Повышение производительности инвертора с помощью технологии высокочастотного ШИМ

По мере роста спроса на точное управление в промышленных процессах традиционная технология широтно-импульсной модуляции (ШИМ) сталкивается с трудностями при выполнении требований к высокой динамической производительности и низкому гармоническому искажению. В противоположность этому, высокочастотная ШИМ-технология улучшает качество выходной формы сигнала и снижает системные гармоники за счет увеличения частоты несущего сигнала, тем самым оптимизируя производительность инверторов. Следовательно, балансировка эффективности системы и надежности при применении высокочастотной ШИМ-технологии стала ключевым аспектом развития технологии инверторов.

1. Основная теория и технические характеристики высокочастотной ШИМ

Технология ШИМ является основной методикой, используемой в электрических системах управления инверторами для регулирования напряжения и частоты. Она генерирует последовательности импульсов путем сравнения эталонных сигналов с несущими сигналами и использует эти последовательности импульсов для управления состояниями переключения силовых устройств, тем самым обеспечивая точное управление подачей электроэнергии на нагрузку. В управлении инверторами коэффициент заполнения $D$ ШИМ можно выразить через амплитуду эталонного сигнала VrefVref и амплитуду несущего сигнала VtriVtri следующим образом:

Коэффициент модуляции $m$ определяется как отношение амплитуды эталонного сигнала к амплитуде несущего сигнала. Он直接影响了输出电压的有效值和谐波特性。该比率的表达式为： 请注意，根据您的要求，我将继续翻译剩余的内容。以下是接下来的翻译： ```html

Частота несущего сигнала fcfc относится к частоте треугольного сигнала, используемого для генерации ШИМ-сигнала. Её значение напрямую влияет на скорость динамического отклика системы и распределение выходных гармоник. Частотное соотношение $N$ определяется как отношение частоты несущего сигнала к частоте эталонного сигнала и выражается следующим образом:

где f1 — это частота эталонного сигнала. Высокочастотная ШИМ-технология обычно относится к методам управления ШИМ с частотой несущего сигнала, превышающей 10 кГц. В современных инверторах, благодаря непрерывному улучшению характеристик силовых устройств, частота несущего сигнала достигает 20 кГц и даже выше. Увеличение частоты несущего сигнала сдвигает составляющие гармоник в область более высоких частот, что облегчает последующую фильтрацию и эффективно снижает шум и вибрацию двигателя.

Эксперименты показывают, что увеличение частоты несущего сигнала с 5 кГц до 20 кГц может снизить шум двигателя на 12–15 дБ и уменьшить повышение температуры на 5–8 °C. По мере увеличения частоты несущего сигнала форма выходного сигнала ШИМ всё больше приближается к идеальной синусоиде, и общее гармоническое искажение (THD) значительно уменьшается. При частоте несущего сигнала 20 кГц THD выходного напряжения инвертора снижается до примерно 5%, что намного лучше, чем 8%–12%, характерные для низкочастотных методов ШИМ. Кроме того, высокочастотная ШИМ обеспечивает преимущества, такие как более быстрый динамический отклик и более высокая точность управления.

2. Ключевые проблемы реализации высокочастотной ШИМ и их решения

2.1 Высокие потери при переключении и методы их снижения

Самая значительная проблема высокочастотной ШИМ-технологии — резкое увеличение потерь при переключении. Поскольку потери при переключении силовых устройств пропорциональны частоте переключения, высокочастотная работа приводит к снижению эффективности системы и увеличению требований к тепловому режиму. Потери при переключении PswPsw одного модуля IGBT (изолированный биполярный транзистор с изолированным затвором) можно смоделировать следующим образом:

где E_on и E_off — это энергетические потери при включении и выключении соответственно; ErrErr — это энергия обратного восстановления; VdcVdc — это фактическое напряжение постоянного тока; V_ref — это эталонное напряжение; Ic — это фактический ток; и IrefIref — это эталонный ток.

Для подавления потерь при переключении можно принять следующие меры:
Во-первых, использовать передовые силовые устройства, такие как полевые транзисторы с металлооксидным полупроводниковым каналом на основе карбида кремния (SiC MOSFET), которые обладают лучшими характеристиками переключения по сравнению с традиционными IGBT;
Во-вторых, оптимизировать дизайн цепи управления затвором, применяя двухнаклонные методы управления, чтобы динамически регулировать сопротивление затвора во время переходов, тем самым балансируя скорость переключения и электромагнитные помехи (EMI);
Наконец, внедрить методы мягкой коммутации, такие как топологии с нулевым напряжением (ZVS) или нулевым током (ZCS), чтобы значительно снизить потери при переключении.

