Диссертация (Однофазные инверторы с многоячейковой структурой), страница 8

Для управлениямоментами переключения ячеек необходимо обеспечить работу блока управления по определенному алгоритму. Для этой цели наиболее целесообразно применение микроконтроллера, который позволит сформировать выходной сигналзаданной формы в нормальном режиме, а в случае выхода из строя какой–либоячейки – изменить общий алгоритм работы исправных ячеек. Работоспособность всего устройства сохранится, при незначительном ухудшении формы выходного сигнала.Вариант с равномерным смещением по числу ячеек прост в реализации,но полученные результаты становятся неудовлетворительными уже на раннихстадиях увеличения числа ячеек, так как по мере увеличения числа ячеек формасуммарного выходного напряжения в пределе стремится к треугольной.

На Рисунке 3.3 приведен алгоритм включения ячеек, а на Рисунке 3.4 показано сформированное выходное напряжение при использовании трех СПЯ.Рисунок 3.3 – Алгоритм включения отдельных ячеек при равномерном сдвиге68Рисунок 3.4 – Суммарное выходное напряжение инвертора с равномерным сдвигомячеекВторой вариант является продолжением первого, с той лишь разницей,что длительность центрального импульса увеличивается (Рисунок 3.5, 3.6).Этот метод дает лучший по сравнению с равномерным смещением включенияспектр.Известно, что оптимальным углом наклона боковой грани трапеции дляобеспечения наилучшего спектра является угол в 60°.Рисунок 3.5 – Алгоритм включения отдельных ячеек при аппроксимации в трапецеидальную форму выходного напряжения69Рисунок 3.6 – Суммарное выходное напряжение инвертора при аппроксимации в трапецеидальную форму3.2 Алгоритм формирования синусоидальной аппроксимации выходного напряжения многоячейкового инвертораВ схеме инвертора, структура которого приведена в первой главе(Рисунок 1.21), использован алгоритм приближения выходного напряжения ксинусоидальной форме.

Его особенность заключается в использовании синусоидального напряжения в качестве опорного для вычисления моментов коммутации силовых ключей ячеек инвертора и равномерного распределения времениработы ячеек независимо от их числа.На Рисунке 3.7 приведен порядок работы ячеек инвертора, обеспечивающий их равномерную загрузку независимо от их числа. Заштрихованные области соответствуют интервалам работы верхних ключей полумостовых схем, незаштрихованные области соответствуют интервалам работы нижних силовыхключей полумостовых схем инвертора.Предложенный алгоритм переключения силовых ключей ячеек инверторапозволяет создать масштабируемые схемы их переключения.

Теоретически,максимальное число ячеек инвертора зависит от минимального времени коммутации силового ключа, входящего в состав одной ячейки инвертора [1].70Рассматривается метод формирования выходного напряжения по алгоритму, аппроксимирующему синусоидальный сигнал и обеспечивающему равномерную нагрузку единичных ячеек инвертора. Такой алгоритм позволитулучшить выходное напряжение инвертора, уменьшить массогабаритные показатели фильтров, а равномерная нагрузка ячеек – унифицировать единичныйинвертор и повысить гибкость системы в случае выхода из строя какого–либокомпонента.Рисунок 3.7 – Порядок работы ячеек инвертораВ исследуемой схеме инвертора использован алгоритм приближения выходного напряжения к синусоидальной форме.

Его особенность заключается виспользовании синусоидального напряжения в качестве опорного для вычисле-71ния моментов коммутации силовых ключей ячеек инвертора и равномерногораспределения времени работы ячеек независимо от их числа. Расчеты проводились исходя из требований современного стандарта трехфазной бортовой сети переменного тока с фазным напряжением 115 В с частотой 400 Гц.Описание работы алгоритма. В разработанном алгоритме моделируемый сигнал представляет собой многоуровневую аппроксимацию синусоидального сигнала. Аппроксимированный сигнал имеет амплитуду идентичнуюопорной синусоиде и описывает синусоиду по ее высшей точке.Исходя из числа силовых ячеек инвертора, необходимо определить моменты переключения уровней напряжения как Y1A = sinα1. Из условия равенствауровней напряжения YA1 = YA2, …, YAN определяем моменты переключения какточки пересечения последующих заданных уровней аппроксимирующегонапряжения с опорной синусоидой на первой четверти периода.В случае нечетного числа ячеек, значения уровней напряжения определяются по следующей формуле:Ni2YAi ,N2(3.5)где N – число ячеек инвертора,i = 0 … N – порядковый номер уровня напряжения.Точки пересечения синусоидального сигнала и аппроксимирующегоопределяются по формуле:Ni2i  arcsin.N2(3.6)Необходимо отметить, в отличие от четного числа ячеек, которое будет72рассмотрено ниже, для нечетного числа ячеек добавляются дополнительныемоменты переключения в точках пересечения синусоидой оси ординат.

