"Academic Paper" Natural Coordinate System SVPWM Four-Leg IF Inverter Modulation Strategy Research
400 Hz ara frekanslı güç kaynağı, askeri radar, aviyonik ve bazı zırhlı araç ekipmanı için referans güç kaynaklarından biridir.Güç kalitesi seviyesi silah ve teçhizatın performansıyla ilgilidir.Orta frekanslı güç kaynağının ana yükü, çoğu çalışma koşulunda dengesiz olan motor yüküdür. Yük durumu, dengesiz yük kapasitesine sahip geleneksel orta frekanslı güç kaynağı zayıfken, kararlılık ve güvenilirlik zayıftır, bu nedenle ara frekans invertör güç kaynağını incelemek çok önemlidir.
Üç fazlı dört bacaklı invertör topolojisi, geleneksel üç fazlı tam köprü invertörü temelinde dördüncü bir ayak eklemek ve üç fazlı yükün nötr noktasını dördüncü bacağın orta noktası ile dördüncü köprü üzerinden bağlamaktır. Nötr noktası voltajını kontrol etmek için kol, böylece üç fazlı dört kollu invertör üç fazlı bağımsız voltaj üretebilir, böylece inverter, üç fazlı voltajın simetrik çıkışını stabilize etme yeteneğine sahip olur. Bu invertör topolojisi esnek kontrol yöntemleri, yüksek DC voltaj kullanımı avantajlarına sahiptir ve büyük DC kapasitörleri paralel olarak bağlamaya gerek yoktur.Orta noktayı bir transformatör oluşturmak için bağlamayı önler, inverterin hacmini ve ağırlığını büyük ölçüde azaltır ve çeşitli silah sistemleri ve zırhlı araçlar üzerindeki etkiyi azaltır. Ve havacılık platformunun sınırlı hacmi işgal edildiğinden, geniş bir ilgi ve araştırma aldı.
Üç fazlı dört ayaklı invertör topolojisinin modülasyon stratejileri temel olarak darbe genişlik modülasyonu, histerezis akım kontrolü ve uzay vektörü darbe genişliği modülasyonu (SVPWM) stratejilerini içerir. Bunlar arasında SVPWM, dijital kontrolün kolay gerçekleştirilmesi ve yüksek DC bara voltajı kullanımının avantajlarına sahiptir, bu nedenle çoğunlukla inverter modülasyonunda kullanılır. koordinat sistemine dayalı geleneksel SVPWM stratejisi, üç fazlı voltaj ve akımın tekrarlanan koordinat dönüşümünü gerektirir Hesaplama süreci karmaşıktır ve referans voltajı, yük durumuna göre belirlenmelidir.Yük ani veya bilinmediğinde, referans voltajının yörüngesi belirlenemez. Gerçek zamanlı kontrol zordur. Literatür, abc doğal koordinat sistemine dayalı üç boyutlu bir uzay vektörü darbe genişlik modülasyon teknolojisi önermektedir Hesaplama yöntemi basittir ve kullanım için çok seviyeli üç fazlı dört bacaklı invertörlere genişletilebilir.Ancak, referans gerilimin hesaplama yöntemi henüz verilmemiştir. Dışarı.
Doğal koordinat sisteminin SVPWM teknolojisine dayanan bu makale, üç fazlı dört ayaklı eviricinin modülasyon stratejisini inceler, dört ayaklı topolojinin ortalama akım modelini kurar ve analiz eder, referans voltajını belirler ve "volt-saniye dengesi" ilkesine göre referans voltajı hesaplar Görev döngüsü. Referans voltajı, yük akımına göre gerçek zamanlı olarak hesaplandığından, inverter, üç fazlı dengesiz yük koşullarında kararlı bir şekilde üç fazlı simetrik bir voltaj çıkarabilir ve toplam harmonik bozulma oranı, simülasyon ve deneyle doğrulanan küçüktür.
1
Doğal koordinat sistemine dayalı SVPWM teorik analizi
1.1 Uzay vektörü ve gerilim vektörünün sentezi ve seçimi
Şekil 1, üç fazlı dört ayaklı inverterin ana devre topolojisini göstermektedir.
Ana topolojide dört çift köprü kolu vardır ve her bir çift köprü kolu iki anahtarlama durumuna karşılık gelir ve toplam 24 = 16 anahtar kombinasyonu oluşturur.Her köprü kolunun anahtarlama durumu bir anahtar vektörü Si ile temsil edilir:
Yukarıdaki formülde, sırasıyla invertörün A, B, C ve N fazlarını temsil eden i = a, b, c, n. Ve aynı köprü kolunun üst ve alt anahtarlama cihazlarının aynı anda açılamayacağına dikkat edilmelidir, aksi takdirde köprü kolu anahtarlama cihazlarından geçecek ve tahrip edecektir. Anahtar durumuna göre voltaj vektörü elde edilebilir:
Formül (1) birleştirilerek, inverterin 16 anahtar kombinasyon durumu ile alan voltaj vektörü arasındaki karşılık gelen ilişki Tablo 1'de gösterildiği gibi elde edilebilir.
