УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ТРЕХФАЗНЫМ АВТОНОМНЫМ ИНВЕРТОРОМ С ПОМОЩЬЮ ВЕКТОРНОЙ ШИМ

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована для управления автономными инверторами напряжения посредством «векторной» ШИМ, которая реализуется с использованием цифровых технологий.
m
k
m
Векторная ШИМ является наиболее распространенной в современных системах с инверторами в силу повсеместного применения цифровых микропроцессорных систем управления. Суть метода векторной ШИМ состоит в отказе от одновременной коммутации ключами инвертора и в переходе к коммутации между несколькими, заранее выбранными состояниями инвертора, каждое из которых соответствует определенному пространственному положению базового вектора напряжения. Изменение состояния ключей приводит к скачкообразному переходу от одного базового вектора к другому. При этом в качестве управляющего сигнала используется вектор фазного напряжения нагрузки, задаваемый модулем U и углом поворота вектора θ относительно неподвижных координатных осей. Реальный вектор фазного напряжения является линейной комбинацией двух неподвижных соседних ненулевых базовых векторов и одного или двух нулевых базовых векторов, относительные длительности включения которых γ на периоде Т несущего пилообразного сигнала определяются как синусоидальные функции угла θ и модуля U.
При реализации этой разновидности ШИМ дважды за период выходной частоты каждая фаза инвертора становится пассивной, т.е. коммутация силовых ключей в ней не происходит [Изосимов Д.Б., Рывкин С.Е., Шевцов С.В. Симплексные алгоритмы управления трехфазным автономным инвертором напряжения с ШИМ // Электротехника, №12, 1993.]. При этом также осуществляется предмодуляция управляющих сигналов фаз дополнительным сигналом нулевой последовательности, содержащим только нечетные гармоники, кратные трем.
При реализации «векторной» ШИМ каждая из фаз является пассивной в течение 1/3 периода выходной частоты, когда коммутации в пассивной фазе не осуществляются. Поэтому средняя частота коммутации каждого из силовых ключей при «векторной» ШИМ оказывается в 1,5 раза ниже, чем в других видах ШИМ при том же числе импульсов на периоде выходной частоты (Е. Е. Чаплыгин «Спектральное моделирование преобразователей с широтно-импульсной модуляцией» Учебное пособие по курсу «Моделирование электронных устройств и систем» для студентов специальности «Промышленная электроника», М, 2009).
Известна структурная схема трехфазного АИН с векторным алгоритмом ШИМ для данного способа показанная на рис.3 в работе (Чубуков К.А. «Исследование и разработка вариантов ШИМ в трехфазных автономных инверторах напряжения с двигательной нагрузкой» Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Чебоксары, 2010). В этой схеме блок преобразования включает в себя ряд арифметических и логических операций для формирования требуемых заданий фазных напряжений, выполнение которых требует существенного времени и включает в себя дорогостоящее процессорное оборудование.
Известно устройство для управления автономным инвертором, реализующее векторную ШИМ (Горячев О.В., Ерошкин Е.А., Векторное управление асинхронными трехфазными двигателями. - Электроника: НТБ, 1999, №4, с.32), которое содержит тактовый генератор, программируемый таймер, генератор «цифрового треугольника», содержащий три счетчика и постоянное запоминающее устройство, регистр управления, блок регистров ШИМ и цифровых компараторов по числу фаз, блок коммутаторов ШИМ-сигнала по числу фаз. Недостатком данного устройства является наличие управляющего регистра, а также наличие схемной реализации управления по фазам, что увеличивает громоздкость устройства, усложняет схему управления, уменьшая быстродействие в целом.
