Инверторный контроллер

Система управления инвертором состоит из двух функциональных схем. Один из них — «Генератор исходной волны» для переменного напряжения, а другой — «Генератор переменного тока», который создает целевую волну переменного напряжения. Генератор исходных волн создает серию импульсов, высота которых одинакова, но ширина выбирается генератором; серия импульсов представляет собой «Исходную волну» для целевой волны переменного тока. Ширина каждого импульса определяется специальным расчетом, который будет проиллюстрирован позже.
А генератор переменного тока преобразует исходную волну в волну переменного тока. Эта схема имеет внутри несколько пар переключателей. Для простого объяснения рассмотрим случай, когда в функциональной схеме существует только одна пара из двух переключателей. Одна из клемм одного переключателя подключена к источнику постоянного напряжения (V+), а другой переключатель — к уровню земли. Остальные клеммы обоих переключателей соединены друг с другом, образуя выходную клемму генератора переменного тока. Каждый переключатель контролируется волнами модификации Исходной волны. Эта конфигурация может создавать три уровня напряжения: уровень напряжения постоянного тока (V+), уровень заземления и промежуточный уровень между V+ и заземлением.
Это объяснение посвящено только двум переключателям, но ясно, что большее количество переключателей и сложное управление переключателями будут создавать более сложные волны переменного тока из простых уровней постоянного тока и заземления.

Синусоидальная кривая
Во многих случаях целевыми волнами переменного тока будут синусоидальные кривые. Например, для системы управления двигателем потребуется синусоидальная волна, поскольку идеальная синусоидальная кривая должна обеспечивать максимально тихое вращение или наименьшее энергопотребление. Другим примером является стабилизатор напряжения, который будет генерировать синусоидальную волну частотой 60 Гц в линиях электропередач коммерческого использования.
Исходная волна синусоидальной кривой генерируется следующим образом.
Сначала следует дать некоторое определение. Максимальный выходной уровень и минимальный выходной уровень генератора переменного тока составляют +V и -V соответственно. А амплитуда синусоидальной кривой на выходе меньше значения 2 x В.
Далее подготавливается равнобедренный треугольник. Высота треугольника равна 2 x V, он повторяется вдоль горизонтальной оси (оси времени), а основанием является фиксированный интервал времени. Синусоидальная кривая наносится на график вместе с фоном треугольников.
Сравнивая значения треугольников со значениями синусоидальной кривой, определите «единицу», если синусоида больше треугольника, и «ноль», если нет. Это позволит получить последовательность импульсов единичной высоты, которая является исходной волной синусоидальной кривой.
Исходная волна (сигнал S) характеризуется тем, что более широкий импульс появляется при большем значении синусоидальной кривой. Для лучшего понимания, будут ли импульсы модифицироваться для заполнения соседнего пространства без изменения площади импульса, вырисовывается форма синусоидальной кривой (Сигнал Sa). Как легко представить, форма становится ближе к синусоиде, когда равнобедренный треугольник становится круче (основание меньше). Обратите внимание, что Сигнал Sa — это не настоящая волна, а концептуальная волна.
Технология генерации волны, подобной Origin Wave, которая состоит из импульсов постоянной высоты и переменной ширины, называется ШИМ (широтно-импульсная модуляция). Инверторное управление реализовано с помощью технологии ШИМ.

Управление с обратной связью
Основная функция инверторного управления заключается в том, что генератор исходной волны генерирует исходную волну ШИМ, а генератор переменного тока генерирует синусоидальную волну, преобразованную исходной волной. Это еще не все в реальной реализации. Система управления имеет внутри двигатель или другое устройство, которое в электрическом мире называется «нагрузкой». Когда нагрузка работает, она искажает синусоидальную волну на выходе генератора переменного тока; амплитуда синусоиды может уменьшиться, фаза может немного измениться, частота может быть нестабильной и так далее.
Чтобы получить идеальную кривую синусоиды, в системе должно быть больше нескольких функций. Функция контроля выходной волны генератора переменного тока (это вход нагрузки). Далее контролируемый сигнал следует сравнить с идеальной формой сигнала. В результате, если амплитуда контролируемого сигнала меньше, выходной сигнал исходного генератора волн, импульсы ШИМ, должен быть длиннее, и наоборот. После повторения этого процесса выходная волна будет очень близка к идеальной, и постарайтесь сохранить форму волны той же формы.
Такой контур, описанный выше, вообще говоря, известен как система «управления с обратной связью». Благодаря управлению с обратной связью инверторное управление может применяться к множеству различных значений нагрузки.

