Диссертация (Однофазные инверторы с многоячейковой структурой), страница 9

На первом интервале сумма напряжений всех ячеек равна нулю, на втором интервале сумма напряженийравна половине входного напряжения, на третьем – входному напряжению итак далее.α11 α12 α13Ячейка №1Ячейка №2Ячейка №3Ячейка №4t, сt, сt, сt, сСуммарныйсигналt, сРисунок 3.13 – Алгоритм переключения ключей ячеек на каждом уровне напряжения79Рассмотрим инвертор с числом ячеек равным восьми.

Моменты переключения ключей ячеек получены согласно описанному выше алгоритму.Согласно формуле (3.8), оптимальная величина верхнего уровня составляет 0,9, при этом значение коэффициента аппроксимации амплитуды равно0,839.Согласно формуле (3.9), вычисляем углы переключения силовых ключейячеек инвертора. В Таблице 3.3 приведены результаты вычислений углов переключения силовых ключей для выходного напряжения частотой 400 Гц.Таблица 3.3. Моменты переключений для выходного напряжения частотой 400 Гцдля четырех ячеекα1α2α3α4α5α6α7α80,09540,19690,31550,49860,75130,93441,0531,1545Субинтервалы переключения определяются согласно формуле (3.10).Работа алгоритма проверена в программном пакете OrCAD Pspice.На Рисунке 3.14 представлена общая модель многоячейкового инвертора.Все результаты были получены в рамках этой модели, варьировались толькочисло ячеек, алгоритм формирования выходного напряжения, использованиеШИМ и выходного фильтра.Результаты моделирования представлены на Рисунках 3.15 – 3.28.803.3 Анализ результатов моделирования инверторов различных способовформирования выходного напряженияРисунок 3.14 – Компьютерная модель многоячейкового инвертора с ШИМ регулированием81Рисунок 3.15 – Выходное напряжение модели шести–ячейкового инвертора сравномерным смещением ячеек в сравнении с синусоидальным сигналомРисунок 3.16 – Спектральный состав выходного сигнала шести–ячейкового инвертора с равномерным смещением ячеекРисунок 3.17 – Выходное напряжение модели шести–ячейкового инверторапри аппроксимации в трапецеидальную форму в сравнении с синусоидальным сигналом82Рисунок 3.18 – Спектральный состав выходного напряжения шести–ячейкового инвертора при аппроксимации в трапецеидальную формуРисунок 3.19 – Выходное напряжение семи–ячейкового инвертора без использования выходного фильтра и ШИМРисунок 3.20 – Выходное напряжение восьми–ячейкового инвертора без использования выходного фильтра и ШИМ83Выходное напряжения инвертора с нечетным числом силовых ячеек характеризуется более широкой формой сигнала, обусловленной тем, что прирасчетах моментов переключения аппроксимируемый сигнал описывает опорную синусоиду, а не вписывается внутрь ее, как в случае с четным числом ячеек.Рисунок 3.21 – Напряжение на выходе фильтра семи–ячейкового инверторас применением фильтраРисунок 3.22 – Спектральный состав напряжения на выходе фильтрасеми–ячейкового инвертора с применением фильтра84Рисунок 3.23 – Напряжение на выходе фильтра восьми–ячейкового инвертора сприменением фильтраРисунок 3.24 – Спектральный состав напряжения на выходе фильтравосьми–ячейкового инвертора с применением фильтраПри моделировании напряжений, представленных на Рисунках 3.25 и 3.27применялсяфильтрсодинаковымипараметрами.Спектральныйанализ полученных напряжений показывает меньшее значение третьей и пятойгармоникячейками.вслучаемоделированияинверторассемью85Рисунок 3.25 – Напряжение на выходе фильтра семи–ячейкового инвертора с применением фильтра и ШИМ с коэффициентом заполнения равном 0.8Рисунок 3.26 – Спектральный состав напряжения на выходе фильтра семи–ячейкового инвертора с применением фильтра и ШИМ с коэффициентом заполненияравном 0.8Рисунок 3.27 – Напряжение на выходе фильтра восьми–ячейкового инвертора сприменением фильтра и ШИМ с коэффициентом заполнения равном 0.886Рисунок 3.28 – Спектральный состав напряжения на выходе фильтра восьми–ячейкового инвертора с применением фильтра и ШИМ с коэффициентом заполненияравном 0.83.4 Исследование равной нагруженности ячеек инвертораДля проверки равной нагруженности ячеек исследуем компьютерную модель инвертора с 4 ячейками, работающего по предложенному алгоритму.Подтвердитьравнуюнагрузкуячеек,сучетомвыбраннойсхемысуммирования напряжений можно по току, протекающему через каждую ячейку.На Рисунке 3.29 представлена модель инвертора с четырьмя ячейками.Длясоединенияноминала.полученияячеекграфиковдобавленораспределениябалластноетоковвсвязующиесопротивлениемалого87S16V44S20V52++++----D13D17SSC300L3R2R810010S13V41V40S17V49++-D14V46++D18-SS00R91S14V54S18V50++++----D15D19SS00R10R11110S15V53V43S19V51++-SD16V48++D20-S27Vdc00Рисунок 3.29 – Компьютерная модель четырех–ячейкового инверторадля проверки равной нагруженности ячеекНа Рисунке 3.30 показано соответствие токов, протекающих в СПЯ поамплитуде и частоте.

