CC BY
68
НЕСТАНДАРТНЫЕ РЕЖИМЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ШЕСТИФАЗНЫХ АСИММЕТРИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ С СИНХРОННОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ
В. И. Олещук, Р. В. Прудяк, А. С. Сизов Институт энергетики Академии наук Молдовы
Аннотация. Метод синхронной векторной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) модернизирован и адаптирован применительно к использованию в шестифазных преобразовательных системах асимметричного типа. Показано, что использование указанного метода обеспечивает непрерывную синхронизацию формы фазного выходного напряжения в шестифазных системах на всем диапазоне регулирования как при стандартных, так и при нестандартных режимах функционирования.
Ключевые слова: асимметричный шестифазный электропривод, векторная модуляция, синхронизация кривой фазного выходного напряжения.
REGIME NON-STANDARDE DE FUNCTIONARE A SISTEMELOR DE CONVERTIZARE §ASE-
FAZE CU MODULARE SIN CRONIZATÁ
V. Olesciuk, R. Prudeak, A. Sizov Institutul de Energetica al Academiei de §tiinte a Moldovei
Rezumat. Metoda de modulare sincronizata vectoriala a fost modernizata §i adaptata pentrn utilizarea in sistemele de convertizare cu §ase faze de tip asimetrice. Este demonstrat ca utilizarea acestei metode ofera sincronizarea continua curbele de tensiune de faza la intreg diapazonul de control la fel ca in standard, §i nonstandard modurilor de operare.
Cuvinte-cheie: actionari electrice §ase-faze asimetrice, modularea vectoriala, sincronizare a curbei de tensiune de ie^ire de faze.
NON-STANDARD CONTROL MODES OF ASYMMETRICAL SIX-PHASE POWER CONVERSION
SYSTEMS WITH SYNCHRONIZED PWM
V. Oleschuk, R. Prudyak, A. Sizov Institute of Power Engineering of the Academy of Sciences of Moldova Abstract. Novel method of synchronized space-vector pulsewidth modulation (PWM) has been developed and disseminated for control of asymmetrical six-phase systems. It has been shown, that application of the proposed method provides continuous synchronization of the output voltage of six-phase converters during the whole control range for both standard and non-standard control modes of power conversion systems.
Keywords: six-phase motor drive, space-vector modulation, synchronization of the phase output voltage waveforms.
Введение
Многофазные преобразователи и электроприводы переменного тока являются на протяжении последних лет объектом усиливающегося интереса исследователей из-за ряда их преимуществ по сравнению с обычными (стандартными) трехфазными регулируемыми системами. В частности, многофазные регулируемые приводы переменного тока характеризуются уменьшенными пульсациями вращающего момента, сниженными энергопотерями в роторе электродвигателей, а также повышенной надежностью на системном уровне [1],[2]. В настоящее время среди различных модификаций многофазных систем наибольший практический интерес находят шестифазные преобразовательные системы [1].
В частности, шестифазный регулируемый электропривод, базирующийся на шестифазных инверторах напряжения, является одной из перспективных топологий многофазных приводов для использования в тяговом приводе судов, локомотивов, электромобилей, и т.д. Методы и способы векторного управления и модуляции для
шестифазных систем интенсивно развиваются в последнее время. В частности, шестифазные инверторы характеризуются дополнительными степенями свободы для управления по сравнению с обычными трехфазными системами. В то же время известно, что все варианты стандартной векторной ШИМ, модифицированной для использования в шестифазных инверторах, базируются на асинхронном принципе, что приводит к появлению субгармоник основной частоты в спектре выходного напряжения преобразователей, которые являются чрезвычайно нежелательными в электроприводах повышенной мощности, работающих при пониженных частотах переключений силовых ключей [3],[4].
Нестандартные режимы функционирования шестифазных асимметричных систем
с синхронной модуляцией
Шестифазные асинхронные двигатели и шестифазные системы электропривода, регулируемые при помощи шестифазных инверторов напряжения, являются в последнее время объектом усиливающегося интереса из-за ряда их преимуществ по сравнению с обычными трехфазными электроприводами переменного тока [1],[2].