Также из зарубежных источников информации известны устройства управления инверторами, основанные на использовании векторной ШИМ с использованием цифровых процессоров, микроконтроллеров и дискретных элементов (см., например, патенты США №5182701, №5428283, №6069808). Реализация таких методов с помощью программного обеспечения и цифрового процессора требует выполнения большого числа инструкций. Разрядность кода, и, особенно, время выполнения программных инструкций не удовлетворяют требованиям и ограничениям высокопроизводительных систем управления для большинства применений. В современных управляющих системах используются частоты от 25 кГц и выше для генерирования ШИМ сигнала. Использование векторной ШИМ требует многократных переключений мощных транзисторов в каждом периоде ШИМ, который, например, для частоты 25 кГц составляет 40 мксек. Кроме того, переключение обычно управляется по сигналам прерывания. В микропроцессорах, микроконтроллерах и цифровых сигнальных процессорах имеется определенная задержка для того, чтобы процессор распознал появление сигнала прерывания и запустил программу для начала выполнения инструкции, соответствующей этому сигналу. Обработка прерываний и выполнение многих программных кодов в каждый период ШИМ менее 40 мксек делает эту задачу трудной, а иногда невыполнимой для микропроцессоров и даже для высокопроизводительных цифровых сигнальных процессоров. Кроме того, для реализации методов цифрового управления с помощью векторной ШИМ желательно обеспечить гибкость программирования, чтобы пользователь мог оптимизировать генерацию управляющих сигналов в соответствии с выбранными характеристиками инвертора с минимальными потерями из-за шума и коммутаций. Поэтому существует необходимость устранения этих трудностей, обеспечения сниженной стоимости, и, в то же время, увеличения надежности и производительности таких управляющих систем без дорогой процессорной техники, за счет использования программируемых логических схем.
р
р
р
Наиболее близким к заявляемому устройству является «Контроллер симметричной векторной ШИМ для управления инвертором» описанный в патенте США №6069808, в котором хотя и используется процессор, но используются и множество регистров для хранения величин счета переходов, соответствующих моментам перехода между активациями первых транзисторов в соответствии с заранее определенными векторами. Устройство по данному изобретению включает инвертор, имеющий три пары транзисторов. Каждая такая пара транзисторов соединяется последовательно между клеммами источника напряжения. Активация первого транзистора в каждой паре выполняется прикладыванием к нему первого активирующего напряжения, второго и третьего активирующих напряжений, соответственно. Выбор и длительность воздействия (активации) транзисторов во время каждого из последовательных равных периодов Т симметричны относительно средней точки каждого из периодов, и представляется шестью ненулевыми векторами и двумя нулевыми векторами. Управляющее устройство включает процессор и шину, соединенную с процессором для передачи данных между процессором и другими элементами управляющего устройства. Управляющее устройство также включает счетчик, присоединенный к шине для обеспечения счета от нуля до величины половины периода Т, и затем счета обратно до нуля, для каждого из равных периодов Т. Блок сравнения соединен с шиной и имеет множество регистров для хранения величин счета переходов, соответствующих моментам перехода между активациями первых транзисторов в соответствии с заранее определенными векторами, и предназначен для сравнения значения в счетчике с величиной счета переходов и обеспечения соответствующих сигналов перехода, когда значение счетчика то же самое, что и подсчитанная величина. Устройство содержит выходные логические схемы, формирующие выходные управляющие сигналы. Наконец, в устройство введен конечный автомат, соединенный с шиной и с блоком сравнения для генерации первого активирующего напряжения, второго активирующего напряжения и третьего активирующего напряжения, и подачи их на ключи инвертора в ответ на соответствующие сигналы переходов.
Устройство имеет вышеуказанные недостатки, связанные с использованием процессора, выполняющего программные инструкции по вычислению задающих коэффициентов фазных разверток, установлению одного из шести секторов векторной диаграммы и соответствующих основных векторов, используя уравнения векторной ШИМ и фазовые переменные, а также вычислению моментов переключений. Нормированные значения этих моментов затем загружаются в два регистра сравнения.