Tablo 1'deki 16 anahtar durumuna karşılık gelen uzay voltaj vektörü, abc doğal koordinat sisteminde gösterilmektedir ve uzay voltaj vektör diyagramı Şekil 2'de gösterilmektedir.
Şekil 2, Va = 0, Vb = 0, Vc = 0 düzlemine ve Va-Vb = 0, Va-Vc = 0, Vb-Vc = 0 düzlemine bölünebilen kapalı bir oniki yüzlü olarak kabul edilebilir. Yirmi dört uzaysal tetrahedron, her bir dört yüzlü iki sıfır voltaj vektöründen (V1, V16) ve üç sıfır olmayan voltaj vektöründen oluşur. Referans voltaj vektörünün Vref tetrahedronu belirlendiği sürece, karşılık gelen uzay voltaj vektörü sentez için kullanılabilir.
Referans gerilim vektörünün belirli bir dörtyüzlüde düştüğünü belirlemek için, vektör Va = 0, Vb = 0, Vc = 0 ve Va-Vb = 0, Va-Vc = 0, Vb-Vc = 0 ile birleştirilir. Karşılaştırın, karşılaştırma sonucunu değerlendirerek kompozit referans voltaj vektörünün tetrahedronunu belirleyin. İkili sayma yöntemi kullanılarak, altı karşılaştırma sonucu ağırlıklandırılır ve aşağıdaki gibi tanımlanan tetrahedronu işaretlemek için hesaplanır:
Bunlar arasında, Vfa, Vfb ve Vfc, referans voltaj vektörünün Vref abc doğal koordinat sistemine normalleştirildiği miktarlardır ve işaretçi fonksiyonunun ifadesi:
Formül (2) ile hesaplanan RP değeri, yirmi dört tetrahedrona karşılık gelen Tablo 2'de gösterilmektedir RP değeri, referans voltaj vektörünün bulunduğu dörtyüzlüyü belirler ve referans voltaj vektörünü sentezlemek için tetrahedronun sıfır olmayan vektörünü ve sıfır vektörünü seçer.
1.2 Gerilim vektörü görev döngüsünün hesaplanması
Referans voltaj vektörü, sıfır olmayan bir vektör ve bir sıfır vektöründen oluşur. Anahtarlama voltaj vektörünün etki süresi, "volt-saniye dengesi" ilkesine göre elde edilebilir:
Yukarıdaki formülde, Vd1, Vd2, Vd3, d1, d2 ve d3'e karşılık gelen sıfır olmayan anahtarlama vektörleridir ve sırasıyla a, b ve c alt simgeleri, abc koordinat eksenindeki anahtar vektörünün projeksiyon değerlerini temsil eder. RP değeri belirlendikten sonra, birleşik uzay vektörü ve görev döngüsü referans voltajına göre elde edilebilir Spesifik sonuçlar Tablo 2'de gösterilmektedir.
Tablo 2'den, RP değerini hesaplayarak uzamsal tetrahedronu belirleme, voltaj vektörünü ve görev döngüsünü değiştirme stratejisinin, koordinat sisteminde görev döngüsünü elde etmekten daha basit olduğu ve dijital kontrol teknolojisinin uygulanmasının daha kolay olduğu görülebilir.
1.3 Referans gerilim vektörünün hesaplanması
Abc koordinat sisteminde üç fazlı dört bacaklı eviricinin ortalama akım modelini oluşturun Şekil 3'te gösterildiği gibi, çıkış voltajı kontrollü bir voltaj kaynağına eşdeğerdir.
IA, IB, IC, simetrik bileşen yöntemine göre pozitif sekans Ip, negatif sekans In ve sıfır sekans I0 bileşenlerine ayrıştırılabilen akım kaynağına eşdeğer üç fazlı yük akımıdır. P, n ve 0 alt simgeleri sırasıyla pozitif sekansı temsil eder , Negatif sıra ve sıfır dizi.
Üç fazlı voltaj ve akım simetrik olarak çıkarılır, VM çıkış voltajının nominal değerini temsil eder, üç fazlı voltaj ifadesi şöyledir:
Üç fazlı gerilim eşdeğer diyagramları aynı olduğundan, simetrik bileşen analizi faz A'da gerçekleştirilir. Şekil 4, A fazı pozitif sekans, negatif sekans ve sıfır sekans bileşenlerinin eşdeğer bir diyagramıdır.
Devre teorisine göre, referans voltaj vektörü Vref'in pozitif sekans, negatif sekans ve sıfır sekans bileşenleri şu şekilde ifade edilebilir:
Analiz, üç fazlı yük akımı tespit edildiği sürece referans voltajın elde edilebileceğini göstermektedir.Yük değiştiğinde, DSP yük akımının değişimine göre her fazın referans voltajını hesaplayabilir, böylece üç fazlı voltajın simetrik çıkışını kontrol edebilir.