Тяговые электроприводы повышенной мощности являются одними из наиболее перспективных областей использования шестифазных систем преобразования параметров электрической энергии [2]. В частности, на рис. 1 представлена базовая топология электропривода электромобиля на базе шестифазного асинхронного электродвигателя, регулируемого при помощи двух трехфазных инверторов напряжения, связанных соответственно с двумя автономными источниками электропитания постоянного тока: с аккумуляторной батареей, выходное напряжение которой равно Vdc1, и с системой постоянного тока на базе топливных элементов с выходным напряжением Vdc2 [2]. Асимметричный шестифазный асинхронный электродвигатель имеет в этом случае два набора трехфазных обмоток, пространственно смещенных друг относительно друга на 30 электрических градусов с изолированными нейтральными точками (рис. 2) [2].
Известно, что для преобразовательных систем повышенной мощности, характеризующихся относительно низкой частотой переключения силовых ключей, в том числе для большинства электроприводов транспортных средств, для устранения нежелательных субгармоник в спектрах выходных напряжения и тока преобразователей необходимо осуществлять непрерывную синхронизацию кривых выходного напряжения преобразователей [3],[4]. В связи с этим представляется целесообразной дальнейшая диссеминация метода синхронной векторной модуляции, разработанного первоначально для трехфазных преобразовательных систем [5], применительно к управлению шестифазными асимметричными системами с преимущественно нестандартными условиями функционирования.
В частности, для формирования симметричных выходных сигналов в шестифазной системе целесообразно осуществлять синхронизацию выходных напряжений каждого из трехфазных инверторов, входящих в состав шестифазной системы. На рис. 3 - 4 представлены последовательности состояний ключей, а также соответствующие полярные и линейное напряжения трехфазного инвертора на интервале 00-900 для непрерывной (рис. 3) и прерывистой (рис. 4) версий векторной ШИМ, наиболее часто использующихся в системах регулируемого электропривода [5].
Рис. 1. Шестифазная система электропривода электромобиля на основе асимметричного шестифазного электродвигателя и двух автономных источников электропитания [2]
Рис. 2. Асимметричный асинхронный шестифазный электродвигатель [2]
у1 у2 уЗ у4
п
п
phase a
phase b
phase c Vab -
4
P‘
Pi
Рис. 3. Последовательность переключения ключей, полярные напряжения фаз а - с и линейное напряжение УаЬ на четверти периода выходной частоты трехфазного инвертора с непрерывной синхронной ШИМ
§ 4
H 3
8
i^o 2
X
run
ПП
X
phase a
phase b
phase c Vab —
Рис. 4. Последовательность переключения ключей, полярные напряжения фаз а - с и линейное напряжение Vab на четверти периода выходной частоты трехфазного инвертора с прерывистой синхронной ШИМ
В частности, на рис. 3-4 продолжительность сигналов р характеризует общую длительность включенного состояния ключей в течение коммутационного интервала с длительностью т, управляющие сигналы ук формируются при этом на границах (рис. 3)
или в центрах (рис. 4) соответствующих ^-сигналов. Длительности пауз Ак характеризует продолжительность нулевых состояний вентилей силовой схемы.
Специальные сигналы А (А5 на рис. 3), вместе с соседними р" (р5 на рис. 3) формируются в тактовых точках (00, 600, 1200...) периода выходной кривой инверторов. Продолжительности указанных сигналов плавно уменьшаются до близких к нулю значений на граничных частотах Fi, обеспечивая непрерывное синхронное
регулирование выходного напряжения при плавном безударном изменении числа импульсов в полуволне выходной кривой. На рис. 5, на котором приведены последовательности состояния ключей и граничный участок периода линейного выходного напряжения Vab инвертора с непрерывной синхронной ШИМ, указанный процесс управления (между двумя граничными частотами, при повышении выходной частоты инвертора) иллюстрируется более детально.