Задача полезной модели - создание устройства цифрового управления с помощью векторной ШИМ, не использующего микропроцессор или цифровой сигнальный процессор с программными инструкциями, и вследствие этого, повышение производительности, гибкости и надежности устройства с одновременным снижением габаритов и стоимости.
n
n
B
H
Заявляемое устройство для цифрового управления трехфазным автономным инвертором с помощью векторной ШИМ, при которой формируются коэффициенты модуляции, а также цифровые задающие коэффициенты фазных разверток ШИМ на интервалах включенного состояния верхних ключей пассивных фаз и задающие коэффициенты фазных разверток ШИМ на интервалах включенного состояния нижних ключей пассивных фаз, также как и прототип, содержит аналого-цифровой преобразователь, устройство для подачи управляющих сигналов к ключам инвертора, цифровой генератор пилообразной развертки (ЦГПР), компаратор и программируемые логические схемы, формирующие управляющие сигналы, реализуемые посредством программируемых логических устройств. В отличие от прототипа, аналого-цифровой преобразователь выполнен с возможностью преобразования напряжения ошибки в m-разрядный цифровой код управления выходными линейными напряжениями инвертора (код коэффициента модуляции), компаратор выполнен в виде 2 цифровых схем сравнения (ЦСС), уставками для которых являются коды 2 задающих коэффициентов разверток ШИМ активных фаз, сформированных двумя группами логических матриц, из которых первая группа из n логических матриц (по числу ШИМ-интервалов разбиения интервала  основной частоты) содержит заранее вычисленные значения коэффициентов А фазных разверток активных фаз ШИМ на интервалах  выходной частоты включенного состояния верхних ключей пассивных фаз инвертора, соответствующие каждому значению m-разрядного кода АЦП, а вторая группа из n логических матриц содержит заранее вычисленные значения коэффициентов А фазных разверток ШИМ активных фаз на интервалах  (выходной частоты) включенного состояния нижних ключей пассивных фаз инвертора, соответствующих каждому значению m-разрядного кода АЦП. При этом в устройство введены последовательно соединенные высокочастотный (ВЧ) и низкочастотный (НЧ) регистры сдвига, распределитель импульсов и два логических устройства, коммутирующие результирующие импульсы указанных ЦСС на соответствующие входы распределителя импульсов по команде ВЧ регистра сдвига, автономный задающий генератор и устройство внешней синхронизации, подключенное к ЦГПР, а также к ВЧ и НЧ регистрам сдвига. Выходы указанных двух групп логических матриц соединены с первыми входами ЦСС, на вторые входы которых поступают сигналы с ЦГПР, а выходы ЦСС связаны с первыми входами двух логических устройств, на вторые входы которых поступает последовательность импульсов с ВЧ регистра сдвига, выходы указанных двух логических устройств соединены с соответствующими входами распределителя импульсов, другие входы которого связаны с выходами НЧ регистра сдвига, и через группу схем И-НЕ - с ключами трехфазного инвертора, а выход автономного задающего генератора подключен к ЦГПР, выход которого соединен с ВЧ регистром сдвига.
Техническим результатом указанного решения является возможность реализовать функции всех указанных устройств, за исключением устройства внешней синхронизации и автономного задающего генератора, в одной программируемой логической интегральной схеме, при этом, формирование для ШИМ преобразования коэффициентов фазных разверток производится не вычислением в функции от задающего коэффициента модуляции, а использованием предварительно запрограммированных логических матриц, в результате чего увеличивается быстродействие в условиях высокочастотного ШИМ-преобразования, а следовательно, адекватное и быстрое реагирование замкнутых систем на возмущающее воздействие, уменьшаются искажения выходного напряжения автономного инвертора.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1 показана схема управления автономным инвертором, на фиг.2 - схематически показана работа на интервалах π/3 основной частоты инвертора, поясняющая принцип векторной ШИМ, на фиг.3-диаграмма управления инвертором.