2
Simülasyon analizi
Doğal koordinat sistemine dayalı SVPWM stratejisinin uygulanabilirliğini ve etkinliğini doğrulamak için, simülasyon yazılımı MATLAB / Simulink, SVPWM stratejisine dayalı üç fazlı dört bacaklı bir inverter simülasyon devresi oluşturmak için kullanılır. Spesifik simülasyon parametreleri şunlardır: tasarım toplam çıkış gücü 6 kV · A, DC tarafı giriş voltajı 300 V, güç cihazı anahtarlama frekansı 20 kHz, çıkış üç fazlı voltaj etkin değeri 115 V, frekans 400 Hz, çıkış filtresi devre filtresi endüktansı 1 mH, filtre kondansatörü 20 F.
Simülasyon analizini esas olarak aşağıdaki yük koşullarında sürücüye gerçekleştirin: (1) dirençli dengesiz yük; (2) dirençli-endüktif ve dirençli-kapasitif dengesiz yük.
Üç fazlı dirençli dengesiz yükler sırasıyla 13 , 26 ve 40 şeklindedir.İnvertörün üç fazlı gerilim ve akımının simülasyon sonuçları Şekil 5'te gösterilmiştir.
İnverter, A fazı 13 ve 10 mH endüktif yük, B fazı saf direnç yükü 13 ve C fazı 13 ve 10 F kapasitif yük dahil olmak üzere üç fazlı dirençli endüktif ve dirençli kapasitif dengesiz yüklere sahiptir.Simülasyon sonuçları aşağıdaki gibidir. Şekil 6'da gösterilmiştir.
Simülasyon sonuçları incelendiğinde, doğal koordinat sistemi SVPWM stratejisine dayanan üç fazlı dört ayaklı invertörün, dengesiz yük koşullarında nispeten simetrik üç fazlı çıkış voltaj dalga formlarına sahip olduğu ve üç fazlı voltaj dalga formlarının toplam harmoniklerinin simülasyon sistemi FFT tarafından analiz edildiği görülebilir. Dalga bozulma oranı THD% 3'ten azdır.
3
Deneysel sonuçlar
Şemanın uygulanabilirliğini doğrulamak için, güç cihazının vektör kontrolünü SVPWM stratejisiyle tamamlamak için DSP'ye (TMS320F28069) dayalı deneysel bir prototip tasarlanmıştır.Deneysel prototipin ana parametreleri şunlardır: toplam çıkış gücü 6 kV · A ve giriş DC veri yolu voltajı 300'dür. V, çıkış voltajının etkin değeri ve frekansı 115 V / 400 Hz, anahtarlama frekansı 20 kHz ve çıkış filtresinin endüktans ve kapasitans değerleri sırasıyla 1 mH ve 20 F'dir. Temel olarak, dengesiz yük altında sürücünün çıkış kapasitesini test etti ve dengesiz yük altında üç fazlı voltaj akımı ve nötr akım dalga biçimini kaydetti.
Şekil 7, sırasıyla üç fazlı dengesiz dirençli endüktif ve dirençli-kapasitif yükler için üç fazlı gerilim ve A-fazlı akım dalga şekillerini göstermektedir.İnvertör çıkışının oldukça uyarlanabilir olduğu ve çeşitli dengesiz yük koşullarında üç faz yapabildiği görülebilmektedir. Simetrik voltaj çıkışı.
Şekil 8, saf dirençli 1/3 dengesiz yük altında üç fazlı filtreyi ve nötr indüktör akımını göstermektedir. Endüktansın etkisinden dolayı, akımın küçük titreşimi vardır ve nötr akımın titreşimi daha belirgindir, ancak voltaj dalga biçimi hala THD'yi karşılar < % 3.
4
sonuç olarak
koordinat sisteminin uzay vektör modülasyonu ile karşılaştırıldığında, abc doğal koordinat sistemindeki SVPWM stratejisine dayanan üç fazlı dört bacaklı ara frekans invertörü, bir yandan karmaşık koordinat dönüşümü ihtiyacını, diğer yandan da uzay tetrahedronunun seçimi ve anahtarını ortadan kaldırır. Vektör görev döngüsü hesaplaması da daha basittir ve dijital kontrol ve DSP programlamayı gerçekleştirmek kolaydır. Bu yazıda üç fazlı dört bacaklı ortalama akım modeli oluşturulmuş ve uzaysal referans gerilim hesaplama yöntemi analiz edilerek verilmiştir.Son olarak, simülasyon ve deneyler SVPWM stratejisinin IF invertörünün dengesiz ve doğrusal olmayan yükler altında üç fazlı kararlılığa sahip olduğunu doğrulamıştır. Simetrik çıktı yeteneğinin belirli bir pratik değeri vardır.