Рис. 5. Последовательность переключения ключей и линейное выходное напряжение на границах полуволны выходного напряжения инвертора с непрерывной ШИМ
Важным параметром метода синхронной ШИМ является продолжительность Д -сигнала, формируемого в центрах 60-градусных тактовых интервалов, см.. рис. 3 и 4). В частности, для стандартного скалярного V/F=const режима управления данная продолжительность определяется как Д = 1.1тт, где т - индекс (коэффициент) модуляции [5]. При этом в системе обеспечивается линейное регулирование первой гармоники выходного напряжения инвертора вплоть до зоны сверхмодуляции.
Для режимов управления системой электропривода, отличных от стандартного режима, опорные функциональные соотношения должны быть скорректированы соответствующим образом. В частности, в табл. 1 представлены базовые параметры управления для трех основных режимов регулирования системы электропривода, включая стандартный скалярный режим линейного регулирования V/F=const, а также два нестандартных режима управления V2/F=const и V3/2/F=const. Последние два режима характеризуются нелинейными зависимостями между выходными напряжением и частотой, и могут быть использованы для регулирования систем асинхронного электропривода с некоторыми специальными типами нагрузок [6]. Табл. 1 включает также соответствующие относительные значения двух пороговых частот сверхмодуляции Fov1 и Fov2 [5], которые являются важными параметрами общего алгоритма управления системой в зоне сверхмодуляции для шестифазных систем с равными напряжениями двух источников постоянного тока Vdc1 = Vdc2.
На рис. 6 представлены зависимости выходного напряжения от выходной частоты (при максимальной выходной частоте Fm=50 НХ) для трехфазного инвертора с тремя режимами управления, представленными в табл. 3. Возможна также реализация различных промежуточных режимов управления, характеризуемых другими функциональными зависимостями для определения продолжительности Д -сигналов. В качестве примера пунктиром на рис. 6 показана нелинейная зависимость изменения величины выходного напряжения от частоты по закону V4/3/F=const (в этом
случае Д = 1.1^т).
Таблица 1. Базовые параметры режима управления
Режим управления Д Fov1 ^у2
V/F=const 1.1тт 0.907Fm 0.952Fm
V2/F=const 1.ятт 0.823Fm 0.907Fm
V3/2/F=const 1 1 з/ 2 1.1\ т т. 0.866Fm 0.93^т
Управление несимметричными шестифазными преобразовательными системами базируется на 30-градусном фазовом сдвиге управляющих и выходных сигналов двух инверторных групп [1]. В соответствии с теорией векторной декомпозиции, основное шестимерное векторное пространство ^, bs, cs, xs, ys, zs) асимметричной шестифазной системы двумя изолированными нейтральными точками может быть преобразовано в два ортогональных двухмерных пространства ^а, sb) и (т1, т2) [7]. Базовые составляющие (компоненты) напряжения VSa, Vsb, Vml и Vm2 в этих подпространствах, а также фазовые напряжения системы Vas и Vxs определяются при этом как [2]:
Рис. 6. Зависимость выходного напряжения от выходной частоты инвертора для линейного и нелинейных режимов управления
VSa=0.333(Va-0.5Vb-0.5Vc+0.866Vx -0.866Vy) (1)
Vsb=0.333(0.866Vb -0.866VC +0.5VX +0.5Vy-Vz) (2)
Vm1=0.333(Va -0.5Vb -0.5Vc -0.866VX +0.866Vy) (3)
Vm2 =0.333(-0.866Vb+0.866Vc +0.5Vx + 0.5Vy- V) (4)
Vas = VSa +Vm1 = Va -0.333(Va + Vb + Vc) (5)
Vxs=Vsb+Vm2=Vx - 0.333(Vx + Vy + Vz), (6)
где Va, Vb, Vc, Vx, Vy, Vz - соответствующие полярные напряжения шестифазной системы.
В этом случае компоненты Vsa и Vsb, производящие полезную вращающуюся МДС гармонику напряжения k-го порядка (к = 6m ± 1, m=1,2,3..), являются полезными компонентами. В тоже время компоненты Vm1 и Vm2, генерирующие гармоники порядка к = 6m ± 1 (m=1,2,3..), вызывающие потери в системе, является нежелательными компонентами напряжения [7].