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
Устройство управления 3-фазным мостовым инвертором 1, с ключами 2-7 посредством векторной ШИМ содержит аналого-цифровой преобразователь 8, выход которого связан с двумя группами логических матриц, из которых первая группа из n логических матриц 9-9 содержит заранее вычисленные значения коэффициентов фазных разверток активных фаз ШИМ на интервалах  выходной частоты включенного состояния верхних ключей 2,4 и 6 пассивных фаз инвертора 1, соответствующие каждому значению m-разрядного кода АЦП 8, а вторая группа из n логических матриц 10-10 содержит заранее вычисленные значения коэффициентов фазных разверток ШИМ активных фаз на интервалах  (выходной частоты) включенного состояния нижних ключей 3, 5 и 7 пассивных фаз инвертора 1, соответствующих каждому значению m-разрядного кода АЦП 8. Здесь n - число ШИМ интервалов разбиения интервала  основной частоты. Выходы указанных двух групп логических матриц 9-9 и 10-10 связаны с первыми входами цифровых схем сравнения ll-11 и 12-12, вторые входы которых связаны с цифровым генератором пилообразной развертки 13, управляемым автономным задающим генератором 14 и устройством внешней синхронизации 20. Выходы цифровых схем сравнения связаны с первыми входами логических устройств 15 и 16, другие входы которых связаны с программным регистром сдвига ВЧ 17. Выходы указанных логических устройств 15 и 16 связаны со входами распределителя импульсов 18, другие входы которого связаны с регистром сдвига НЧ 19. Регистр сдвига ВЧ 17 и регистр сдвига НЧ 19 соединены последовательно, и связаны с устройством внешней синхронизации 20 и с цифровым генератором пилообразной развертки 13. Распределитель импульсов 18 формирует импульсы управления ключами инвертора 1 через группу схем И-НЕ21.
Устройство работает следующим образом:
Напряжение ошибки преобразуется аналого-цифровым преобразователем 8 в двоичный код управления выходными линейными напряжениями инвертора (коэффициент модуляции) Км по амплитуде.
На фиг.2 показано, что период 2π работы каждой фазы, например фазы А (стойки, состоящей из ключей 2 и 3 (см фиг.2) разбит на 6 интервалов (π/3) по 60 эл. градусов. В свою очередь, каждый интервал π/3 разбит, например, на 8 ШИМ-интервалов по 7,5 эл. Градусов (n=8). Таким образом, модуляционное число ШИМ-преобразования М=48. Если частота fвых выходного напряжения АИН выбрана, как в нашем случае, 1 кГц, то частота коммутации fк=М×fвых=48 кГц. Отсюда длительность периода Тшим=1 мс/48=20,833 мкс.
Наиболее просто код двусторонней цифровой пилы сформировать реверсивным счетчиком, например, с максимальным заполнением N=500. Условный размах напряжения фазной развертки при этом будет равен N.
На первом интервале пассивному состоянию открытого верхнего ключа 2 должно соответствовать напряжение Unc фазной развертки равное N, т.е. когда tи=Тшим.
ШИМ формируется сравнением сигнала развертки с сигналом управления. В данном случае в качестве развертки двусторонней ШИМ на интервале 7,5 эл. гр. принимаем «треугольную» цифровую развертку:
- на интервале от 0 до 3,75 эл. гр. - от 500 до 0 (десятичное исчисление),
- на интервале от 3,75 до 7,5 эл. гр. - от 0 до 500. (См. фиг.3) Т.е. N=500 - полное заполнение цифрового генератора пилообразной развертки 13. Отсюда длительность периода автономного задающего генератора 14 равна Тти=Tшим/2N=20,833 нс, а частота равна 48 МГц.
При «векторной» ШИМ дважды за период выходной частоты со сдвигом π в течение интервалов π/3 управление каждой фазы инвертора делают пассивным, т.е. коммутации силовых ключей с частотой ШИМ в ней не происходит. При этом открыт либо верхний, либо нижний фазный ключ в соответствии с алгоритмом управления (см. фиг.3). Другие две фазы с помощью ШИМ управляются разворотом длительности 48-кГц-х импульсов по синусоидальному закону. Таким образом средняя частота коммутации каждого силового ключа в 1,5 раза ниже по сравнению с классической ШИМ, что соответственно снижает динамические потери.
