цифровая система управления автономным трехуровневым

ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ
УДК 621.311
ЦИФРОВАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ АВТОНОМНЫМ ТРЕХУРОВНЕВЫМ
ИНВЕРТОРОМ НАПРЯЖЕНИЯ С ОДНОСТОРОННЕЙ ШИМ ВЫХОДНОГО
НАПРЯЖЕНИЯ
Сенько В.И., Макаренко Н.П., Андрианов А.А.
Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт»
Юрченко Н.Н.
Институт электродинамики НАН Украины
Введение. В настоящее время существует обширная литература, посвященная разработке законов широтно-импульсной модуляции (ШИМ) выходного напряжения инвертора (АИН) и использованию трехфазных ШИМ инверторов для регулирования скорости трехфазного асинхронного двигателя (АД). В большинстве работ по проблеме практического применения АИН с ШИМ наибольшее внимание уделяется вопросу улучшения формы кривой
напряжения двигателя (т.е. выходного напряжения
инвертора), в частности, необходимости повысить
основную (первую) гармонику напряжения и
уменьшить, либо подавить как можно больше высшие гармоники в спектральном составе кривой выходного напряжения АИН и тока АД, что обеспечивает достаточно малые пульсации момента на валу и
незначительные потери мощности, обусловленные
высшими гармониками напряжения [1].
В отличие от двухуровневой ШИМ в мостовых
инверторах, автономные инверторы напряжения с
фиксированной нейтральной точкой (АИННТ), реализующие трехуровневую ШИМ, позволяют существенно снизить содержание высших гармоник в
выходном напряжении инвертора при одинаковой
кратности частоты несущего сигнала f N к частоте
первой гармоники f 1 , что в свою очередь приводит
к повышению качества выходного напряжения инвертора [2].
Цель работы. Основной целью проведенных исследований была разработка цифровой системы
управления АИН с односторонней трехуровневой
ШИМ выходного напряжения.
Материал и результаты исследований. Система управления автономным инвертором напряжения
с нейтральной точкой предназначена для создания
определенной
последовательности
импульсов
управления силовыми ключами, которая позволяет
получить требуемый закон формирования напряжения на выходе инвертора, с возможностью регулировать параметры (частоту и амплитуду) первой
гармоники выходного напряжения. Для систем
управления инверторами с ШИМ осуществление
требуемого закона формирования напряжения заключается в модуляции выходного напряжения инвертора с целью повышения его качества, т.е. улучшение спектрального состава формируемого напряжения с максимальным ослаблением высокочастот-
ных гармоник, близлежащих к основной. В то же
время, выполнение силовых ключей инвертора на
полностью управляемых вентилях (биполярных,
МДП, БТИЗ) или на тиристорах накладывает на систему управления ряд специфических требований, а
именно: мощность управляющих импульсов должна
быть достаточной для надежного управления любым ключом из выбранного типа и серии, учитывая
разброс их характеристик; полная управляемость
транзисторов требует формирования широких импульсов, длительность которых должна соответствовать длительности замкнутого состояния ключа;
для формирования разомкнутого состояния ключа
необходимо получить запирающее напряжение
(ток), величина которого зависит от типа применяемых силовых ключей; исключение сквозных токов
требует формирование задержки между выключением и включением силовых ключей в стойках инвертора; для реализации высокочастотных свойств
транзисторов формирователи управляющих импульсов должны обеспечивать малую временную задержку формируемого сигнала управления транзистором. Кроме этого система управления должна
иметь такие основные показатели, как безинерционность в работе, высокая надёжность и простота, достаточная помехоустойчивость, малая мощность
управления и потребления.
Структура системы управления определяется
выбранным методом модуляции кривой выходного
напряжения инвертора. При осуществлении различных алгоритмов трехуровневой ШИМ, в аналоговых
[3] или аналого-цифровых системах управления [4]
система включает в себя такие обязательные блоки,
как генератор модулирующего напряжения синусоидальной формы, генератор напряжения несущей
частоты, нуль-орган, выходные формирователи
управляющих импульсов. Цифровые системы
управления [5] отличаются отсутствием специальных устройств по преобразованию непрерывного
сигнала в ШИМ-последовательность импульсов
управления. Такие системы управления могут быть
построены на базе цифровых интегральных микросхем с применением, в случае необходимости выполнения арифметических операций, однокристальных микропроцессоров, благодаря чему гарантируется надежность устройства, универсальность его
блоков и уровень стандартизации. Такие системы
управления содержат следующие основные узлы:
Вісник КДПУ. Випуск 3/2006 (38). Частина 2
13
ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ
генератор тактовых импульсов (ТГ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), модуляторы (М),
устройства выбора адреса (УВА), делители частоты
(ДЧ), выходные формирователи управляющих импульсов (ФИУ).
