УДК 621.314.26:621.382
В.М. Михальський, канд. техн. наук, В.М. Соболєв, канд. техн. наук
ПЕРЕТВОРЮВАЧІ ЧАСТОТИ, НАПРУГИ ТА СТРУМУ З ВЕКТОРНОЮ ШИРОТНО-ІМПУЛЬСНОЮ МОДУЛЯЦІЄЮ
Сучасні досягнення в розвитку силових напівпровідникових приладів і силової електроніки взагалі зробили можливим перехід на більш високий рівень перетворювальної техніки, розробку нових методів керування силовими напівпровідниковими перетворювачами.
Формування напруг (струмів) у багатофазних перетворювачах здійснюється на сьогодні, як правило, за векторними принципами. Векторна широтно-імпульсна модуляція (ВШІМ) досить давно використовується при керуванні автономними інверторами напруги (АІН), а в останні роки вона знаходить все ширше застосування в матричних перетворювачах (МП) [4].
При синтезі закону ВШІМ та алгоритму керування ключами МП важливою проблемою (спільною для МП і АІН) є реалізація точної передаточної характеристики перетворювача та формування вихідної напруги з задовільним гармонічним складом. Особливо це стосується нижньої частини діапазону регулювання напруги та частоти при використанні класичної ВШІМ [1, 2].
У 2007 р. в рамках виконання фундаментальної теми "Сигнал-2" було продовжено дослідження з оптимізації тривалостей стаціонарних станів МП при глибокому регулюванні асинхронного електропривода, які зводились до визначення стратегії формування просторового вектора вихідної напруги в нижній частині діапазону регулювання [2]. У зв'язку з тим, що тривалість переведення перетворювача з одного стаціонарного стану в інший може складати від сотень наносекунд до одиниць та десятків мікросекунд залежно від величини струму, що комутується, та типу використовуваних ключів, накладаються обмеження на мінімальні відносні тривалості, необхідні для формування того чи іншого стаціонарного вектора. Особливо суттєво такі обмеження позначаються при глибокому регулюванні, коли задана мінімальна уставка може складати значну частину по відношенню до загальної тривалості формування ненульових векторів на такті ВШІМ. Одне з обмежень пов'язано з визначенням точних границь 60-градусних секторів вхідної напруги через те, що миттєві фазні напруги на цих інтервалах мають значення, близькі до нульових. У цих випадках запропоновано проводити перерахунок відносних тривалостей використання стаціонарних векторів на користь однієї з вхідних лінійних напруг при відкиданні іншої лінійної напруги та збереженні середнього значення вихідної напруги за період частоти ВШІМ. Такий підхід дає змогу мінімізувати спотворення вхідного струму та вихідної напруги при компенсації розглянутого обмеження [2].
Наступне суттєве обмеження пов'язано з розташуванням просторових векторів вихідної напруги поблизу границь секторів формування, коли не можуть бути реалізовані деякі зі складових цих векторів.
У цьому випадку найпростішим виходом зі становища є реалізація просторового вектора вздовж границі сектора, причому модуль цього вектора дорівнює модулю заданого вектора вихідної напруги, а друга складова вздовж другої границі сектора відкидається. Однак при такому підході зазнають значних спотворень форма вихідної напруги та струм навантаження перетворювача, особливо при глибокому регулюванні.
Інший метод, що дає змогу більш радикально мінімізувати спотворення вихідної напруги при розташуванні просторового вектора поблизу стаціонарних векторів, полягає у використанні для формування вектора вихідної напруги двох стаціонарних векторів, зсунутих один відносно одного на 120 ел. град. Цей підхід дозволяє формувати просторовий вектор вихідної напруги при довільному його наближенні по куту до стаціонарного вектора, розташованого між згаданими векторами, зсунутими на 120 ел. град., без найменших додаткових спотворень.
Третій метод дає змогу формувати без спотворень як завгодно малі значення модуля вектора вихідної напруги і полягає у використанні для такого формування трьох стаціонарних векторів для АІН (трьох пар векторів для МП), розташованих під кутом 120 ел. град. один відносно одного.
Схемна реалізація алгоритмів керування перетворювачем проводилась за допомогою контролера на основі цифрового сигнального процесора (DSP) [3]. Серед можливих варіантів схемного рішення було обрано 32-розрядний DSP-мікроконтролер серії С28хх з фіксованою комою та програмованою логічною матрицею компанії ALTERA.
Мікроконтролер TMS320F2812 з продуктивністю 150 млн. оп./сек відрізняється значним обсягом програмної пам'яті (до 128 кБайт), наявністю двох менеджерів подій, високопродуктивним АЦП.
