Покращення продуктивності інвертора за допомогою технології ВШИМ

З постійним зростанням потреби у точному керуванні виробничими процесами традиційна технологія широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) стає все менше відповідною вимогам щодо високої динамічної продуктивності та низької гармонічної спотвореності. Натомість, високочастотна ШІМ-технологія покращує якість вихідної хвилі і зменшує системні гармоніки за рахунок збільшення частоти несучої, оптимізуючи таким чином продуктивність інверторів. Відповідно, балансування ефективності системи та надійності при використанні високочастотної ШІМ-технології стало ключовим аспектом розвитку технології інверторів.

1. Основна теорія та технічні характеристики високочастотної ШІМ

Технологія ШІМ є основною технікою, використовуваною в електричних системах керування інверторами для регулювання напруги та частоти. Вона генерує послідовності імпульсів, порівнюючи сигнал-зразок з несучим сигналом, і використовує ці послідовності імпульсів для керування станами переключення силових пристроїв, таким чином досягаючи точного керування живленням завантаження. У керуванні інвертором, коефіцієнт заповнення $D$ ШІМ може бути виражений через амплітуду сигналу-зразка VrefVref та амплітуду несучого сигналу VtriVtri наступним чином:

Коефіцієнт модуляції $m$ визначається як відношення амплітуди сигналу-зразка до амплітуди несучого сигналу. Він безпосередньо впливає на ефективне значення та гармонічні характеристики вихідної напруги. Вираз для цього відношення такий:

Частота несучого fcfc вказує на частоту трикутної хвилі, використовуваної для генерації сигнала ШІМ. Її значення безпосередньо впливає на швидкість динамічної відгуку системи та розподіл вихідних гармонік. Частотне відношення $N$ визначається як відношення частоти несучого до частоти сигналу-зразка, виражається як:

де f1 — це частота сигналу-зразка. Під високочастотною технологією ШІМ загалом розуміють методи керування ШІМ з частотою несучого, що перевищує 10 кГц. У сучасних інверторах, з постійними поліпшеннями характеристик силових пристроїв, частоти несучого досягли 20 кГц або навіть вище. Збільшуючи частоту несучого, гармонічні компоненти виводяться в більш високі частотні діапазони, що сприяє подальшому фільтруванню та ефективному зниженню шуму та вібрації двигуна.

Експерименти показали, що збільшення частоти несучого з 5 кГц до 20 кГц може знизити шум двигуна на 12–15 дБ та знизити підвищення температури на 5–8 °C. Зі збільшенням частоти несучого, форма вихідної хвилі ШІМ наближається до ідеальної синусоїди, а загальна гармонічна спотвореність (THD) значно знижується. При частоті несучого 20 кГц, THD вихідної напруги інвертора знижується до приблизно 5%, що значно краще, ніж 8%–12% типові для низькочастотних методів ШІМ. Крім того, високочастотна ШІМ має переваги, такі як швидша динамічна відгук і вища точність керування.

2. Ключові проблеми реалізації високочастотної ШІМ та їх рішення

2.1 Високі втрати при перетворенні та методи їх зниження

Найбільш виразною проблемою високочастотної технології ШІМ є різке збільшення втрат при перетворенні. Оскільки втрати при перетворенні силових пристроїв пропорційні частоті перетворення, високочастотна робота призводить до зниження ефективності системи та збільшення вимог до теплового управління. Втрати при перетворенні PswPsw одного модуля IGBT можна моделювати наступним чином:

де E_on і E_off — це втрати енергії при увімкненні та відключення, відповідно; ErrErr — це енергія оберненого відновлення; VdcVdc — це фактична напруга постійного струму; V_ref — це напруга-зразок; Ic — це фактичний струм; і IrefIref — це струм-зразок.

