PL220199B1 - Układ kompensacji strefy martwej przekształtnika napięcia - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ kompensacji strefy martwej przekształtnika napięcia sterowanego z wykorzystaniem modulacji szerokości impulsów.

Negatywny wpływ strefy martwej na pracę przekształtnikowych układów energoelektronicznych jest powszechnie znany. W szczególności istotne staje się jego zminimalizowanie w układach napędowych wolnoobrotowych. Znane są układy kompensacji i sposoby kompensacji strefy martwej łączników półprzewodnikowych modyfikujące czas trwania impulsów załączających łączniki półprzewodnikowe. W amerykańskim opisie patentowym nr US6690135 kompensacja nieliniowości strefy martwej jest realizowana poprzez modyfikację czasu trwania impulsów i polega na dodawaniu lub odejmowaniu stablicowanych w pamięci sterownika wartości kompensujących których wybór dokonywany jest na podstawie wartości błędu napięciowego wyznaczanego w funkcji wartości momentu zadanego, aktualnego położenia oraz prędkości kątowej wirnika silnika i wartości napięcia zasilania obwodu pośredniczącego. Z kolei w brytyjskim zgłoszeniu patentowym nr GB2440559 na podstawie różnicy wartości napięcia zadanego i zmierzonego napięcia wyjściowego wyznacza się wartość błędu napięciowego wynikającego ze strefy martwej i spadku napięcia na przewodzącym łączniku. Następnie wartość napięcia zadanego jest w modulatorze zamieniana na postać impulsów o skompensowanej już wartości. W zgłoszeniu patentowym nr WO0207299 kompensacja strefy martwej jest oparta na pomiarze dwóch prądów fazowych, transformacji Clarka, przekształceniu prądu z układu kartezjańskiego do postaci biegunowej, detekcji zmiany znaku prądów fazowych, określeniu spadku napięć wynikających ze strefy martwej w każdej fazie napięcia, ponownej transformacji Clarka oraz Parka tym razem sygnałów napięciowych, dodaniu transformowanych wielkości odpowiednio do wartości zadanych składowych poprzecznej i podłużnej wektora napięcia, a następnie na przekształceniu wyników do postaci biegunowej i wprowadzeniu ich do modulatora.

Niedogodnością istniejących rozwiązań jest to że korzystają prawie wyłącznie z wielkości mierzonych lub estymowanych, takich jak prądy czy napięcia których pomiar obarczony jest zawsze określonymi błędami, na dodatek zmiennymi na przykład w funkcji temperatury pracy. Na powstanie błędów pomiarowych ma również wpływ fakt przekształcania zmierzonych wielkości analogowych w postać cyfrową. W cyfrowych układach sterujących, w szczególności w układach mikroprocesorowych istnieje możliwość zdefiniowania czasu strefy martwej, zwykle mierzonej w pojedynczych mikrosekundach. Znając wartość zdefiniowanego czasu strefy martwej można wiedzę tą wykorzystać w układzie kompensacji.

Układ kompensacji strefy martwej przekształtnika napięcia według wynalazku zawiera bloki wzmocnienia sygnału, bloki ilorazu wartości dwóch sygnałów, bloki dopasowania wartości sygnałów, bloki ograniczające do wartości nasyceń i modulator oraz sumator wartości zadanej składowej poprzecznej wektora napięcia, zorientowanego w układzie odniesienia związanym z rotorem wirnika silnika elektrycznego, i wartości spadku napięcia spowodowanego wpływem strefy martwej i wyróżnia się tym, że sygnał wyjściowy sumatora jest wprowadzany do bloku wzmacniacza o wartości wzmocnienia równej ilorazowi okresu kluczowania łączników i okresu kluczowania łączników pomniejszonemu o czas strefy martwej, następnie jest skalowany w bloku dopasowania sygnału napięcia zadanego do wartości napięcia odniesienia, po czym jest wprowadzany do bloku ilorazu wartości zadanej składowej poprzecznej wektora napięcia i wartości napięcia mierzonego w obwodzie pośredniczącym, a następnie jest podawany na blok ograniczający jego wartość do wartości nasycenia i w końcu do bloku modulatora, a sygnał wartości zadanej składowej podłużnej wektora napięcia jest wprowadzany do bloku wzmacniacza o wartości wzmocnienia równej ilorazowi okresu kluczowania i okresu kluczowania pomniejszonemu o czas strefy martwej, następnie jest skalowany w bloku dopasowania sygnału napięcia zadanego do wartości napięcia odniesienia, po czym jest wprowadzany do bloku ilorazu wartości zadanej składowej podłużnej wektora napięcia i wartości napięcia mierzonego w obwodzie pośredniczącym, a następnie jest podawany na blok ograniczający jego wartość do wartości nasycenia i w końcu do bloku modulatora. Informacja o strefie martwej jest wprowadzona do toru regulacji składowej poprzecznej wektora napięcia zadanego w postaci sygnału napięciowego do bloku sumatora oraz do toru regulacji składowej poprzecznej i toru regulacji składowej podłużnej wektora napięcia zadanego w postaci wzmocnienia sygnału napięciowego proporcjonalnego do ilorazu okresu kluczowania łączników półprzewodnikowych i okresu kluczowania łączników półprzewodnikowych pomniejszonemu o czas strefy martwej. Tor regulacji składowej poprzecznej wektora napięcia oraz tor regulacji składowej podłużnej wektora napięcia składa się z takich samych struktur blokowych

