CC BY
96
УДК 62-83:004
Н.В. Донской, канд. техн. наук. доц., гл. науч. сотр.,
(8352) 39-00-34, mageko@mail.ru
(Россия, Чебоксары, ЧувГУ, ОАО «ВНИИР»),
К. А. Чубуков, асп., ст. науч. сотр. департамента силовой электроники,
(8352) 39-00-36, mageko@mail.ru
(Россия, Чебоксары, ЧувГУ, ОАО «ВНИИР»)
ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И СПОСОБЫ УСТРАНЕНИЯ ПОСТОЯННЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ В НАПРЯЖЕНИЯХ И ТОКАХ АВТОНОМНЫХ ИНВЕРТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ С ВЕКТОРНОЙ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ
Показаны причины возникновения постоянных составляющих в выходном напряжении автономных инверторов, управляемых по методу векторной широтно-импульсной модуляции. На основе анализа причин возникновения постоянных составляющих предложен метод их полного устранения и показан пример его реализации на основе двухуровневого автономного инвертора напряжения.
Ключевые слова: метод векторной широтно-импульсной модуляции, трехфазные автономные инверторы напряжения, постоянная составляющая в токах фаз.
Трехфазные автономные инверторы напряжения (АИН), выполненные на полностью управляемых силовых полупроводниковых приборах, находят широкое применение в электроприводах переменного тока в качестве регулируемых источников силового переменного напряжения. Одним из наиболее перспективных методов управления такими АИН является метод векторной широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Однако этот метод имеет недостаток - появление (при определенных частотах управляющего напряжения) постоянных составляющих в выходном напряжении АИН, ухудшающих работу электроприводов за счет появления постоянных составляющих в токах фаз и, как следствие, дополнительных пульсаций вращающего момента двигателей.
Факт возникновения постоянных составляющих в выходном напряжении АИН управляемого по принципу векторной ШИМ не нашел отражения в технической литературе.
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 (рис. 1).
Рис. 1. Базовые векторы напряжений
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 ит и углом поворота вектора 0 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 ук на периоде Т0 несущего пилообразного сигнала определяются как синусоидальные функции угла 0 и модуля ит. В общем случае, относительные длительности включения ненулевых базовых векторов в пределах сектора к, в котором расположен заданный вектор, определяются выражениями
ук = Тэ ит81пТП - 0'!; Ук+1 =>/3 ^т 0'
и
П
V 3 у
и
П
где 0 = 0 - П (к -1)= 0 + П - местный угол внутри сектора, причем должно
выполняться равенство: у к + У к+1 + У 0 + У 7 = 1, где у0 и у7 - относительные длительности включения нулевых векторов; иП - напряжение звена постоянного тока.
В выходном напряжении АИН при любом способе реализации ШИМ на некоторых частотах наблюдается постоянная составляющая, значение которой меняется в зависимости от частоты задания /З =1/ТЗ (при постоянстве опорной частоты /0) и может достигать нескольких процентов от напряжения питания иП. Хотя постоянная составляющая в выходном напряжении АИН и не велика, однако она может приводить к возникновению постоянных составляющих в токах фаз двигательной нагрузки (до 20 % от номинала) и, как следствие, дополнительных пульсаций вращающегося момента.
В АИН управляемых по принципу векторной ШИМ опорный пилообразный сигнал сравнивается с управляющими сигналами, для двухуров-
невого АИН определяемых как С\=ук и С2=ук+уь+\ [1], причем форма управляющих сигналов повторяется каждые Т3/6. Причиной появления постоянных составляющих в выходном напряжении АИН с векторной ШИМ, так же как и с синусоидальной ШИМ [2, 3], является неодинаковая вольт-секундная площадь работы верхних и нижних силовых ключей фазы инвертора, вызванная для АИН с векторной ШИМ несимметрией вольт-секундных площадей между первым и вторым полупериодом управляющих импульсов щ, щ+щ+\ (рис. 2), которая возникает в случае, если в периоде управляющего напряжения Т3 на входе
Рис. 2. Работа двухуровневого АИН с векторной ШИМ а - при /о//з=10; б - при Мз=11
АИН не укладывается целое четное число периодов опорного пилообразного напряжения Т0. Если в периоде управляющего напряжения укладывается дробное число периодов пилообразного напряжения, то возможно появление биений (постоянная составляющая изменяется по уровню и знаку с некоторой частотой, зависящей от соотношения частот управляющего и пилообразного напряжений. Наибольшие постоянные составляющие возникают на критических (субгармонических) частотах (/Кр) и близких к ним, которые могут быть найдены по формуле
/КР гт! гт! , (1)
ТКР пТ0 п
где п = 3, да - целые нечетные числа.