Насколько видно по графикам, токи равны, из чего можносделать вывод о равной нагруженности ячеек инвертора.В качестве оценки эффективности алгоритма рассчитаем массу по программе, описанную в первой главе с учетом, что общая масса многоячейковогоинвертора определяется суммой элементов:(3.12)где,массы дросселя фильтра,конденсатора фильтра, DC/DC конвертора. По аналогии с рассмотренным88Рисунок 3.30 – Токи, протекающие в СПЯ четырех–ячейкового инверторапримером в главе 1, массой контура управления ячейкой,массой процес-сора управления и необходимой обвязки, задающего работу ключей инвертораможно пренебречь.На Рисунке 3.32 представлены графические результаты расчета массыинвертораПрименение многопоточного преобразования за счет использованиясложных алгоритмов управления дает возможность сократить массу и размеры89пассивных реактивных элементов силового сглаживающего фильтра.

При увеличении числа совместно работающих СПЯ создаются условия уменьшениямассы фильтра и габаритов инвертора в целом за счет уменьшения значений Lи C и распределения нагрузки по СПЯ.ШИР-КДШИМ-СИНПредложенныйалгоритмРисунок 3.31 – Расчет массы четырех–ячейкового инвертора90Выводы по 3 главеВ третьей главе предложен и рассмотрен алгоритм управления силовымиключами СПЯ для формирования выходного напряжения инвертора.

Полученыследующие результаты:1. Разработана методика расчета углов переключения силовых ключеймногоячейкового инвертора для формирования выходного напряженияпри нечетном и четном числе СПЯ, обеспечивающая их равную нагруженность2. Предложен алгоритм формирования выходного напряжения многоячейкового инвертора по предложенной методике расчета углов переключения силовых ключей СПЯ с учетом дополнительного условия расчетепри четном числе ячеек.3. Разработана компьютерная модель многоячейкового инвертора, позволяющая проводить анализ и исследование параметров многоячейковогоинвертора в установившемся и переходных режимах для обеспеченияравной нагруженности ячеек.914.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СПОСОБА ФОРМИРОВАНИЯВЫХОДНОГОНАПРЯЖЕНИЯМНОГОЯЧЕЙКОВОГОИНВЕРТОРА С СУММИРОВАНИЕМ НАПРЯЖЕНИЙ ЯЧЕЕКДля проверки основных теоретических положений диссертации и достоверности проведенного моделирования разработан, изготовлен и отлажен макетмногоячейковогоинверторасмощностьюкаждойячейкив3 кВА. При практической реализации макета инвертора решены следующие задачи: определены структуры силовой части инвертора в соответствии с заданной мощностью и схем управления, реализующей предложенного алгоритмаформирования и регулирования выходного напряжения, позволяющего обеспечить заданное качество и устранить постоянную составляющую выходногонапряжения. Поскольку разрабатываемый макет относится к многоканальномупреобразованию, в силовой части обеспечено равномерное распределениемощности по СПЯ, определен способ регулирования выходной величины и еестабилизации, обеспечено управление силовыми ключами (согласованы помощности сигналы управляющей схемы с требуемым уровнем сигналов длявключения транзисторов, исключены сквозные токи); обеспечена защита от токов короткого замыкания.4.1 Структура макета инвертораСтруктурная схема многоячейкового инвертора, реализующего предложенный алгоритм, представлена на Рисунке 4.1.