Рисунок 1 - Структурная схема управления АИН с односторонней трехуровневой ШИМ выходного
напряжения
Структурная схема системы управления АИННТ
напряжения инвертора показана на рис. 1. Она базис односторонней трехуровневой ШИМ выходного
руется на использовании структурной схемы систеВісник КДПУ. Випуск 3/2006 (38). Частина 2
14
ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ
мы управления мостового АИН с односторонней
двухуровневой ШИМ [5] с некоторой корректировкой в структуре последней.
Система имеет m одинаковых каналов по числу
фаз инвертора. Каждый канал включает ПЗУ, модулятор, ФИУ. Модулятор выполняется на использовании двоичного счетчика (СЧ) с блокировкой счетного входа при заполнении счетчика. Вход С предварительной записи счетчика используется для снятия блокировки счета после записи новых значений
кодов длительности импульсов. После записи нового значения кода, не равного максимальному, на выходе многовходового элемента «И-НЕ» устанавливается сигнал логической «1», что разрешает прохождение счетных импульсов на суммирующий
счетный вход счетчика. Счетчик работает до заполнения в режиме суммирования счетных импульсов,
т.е. установки на выходах счетчика логических «1».
С этого момента на выходе многовходового элемента «И-НЕ» устанавливается логический сигнал «0»,
блокирующий прохождение счетных импульсов. В
режиме остановки счетчик находится до момента
записи следующего значения кода. Такой модулятор
представляет преобразователь код - длительность
импульса (ПКД). Дискретность представления длительностей импульсов определяется разрядностью
счетчика. Нулевому коду соответствует максимальная длительность формируемого импульса:
t1max   2 n  1 c ,
(1)
где n - разрядность счетчика ПКД; Tc - период
счетных импульсов.
Для максимального кода импульс на выходе модулятора не формируется, т.к. на выходе многовходового элемента «И-НЕ» уже в момент записи кода
устанавливается уровень логического нуля.
Модулятор содержит четыре мультиплексора,
выход каждого из них соединен со входом ФИУ,
управляющего одним силовым ключом инвертора.
Значение поступающего в ФИУ импульса зависит от
считываемого из ПЗУ-2 двухразрядного кода, по которому подключается один из четырех входных каналов мультиплексора. Четыре входа мультиплексора соответствуют возможным состояниям формируемого импульса для управления силовым ключом в
каждом периоде несущего сигнала (табл. 1).
ет необходимое число адресов ПЗУ-1 - N, которое с
другой стороны определяется отношением:
(2)
N  f N /f вых ,
где f N - частота несущего сигнала; f вых - частота
напряжения с ШИМ.
В ПЗУ-2 хранятся коды выбора адресов мультиплексоров модулятора. Разрядность ПЗУ-2 составляет 2х4, учитывая необходимость записывать коды
адресов в четыре мультиплексора одновременно (по
тем же адресам, что и для ПЗУ -1).
Устройство выбора адреса (УВА) для такой системы управления может строиться на двоичном
счетчике (счетчике адресов - СЧА), разрядность n
которого выбирается из условия: ( 2 n  N ). На
счетный вход СЧА поступают импульсы с делителя
частоты ДЧ1 с частотой f N . В момент формирования импульса на выходе ДЧ1 формирователь короткого импульса (ФКИ) подает короткий импульс
длительностью Δt зп на входы предварительной записи счетчиков модулятора. При этом
(3)
t зд.с  t выб  t зд.зп  t зп  Tс ,
где t зд.с - задержка СЧА по счетному входу; t выб время выборки ПЗУ; t зд.зп - задержка записи информации в счетчики модулятора.
Счетные импульсы поступают в модулятор с выхода делителя ДЧ2, максимальный коэффициент деления которого связан c минимальным коэффициентом деления делителя ДЧ1 выражением:
(4)
D min дел.1  ZD maxдел.2 ,
где Z - точность представления гладкой составляющей напряжения с ШИМ. Оба делителя частоты
подключены к генератору тактовых импульсов, максимальная частота которого, с учетом (2) определяется из выражения:
f тгmax  f NmaxD min дел.1 .
(5)
Такая система управления может регулировать
параметры первой гармоники выходного напряжения инвертора с ШИМ в трех режимах.
1. Режим регулирования частоты без изменения
коэффициента глубины модуляции М формируемого
напряжения с ШИМ реализуется при управлении
частотой f тг генератора тактовых импульсов:
(6)
f вых  f тг /(ND дел ) .