Если фазные ШИМ задания соответствуют основной гармонике фазного выходного напряжения АИН, то в системе «неуправляемый сетевой выпрямитель - АИН» выходное напряжение не превышает 0,827 напряжения сети. Реально, из-за потерь и временных задержек ключей - еще ниже. Задача повышения отношения основной гармоники выходного напряжения АИН к напряжению питания может быть решена только одним путем - использованием несинусоидального закона изменения фазных заданий, например, прямоугольного или трапециидального, но это ведет к ухудшению гармонического состава фазных и линейных выходных напряжений АИН, прежде всего из-за 5-й, 7-й, 11-й и 13-й гармоник. Гармоники, кратные трем, являются гармониками нулевой последовательности, и при симметричной нагрузке не содержатся в фазных и линейных напряжениях нагрузки. В нашем случае используются мостовые трехфазные выпрямители, т.е. симметричная нагрузка.
A
B
C
A
B
C
Следовательно предмодуляция реализуется применением несинусоидального трапецеидального закона для модуляции длительности импульсов потенциалов фаз φ, φ и φ, который обеспечивает увеличение амплитуды основной гармоники, но при этом в спектре ШИМ-последовательностей φ, φ и φ помимо основной гармоники содержатся только гармоники нулевой последовательности, т.е. гармоники, кратные трем. Так обеспечивается отсутствие в низкочастотной части спектра фазных и линейных напряжений инвертора гармоник искажения.
Напряжение ошибки преобразуется аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 8 в двоичный код управления (выходными линейными напряжениями инвертора 1), который назовем коэффициентом модуляции Км по амплитуде автономного инвертора напряжения Диапазон кода Км реально выбирается равным 0-N, а в относительных единицах Км=0…1. Км - коэффициент модуляции, от 0 до 1, или относительное выходное напряжение ошибки, преобразованное в цифровой код (отношение текущего кода АЦП к коду АЦП, соответствующему максимальному выходному напряжению ошибки). При Км=1
Uм1/Uпит=1/cos(π/6)=1,1547,
где Uпит - входное напряжение инвертора, Uм1 - амплитуда первой гармоники выходного напряжения.
В общем виде опорное напряжение Uоп развертки фазы, управляемой с помощью ШИМ равно
Uоп=Uэт+Uпм,
где Uэт - эталонное синусоидальное напряжение развертки фазы с ШИМ - модуляцией, соответствующее отрезку данной фазы на рассматриваемом 60 - градусном интервале, а Uпм - напряжение предмодуляции третьей гармоникой, соответствующее отрезку данной фазы на рассматриваемом 60 - градусном интервале.
В свою очередь
Uпм=Uпс - Uэт.пс,
где Uпс - напряжение развертки пассивной фазы на рассматриваемом интервале, а Uэт.пс - эталонное синусоидальное напряжение развертки пассивной фазы.
Uпм - на интервале 2π основной гармоники выходного напряжения примет вид третьей гармоники.
Рассмотрим первый (условно) 60-градусный интервал развертки (см. фиг 2 и 3). В это время верхний ключ 2 открыт, а ключ 3 - заперт. Таким образом управление фазой А - пассивно.
На первом интервале пассивному состоянию открытого верхнего 2 ключа должно соответствовать напряжение Uпс фазной развертки равное N, т.е. когда tи=Тшим.
В дальнейшем предполагается, что под управлением фазами понимается управление верхними силовыми ключами моста АИН. Управление нижними ключами фаз автоматически осуществляется с инверсией по отношению к соответствующему верхнему ключу. Принимая N/2 за уровень условной нулевой линии фазных разверток, рассчитываются унифицированные (для периода основной частоты) цифровые задающие коэффициенты фазных разверток Ав1 и Ав2 - на интервалах включенного состояния верхних ключей пассивных фаз, а также Ан1 и Ан2 - на интервалах включенного состояния нижних ключей пассивных фаз для каждого 60-градусного интервала.
