Invertorni darajasini yuqori chastotali PWM texnikasi bilan oshirish

Индустриси процессларидаги такрибий босқылық талаблари ортишга қарама-карши, традицион пульс-енгизиш модуляцияси (PWM) технологияси юқори динамикалик натижалар ва паст хармоникалик ифода талабларин қанағаттандыруда күмәндеп жатыр. Бирок, юқори френвенслик PWM технологиясы айналтырушының чыгару формасын жакшырту арқилик системанын хармоникасун азайту арқилик инверторлардың ишмердилегин жетектейдиган. Натижеде, юқори френвенслик PWM технологиясин колдону арқилик системанын эфективдикти жана ишмердилектин мувазанесин сақтоо инвертор технологияларын өнүктүрүүнүн маанилүү аспектери болуп саналат.

1. Юқори френвенслик PWM негизги теориясы жана техникалык өзгөчөлүктөрү

PWM технологиясы инверторлардын электр контрол системаларында вольтаж жана френвенсликти регулировкалоо үчүн колдонулган негизги усул. Ал референса сигналдарды менен каррьер сигналдарын салыштыруу арқилик пульс тизмесин түзөт жана бул пульс тизмесин күчтүү куралдардын алмашуу абалын башкаруу үчүн колдонот, ошондой эле тамгалык жүктөргө берилген күчтү так башкарууга жеткиликтүү. Инвертор контролунда PWM duty цикли $D$ референса толкоо амплитудасы VrefVref жана каррьер толкоо амплитудасы VtriVtri караганда төмөндөгүдөй билдирилет:

Модуляция коэффициенти $m$ референса толкоо амплитудасын каррьер толкоо амплитудасына бөлүү арқилик аныкталат. Ал чыгару вольтажынын эффекттивдик баасын жана гармоникалык өзгөчөлүктөрүн туура көрсөтөт. Бул коэффициентти төмөндөгүдөй билдирилет:

Каррьер френвенслиги fcfc PWM сигналды түзүү үчүн колдонулган тригонометриялык толкоонун френвенслигин билдирет. Анын баасы системанын динамикалык жооп берүү тездигин жана чыгару гармоникаларынын таралышын түздөйт. Френвенслик коэффициенти $N$ каррьер френвенслигин референса толкоо френвенслигине бөлүү арқилик аныкталат, төмөндөгүдөй билдирилет:

мүнда f1 референса толкоо френвенслиги. Юқори френвенслик PWM технологиясы көбүнчө каррьер френвенслиги 10 кГцден жогору болгон PWM башкаруу ыкмаларын билдирет. Жаңы инверторларда, күчтүү куралдардын ишмердилегинин улантма жөнүндө, каррьер френвенслиги 20 кГцге же андан жогоруга жетип келип жатат. Каррьер френвенслигин арттыру арқилик чыгару гармоника компоненттери жогору френвенслик диапазынга кошулуп, кийинчерээк фильтрленүүнү жетектейдиги жана электр двигирлердин шуму жана титирөөсүн азайтууга жардам берет.

Тажрыйбалар көрсөткөндөй, каррьер френвенслигин 5 кГцден 20 кГцге көтөрүү двигирлердин шумун 12-15 дБга азайтууга жана температуралык жогорулашуун 5-8 °Cге азайтууга мүмкүндүк берет. Каррьер френвенслиги өскөндө, PWM чыгару формасы идеалдуу синусоидалык формага жакындоого жана жалпы гармоникалык искемде (THD) көбүрөөк азайтууга жеткиликтүү. 20 кГц каррьер френвенслигида инвертор чыгару вольтажынын THD 5%ге түшүп, бул низкий френвенслик PWM ыкмаларынын 8%-12% типтүү баасынан көп жакшыраак. Ошондой эле, юқору френвенслик PWM динамикалык жооп берүү тездигин жогорулатуу жана башкаруу тактыгын жогорулатуунун артыкчылыктарын берет.

2. Юқору френвенслик PWM жана алардын чечимдерин имлементациялоо көйгөйлөрү

2.1 Юқору коммутациялык жокко чыгуу жана аны азайтуу ыкмалары

Юқору френвенслик PWM технологиясынын эң белгилүү маселеси - коммутациялык жокко чыгуунун тыгыз арттырылуусу. Күчтүү куралдардын коммутациялык жокко чыгуусу коммутациялык френвенсликке пропорционалдуу болгондуктан, юқору френвенслик иштөө системанын эфективдигин азайтууга жана термо менеджментке жогору талаптарды жаратууга алып келет. Бир IGBT модулунун коммутациялык жокко чыгуусу PswPsw төмөндөгүдөй моделиленет:

мүнда E_on жана E_off соңку жана башталыш энергиялык жокко чыгуулар; ErrErr керген энергия; VdcVdc чындыгында DC автобус вольтажы; V_ref референса вольтажы; Ic чындыгында курал; жана IrefIref референса курал.