Полностью решить проблему возникновения постоянных составляющих в выходном напряжении АИН с векторной ШИМ можно при программном или аппаратном изменении частоты пилы соответственно изменению частоты управляющего сигнала, однако данный метод требует достаточно высокого быстродействия процессорного модуля или источника плавно регулируемого пилообразного напряжения, что за частую нецелесообразно или невозможно.
Для устранения постоянной составляющей в выходном напряжении АИН с векторной ШИМ предлагается способ, не требующий существенного увеличения быстродействия и достаточно просто реализуемый как в цифровом, так и в аналоговом виде. Суть способа заключается в сбросе пилообразного напряжения в начальное состояние, которое заранее определено и находится в диапазоне от нуля до максимума амплитуды пилы, при достижении углом задающего вектора напряжения 0 ряда значений кратных я/3.
Так как в АИН с векторной ШИМ пилообразный сигнал формируется одинаково как для двухуровневого, так и для трехуровневого исполнения, то рассмотрим предлагаемый способ устранения постоянной составляющей в выходном напряжении АИН на основе двухуровневого АИН с векторной ШИМ с двухуровневым компаратором [1].
Структурная схема для двухуровневого АИН с векторной ШИМ с исключением постоянной составляющей представлена на рис. 3 и включает в себя:
- интеграторы (И), один из которых имеет вход сброса по переднему фронту;
- компаратор (К);
- блок определения сектора (БОС) формирующий на выходе логические сигналы г1-гб, соответствующие отдельным шестидесятиградусным секторам, принимающие значение 1 на каждом из своих интервалов и 0 на других, а также логический сигнал Б;
- блок вычисления относительных длительностей (БВОД);
- сбрасываемый генератор опорного сигнала (СГОС) пилообразной формы, сбрасываемый в начальное состояние при активном сигнале Б (или его фронтом);
- блок формирования импульсов управления (БФИУ);
- блок векторной широтно-импульсной модуляции (БВШИМ);
- силовой блок (СБ) АИН и нагрузка.
Для того чтобы исключить постоянную составляющую в выходном напряжении АИН с векторной ШИМ, необходимо сбрасывать пилообразное напряжения так, чтобы пилообразный сигнал для формирования импульсов управления "верхними" ключами был симметричен сигналу для формирования импульсов управления "нижними" ключами. Наиболее просто реализовать сброс пилообразного напряжения на границе шестидеся-
тиградусных секторов, тогда для выполнения условия симметрии пилообразных сигналов для положительной и отрицательной полуволн сигнала задания достаточно производить сброс в моменты равенства угла 0 значениям из представленных вариантов: 1) 0, я; 2) я/3, 4я/3; 3) 2я/3, 5я/3; 4) 0, я/3, я, 4я/3; 5) 0, 2я/3, я, 5я/3; 6) я/3, 2я/3, 4я/3, 5я/3; 7) 0, я/3, 2я/3, я, 4я/3, 5я/3.
Рис. 3. Структурная схема двухуровневого АИН с векторной ШИМ с двухуровневым компаратором и исключением постоянной
составляющей
Структурная схема варианта исполнения блока определения сектора для АИН с векторной ШИМ с исключением постоянной составляющей для варианта с обнулением пилы при достижении углом 0 значения кратного я/3 показана на рис. 4 и включает в себя: сумматоры, блоки вычисления тригонометрических функций для получения синусоидальных сигналов задания напряжения, компараторы (К), логический преобразователь на основе элементов "И" и "ИЛИ-НЕ", а также 6 интеграторов с дополнительным входом для сброса по переднему фронту, 7 компараторов и одного логический элемент "И", предназначенные для формирования короткого логического сигнала Б.