2.2 Эффект мертвого времени и методы компенсации

При работе с высокочастотной ШИМ, хотя абсолютное мертвое время остается постоянным, его пропорция относительно периода переключения увеличивается, что делает эффект мертвого времени более заметным. Это может привести к искажению выходного напряжения, ухудшению работы на низких скоростях и увеличению пульсаций момента. Для эффективного устранения этих проблем используются алгоритмы компенсации мертвого времени, выраженные следующим образом:

3 Реализация высокочастотной ШИМ-технологии на основе FPGA

3.1 Проектирование архитектуры системы

Высокочастотное управление ШИМ предъявляет повышенные требования к реальному времени и точности управления вычислительных платформ. Традиционные цифровые сигнальные процессоры (DSP) часто сталкиваются с ограничениями, такими как недостаточная вычислительная мощность и значительная задержка прерываний при реализации высокочастотной ШИМ. В отличие от них, программируемые логические интегральные схемы (FPGA) лучше подходят для таких приложений благодаря своим возможностям параллельной обработки и гибкости аппаратной реализации.

Общая архитектура системы управления высокочастотной ШИМ на основе FPGA состоит из четырех основных модулей: главного блока управления, блока генерации ШИМ, блока обработки сигналов обратной связи и блока защиты. Конкретнее:

• Главный блок управления: выполняет алгоритмы замкнутого контура управления, такие как циклы скорости, тока и положения;

• Блок генерации ШИМ: отвечает за генерацию высокоточных форм ШИМ и управление мертвым временем;

• Блок обработки сигналов обратной связи: занимается сбором и предварительной обработкой сигналов, таких как ток, напряжение и положение;

• Блок защиты: обнаруживает и реагирует на неисправности, такие как перегрузка по току, перенапряжение и перегрев, обеспечивая безопасность системы.

Система использует модульную конструкцию, функциональные модули соединены через стандартизованные интерфейсы. Внутри FPGA используется архитектура с двумя областями тактовых частот: алгоритмы управления работают в области с более низкой частотой, чтобы снизить потребление ресурсов, тогда как блок генерации ШИМ работает в области с высокой частотой, чтобы обеспечить точное время и высокое разрешение.

3.2 Оптимизация и реализация алгоритма управления ШИМ

Для достижения высокопроизводительного управления высокочастотной ШИМ, традиционный алгоритм пространственно-векторной широтно-импульсной модуляции (SVPWM) оптимизируется путем введения улучшенного алгоритма управления ШИМ, выраженного следующим образом:

где TaTa — это время проводимости верхней ноги фазы A; vαvα и vβvβ — это компоненты эталонного напряжения в системе координат $\alpha \text{-}\beta$. Этот алгоритм реализуется в FPGA с использованием конвейерной архитектуры, преобразуя сложные тригонометрические вычисления в простые линейные операции. Это значительно уменьшает вычислительную задержку и позволяет выполнять операции за один такт. Для оптимизации управления мертвым временем используется адаптивная стратегия компенсации мертвого времени.

3.3 Тестирование и анализ производительности системы

Для оценки превосходства предложенной схемы реализации высокочастотной ШИМ (далее — "предложенная схема") она сравнивается с традиционной реализацией на основе DSP (далее — "традиционная схема"). Тестовая платформа построена на базе FPGA Xilinx Artix-7 и DSP TMS320F28379D, с использованием одинаковых топологий схем питания и силовых модулей (1200 В/50 А SiC MOSFET). Метрики производительности включают суммарное гармоническое искажение (THD) выходного напряжения, время динамического отклика, коэффициент мощности и эффективность системы. Каждый тест повторяется трижды, результаты усредняются для обеспечения надежности.

Как показано в таблице 1, предложенная схема демонстрирует значительные преимущества по большинству метрик по сравнению с традиционной схемой: THD выходного напряжения снижается с 8,63% до 5,33%, что составляет улучшение на 38,2%; время динамического отклика уменьшается с 428 μс до 245 μс, что составляет снижение на 42,5%; и коэффициент мощности увеличивается с 0,91 до 0,98. Хотя эффективность системы улучшается всего на 0,1%, этот небольшой прирост все еще имеет значение, учитывая уже высокую базовую эффективность, превышающую 92%.

Дополнительно проверяется работоспособность предложенной схемы при различных условиях нагрузки, результаты представлены в таблице 2. Тесты охватывают резистивные, индуктивные и двигательные нагрузки. Результаты показывают, что предложенная схема сохраняет стабильную работу при всех типах нагрузок: изменение THD выходного напряжения составляет всего 0,47%, что свидетельствует о высокой устойчивости алгоритма управления; потери при переключении поддерживаются в диапазоне 125 Вт до 138 Вт, с колебаниями всего 10,4%, что указывает на эффективное управление мощностью; и повышение температуры находится в пределах 41–45 °C, подтверждая высокую термическую стабильность.

4 Заключение

Высокочастотная ШИМ-технология является ключевым фактором повышения производительности инверторов, однако её реализация в системах электрического управления сталкивается с множеством технических проблем. В данной статье рассматриваются ключевые вопросы, такие как потери при высокочастотном переключении, эффект мертвого времени и проектирование цепей управления, предлагая системные решения и представляя рамки реализации на основе FPGA.

Предложенная схема обеспечивает высокую точность, низкую задержку и сильные возможности реального времени, эффективно улучшая как динамический отклик, так и статическую точность. Исследование предоставляет прочную техническую поддержку для высокопроизводительного управления инверторами и имеет широкий