Таблица 1 –
Состояние выхода мультиплексора
Выход
Значение
1
Логический «0»
2
Импульс с выхода элемента «И»
3
Импульс с выхода элемента «ИЛИ»
4
Логическая «1»
2. В режиме регулирования коэффициента глубины модуляции М без изменения частоты формируемой последовательности импульсов напряжения
с ШИМ величина коэффициента глубины модуляции определяется из выражения:
M  D дел.2 Z/D дел.1 .
(7)
Так что для Dminдел.2 , учитывая (3, 4), М=1.
Уменьшение коэффициента деления делителя ДЧ2
позволяет регулировать М, диапазон изменения которого определяет диапазон изменения D дел.2 :
В ПЗУ-1 хранятся коды длительностей формируемых импульсов. Разрядность ПЗУ-1 равняется разрядности счетчика модулятора, а число импульсов
формируемой ШИМ последовательности определя-
Вісник КДПУ. Випуск 3/2006 (38). Частина 2
15
ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ ТА АВТОМАТИЗАЦІЯ
D min дел.2  a/M min .
ность которых определяется входным сигналом с
изменяющейся в широких пределах длительностью.
В качестве наиболее универсальных схем формирователей широких импульсов управления силовыми ключами находят применение устройства
формирования пачек импульсов, получаемых путем
выпрямления переменного прямоугольного напряжения повышенной частоты.
Рассмотренная система управления АИН позволяет реализовать алгоритмы трехуровневой ШИМ с
односторонней аппроксимацией годографов векто-
(8)
При выборе Dminдел.2  a для минимального значения коэффициента М.
3. Третий режим - регулирование частоты с
пропорциональным изменением амплитуды первой
гармоники выходного напряжения. Оставляя неизменной частоту импульсов тактового генератора
f Т Г  const , регулированием D дел.1 можно изменять частоту выходного напряжения с ШИМ в соответствии с (6). При этом, для D дел.2  const наблю-
ров  и  * [1]. Она отличается своей простотой в
реализации.
Выводы.
1. Структура системы управления определяется
выбранным алгоритмом трехуровневой ШИМ.
2. Цифровая система управления с односторонней модуляцией требует наименьший объем ПЗУ
для выбранного числа формируемых импульсов за
период выходного напряжения инвертора.
дается пропорциональное изменение коэффициента
М в соответствии с (7). Таким образом в этом режиме регулирования параметров первой гармоники
выходного напряжения инвертора с ШИМ выполняется закон U/f=const, часто встречающийся в частотно-регулируемом электроприводе.
Характер взаимного изменения параметров первой гармоники выходного напряжения инвертора с
ШИМ при трех режимах управления показан на
рис. 2. Изменение параметров в направлении стрелки связано для первого режима управления с
уменьшением частоты тактовых импульсов, для
второго - с уменьшением D дел.2 (т.е. с увеличением
ЛИТЕРАТУРА
1. Сенько В.И., Лебеденко С.А., Калиниченко
А.П., Фан Куок Зунг, Фан Хуанг Винь. Новый алгоритм широтно-импульсной модуляции выходного
напряжения трехфазного автономного инвертора с
нейтральной точкой // Техническая электродинамика. – 1994. – №1. – С. 13 – 18.
2. Сенько В.И., Сенько Е.В., Слободян Л.Р.,
Юрченко Н.Н. Комбинированное применение алгоритмов трехуровневой ШИМ в трехфазных инверторах с нейтральной точкой // Техническая электродинамика. – 1997. – №4. – С. 16-22.
3. Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.Н. Основы преобразовательной техники. – М.: Высшая
школа, 1980. – 424 с.
4. Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М.
Преобразовательная техника. – К.: Вища школа,
1983. – 431 с.
5. Сенько В.И., Макаренко Н.П., Лебеденко
С.А., Калиниченко А.П. Цифровая система управления автономным инвертором для частотнорегулируемого электропривода // Информационноизмерительные устройства и системы прокатных
станов. – Киев. – 1990. – С. 119-125.
частоты счетных импульсов), для третьего - с увеличением D дел.1 (т.е. с уменьшением частоты несущего сигнала f N ).
Рисунок 2 - Изменение параметров первой
гармоники выходного напряжения
Связующим звеном системы управления с силовыми ключами инвертора является формирователь
импульсов управления (ФИУ). Основные его функции – обеспечить гальваническую развязку между
силовым ключом и системой управления инвертором с преобразованием параметров (напряжение,
мощность) выходного импульса системы управления в соответствии с требованиями надежного переключения силовых ключей.
Для управления силовыми ключами транзисторных инверторов напряжения применяются формирователи широких импульсов управления, длитель-
Стаття надійшла 20.04.2006 р.
Рекомендовано до друку
д.т.н., проф. Родькіним Д.Й.
Вісник КДПУ. Випуск 3/2006 (38). Частина 2
16