£-1--й
Рис. 4. Структурная схема блока определения сектора
Для реализации сброса опорного пилообразного напряжения при других предложенных вариантах значений угла 0 структурная схема блока определения сектора преобразовывается исключением соответствующих интеграторов и компараторов.
F 1
t
и
ft ■ ft ЦА t
Рис.5. Работа двухуровневого АИНс векторной ШИМ с двухуровневым компаратором с устранением постоянной
составляющей
Из графиков работы двухуровневого трехфазного АИН с векторной ШИМ с двухуровневым компаратором с исключением постоянной составляющей, показанных на рис. 5, видно, что сброс в начальное состояние (принято минимальным) пилообразного сигнала при достижении углом 0 значения кратного я/3 позволяет получить симметричные вольт-секундные площади управляющих импульсов для положительного и отрицательного полупериода напряжения задания и, как следствие, симметричные вольт-секундные площади работы верхних и нижних силовых ключей АИН. Таким образом, в выходном напряжении АИН с векторной ШИМ исключаются постоянные составляющие.
Таким образом, проанализированы причины возникновения постоянных составляющих в выходном напряжении АИН с векторной ШИМ, предложен способ позволяющий исключить появление постоянных составляющих, который достаточно просто реализуется как в цифровом, так и в аналоговом виде, а также показан принцип работы и структурные схемы для варианта его реализации.
Список литературы
1. Козаченко В.Ф. Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам // CHIP NEWS. 1999. №1. С. 2-9.
2. Донской Н.В., Никитин С.А., Чубуков К.А. Возникновение постоянных составляющих в выходном напряжении автономных инверторов, управляемых по методу широтно-импульсной модуляции // Труды V Международной (16-й Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу. СПб, 2007. С. 435-438.
3. Донской Н.В., Чубуков К.А. Влияние постоянных составляющих в токе статора на характер переходных процессов в электроприводах переменного тока // Электротехника. 2006. №2. С. 30-33.
N. Donskoj, K. CHubukov
The reasons of occurrence of constant components in the output voltage of VSI controlled by the method vector pulse-width modulation and methods of their elimination
The reasons of occurrence of constant components in the output voltage of VSI controlled by the method vector pulse-width modulation are shown. On the base of the analysis of the reasons of occurrence of constant components the method of their full elimination is offered and the example of its realization on a basis of 2-level VSI is presented.
Keywords: vector pulse-width modulation method, three-phase VSI, constant component in the currents of phases.
Получено 06.07.10
УДК 62-83:004
А.Г. Ильина, науч. сотр., (812) 233-83-36, dvanoska@mail.ru (Россия, Санкт-Петербург, СПб ГУ ИТМО)
МОДЕЛИРОВАНИЕ В МАТЬАБ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА АЗИМУТАЛЬНОЙ ОСИ ТЕЛЕСКОПА
Рассмотрены принципы построения системы автоматического управления высокомоментного прецизионного электропривода оси опорно-поворотного устройства телескопа траекторных измерений с применением линейно-квадратичного гауссов-ского регулятора в контуре скорости.
Ключевые слова: система автоматизированного управления, ЛКГ регулятор, прецизионные датчики координат.
Совершенствование систем автоматического регулирования (САР) движения осей телескопов траекторных измерений (ТТИ), направленное на улучшение точностных показателей моментного электропривода опорно-поворотного устройства (ОПУ) телескопа, в настоящее время развивается в двух направлениях: применение более совершенных технических решений аппаратной части и механических узлов ОПУ и усложнение алгоритмов регулирования. Несмотря на высокий технический уровень исполнения ОПУ ТТИ и использование в системах управления прецизионных датчиков положения, с разрешением в сотые доли угловых секунд, без применения
97
