Микропроцессорные системы управления устройствами силовой электроники

1.1. Типовая структура системы автоматического регулирования электроприводом переменного тока
Новосибирский Государственный Технический Университет
Факультет Радиотехники, Электроники и Физики
И. А. Баховцев

Типовая структура системы автоматического регулирования электроприводом переменного тока

Программная часть системы управления
Внутренний быстрый контур тока трехфазный
В системе управления во времени формируются два типа сигналов: опорный сигнал пилообразной формы и модулирующий сигнал (чаще синусоидальной формы), имеющие различные частоты
Модулирующий сигнал и сигнал обратной связи по току имеют синусоидальную знакопеременную форму
Частота опорного сигнала в системе управления АИН, как правило, значительно больше 300 Гц
Для управления двигателями переменного тока используются прежде всего законы частотного управления:
Отличия электропривода переменного тока
при постоянном моменте нагрузки
при постоянной мощности
при вентиляторном моменте нагрузки
И векторное управление: по вектору потокосцепле-ния статора или ротора, момента и т.д.

ВЫВОД: Микропроцессор МПСУ АИН
должен обладать:
разрядностью не менее 16 бит;
тактовой частотой не менее 50 МГц, для обеспечения производительности десятки - сотни MIPS.
Поэтому МПСУ АИН появились гораздо позже, чем МПСУ УВ

1.2. ПРОГРАММНЫЕ СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ АИН
Новосибирский Государственный Технический Университет
Факультет Радиотехники, Электроники и Физики
И. А. Баховцев
1.2.1. Коммутационная модель АИН

Коммутационные функции ключей (КФК)
Коммутационная модель АИН
y1
y3
y5
y2
y4
y6

Комплементарный режим управления
Это - необходимое условие независимости формы выходного напряжения АИН от cosφ нагрузки:
Т.е. в любой момент времени один из ключей в плече инвертора открыт.
Как видно, КФК y1≡UA0 , аналогично y3≡UB0 и y5≡UC0, значит
зная форму коммутационных функций верхних ключей,
можно построить кривые фазного и линейного напряжения.

Коммутационные функции фаз
y1=yA
y3=yB
y5=yC
Вектор состояния АИН – значения трех коммутационных функций фаз в один и тот же момент времени.

Задавая требуемые длительности импульсов управления ключами (и изменение этих длительностей во времени), можно управлять качеством выходной, входной энергии АИН и его внутренними характеристиками
1.2.2. Виды широтно-импульсной модуляции
Новосибирский Государственный Технический Университет
Факультет Радиотехники, Электроники и Физики
И. А. Баховцев

определяет закон изменения длительности импульсов управления (и выходного напряжения АИН) во времени, а также частоту выходного напряжения.
оказывает существенное влияние на входные и выходные параметры инвертора напряжения.
ШИМ
задает частоту (период) модулированных по длительности импульсов (т.е. частоту коммутации вентилей АИН).
форма опорного сигнала определяет число фронтов (один или два), модулируемых по положению на периоде опорного сигнала (односторонняя ШИМ или двусторонняя ШИМ) и число импульсов линейного напряжения, расположенных на том же периоде.
форма опорного сигнала определяет линейность регулировочной характеристики АИН.
Опорный сигнал
Модулирующий сигнал
Примечание. L – число импульсов в линейном напряжении на периоде биполярного опорного сигнала. Для однополярного опорного сигнала всегда L=1.

Модулирующий сигнал
Опорный сигнал
ШИМ
Векторные способы
гармонический сигнал представляется на комплексной плоскости в виде вращающегося вектора;
используется понятие «обобщенного вектора» трехфазной системы напряжений;
представление на комплексной плоскости 6 основных состояний АИН в ОШИР;
информацией для формирования длительностей импульсов является не модулирующий сигнал, а требуемое выходное напряжение АИН

1.2.3. ОСОБЕННОСТИ ШИМ В ОДНОФАЗНОМ МОСТОВОМ АИН
Новосибирский Государственный Технический Университет
Факультет Радиотехники, Электроники и Физики
И. А. Баховцев
UA0
UB0
UH

Однополярная синусоидальная ШИМ
Данное выходное напряжение можно реализовать тремя алгоритмами управления:
Симметричным
Несимметричным
Квазисимметричным