Коммутациялык жокко чыгууну азайтуу үчүн төмөндөгү ыкмалар колдонулат:
Биринчи, силикон карбид металлоксид-полевик транзисторлор (SiC MOSFET) сыяктуу иреттүү күчтүү куралдарды колдонуу, алар традицион IGBTлерге салыштырмалуу жакшы коммутациялык өзгөчөлүктөргө ээ;
Экинчи, гейт драйвер схемасын оптимизациялоо, эки эгреге драйв ыкмаларын колдонуу аркылуу коммутациялык өзгөрүүлөрдө гейт артилерин динамикалык жөнүндө жөнгө салуу, ошондой эле коммутациялык тездик жана электромагниттик интерференция (EMI) арасын мувазанелаштыруу;
Үчүнчү, зеро-вольт коммутация (ZVS) же зеро-курал коммутация (ZCS) топологиялары сыяктуу жумшак коммутациялык ыкмаларды имлементациялоо, бул коммутациялык жокко чыгууну көбүрөөк азайтууга жеткиликтүү.

2.2 Өлүмүзгөч вакыт эффекти жана аны компенсациялоо ыкмалары

Юқору френвенслик PWM иштөөдө, өлүмүзгөч вакыт абсолютта түз деп эсептелсе да, анын коммутациялык периодго караганда пропорциясы өсүп, өлүмүзгөч вакыт эффекти көбүрөөк көрүнүштүү болот. Бул чыгару вольтажынын деформациясына, төмөн тездикте ишмердилектин жогорулашына жана моменттик титирөөнүн арттырылушуна алып келет. Бул маселелерди эффективдүү түрдө чечүү үчүн өлүмүзгөч вакыт компенсация алгоритмлары колдонулат, төмөндөгүдөй билдирилет:

3 Юқору френвенслик PWM технологиясын ишке ашыруу үчүн FPGA базасындагы имлементациялоо схемасы

3.1 Система архитектурасын иштеп чыгуу

Юқору френвенслик PWM башкаруу эсеби тездик жана башкаруу тактыгында жогору талаптарды куят. Традицион цифровдук сигнал процессорлору (DSP) юқору френвенслик PWM ишке ашыруу кезинде эсептөө күчүнүн жетишсиздиги жана көп интерпрогрессивдик вакыт кескинчелигине учурланышы мүмкүн. Бирок, параллель эсептөө мүмкүнчүлүктөрү жана аппараттык деңгээлдеги ишке ашыруу эсектиги аркылуу FPGA лар бул колдонмолар үчүн жакшыраак болуп саналат.

FPGA базасындагы юқору френвенслик PWM башкаруу системасынын жалпы архитектурасы төрт негизги модулдан турат: негизги башкаруу модули, PWM түзүү модули, фидбек сигналды иштетүү модули жана коргоо модули. Такта:

• Негизги башкаруу модули: тездик, курал жана позиция циклдору сыяктуу ачык цикл башкаруу алгоритмдерин аткарат;

• PWM түзүү модули: юктуу тактыкта PWM формаларын түзүү жана өлүмүзгөч вакыт башкарууга жоопкерчилик берет;

• Фидбек сигналды иштетүү модули: курал, вольтаж жана позиция сыяктуу сигналдарды киргизүү жана алдын ала иштетүү менен алектенет;

• Коргоо модули: куралдын жогоруу, вольтаждын жогоруу жана температуралык жогоруу сыяктуу абалдарды аныктап, жооп берет, системанын коргонууга жардам берет.

Система модулдуу дизайнга ээ, функционалдык модулдар стандартизацияланган интерфейстер аркылуу байланышкан. Ичкикенде, FPGA эки саат домен архитектураны колдонот: башкаруу алгоритмлары төмөн френвенслик саат домендеги ресурс заттыкты азайтуу үчүн иштейт, ал эми PWM түзүү модули жогору френвенслик саат домендеги так убакыт жана жогору резолюцияны камсыздайт.

3.2 PWM башкаруу алгоритмин оптимизациялоо жана ишке ашыруу

Юктуу тактыкта юктуу френвенслик PWM башкарууну аткаруу үчүн традицион космостук вектордуу пульс-енгизиш модуляция (SVPWM) алгоритмин оптимизациялоо жана жакшыртуу ыкмасы колдонулат, төмөндөгүдөй билдирилет:

мүнда TaTa A фазасынын жогорку аягынын проводник вакыты; vαvα жана vβvβ референса вольтажынын $\&\alpha \text{-}\&\beta$ координаталык системадагы компоненттери. Бул алгоритм FPGA дагы конвеердик архитектураны колдонуу аркылуу татаал тригонометриялык эсептөөлөрдү оңой сызыктуу операцияларга өзгөртөт. Бул көтөрүлүүнүн узактыгын кө