Для зниження втрат при перетворенні можна застосувати наступні міри:
По-перше, використовувати передові силові пристрої, такі як транзистори SiC MOSFET, які мають кращі характеристики перетворення, ніж традиційні IGBT;
По-друге, оптимізувати проект керуючого контура, використовуючи методи двохспадкового керування, щоб динамічно налаштовувати опір затвору під час переходів перетворення, таким чином балансуючи швидкість перетворення та електромагнітну суміш (EMI);
Нарешті, реалізувати методи м'якого перетворення, такі як топології з нульовою напругою (ZVS) або нульовим струмом (ZCS), щоб значно знизити втрати при перетворенні.

2.2 Ефект мертвого часу та методи його компенсації

При високочастотній роботі ШІМ, хоча абсолютний мертвий час залишається постійним, його відношення до періоду перетворення збільшується, що робить ефект мертвого часу більш виразним. Це може призвести до спотворення вихідної напруги, погіршення продуктивності на низьких швидкостях та збільшення коливань моменту. Для ефективного зниження цих проблем використовуються алгоритми компенсації мертвого часу, виражені наступним чином:

3 Реалізація високочастотної технології ШІМ на основі FPGA

3.1 Дизайн архітектури системи

Високочастотне керування ШІМ ставить вищі вимоги до реального часу та точності керування обчислювальних платформ. Традиційні цифрові сигнальні процесори (DSP) часто стикаються з обмеженнями, такими як недостатня обчислювальна потужність та значні затримки преривань, при реалізації високочастотної ШІМ. Натомість, програмовані логічні матриці (FPGA) краще підходять для таких застосувань завдяки своїм паралельним обробкам та гнучкості реалізації на рівні апаратури.

Загальна архітектура системи високочастотного керування ШІМ на основі FPGA складається з чотирьох ключових модулів: головний керуючий модуль, модуль генерації ШІМ, модуль обробки зворотних сигналів та модуль захисту. Конкретно:

• Головний керуючий модуль: виконує алгоритми замкненого керування, такі як керування швидкістю, струмом та положенням;

• Модуль генерації ШІМ: відповідає за генерацію високоточної ШІМ-хвилі та керування мертвим часом;

• Модуль обробки зворотних сигналів: забезпечує збор та передобробку сигналів, таких як струм, напруга та положення;

• Модуль захисту: виявляє та реагує на аварії, такі як перегрів, перенапруга та переструм, для забезпечення безпеки системи.

Система використовує модульний дизайн, де функціональні модулі з'єднуються через стандартизовані інтерфейси. Внутрішньо FPGA використовує архітектуру з подвійним доменом годинника: алгоритми керування працюють в домені нижчої частоти для зменшення витрат ресурсів, а модуль генерації ШІМ працює в домені високої частоти для забезпечення точного часовідмірів та високої роздільної здатності.

3.2 Оптимізація та реалізація алгоритму керування ШІМ

Для досягнення високої продуктивності високочастотного керування ШІМ, традиційний алгоритм просторово-векторної широтно-імпульсної модуляції (SVPWM) оптимізується за допомогою покращеного алгоритму керування ШІМ, вираженого наступним чином:

де TaTa — це час проводження верхньої ноги фази A; vαvα і vβvβ — це компоненти напруги-зразка в координатній системі $\α\text{-}\β$. Цей алгоритм реалізується в FPGA за допомогою конвеєрної архітектури, перетворюючи складні тригонометричні обчислення на прості лінійні операції. Це значно зменшує затримку обчислень і дозволяє виконання в одному циклі. Для оптимізації керування мертвим часом використовується адаптивна стратегія компенсації мертвого часу.

3.3 Тестування та аналіз продуктивності системи

Для оцінки переваг запропонованої реалізації високочастотної ШІМ (далі — «запропонована схема») її порівнюють з традиційною реалізацією на основі DSP (далі — «традиційна схема»). Тестова платформа побудована на основі FPGA Xilinx Artix-7 та DSP TMS320F28379D, використовуючи однакові топології схем живлення та силові модулі (SiC MOSFET 1200 V/50 A). Метрики продуктивності включають загальну гармонічну спотвореність (THD) вихідної напруги, час динамічної відгуку, коефіцієнт ефективності та ефективність системи. Кожен тест повторюється три рази, а результати усереднюються для забезпечення надійності.