На рис. 7 и 8 представлены основные формы выходного напряжения шестифазного электропривода электромобиля с двумя источниками постоянного тока с различными напряжениями (Vdc1 = 0.5Vdc2) при нестандартном режиме управления по закону V2/F=const на периоде выходной частоты. Для обеспечения баланса мощностей между источниками постоянного тока в данном случае выполняется соответствующая зависимость между индексами модуляции двух инверторов: m1V2dc1=m2V2dc2. Кривые на рис. 7 показывают базовые напряжения для системы с непрерывной синхронной ШИМ, а кривые на рис. 8 представляют базовые напряжения для системы с прерывистой синхронной ШИМ с 30-градусными интервалами непроводящего состояния вентилей. Средняя частота переключений вентилей и основная выходная частота системы равны соответственно 1 kHz и 38 Hz.
Рис. 7. Полярные Va и Vx, и фазные Vas и Vxs напряжения, а также полезные составляющие Vsa и Vsb напряжения в шестифазной системе с непрерывной синхронной
ШИМ (F=38Hz, Vdci=0.5Vdc2)
Рис. 8. Полярные Уа и Ух, фазные Уш и У^, а также полезные составляющие Уш и Уь напряжения в шестифазной системе с прерывистой синхронной ШИМ (F=38Hz,
УсЬ1=0.5Уас2)
На рис. 9 - 14 представлены спектральные характеристики напряжений Уа!1, УХц и Уа асимметричной шестифазной системы с непрерывной (рис. 9, 11, 13) и прерывистой (рис. 10, 12, 14) разновидностями синхронной модуляцией, функционирующей при стандартном У/F=const режиме управления (рис. 9-10), а также при нелинейном У3/2/F=const режиме управления (рис. 11-12), и при нелинейном У2/F=const режиме управления (рис. 13-14). При этом, в частности, в системе с нестандартным режимом управления по закону У3/2/F=const, для достижения баланса мощностей между двумя источниками электропитания должна быть обеспечена соответствующая зависимость
3/2 3/2
между индексами модуляции двух инверторов: т1У dc1=m2У dc2■
УкЛ/с!с2 УкЛ/с1с2 УкЛ/с1с2
Рис. 9. Спектры напряжений Уау, УХ!; и Уш в асимметричной шестифазной системе с непрерывной синхронной ШИМ при стандартном режиме управления (У/F=const)
Рис. 10. Спектры напряжений Уж, УХц и Уа в асимметричной шестифазной системе с прерывистой синхронной ШИМ при стандартном режиме управления (У/F=const)
УкЛ/с1с2 УкЛ/с1с2 УкЛ/с1с2
Рис. 11. Спектры напряжений Уа!!, Ухх и Уа в асимметричной шестифазной системе с непрерывной синхронной ШИМ при нелинейном режиме управления (У3/2/F=const)
Рис. 12. Спектры напряжений Уа!!, Ухх и Уш в асимметричной шестифазной системе с прерывистой синхронной ШИМ при нелинейном режиме управления (У3/2/F=const)
Vk/Vdc2 VkA/dc2 Vk/Vdc2
Рис. 13. Спектры напряжений Уац, Уxs и У^ в асимметричной шестифазной системе с непрерывной синхронной ШИМ при нелинейном режиме управления
(У2/F=const)
Рис. 14. Спектры напряжений Vas, Vxs и Vsa в асимметричной шестифазной системе с прерывистой синхронной ШИМ при нелинейном режиме управления (V2/F=const)
Анализ временных диаграмм, приведенных на рис. 7-8, показывает, что фазовые напряжения Vas и Vxs, а также их полезные компоненты Vsa и Vsb в асимметричной шестифазной системе как с непрерывной, так и с прерывной синхронной ШИМ, обладают симметрией на всем диапазоне управления. Соответствующие спектры напряжений (рис. 9—14) не содержат четных гармоник и субгармоник (выходной частоты) при любом (линейном или нелинейном) режиме управления, а также при любом (целом или дробном) соотношении между частотой переключения вентилей и выходной частотой системы. В частности, для всех проанализированных выше разновидностей синхронной ШИМ для шестифазной системы это отношение частот (1kHz/38Hz=26.3) равно дробной величине.