Ввидуспецифики расчета эти точки не описываются указанными выше формулами, ноочевидны при построении аппроксимированного напряжения.На Рисунке 3.8 изображены линии пересечения уровней напряжения иопорного синусоидального напряжения. В качестве примера рассмотрим инвертор, состоящий из трех ячеек. В этом случае возможны следующие уровнинапряжения: –1, –1/3, 1/3, 1.U,В1YA1YA11/3YA20-1/3α1α2Временныеинтервалыα32π t,сπYA3-1Рисунок 3.8 – Формирование аппроксимирующего напряженияДля обеспечения равномерной нагрузки всех ячеек инвертора каждыйвременной интервал формирования уровня аппроксимирующего напряженияразбивается на равные субинтервалы по количеству ячеек инвертора [1].73Моменты переключения силовых ключей ячеек инвертора определяютсяпо следующей формуле:ij i 1  i ij1 ,N(3.7)где j = 1 … N – порядковый номер субинтервала уровня напряжения.На Рисунке 3.9 показано разбиение интервалов на субинтервалы дляопределения моментов переключения силовых ключей ячеек инвертора.U, В11/30α11 α21 α1α12α22α2 α13 α23 πВременные субинтервалыРисунок 3.9 – Разбиение уровней напряжения по времени включения каждойячейки, исходя из числа ячеекАлгоритм переключения подразумевает как последовательное включениеячеек, так и их параллельную работу.

На Рисунке 3.10 приведена диаграмма переключения силовых ключей инвертора и получаемый суммарный аппроксимирующий сигнал. На первом интервале сумма напряжений всех ячеек равнаодной трети входного напряжения, на втором интервале сумма напряженийt, с74равна входному напряжению, на третьем – опять одной трети входного напряжения и т.д.α11 α12 α2Ячейка №1t, сЯчейка №2t, сЯчейка №3t, сU, ВСуммарное напряженияUвх1/3 Uвхt, сРисунок 3.10 – Алгоритм переключения ключей ячеек на каждом уровне напряженияВ качестве исследуемой модели выбран инвертор с числом ячеек равнымсеми. Моменты переключения ключей ячеек получены согласно описанномувыше алгоритму.Согласно формуле (3.5), определяются значения уровней напряжения.Для семи–ячейкового инвертора эти значения:75По формуле (3.6) вычисляем моменты переключения силовых ключейячеек инвертора.

В Таблице 3.1 приведены результаты вычислений моментовпереключения силовых ключей для выходного напряжения частотой 400 Гц.Таблица 3.1 Моменты переключений для выходного напряжениячастотой 400 Гц для трех ячеекα1α2α3α4α5α6α70,05700,17620,31650,93341,07371,19291,25Субинтервалы переключения определяются согласно формуле (3). Результаты вычислений представлены в Таблице 3.2.Таблица 3.2 Субинтервалы переключения для выходного напряжения частотой400 Гц для трех ячеекНомер ступени напряженияНомер субинтервала123456710,008150,016300,024440,032590,040740,048890,0570420,074060,091090,108120,125150,142170,159200,1762330,196280,216320,236370,256420,276470,296510,3165640,404690,492810,580940,669060,757190,845310,9334450,953490,973530,993581,013631,033681,053721,0737761,090801,107831,124851,141881,158911,175941,1929671,201111,209261,217411,225561,233701,241851,25000В случае четного числа ячеек, происходит смещение амплитуды сигналааппроксимации относительно максимального уровня опорной синусоиды [92].Величина значения амплитуды напряжения аппроксимации YA рассчитывается76из условия максимума отношения площадей под кривой аппроксимирующегосигнала и под кривой опорного синусоидального сигнала на половине периодарассматриваемой функции как:=SA,Ssin(3.8)где SA – площадь под кривые аппроксимации;Ssin – площадь под опорным синусоидойЗадаваясь числом ячеек и значением угла переключения первого уровняаппроксимирующего напряжения 1 > 0, вычисляем амплитуду первого уровняаппроксимирующего напряжения как Y1A = sin1.

Из условия равенства уровнейнапряжений Y2A = 2Y1A, …, YNA = NY1A и ограничении YA = ΣYNA < 1, определяемуглы переключения как точки пересечения последующих заданных уровней аппроксимирующего напряжения с опорной синусоидой на первой четверти периода. Затем вычисляем величину площади под кривой аппроксимирующегонапряжения. Последовательным приближением находим максимум отношения(3.8) и соответствующую YA.Рассмотрим инвертор, состоящий из четырех ячеек. Согласно (3.8),γ = 0,72 при YA = 0,8.Точки пересечения синусоидального сигнала и аппроксимирующегоопределяются по формуле:N Y  i2,i  arcsin N2где N – число ячеек инвертора,i = 0 … N.(3.9)77На Рисунке 3.11 изображены линии пересечения уровней напряжения иопорного синусоидального напряжения.U, В10,8Уровнинапряжения0,40α1α2α3α4πt,сВременные интервалыРисунок 3.11 – Формирование аппроксимирующего напряженияМоменты переключения силовых ключей ячеек инвертора определяютсяпо следующей формуле:ij i 1  i ij1,N(3.10)где j = 1…N – порядковый номер субинтервала уровня напряжения.На Рисунке 3.12 показано разбиение интервалов на субинтервалы дляопределения моментов переключения силовых ключей ячеек инвертора.U, В0,80,40α11 α12 α13α1α2α3α4πt, сВременные субинтервалыРисунок 3.12 – Разбиение уровней напряжения по времени включения каждойячейки, исходя из числа ячеек78На Рисунке 3.13 приведена диаграмма переключения силовых ключейинвертора и суммарный аппроксимирующий сигнал.