Стислий перелік задач мікроконтролера в системі керування МП виглядає так: обчислення змінних регуляторів; здійснення перетворень координат; обчислення часток часу для ВШІМ; формування інтервалів часу для ВШІМ; видача цих інтервалів на формування законів комутації; обмін інформаційними сигналами з іншими підсистемами МП; обробка сигналів давача швидкості; зчитування сигналів зворотних зв'язків та перетворення їх у цифрову форму.
В алгоритмі керування реального перетворювача обов'язковою є реалізація компенсації розглянутих обмежень на мінімальні відносні тривалості застосування стаціонарних векторів. Проведені експериментальні дослідження МП з керуванням від мікроконтролерної системи eZdspF2812 підтвердили надзвичайно високу ефективність застосування навіть найпростіших методів компенсації обмежень на згадані мінімальні тривалості.
В плани подальших досліджень у цьому напрямку входить систематизація всіх складових проблеми "мертвого часу" в перетворювачах частоти та об'єднання заходів для їх компенсації в єдиний алгоритм роботи системи керування перетворювачами.
У процесі виконання прикладної теми "База-П4" в 2007 р. розроблено та виготовлено експериментальний зразок джерела живлення потужністю 13 кВА для установки індукційного нагрівання на основі резонансного інвертора струму з використанням IGBT ключів. Ця розробка вигідно відрізняється від інших аналогічного призначення системою керування високого ступеня адаптивності до змін (у тому числі безсистемних і раптових) параметрів резонансного контура. На відміну від систем керування перетворювачів для установок індукційного нагрівання аналогічного призначення розроблена система керування за всіх обставин підтримує нульові фазові зсуви між вихідними струмом та напругою резонансного інвертора за рахунок відслідковування цих фазових зсувів з використанням точних безінерційних давачів.
У розробці згаданого джерела живлення активну участь взяли пров. інженер Чопик В.В. та с.н.с. Шаповал І.А.
Також у рамках виконання теми "База-П4" розроблено, виготовлено та впроваджено у промислову експлуатацію пристрій компенсації ємності УКЕ 220-100 на базі статичного перетворювача електроенергії з широтно-імпульсною модуляцією потужністю 35 кВА. Пристрій призначений для автоматичного розряду потужних акумуляторних батарей аварійних систем енергоживлення енергогенеруючих об'єктів України з метою контролю їх стану та придатності для подальшої експлуатації.
В розробці установки УКЕ 220-100 активну участь взяли с.н.с. Шаповал І.А., пров. інженери Кутрань І.С. та Чопик В.В.
Установка дає змогу проводити контрольований розряд потужних акумуляторних батарей з напругою від 190 до 236 В з підтриманням заданого струму розряду в діапазоні від 10 до 150 А при дискретизації завдання в 1 А та точності підтримання в (- 2 % + 2 %). У найближчі плани проведення досліджень з цього напрямку входить збільшення струму контрольованого розряду батарей до 200…300 А.
Застосування пристрою УКЕ 220-100 в 2007 р. на Хмельницькій АЕС та низці енергогенеруючих потужностей ТЕС ТОВ "Востокенерго", ВАТ "Центренерго", ВАТ "Донбасенерго" дозволило значно підвищити надійність експлуатації енергогенеруючих об'єктів за рахунок точності підтримання заданих технологічних режимів потужних акумуляторних батарей, надання технічному персоналові повної поточної інформації про стан аварійних систем енергоживлення та їх придатність для подальшої експлуатації.
1. Чехет Е.М., Михальський В.М., Соболєв В.М., Шаповал І.А. Матричні перетворювачі для електромеханічних систем змінного струму // Пр. Ін-ту електродинаміки НАН України: Зб. наук. праць. – К.: ІЕД НАНУ. – 2007. – №1(16). – Ч.2. – С. 76–85.
2. Михальский В.М., Соболев В.Н., Полищук С.И., Чехет Э.М., Шаповал И.А. Оптимизация длительностей стационарных состояний матричного преобразователя при глубоком регулировании асинхронного электропривода // Вестн. НТУ "ХПИ". Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. – Харьков: НТУ "ХПИ". – 2002. – Вып.12. Том 1. – С. 53–56.
3. Михальский В.М., Соболев В.Н., Полищук С.И., Чехет Э.М., Чопик В.В., Шаповал И.А. Стратегия формирования пространственного вектора выходного напряжения матричного преобразователя в нижней части диапазона регулирования электропривода переменного тока // Зб. наук. пр. Дніпродзержинського ДТУ. Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. – Темат. вип. – 2007. – С. 126–131.
4. Михальський В.М., Соболєв В.М., Чехет Е.М., Чопик В.В., Шаповал І.А. Розробка і дослідження експериментального зразка матричного перетворювача з керуванням від DSP-мікроконтролера // Техн. електродинаміка. Силова електроніка та енергоефективність. – Темат. вип. – 2007. – Ч.1. – С. 11–14.