Схемы, необходимые для управления инвертором
Схема монитора для контроля выхода генератора переменного тока, генератор равнобедренного треугольника, схема сравнения контролируемого сигнала и равнобедренного треугольника (генератор сигнала S), компаратор сигнала S контролируемого сигнала и идеального сигнала S идеального синусоида, хранилище идеального сигнала S, генератор импульсов ШИМ и, конечно же, сам генератор переменного тока.
Схема контроля выхода генератора переменного тока будет представлять собой АЦП, который преобразует контролируемый аналоговый сигнал в цифровые значения. Это преобразование упрощает сравнение величин между значениями преобразования и значениями равнобедренного треугольника (цифровыми значениями).
Для создания равнобедренного треугольника используется встречная схема. Счетчик должен считать импульсы с помощью довольно быстрой тактовой частоты, и он увеличивается до некоторого заранее определенного значения счетчика и уменьшается после достижения значения счетчика; что образует равнобедренный треугольник.
Сравнение будет осуществляться с помощью схемы цифрового калькулятора.
Сигнал S идеальной синусоидальной кривой сохраняется в запоминающем устройстве.
Импульсы ШИМ будут генерироваться специальной схемой, предназначенной для управления серией импульсов ШИМ.

Цели контроля
Основными задачами силового электронного управления инвертором являются регулирование выходного напряжения или тока, синхронизация с сетью или нагрузкой, минимизация гармонических искажений и потерь на переключение, а также обеспечение стабильности и надежности системы. В зависимости от применения и условий эксплуатации для достижения этих целей могут применяться различные стратегии и методы управления. Некоторые из распространенных из них — это широтно-импульсная модуляция (ШИМ), управление гистерезисом, пространственно-векторная модуляция (SVM) и управление падением напряжения.

Методы контроля
Методы управления силовыми электронными инверторами можно разделить на две категории: линейные и нелинейные. В методах линейного управления используются контроллеры с линейной обратной связью, такие как пропорционально-интегральные (ПИ) или пропорционально-интегрально-производные (ПИД) контроллеры, для регулирования выходного напряжения или тока. Они просты и легки в реализации, но имеют ограничения с точки зрения надежности, пропускной способности и динамической производительности. В нелинейных методах управления используются контроллеры с нелинейной обратной связью, такие как управление скользящим режимом (SMC) или управление нечеткой логикой (FLC), для регулирования выходного напряжения или тока.

Контуры управления
Контуры управления силовыми электронными инверторами можно разделить на два уровня: внутренний и внешний. Внутренний контур управления отвечает за формирование сигналов переключения для переключателей инвертора на основе сигналов задания и обратной связи. Внешний контур управления отвечает за генерацию опорных сигналов для внутреннего контура управления на основе желаемого выходного напряжения или тока. Внутренний контур управления обычно работает на более высокой частоте, чем внешний контур управления, чтобы обеспечить быстрый и точный отклик.

Проблемы контроля
Управление силовыми электронными инверторами сталкивается с рядом проблем, таких как изменения параметров, нелинейности, неопределенности, помехи и ограничения. Эти факторы могут повлиять на производительность и стабильность системы и требуют адаптивных и надежных методов управления. Более того, управление силовыми электронными инверторами также предполагает компромисс между противоречивыми целями, такими как эффективность, качество и надежность. Эти компромиссы требуют оптимизации и методов многокритериального контроля.

Простой способ понять, как инвертор преобразует постоянный ток в переменный ток, — это рассмотреть схему инвертора как две пары по 2 переключателя, всего четыре переключателя. Переключатели спарены таким образом, что, когда переключатели 1 и 3 замкнуты, переключатели 2 и 4 разомкнуты. Затем, когда 1 и 3 открыты, 2 и 4 закрыты. Каждая пара переключателей заставит ток менять направление при замыкании.

Переключатели фактически не используются в схеме инвертора. Вместо переключателей в качестве переключателей действуют транзисторы, такие как биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBP) или металлооксидно-полупроводниковые полевые транзисторы (MOSFET).

Эти транзисторы также позволяют току постепенно увеличиваться и уменьшаться при открытии и закрытии. Это необходимо для того, чтобы выходной ток имел форму синусоидальной волны. Если бы транзисторы открывались и закрывались мгновенно, на выходе инвертора был бы прямоугольный сигнал, который для многих устройств не будет безопасно работать как переменный ток.

Наконец, инвертору необходимо будет повысить уровень напряжения до 120 В переменного тока. Для этого в инверторе используется повышающий трансформатор.