll.

2. Sfidi Kliementi fil-Implementazzjoni tal-PWM tal-Frekwenza Ħajja u Soluzzjonijiet Tagħhom

2.1 Perdi Switching Għoxrin u Metodi ta’ Mitigazzjoni

Is-sfida prinċipali tal-teknoloġija tal-PWM tal-frekwenza ħajja huwa l-żid drastiku tal-perdi switching. Minħabba li l-perdi switching ta’ dispozitivi tal-potenza huma proporzjonali għal tfrekwenza tal-switching, l-operazzjoni tal-frekwenza ħajja tiġi b’ridott tal-effiċjenza tas-sistema u l-aktar exigenti għal managemend termiku. Il-perdi switching $P_{sw}$ ta’ modulu waħed tal-Insulated-Gate Bipolar Transistor (IGBT) jistgħu jiġu modeljati kif segue:

fejn $E_{on}$ u $E_{off}$ humax-xejn il-perdi tal-enerġija tal-turn-on u tal-turn-off rispettivament; $E_{rr}$ huwa l-enerġija tal-recovery reversa; $V_{dc}$ huwa l-voltàġġ reali tal-bus DC; $V_{ref}$ huwa l-voltàġġ referenzjali; $I_{c}$ huwa l-kurrent reali; u $I_{ref}$ huwa l-kurrent referenzjali.

Biex tissoppiġu l-perdi switching, il-misuri segwenti jistgħu jiġu adottati:
Awlu, l-użu ta’ dispozitivi tal-potenza avvanzati kif Silicon Carbide Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors (SiC MOSFETs), li jagħmlu offert karatteristiċi tal-switching aħjar minn IGBTs tradizzjonali;
Tannix, l-ottimizazzjoni tal-design tal-circuit tal-gate driver permezz ta’ tekniki ta’ dual-slope drive biex jiġi adattat dinamiċament ir-resistenza tal-gate waqt it-telf ta’ switching, bl-għadi jbilanċaw is-swiftness tal-switching u l-interferenza elettromagnetika (EMI);
Ħanis, l-implementazzjoni ta’ tekniki ta’ soft-switching, kif zero-voltage switching (ZVS) jew zero-current switching (ZCS) topologies, biex jiġi mxiem signifikantament l-perdi switching.

2.2 L-Effett tal-Dead-Time u Teknikijiet ta’ Kompensazzjoni

Fil-operazzjoni tal-PWM tal-frekwenza ħajja, wara ma l-absolute dead-time jiġi maqsum konstant, il-proporzjoni tiegħu relativament għal iperiod tal-switching tiżdied, li jgħaddi l-effett tal-dead-time iktar evidenti. Dan jistgħu jiġi l-kausa tal-distortjoni tal-voltàġġ tal-output, l-ridott tal-prestazzjoni fl-veloċita bassa, u l-żid tal-ripple tal-avvi. Biex jiġi mitlifa effettivament dawn is-sfidi, algoritmi ta’ kompensazzjoni tal-dead-time jiġu impiegati, espress bħal:

3 Skema ta’ Implementazzjoni bażata fuq FPGA għal Teknoloġija tal-PWM tal-Frekwenza Ħajja

3.1 Design ta’ Architettura tas-Sistema

Il-kontroll tal-PWM tal-frekwenza ħajja imponi magħrufa aktar ambiziżi għal l-effiċjenza real-time u l-akkuratessa tal-kontroll ta’ piattaforma ta’ kompjutazzjoni. IDigital Signal Processors (DSPs) tradizzjonali sovent imfarrgħu mad-definienza tal-forza tal-kalkol u l-latenza tal-interrupt significanti meta jiġu implementati l-PWM tal-frekwenza ħajja. Fil-kontrarju, il-Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) huma aħjar adaptati għal dawn l-applikazzjonijiet għall-kapaċità tagħhom ta’ elaborazzjoni parallela u l-flexibilità ta’ implementazzjoni fi livell hardware.