PL 220 199 B1 a dodatkowo tor regulacji składowej podłużnej wektora napięcia zawiera blok sumatora. Ograniczenie bezwzględnej wartości składowej poprzecznej wektora napięcia zadanego wprowadzonej na modulator i ograniczenie bezwzględnej wartości składowej podłużnej wektora napięcia zadanego wprowadzonej na modulator jest równe wyrażonej w jednostkach bezwzględnych wartości znamionowej napięcia obwodu pośredniczącego.

Korzystną cechą układu kompensacji według wynalazku jest możliwość pracy przekształtnikowego układu energoelektronicznego a zwłaszcza napędowego przy napięciach zasilających w obwodzie pośredniczącym o wartościach różnych od wartości znamionowej a w szczególności nawet niewiele większych od zera woltów. Ponadto w trakcie pracy układu można dopuścić do tego aby wartość napięcia w obwodzie pośredniczącym ulegała znacznym zmianom i nie spowoduje to niestabilności pracy układu regulacji pętli prądowych.

Wynalazek jest bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, który stanowi jego schemat blokowy.

Układ kompensacji zawarty jest w systemie sterowania składającym się z dwóch odprzężonych torów regulacji napięcia zadanego zorientowanego w układzie odniesienia związanym z wirującym rotorem silnika elektrycznego. W torze 1a regulacji składowej poprzecznej wektora napięcia zadanego do pierwszego wejścia sumatora 2 jest wprowadzony sygnał wartości zadanej składowej poprzecznej wektora napięcia. Do drugiego wejścia sumatora 2 jest wprowadzony sygnał spadku napięcia odpowiadającemu czasowi trwania strefy martwej. Wyjście sumatora 2 jest połączone z wejściem wzmacniacza 3a. Wartość wzmocnienia wzmacniacza 3a jest równa ilorazowi okresu kluczowania łącznika półprzewodnikowego i okresu kluczowania pomniejszonemu o czas strefy martwej. Wyjście wzmacniacza 3a jest połączone z wejściem bloku 4a. Wyjście bloku 4a jest połączone z pierwszym wejściem układu ilorazu 5a. Na drugie wejście układu ilorazu 5a jest wprowadzony sygnał napięciowy Udc_pom proporcjonalny do rejestrowanego przez układ 8 pomiaru napięcia Udc obwodu pośredniczącego. Wyjście układu ilorazu 5a jest połączone z wejściem układu 6a. Wyjście układu 6a jest połączone do pierwszego wejścia bloku modulatora 7. W torze 1b regulacji składowej podłużnej wektora napięcia zadanego na wejście wzmacniacza 3b jest wprowadzony sygnał wartości zadanej składowej podłużnej wektora napięcia. Wyjście wzmacniacza 3b jest połączone z wejściem bloku 4b. Wyjście bloku 4b jest połączone z pierwszym wejściem układu ilorazu 5b. Na drugie wejście układu ilorazu 5b jest wprowadzony sygnał napięciowy Udc_pom proporcjonalny do rejestrowanego przez układ 8 pomiaru napięcia Udc obwodu pośredniczącego. Wyjście układu ilorazu 5b jest połączone z wejściem układu 6b. Wyjście układu 6b jest połączone z drugim wejściem bloku modulatora 7, którego impulsy wyjściowe T1...Tn sterują pracą łączników półprzewodnikowego przekształtnika energoelektronicznego 9 pracującego falownikowo, wprowadzając łączniki w stan przewodzenia albo blokowania prądu elektrycznego.

Układ kompensacji działa w sposób następujący:

Wartość zadana Usq_ref odpowiadająca składowej poprzecznej wektora napięcia wyjściowego jest sumowana w bloku 2a z wartością spadku napięcia Udead wynikającego ze strefy martwej. W bloku 3a sygnał ten jest wzmacniany, a współczynnik wzmocnienia jest równy ilorazowi okresu kluczowania łączników półprzewodnikowych i okresu kluczowania pomniejszonemu o czas strefy martwej. W bloku 4a sygnał jest skalowany do wartości napięcia odniesienia. Następnie w bloku 5a wartość przeskalowanego sygnału jest dzielona przez zmierzoną wartość napięcia Udc_pom obwodu pośredniczącego generując na wyjściu sygnał o wartości bezwzględnej Usq_norm. W bloku 6a sygnał jest ograniczany do wartości Uogr wyrażonej w jednostkach bezwzględnych i odpowiadającej nominalnej wartości napięcia