1
n
1
n
Реализация фазных разверток ШИМ основана на выполнении условия равенства среднего значения импульса ШИМ среднему значению задающего напряжения развертки на интервале периода Тшим. Принимая отрезок задающего напряжения на интервале 7,5 эл. гр. линейным, получим пороговую точку в середине интервала ШИМ. Задающие коэффициенты для Км=1, являются текущими уставками для цифровых схем сравнения 11-11,12-12.
При 9-разрядном коде АЦП на выходе для каждого значения Км в диапазоне от 0 до 1, с дискретностью 1:500=0,002 мы должны иметь 16 таблиц коэффициентов Ав1.1(Км)…Ав1.8(Км), Ан2.1 (Км)…Ан2.8(Км).
Порядок чередования коммутации ключей на периоде основной частоты АИН приведен в таблице 1.
Таблица 1
Номер интервала π/3 управления на периоде
1
2
3
4
5
6
Пассивная фаза
А
С
В
А
С
В
Состояние пассивных ключей
Вкл
2
7
4
3
6
5
Откл
3
6
5
2
7
4
Коэффициент фазной развертки ШИМ
Ав1
Фаза
В
С
А
Ключ
4
6
2
Ав2
Фаза
С
А
В
Ключ
6
2
4
Ан1
Фаза
А
В
С
Ключ
2
4
6
Ан2
Фаза
В
С
А
Ключ
4
6
2
1
1
1
1
1
1
Таким образом, в указанном устройстве программным путем по вышеуказанным таблицам формируется 8 логических матриц, где каждому значению 9-разрядного кода АЦП соответствует значение 8-ми коэффициентов фазных разверток Ав (матрицы 9-9n a также 8 логических матриц, где каждому значению 8-разрядного кода АЦП соответствует значение 8-ми коэффициентов ан (10-10n). Эти коэффициенты фазных разверток как уставки в виде кодов поступают на входы цифровых схем сравнения 11-11n и 12-12n. При этом на цифровой генератор пилообразной развертки 13 поступают шесть последовательностей импульсов синхронизации с генератора 14, сдвинутых относительно друг друга на 60 электрических градусов, частотой 1 кГц, длительностью 166,6 мкс. Каждая последовательность является признаком номера интервала π/3 управления ключами инвертора 1 на периоде основной частоты. Каждому из 8 треугольных импульсов на данном 60-градусном интервале соответствует прямоугольный импульс той же длительности (7,5 эл. градусов) одной из 8 последовательностей импульсов частотой 6 кГц, формируемой высокочастотным программным регистром сдвига 17. Эти импульсы в логических устройствах 15 и 16 являются разрешающими «воротами» для результирующих импульсов сравнения цифровых схем сравнения 11-11n и 12-12n, поступающих на соответствующие входы распределителя импульсов 18. На другие входы распределителя импульсов поступают импульсы с регистра сдвига низкой частоты 19, соответствующие 60-градусным интервалам, согласно которым, распределитель импульсов 18 формирует импульсы управления силовыми ключами 2-7 инвертора 1, которые поступают на них через группу схем И-НЕ 21.
Такая цифровая обработка сигналов управления инвертором позволяет реализовать данное устройство в одной программируемой цифровой микросхеме с увеличением быстродействия, увеличением надежности и снижением габаритов. При этом формирование для ШИМ преобразования коэффициентов фазных разверток производится не вычислением в функции от задающего коэффициента модуляции, а использованием предварительно запрограммированных логических матриц, а следовательно, достигается адекватное и быстрое реагирование замкнутых систем на возмущающее воздействие, уменьшение искажений выходного напряжения автономного инвертора.