Алгоритмы реализации выходного напряжения однофазного АИН

Однополярная синусоидальная ШИМ
yA=UA
yA=UB
yA=UA
yA=UB
Несиммет-ричное управление
Квазисим-метричное управление
UН

Одну и ту же форму выходного напряжения однофазного АИН можно реализовать в системе управления
по-разному
Это будет справедливо применительно и к другим способам управления и к другим схемам преобразователя
Разрабатывая систему управления АИН с ШИМ в условиях заданных ограничений, разработчик может придти к собствен-ному, оригинальному варианту реа-лизации
Выводы

Она определяет прежде всего величину первой гармоники выходного напряжения
Глубина модуляции
1.3. ПАРАМЕТРЫ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИИ
Новосибирский Государственный Технический Университет
Факультет Радиотехники, Электроники и Физики
И. А. Баховцев
- это отношение амплитуды модулирующего сигнала к амплитуде опорного сигнала.
Зависимость амплитуды первой гармоники выходного напряжения от глубины модуляции называется регулировочной характеристикой АИН.
Глубина модуляции подобна коэффициенту заполнения γ, характеризующему широтно-импульсное регулирование (ШИР):

U*1лm – выражена в относительном выражении к E
Регулировочные характеристики АИН
ОШИР
ШИР
Векторная
ШИМ
Синусоидальная ШИМ
U*1лm

Глубина модуляции влияет также и на величину остальных гармоник спектра выходного напряжения, т.е. на качество выходного напряжения.
Оно оценивается следующими коэффициентами гармоник (где k - номер гармоники):

Кратность определяет количество импульсов управления на периоде модулирующего сигнала и, соответственно, количество импульсов на периоде выходного напряжения.
Кратность частот опорного и модулирующего сигналов
ПАРАМЕТРЫ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИИ
Спектр выходного напряжения АИН с ШИМ

На практике стараются увеличить кратность, чтобы сместить гармоники в область высоких частот и более эффективно использовать фильтрующие свойства нагрузки.
По сути дела данный параметр ШИМ влияет не на качество выходного напряжения, а на качество выходного тока или выходной энергии.

Ограничения на Кр:
«Сверху» - с увеличением кратности возрастают и коммутационные потери в АИН, снижается его КПД.
«Снизу» - при Кр < 10 гармоники низкочастотной части первой комбинационной группы начинают «наплывать» на первую гармонику со своим фазовым сдвигом и тем самым приводят к нарушению линейности регулировоч-ной характеристики АИН.

1.4. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ГАРМОНИЧЕСКОГО СИГНАЛА
В МПСУ
Новосибирский Государственный Технический Университет
Факультет Радиотехники, Электроники и Физики
И. А. Баховцев

1.4.1. Микропроцессорная реали-зация непрерывных сигналов
МС задает основные выходные характеристики АИН. => К МС - жесткие требования. => При разработке МПСУ АИН качественное формирование МС – важная задача.
Микропроцессорные (цифровые) устройства – дискретные по времени и амплитуде. => Дискретный характер имеют формируемые ими временные функции.
Пример: генератор пилообразного сигнала. Его цифровой аналог – суммирующий 2-й счетчик. Графическое изображение его цифрового кода – линейная ступенчатая функция.
В МПСУ любой непрерывный сигнал заменяется
соответствующей ступенчатой функцией.
В общем случае дискретность формируемого сигнала по амплитуде определяется разрядностью ШД МП, а по времени – периодом высокочастотных тактовых импульсов.
Однако,
В МПСУ (ВП) дискретизацию непрерывной функции во времени совмещают с процессами, протекающими в объекте управления, – с периодом дискретности его работы.

В силовых устройствах
1.4.2. Ступенчатая аппроксимация синусоидального сигнала
∆S=const
∆t=const
В системах управления

Проблемы:
Первая гармоника ступенчатой функции может отличаться от исходного сигнала как по фазе, так и по амплитуде.
В спектре ступенчатой функции помимо основной гармоники присутствуют и высокочастотные составляющие.
Бесконечное число ступенек (Nст) нереализуемо.
Как выбрать Nст?

В общем виде выражение для амплитуды K-й ступени будет иметь вид:
Решение 1-ой проблемы:
, где