Предложенный метод непрерывной синхронизации напряжений может быть также использован в шестифазных системам с несбалансированным распределением мощностей между двумя источниками постоянного тока. В частности, на рис. 15-16 приведены базовые формы напряжений в асимметричной шестифазной системе с двумя источниками постоянного тока с различными напряжениями (Vdc1=0.5Vdc2), регулирование которой осуществляется без баланса мощностей двух источников электропитания. Кривые на рис. 15 показывают базовые напряжения для системы с непрерывной синхронной ШИМ, а кривые на рис. 16 представляют базовые напряжения для системы с прерывистой синхронной ШИМ с 30-градусными интервалами непроводящего состояния вентилей. Частота коммутации вентилей и выходная частота каждого инверторного блока равны 1kHz и 38Hz (индексы модуляции двух инверторных блоков в данном случае равны между собой: m1=m2=0.76). На рис. 17-18 представлены спектральные характеристики базовых напряжений, соответствующих упомянутому режиму управления, подтверждающие факт отсутствия в спектрах выходных кривых четных гармоник и субгармоник выходной частоты.
V, ТПППИ П1 1 I I I I I I 11 пппп
4s
Рис. 15. Полярные Va и Vx, фазные Vas и Vxs, а также полезные составляющие Vsa и Vsb фазного напряжения в несбалансированной шестифазной системе с непрерывной синхронной ШИМ (F=38Hz, Vdc1=0.5Vdc2, m1=m2=0.76)
Рис. 16. Полярные Va и V, фазные Vas и Vxs, а также полезные составляющие Vsa и Vsb фазного напряжения в несбалансированной шестифазной системе с прерывистой синхронной ШИМ (F=38Hz, Vdci=0.5Vdc2, mi=m2=0.76)
Рис. 17. Спектры напряжений Vas, Vxs и Vsa системы с непрерывной синхронной ШИМ при несбалансированных мощностях источников питания (F=38Hz, Vdci=0.5Vdc2, m1=m2=0.76)
Рис. 18. Спектры напряжений Vas, Vxs и Vsa системы с прерывистой синхронной ШИМ при несбалансированных мощностях источников питания (F=38Hz,
Vdci =0.5 Vdc2, m 1 =m2 =0.76)
Диаграммы, приведенные на рис. 19 и рис. 20, представляют результаты расчетов усредненной величины взвешенного коэффициента искажения (WTHD) фазного напряжения ^ и его основной полезной составляющей Уш
(WTHD = (1/ V1) (Vk / k)2 ) для асимметричной шестифазной системы с двумя
автономными источниками электропитания с разными напряжениями (Vdc1=0.5Vdc2), со сбалансированным распределением мощностей между источниками питания. Данные, приведенные на рис. 19, соответствуют системе со стандартным V/F=const режимом управления. Средняя частота переключений вентилей каждой инверторной группы равна 1 kHz. Коэффициенты модуляции первой и второй инверторных групп при этом соотносятся как m2=0.5m1.
Представленные на рис. 20 результаты вычислений соответствуют шестифазной системе с нестандартным режимом управления V2/F=const, характеризующимся сильной нелинейной зависимостью между выходными напряжением и частотой. Коэффициенты модуляции в этом случае находятся в следующей зависимости: m2=0.25m1.
Анализ представленных на рис. 19-20 зависимостей показывает, что в зоне низких выходных частот асимметричной шестифазной преобразовательной системы алгоритмы непрерывной ШИМ обеспечивают лучшие интегральные характеристики спектрального состава выходного напряжения для систем как со стандартными, так и с нестандартными режимами регулирования. В области же средних и повышенных выходных частот использование алгоритмов прерывистой ШИМ представляется более предпочтительным в большинстве случаев.