U_dc obwodu pośredniczącego. Z kolei sygnał zadany U_sd_ref odpowiadający składowej podłużnej wektora napięcia wyjściowego jest wzmacniany w bloku 3b. Współczynnik wzmocnienia jest równy ilorazowi okresu kluczowania łączników półprzewodnikowych i okresu kluczowania pomniejszonemu o czas strefy martwej. W bloku 4b sygnał jest skalowany do wartości napięcia odniesienia. Następnie w bloku 5b wartość przeskalowanego sygnału jest dzielona przez zmierzoną wartość napięcia Udc_pom obwodu pośredniczącego generując na wyjściu sygnał o wartości bezwzględnej Usd_norm. W bloku 6b sygnał jest ograniczany do wartości Uogr wyrażonej w jednostkach bezwzględnych i odpowiadającej nominalnej wartości napięcia Udc obwodu pośredniczącego. Na podstawie sygnałów Usq norm oraz

Usd_norm ograniczonych w blokach 6a i 6b do wartości nasycenia Uogr modulator 7 generuje impulsy T1...Tn sterujące pracą półprzewodnikowych łączników mocy formujących napięcie wyjściowe którym zasilany jest odbiornik 10.

Claims (4)

1. Układ kompensacji strefy martwej przekształtnika napięcia modyfikujący czas trwania impulsów załączających łączniki półprzewodnikowe, zawierający bloki wzmocnienia sygnału, bloki ilorazu wartości dwóch sygnałów, bloki dopasowania wartości sygnałów, bloki ograniczające wartości sygnałów do wartości nasyceń i modulator oraz sumator wartości zadanej składowej poprzecznej wektora napięcia i wartości spadku napięcia spowodowanego wpływem strefy martwej, znamienny tym, że sygnał wyjściowy sumatora (2) jest wprowadzony na wejście bloku wzmacniacza (3a) o wartości wzmocnienia równej ilorazowi okresu kluczowania i okresu kluczowania pomniejszonemu o czas strefy martwej, a sygnał wyjściowy wzmacniacza (3a) jest wprowadzony na wejście bloku (4a) dopasowania sygnału napięcia zadanego do wartości napięcia odniesienia, którego wyjście jest połączone z pierwszym wejściem bloku (5a) ilorazu wartości zadanej składowej poprzecznej wektora napięcia i wartości napięcia mierzonego w obwodzie pośredniczącym, a wyjście bloku (5a) jest połączone z wejściem bloku (6a) ograniczającego wartość sygnału do wartości nasycenia, którego wyjście jest połączone z pierwszym wejściem modulatora (7), natomiast sygnał wartości zadanej składowej podłużnej wektora napięcia jest wprowadzany do bloku wzmacniacza (3b) o wartości wzmocnienia równej ilorazowi okresu kluczowania i okresu kluczowania pomniejszonemu o czas strefy martwej, a sygnał wyjściowy wzmacniacza (3b) jest wprowadzony na wejście bloku (4b) dopasowania sygnału napięcia zadanego do wartości napięcia odniesienia, którego wyjście jest połączone z pierwszym wejściem bloku (5b) ilorazu wartości zadanej składowej podłużnej wektora napięcia i wartości napięcia mierzonego w obwodzie pośredniczącym, a wyjście bloku (5b) jest połączone z wejściem bloku (6b) ograniczającego wartość sygnału do wartości nasycenia, którego wyjście jest połączone z drugim wejściem modulatora (7), natomiast na drugie wejście bloku (4a) oraz na drugie wejście bloku (4b) jest wprowadzony sygnał napięcia zmierzonego w obwodzie pośredniczącym przekształtnika.

2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że informacja o strefie martwej jest wprowadzona do toru (1a) w postaci sygnału napięciowego w bloku (2) i w postaci wzmocnienia sygnału napięciowego w torze (1a) i (1b) proporcjonalnego do ilorazu okresu kluczowania łączników półprzewodnikowych i okresu kluczowania łączników półprzewodnikowych pomniejszonemu o czas strefy martwej.

3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że tor (1a) regulacji składowej poprzecznej wektora napięcia oraz tor (1b) regulacji składowej podłużnej wektora napięcia zawiera takie same struktury blokowe w postaci bloków (3a) i (3b), (4a) i (4b), (5a) i (5b) oraz (6a) i (6b) a dodatkowo tor (1a) regulacji składowej poprzecznej wektora napięcia zawiera blok sumatora (2).

4. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że ograniczenie Uogr bezwzględnej wartości składowej poprzecznej wektora napięcia zadanego w bloku (6a) i ograniczenie bezwzględnej wartości składowej podłużnej wektora napięcia zadanego w bloku (6b) jest równe wyrażonej w jednostkach bezwzględnych wartości znamionowej napięcia Udc obwodu pośredniczącego.