Алгоритми формування вихідної ШІМ напруги інвертора для задач моделювання частотно-регульованих електроприводів

Вступ

Численне сучасне устаткування промислових і комерційних технологій, використовуване в широкому діапазоні потужностей, вимагає трифазного живлення змінного струму з необхідною амплітудою і частотою. При використанні, як основне джерело, енергії змінного струму промислової мережі, перетворювачі забезпечують: стабілізацію вихідної напруги при постійності частоти 50 Гц в системах безперебійного живлення [1, 2]; регулювання амплітуди і частоти вихідної напруги в електроприводах змінного струму [3], системах електротермічної технології і т.п. В системах частотно-регульованих електроприводів (ЕП) з АД необхідно змінювати напругу в широкому діапазоні як по амплітуді, так і по частоті. Для вирішення питань оптимального керування необхідно забезпечувати певне співвідношення між напругою і частотою. Ця обставина накладає особливі вимоги на перетворювачі для забезпечення стабільного або регульованого електроживлення різного типу навантажень. І якщо для напруги, по формі близької до синусоїди, вказані питання здебільшого досліджені, то врахування реальної форми ШІМ напруги дозволить більш повно досліджувати процеси перетворення енергії в частотно-регульованих електроприводах.

Аналіз попередніх досліджень

В системах з подвійним перетворенням енергії (ППЕ) відбувається перетворення енергії змінного струму в енергію постійного струму, а потім навпаки. Однополярний ШІМ – перетворювач, що формує напругу у вигляді напівхвиль синусоїдальної форми, і низькочастотний комутатор НЧК, що інвертує ці напівхвилі в напругу змінного струму, знаходить своє застосування у ряді систем частотно-регульованого ЕП [4]. Найширше застосування отримали ШІ – інвертування, що формує в поєднанні вихідними фільтрами синусоїдальну напругу основної частоти. Останніми швидкодійних силових напівпровідникових приладів намітилася тенденція до створення більш досконалих топологій перетворювачів змінного струму. До таких топологій, передусім, відносяться матричні і гібридні структури. Це пояснюється прагненням вирішити наступні основні задачі: поліпшення енергетичних показників системи (коефіцієнта потужності і ККД); мінімізація вищих гармонік вхідного і вихідного струмів для забезпечення вимог ЕМС по входу і виходу перетворювача; поліпшення малогабаритних показників перетворювачів за рахунок зниження величин використовуваних реактивних елементів; розширення діапазону потужності перетворювачів. В даний час наймасовішим і перспективним типом електроприводу є ЕП перетворювач частоти з ланкою постійно о струму – асинхронний двигун (ПЧ-АД), в якому частіше за всього використовується автономний інвертор напруги (АІН) з широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ). В загальному випадку всі види ШІМ використовують зміну тривалості імпульсів рівної амплітуди, що слідують через рівні інтервали часу відповідно до ухваленого закону формування напруги. Закони формування, загальні, для будь-якого методу модуляції визначаються функцією побудови (модулюючим сигналом). Слід зазначити, що у зв'язку з розвитком методів формування синусоїдальної напруги, трапецеїдальна ШІМ вже майже витіснена синусоїдальною. Двополярная ШІМ характеризується постійним діючим значенням вихідної напруги, тому регулювання значення основної гармоніки супроводжується перерозподілом енергії в спекті. Однополярна ШІМ дає кращий гармонійний склад, діючі значення напруги при цьому менші, ніж в двополярному варіанті. Форми вихідної модульованої напруги наведені на рис. 1.

Мета роботи

Формування алгоритмів побудови реальної форми ШІМ напруги інвертора для задач моделювання частотно-регульованих електроприводів.

Матеріал і результати досліджень

Динамічні властивості імпульсних перетворювачів частоти з ШІМ при моделюванні за середніми значеннями вихідного параметру – спрощені моделі – описуються за допомогою аперіодичних ланок із урахуванням або без урахування сталої часу СІК [5]. Застосування в системах ЕП таких перетворювачів потребує не аналітичного, а скоріше алгоритмічного опису із застосуванням логічних рівнянь, бо саме урахування форми напруги на АД дозволяє в повній мірі дослідити енергетичні та динамічні показники ЕП. Аналіз спрощених моделей дозволяє зробити наступні висновки: спрощені моделі на основі аперіодичних ланок дозволяють врахувати власну інерційність перетворювачів, однак забезпечують живлення ЕП лише за середніми значеннями, не враховуючи реальну форму вихідних координат; запис рівняння для електромагнітного кола перетворювача дозволяє врахувати струм електричного двигуна, однак система залишається, по суті, розімкненою з мережею живлення всієї ЕМС; моделі не враховують зміну роботи перетворювача від струму в інтервалах комутації ключів; виникає необхідність введення нелінійних функцій для реалізації не прямо пропорційних законів керування для ПЧ, хоча це можна врахувати через відношення приросту вихідної частоти до приросту керуючого сигналу.

Модель ШІМ побудуємо на основі формування вибірок з використанням синусоїдального сигналу і частоти модуляції. При цьому вмикання и вимикання ключів здійснюється в моменти перетину синусоїдального сигналу завдання і сигналу трикутної форми – рис. 2.

Формування однополярної ШІМ напруги здійснюється за виразом:

---