МПСУ автономными инверторами напряжения

1. Микропроцессорные системы управления устройствами силовой электроники

Новосибирский Государственный Технический Университет
Факультет Радиотехники, Электроники и Физики
И. А. Баховцев
Микропроцессорные
системы управления
устройствами силовой
электроники
Глава 1
МПСУ Автономными инверторами
напряжения

2. 1.1. Типовая структура системы автоматического регулирования электроприводом переменного тока

Новосибирский Государственный Технический Университет
Факультет Радиотехники, Электроники и Физики
И. А. Баховцев
UC
fC
Неуправ- +
ДТА
+
ляемый
выпрямитель
АИН
Фильтр
AД
В
С
ТГ
1.1. Типовая структура
системы
ω
6
Регуавтоматического
регулирования
3
лятор
УС
I
электроприводом
Uу переменного тока
БPI
3 ΔUI
UзА
3(2)
ГОН
ФСУ
ГМН
Uзf
БPω
Регулятор
ω
3
3
UзI
UосI
ΔUω
Uосω
Uзω
БСД
I
БСД
ω

3. Типовая структура системы автоматического регулирования электроприводом переменного тока

UC
fC
Неуправ- +
ДТА
+
ляемый
выпрямитель
АИН
Фильтр
AД
В
С
ω
6
Регулятор
I
БPI
3
УС
Uу
3(2)
ГОН
3 ΔUI
UзА
ФСУ
ГМН
Uзf
БPω
Регулятор
ω
3
3
UзI
UосI
ΔUω
Uосω
Uзω
ТГ
БСД
I
БСД
ω

4. Программная часть системы управления

Отличия электропривода переменного тока
Внутренний быстрый контур тока трехфазный
В системе управления во времени формируются два
типа сигналов: опорный сигнал пилообразной формы
и модулирующий сигнал
(чаще
синусоидальной
формы),
при
постоянном
моменте нагрузки
имеющие различные частоты
Модулирующий сигнал и сигнал обратной связи по току
имеют синусоидальную знакопеременную
форму
при постоянной мощности
Частота опорного сигнала в системе управления АИН,
как правило, значительно больше 300 Гц
при вентиляторном
Для управления двигателями переменного
тока
моменте
нагрузки
используются прежде всего законы
частотного
И управления:
векторное управление: по вектору потокосцепления статора или ротора, момента и т.д.
U / f const
U / f const
2
U / f const

5. 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

6. 1.2. ПРОГРАММНЫЕ СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ АИН

Новосибирский Государственный Технический Университет
Факультет Радиотехники, Электроники и Физики
1.2.1. Коммутационная модель АИН
И. А. Баховцев
+
+E/2
1
y1
3
y3
5
y5
UB0
UC0
UA0
1.2. ПРОГРАММНЫЕ
СПОСОБЫ
УПРАВЛЕНИЯ АИН
-E/2
2
y2
4
y4
6
y6
UA
N
ZA
UB
Общая точка нагрузки
ZB
UC
ZC

7.

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

8. Комплементарный режим управления

Это - необходимое условие независимости формы
выходного напряжения АИН от cosφ нагрузки:
}
КФК
фазы А
y1 1
t
y2y14
Т.е. в любой
момент времени
один из tключей в
плече инвертора
открыт.
y2 y1
y3
y6 y5
UA0 1
t
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.

9. Коммутационные функции фаз

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

10.

Новосибирский Государственный Технический Университет
Факультет Радиотехники, Электроники и Физики
И. А. Баховцев
+
+E/2
1
y1
y3
3
UB0
UA0
y5
5
UC0
1.2.2. Виды широтно-импульсной
модуляции
-E/2
y2
2
y4
4
y6
6
UA
ZA
Задавая требуемые
длительности
импульсов
UB
ZB
UC управления
ZC
ключами (и изменение этих длительностей во времени),
можноNуправлять качеством выходной, входной энергии
Общая точка нагрузки
АИН и его внутренними
характеристиками

11. ШИМ

Опорный
Модулирующий
сигнал ШИМ сигнал
РегулироФорма
Внешний вид опорного
вочная
опорного
Вид ШИМ
L
сигнала
характе задает частоту (период) модулированных по
сигнала
определяет
закон изменения длительности импульсов
ристика
длительности импульсов (т.е. частоту коммутации
управления (и выходного напряжения АИН) во
вентилей АИН).
Односторонняя
времени,
а также частоту выходного
напряжения.
Пилообразная
Линейная
1
форма опорного сигнала определяет
ШИМ
число фронтов
(один или два), модулируемых по положению на периоде
оказывает
влияние
на входные
и
опорного существенное
сигнала (односторонняя
ШИМ
или двусторонняя
Двусторонняя
Треугольная
Линейная
2
ШИМ) и число
импульсов
линейного
напряжения,
выходные
параметры
инвертора
напряжения.
ШИМ
расположенных на том же периоде.
Нелинейная
форма опорного сигнала определяет
линейность
Двусторонняя
Нелиней(синусоида,
2
регулировочной характеристики АИН.
ШИМ
ная
экспонента.)
Примечание. L – число импульсов в линейном напряжении на периоде биполярного
опорного сигнала. Для однополярного опорного сигнала всегда L=1.