Il-struttura ollija tas-sistema ta’ kontroll tal-PWM tal-frekwenza ħajja basata fuq FPGA tikkonsisti minn erbgħa moduli kore: l-unità ta’ kontroll prinċipali, l-unità ta’ generazzjoni tal-PWM, l-unità ta’ elaborazzjoni tal-feedback signal, u l-unità ta’ protezzjoni. Speċifikament:

Unità ta’ Kontroll Prinċipali: Iġġibu l-algoritmi ta’ kontroll loop chiusi kif speed, current, u position loops;
Unità ta’ Generazzjoni tal-PWM: Responsabbli għall-generazzjoni ta’ formi tal-PWM tal-akkuratessa għoli u l-kontroll tal-dead-time;
Unità ta’ Elaborazzjoni tal-Feedback Signal: Jgħandu l-aċquisizzjoni u l-preprocessing tas-signal kif current, voltàġġ, u posizzjoni;
Unità ta’ Protezzjoni: Jiddetegga u jirrispond għal difetti kif overcurrent, overvoltage, u overtemperature biex jassigura s-saġezza tas-sistema.

Is-sistema tuża design modular, kun moduli funzjonali interkonnessa permezz ta’ interfacċi standardizzati. Internament, il-FPGA tuża struttura ta’ dual-clock-domain: l-algoritmi ta’ kontroll operaw f’domain ta’ clock ta’ frekwenza bassa biex jiġi mxiem l-konsum tal-ressorsi, mentri l-modulu ta’ generazzjoni tal-PWM jgħix f’domain ta’ clock ta’ frekwenza ħajja biex jiġi assiguratu l-precizzjoni ta’ timing u l-risoluzzjoni għoli.

3.2 Ottimizzazzjoni u Implementazzjoni tal-Algoritmu ta’ Kontroll tal-PWM

Biex jiġi raggiunt l-obbjettività tal-PWM tal-frekwenza ħajja ta’ prestazzjoni għoli, l-algoritmu tradizzjonali tal-Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM) jiġi ottimizat permezz ta’ introduzzjoni ta’ algoritmu ta’ kontroll tal-PWM miġborr, espress bħal:

fejn $T_{a}$ huwa l-ħin ta’ konduzzjoni tal-upper leg tal-Phase A; $v_{α}$ u $v_{β}$ huma l-komponenti tal-voltàġġ referenzjali fil- $α - β$ sistema koordinati. Dan l-algoritmu jiġi implementat fl-FPGA permezz ta’ struttura pipelined, trasformand il-kalkol trigonometriċi komplikati f’operazzjonijiet lineari sempliċi. Dan jiġi mxiem signifikantament l-latenza tal-kalkol u jippermetti l-eżekuzzjoni ta’ singlu siklu. Biex jiġi ottimizat l-kontroll tal-dead-time, strategija ta’ kompensazzjoni ta’ dead-time adattiva jiġi adottata.

3.3 Test u Analisi tas-Performance tas-Sistema

Biex jiġi evalwat l-avvantaggi tal-skema propposta ta’ implementazzjoni tal-PWM tal-frekwenza ħajja (missirji referenza bħal "skema propposta"), jiġi confrontat mal-implementazzjoni konvenzjonali bażata fuq DSP (missirji referenza bħal "skema konvenzjonali"). Il-pjattaforma tal-test jiġi ibdat fuq Xilinx Artix-7 FPGA u TMS320F28379D DSP, użant topologi identiki tas-sistemi tal-potenza u moduli tal-potenza (1200 V/50 A SiC MOSFET). Il-metrici tas-performance inkluġu l-Total Harmonic Distortion (THD) tal-voltàġġ tal-output, l-ħin ta’ risposta dinamika, l-fattur tal-potenza, u l-effiċjenza tas-sistema. Kull test jiġi ripetut terġa’, u l-riżultati jiġu medji biex jiġi assigurata l-affidabilità.

Kif misjub fil-Tavola 1, is-skema propposta turi avvantaggi signifikanti fuq is-skema konvenzjonali għal l-aktar metrici: it-THD tal-voltàġġ tal-output jiġi mxiem mir-8.63% sa 5.33%, imbelliment ta’ 38.2%; l-ħin ta’ risposta dinamika jiġi mxiem mir-428 μs sa 245 μs, ridott ta’ 42.5%; u l-fattur tal-potenza jiġi żid mir-0.91 sa 0.98. Anki r-effiċjenza tas-sistema tiżdi mir-0.1%, dan l-żid marginal huwa stess importanti għall-baseline effiċjenza ta’ aktar minn 92%.