Рис. 19. Зависимость усредненного взвешенного коэффициента искажения напряжения шестифазной системы от выходной частоты при стандартном режиме управления
WTHD of the voltages Vas and Vsa
0.02
I 0.018- —^Vas(DPWM)
в— Vas(CPWM)
'a>
0.008[ir
0.006
15 20 25 30 35 40 45
Fundamental frequency. Hz
V/F=const (Vdci =0.5Vdc2)
Рис. 20. Зависимость усредненного взвешенного коэффициента искажения напряжения шестифазной системы от выходной частоты при нелинейном режиме управления
^^=сот1 ^1=0^2)
В заключение следует еще раз отметить, что в асимметричной шестифазной преобразовательной системе с синхронной ШИМ как фазные напряжения, так и полезные компоненты фазных напряжении обладают симметрией как при стандартных, так и при нестандартных режимах управления, в том числе в режимах управления как со сбалансрованными, так и с несбалансированными мощностями двух автономных источников электропитания. При этом в спектрах как фазного, так и линейного напряжений синхронизированных шестифазных систем отсутствуют четные гармоники и субгармоники на всем диапазоне регулирования при любых выходных частотах и любых частотах переключений вентилей, что является особенно важным для преобразовательных систем повышенной мощности.
Выводы
Специальная коррекция (в зависимости от режима управления) продолжительностей центральных на тактовых интервалах активных сигналов управления позволяет обеспечить полномасштабное распространение методологии синхронной векторной модуляции для управления асимметричными шестифазными преобразователями с нестандартными (нелинейными) зависимостями между выходными напряжением и частотой.
В зоне пониженных выходных частот асимметричных шестифазных преобразователей с синхронной ШИМ целесообразно использование алгоритмов непрерывной модуляции для систем как со стандартными, так и с нестандартными режимами управления. В области же средних и повышенных выходных частот использование прерывистых схем синхронной ШИМ является более предпочтительным с позиции обеспечения лучшего спектрального состава выходного напряжения шестифазных преобразователей.
Результаты выполненного исследования подтверждают тот факт, что кривые фазного выходного напряжения шестифазных преобразовательных систем с синхронной векторной ШИМ обладают симметрией на всем диапазоне регулирования, и их спектры не содержат четных гармоник и субгармоник (выходной частоты), что особенно важно для систем средней и большой мощности, способствуя снижению потерь в системах и повышению эффективности их функционирования.
Литература
[1] R. Bojoi, F. Farina, F. Profumo and A. Tenconi, “Dual-three phase induction machine drives control - a survey,” CD-ROM Proc. of the 2005 IEEE Int’l Power Elect. Conf (IPEC’2005), 10 p.
[2] R. Bojoi, A. Tenconi, F. Farina and F. Profumo, “Dual-source fed multiphase induction motor drive for fuel cell vehicles: topology and control,” Proc. of the 2005 IEEE Power Electr. Spec. Conf. (PESC’2005), pp. 2676-2683.
[3] J. Holtz, “Pulsewidth modulation for electronic power conversion,” Proc. of IEEE, vol. 82, no. 8, 1994, pp.1194-1213.
[4] N. Mohan, T.M. Undeland and W.P. Robbins, Power Electronics, 3rd ed., John Wiley & Sons, 2003.
[5] V. Oleschuk and F. Blaabjerg, “Direct synchronized PWM techniques with linear control functions for adjustable speed drives,” Proc. of the 2002 IEEE Appl. Power Electr. Conf (APEC’2002), pp. 76-82.
[6] B.K. Bose, Modern Power Electronics and AC Drives, Prentice Hall, 2002.
[7] Y. Zhao, and T.A. Lipo, “Space vector PWM control of dual three-phase induction machine using vector decomposition,” IEEE Trans. on Ind. Appl., vol. 31, no. 5, 1995, pp. 1100-1109.
Сведения об авторах
Валентин Игоревич Олещук ([email protected]), доктор хабилитат технических наук, является главным научным сотрудником Института энергетики Академии наук Молдовы, областью его научных интересов являются стратегии управления и модуляции силовыми полупроводниковыми преобразователями различного функционального назначения.
Роман Валерьевич Прудяк ([email protected]) является инженером Института энергетики Академии наук Молдовы, сфера его профессиональных интересов лежит в области разработки и исследования систем управления и регулирования электрическими и электромеханическими системами.
Александр Сергеевич Сизов ([email protected]) является научным сотрудником Института энергетики Академии наук Молдовы, областью его научных интересов является моделирование процессов в силовых электронных преобразовательных системах.