Питание инвертора осуществляется от лабораторного источника постоянного напряжения. В главе 3 показано, что для четного числа ячеек нахождение моментов переключения силовыхключей СПЯ выполняется по более сложному алгоритму, поэтому для реализации выбран этот случай. Поскольку расчет моментов переключения требует92высоких затрат процессорного времени и большой объем памяти, принято решение разместить заранее сформированный массив данных о состоянии ключейСПЯ и моментов переключений в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)– энергонезависимую память.Реализация способа формирования сигналов управления осуществляетсяиз ПЗУ считыванием моментов переключения ключей СПЯ микроконтроллером.Регулирование выходного напряжение осуществляется посредством обратной связи через аналогово–цифровой преобразователь (АЦП) по амплитудному значению.

Такой метод предпочтительнее по сравнению с методомрегулирования по мгновенному значению, которое может вызывать несимметрию полуволн выходного напряжения и проводить к появлению постоянной составляющей. Наличие постоянной составляющей выходного напряженияможет привести к выходу из строя, как инвертора, так и подключенной к немунагрузки.Однако необходимо отметить, при расчете продолжительности импульсов в случае максимальных и минимальных значениях коэффициента регулирования может потребоваться больше процессорного времени, чем позволяет тактовая частота микропроцессора.Для измерения амплитуды выходного напряжения использован ПИК–детектор, преобразующий часть выходного напряжения в сигнал с уровнем,пропорциональным амплитуде синусоиды, но не более 5 В.

Так как ПИК–детектор в своем составе имеет конденсатор, в схеме предусмотрен ключ, обеспечивающий сброс накопленного заряда, управляемый микроконтроллером.СПЯDC/DCРИТВМПЗУПУАЦПРисунок 4.1 – Структурная схема многоячейкового инвертораСПЯDC/DCДНВФН9394Структурная схема многоячейкового инвертора, показана на Рисунке 4.1,содержит: конвертор (DC/DC) для питания силовой части инвертора, четыре СПЯ (СПЯ), микроконтроллер (ПУ) для формирования управляющих импульсовна ключи СПЯ, распределитель импульсов (РИ) подающий сигналы на управляющие драйверы ключей СПЯ, таймер микроконтроллера (Т) для отсчета моментов переключенияключей, энергонезависимая память (ПЗУ), содержащая массив данных о состоянии ключей СПЯ и моментов переключений, вычислительный модуль микроконтроллера (ВМ), обеспечивающийрегулирование моментов переключений, аналого–цифровой преобразователь (АЦП) для обработки сигнала,поступающего от датчика напряжений (ДН), выходной фильтр (ВФ), нагрузка (Н).Для реализации макета инвертора использована функциональная схемамногоячейкового инвертора с суммированием по напряжению Рисунок 1.17.Полная мощность нагрузки распределяется между СПЯ равномерно, чтоудобно для реализации в модульной конструкции, так как параметры ячеек выбираются одинаковыми.

В макете мощность одной ячейки составляет 3 кВа, асуммарная мощность инвертора 12 кВА.Аппроксимирующее напряжение формируется в соответствии с предложенным в главе 3 алгоритмом управления ключами ячеек инвертора.954.2 Алгоритм управления инвертором и программный кодДля каждого возможного числа ячеек составлена таблица коммутации,содержащая значения состояний ключей СПЯ и моменты переключений. Данные таблицы записываются в ПЗУ.