12. ШИМ

Опорный
сигнал
Модулирующий
Векторные
сигнал
способы
Форма
Внешний вид модулирующего
Качество
Линейный
модулирующего
сигнала
выходного
диапазон
сигнала
напряжения
регулировочной
(тип ШИМ)
характеристики
Прямоугольная
НеудовлетвориМаксимальный
гармонический сигнал представляется на комплексной
(-/-ШИМ, ШИР)
тельное
плоскости
в
виде
вращающегося
вектора;
Треугольная
НеудовлетвориТрадиционный
тельное
(-/-ШИМ)
используется понятие «обобщенного
вектора»
Трапецеидальная (НеудовлетвориРасширенный
трехфазной
системы
напряжений;
/-ШИМ)
тельное
Синусоидальная
(Хорошее
Традиционный
представление
на комплексной плоскости
6 основных
/-ШИМ)
состояний
АИН в ОШИР;
Синусоидальная
Хорошее
Расширенный
с 3-йинформацией
гармоникой
для формирования длительностей
(-/- ШИМ)
импульсов является не модулирующий
сигнал,
а
Синусоидальная с
УдовлетвориРасширенный
требуемое выходное напряжение АИН
меандром
тельное
( Циклическая
ШИМ)

13. 1.2.3. ОСОБЕННОСТИ ШИМ В ОДНОФАЗНОМ МОСТОВОМ АИН

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

14. Однополярная синусоидальная ШИМ

Е
Uн
-Е
t
Данное выходное напряжение можно
реализовать тремя алгоритмами управления:
Симметричным
Несимметричным
Квазисимметричным

15. Алгоритмы реализации выходного напряжения однофазного АИН

Тип
алгоритма
Плечо А
Плечо В
Устройство
сравнения
Симметричный 1
eм (t ), eоп (t )
-eм (t ), eоп (t )
Двухканальное
eм (t ), eоп (t )
eм (t ), -eоп (t )
Двухканальное
eм (t ), eоп (t )
Нет модуляции
Симметричный 2
Несимметричный
Квазисимметричный
0...Т/2
Т/2...Т
y A U ус y A U ус
eм (t ), eоп (t )
0...Т/2
Т/2...Т
y A U ус y A 0
0...Т/2
Т/2...Т
yB 0
yB 1
Одноканальное
eм (t ), eоп (t )
0...Т/2
Т/2...Т
y B 0 yB U ус
Форма
сигнала
eм (t ), eоп (t )
биполярные
eм (t ), eоп (t )
биполярные
eм (t ), eоп (t )
одно-
полярные
eм (t ), eоп (t )
Одноканальное
однополярные

16. Однополярная синусоидальная ШИМ

Е
Uн
-Е
t
yA=UA
yA=UB
yA=UA
yA=UB
UН
Несимметричное
управление
Квазисимметричное
управление

17. Выводы

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 собственному, оригинальному варианту реализации

18. 1.3. Параметры широтно-импульсной модуляции

Новосибирский Государственный Технический Университет
Факультет Радиотехники, Электроники и Физики
И. А. Баховцев
1.
Глубина модуляции
- это отношение амплитуды модулирующего сигнала к
амплитуде опорного сигнала.
Она1.3.
определяет
прежде всего ШИРОТНОвеличину первой
ПАРАМЕТРЫ
гармоники
выходного напряжения
ИМПУЛЬСНОЙ
МОДУЛЯЦИИ
M Eм / Eоп
Зависимость
амплитуды
первой
гармоники
выходного напряжения от глубины модуляции
называется
регулировочной
характеристикой
АИН.
Глубина модуляции подобна коэффициенту
заполнения , характеризующему широтноимпульсное регулирование (ШИР):
Еу
τи
γ
0...1
Т и Еоп

19. Регулировочные характеристики АИН

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

20.

Глубина модуляции влияет также и на величину
остальных гармоник спектра выходного напряжения,
т.е. на качество выходного напряжения.
K
Оно оценивается следующими коэффициентами
Kг гармоники):
гармоник (где k - номер
U km
(1)
K г Kгk 2
U1m
0
K г(1)
U km
k
k 2
2
U1m
M
1.0

21. Параметры широтно-импульсной модуляции

ПАРАМЕТРЫ ШИРОТНОИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИИ
Кратность частот опорного и
модулирующего сигналов
2.
Кратность определяет количество импульсов
f
T
Kp количество
импульсов на
и, соответственно,
периоде выходного
fмнапряжения.
Tоп
Ukm управления на периоде
сигнала
оп модулирующего
м
0 1
Кp
2Кp
Спектр выходного напряжения АИН с ШИМ
k

22.

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.
Кр1
Кр2 > Кр1
Кр2

23. Ограничения на Кр:

«Сверху» - с увеличением кратности возрастают и
коммутационные потери в АИН, снижается его КПД.
Тип ключей
f max
, (кГц)
MOSFET
20…50
IGBT
1…20
GTO
0,5…1
«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 регулировочной характеристики АИН.

24. Новосибирский Государственный Технический Университет Факультет Радиотехники, Электроники и Физики И. А. Баховцев

1.4. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ
ГАРМОНИЧЕСКОГО СИГНАЛА
В МПСУ

25. 1.4.1. Микропроцессорная реали-зация непрерывных сигналов

1.4.1. Микропроцессорная реализация непрерывных сигналов
1.
2.
3.
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.
4.
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.

26.

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

27. Проблемы:

1.
2.
3.
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?
π
Kг
N sin π
ст
N ст
2
1

28.

Решение 1-ой проблемы:
2π/Nст
S[K]
n
0
π/Nст
3π/Nст
5π/Nст
N CT , K 0,( N CT 1)
n 0 / NCT , S[0] sin
NCT
n1 / NCT 2 / NCT 3 / NCT , S[1] sin
n 2 5 / NCT , S[2] sin
5
NCT
3
NCT
В общем виде выражение для амплитуды K-й ступени будет иметь вид:
S[ K ] sin
N CT
2 K 1 , где
K 0,( N ст 1)

29.

Продолжение следует!