ChREP_L1-3_NPCh-MPCh_2025

1. Частотно-регулируемый электропривод

Частотнорегулируемый
электропривод
Непосредственные преобразователи частоты
(НПЧ)

2. Силовые схемы НПЧ

НПЧ с естественной коммутацией (циклоконверторы)
Общая структурная схема силовой
части тиристорного НПЧ
Вариант мостовой реализации ТП
(для каждой фазы АД)

3. Силовые схемы НПЧ

Достоинства НПЧ с естественной коммутацией:
возможность двухстороннего обмена между питающей сетью и
двигателем, что обеспечивает как двигательные, так и тормозные
режимы ЭП с рекуперацией энергии в сеть;
использование устройств с естественной коммутацией (тиристоров),
более надежных, экономичных и обладающих большей перегрузочной
способностью в сравнении с устройствами принудительной
коммутации;
возможность получения сколь угодно низких частот выходного
напряжения преобразователя и обеспечения равномерного вращения
двигателя на малых скоростях;
практически неограниченная мощность НПЧ.

4. Силовые схемы НПЧ

Основные недостатки тиристорных НПЧ:
ограничение максимальных значений выходной частоты на уровне
примерно 1/3…2/3 от частоты питающей сети;
наличие субгармоник и постоянных составляющих выходного
напряжения и тока при неблагоприятных соотношениях частот на входе
и выходе ПЧ;
низкий коэффициент мощности, несинусоидальность и модуляция
входных токов ПЧ.
невысокие показатели электромагнитной совместимости с питающей
сетью;
трудность достижения высокого КПД;
сложность (большая многоэлементность) силовых цепей и цепей
управления, что оправдывается лишь на больших мощностях.

5. Силовые схемы НПЧ

НПЧ с принудительной коммутацией (транзисторные,
матричные)
Структура силовой части
транзисторного НПЧ
Схемы ключей транзисторного
НПЧ

6. Мостовые 6-пульсные тиристорные трехфазные НПЧ с естественной коммутацией

Схемы силовой части
IA
A
B
C
IA1
iA2
VTА1+
VTА1-
VTА2+
VTА2-
VTВ1+
VTВ1-
id1 id2 VTВ2+
VTВ2-
VTC1+
VTC1-
iн
Zн
VTC2-
Ud1
VTC2+
Ud2

7. Мостовые 6-пульсные тиристорные трехфазные НПЧ с естественной коммутацией

8. Мостовые 6-пульсные тиристорные трехфазные НПЧ с естественной коммутацией

Схема является простым суммированием трех однофазных по
выходу реверсивных схем:
- каждая фаза нагрузки питается от двух встречнопараллельных тиристорных мостов с естественной
коммутацией, их согласованным управлением, формирующим
положительные и отрицательные полуволны выходного
синусоидального напряжения с переменным углом управления;
Использована идея однофазной по выходу схемы НПЧ, когда
разрешенные интервалы полуволн выходного синусоидального
напряжения следуют друг за другом, а между ними
формируется малый интервал «мертвого времени».

9. Мостовые 6-пульсные тиристорные трехфазные НПЧ с естественной коммутацией

Тогда при любом характере нагрузки полуволны тока нагрузки
разрешаются в начале одноименной полуволны напряжения.
Форма полуволны тока зависит от угла нагрузки. В конце
разрешенного интервала полуволны напряжения импульсы
управления работавшим мостом снимаются.
В итоге ток полуволны быстро спадает до нуля за время
включенного состояния тиристора со снятым импульсом
управления;
Таким образом, интервал полуволны тока делается равным
интервалу полуволны напряжения. Эта мера предохраняет от
перекрытия встречные мосты с аварийным коротким
замыканием между фазами входной сети.

10. Мостовые 6-пульсные тиристорные трехфазные НПЧ с естественной коммутацией

При таком управлении ток фазы нагрузки при большом
угле нагрузки неизбежно искажается от синусоиды
синтезированного фазного напряжения;
В трехфазном варианте вместо одной применяются
одновременно три однотипные схемы, работающие с
временным сдвигом в 1/3 периода выходной частоты.

11. Мостовые 6-пульсные тиристорные трехфазные НПЧ с естественной коммутацией

Описание работы СИФУ двух встречно-параллельных
мостов:
выходное напряжение трехфазного тиристорного моста
при идеально сглаженном выпрямленном токе (т.е. при
бесконечно большой индуктивности сглаживающего
дросселя) в функции угла управления определяется
3
U
U
U D U d 0 cos
0
d0
вхл max
если в диапазоне периода выходной частоты угол
управления мостом изменять линейно во времени:
2 f вых t

12. Мостовые 6-пульсные тиристорные трехфазные НПЧ с естественной коммутацией

то среднее значение напряжения моста на интервале периода
выходной частоты примет нужный гармонический вид с
положительными и отрицательными полуволнами:
U D U d 0 cos(2 f вых t )
Т.к. мост имеет одностороннюю проводимость выходной
выпрямленной ветви, отрицательные полуволны
выпрямленного напряжения моста не могут быть
задействованы в формировании тока.
Тогда приходится формировать отдельно положительные
и отрицательные полуволны выходного напряжения двумя
мостами (временные диаграммы)

13. Мостовые 6-пульсные тиристорные трехфазные НПЧ с естественной коммутацией

180
Мостовые 6-пульсные
тиристорные трехфазные
НПЧ с естественной
коммутацией
А, град.
90
t, c
0
180
В, град.
2.5
5
х10-3
2.5
5
х10-3
2.5
5
х10-3
2.5
5
х10-3
2.5
5
х10-3
2.5
5
х10-3
2.5
5
х10-3
2.5
5
х10-3
2.5
5
х10
-3
2.5
5
х10-3
2.5
5
х10-3
5
-3
90
t, c
0
90
С, град.
t, c
0
разр1
Временные диаграммы
(рассмотрим поэтапно):
t, c
0
разр2
t, c
0
разр1_м
t, c
0
разр2_м
t, c
0
90
aупр1, град.
t, c
0
90
aупр2, град.
t, c
0
uмоста1
t, c
0
uмоста2
t, c
0
uфвых
t, c
0
2.5
х10

14. Мостовые 6-пульсные тиристорные трехфазные НПЧ с естественной коммутацией

-вначале формируются на
периоде выходной частоты
линейные сигналы нарастания
угла от нуля до 1800 и
инверсные спадающие от 1800
до нуля (сигналы «А» и «В»),
- из этих сигналов формируется
сигнал «С» нужного
изменения угла в диапазоне 0900 для каждой положительной
полуволны синусоиды
выходного напряжения мостов,

15. Мостовые 6-пульсные тиристорные трехфазные НПЧ с естественной коммутацией

-разрешения на формирование
полуволн напряжения мостов
задаются:
- для первого моста - на
восходящей части сигнала «А»,
- для второго моста - на
восходящей части сигнала «В»,
- далее разрешенные
интервалы симметрично
укорачиваются с обоих концов
для получения паузы «мертвого времени»,

16. Мостовые 6-пульсные тиристорные трехфазные НПЧ с естественной коммутацией

-требуемые законы
изменения углов управления
мостами в диапазоне от 0 до
900 подаются на
разрешенных интервалах на
тиристоры мостов, образуя
фазное напряжение из двух
полуволн.

17. Мостовые 6-пульсные тиристорные трехфазные НПЧ с естественной коммутацией

Вариант модели такой схемы содержит:
-трехфазный генератор входной сети,
-три группы встречно-параллельных тиристорных мостов,
-три гладких симметричных трехфазных сигналов
синхронизации на частоте входной сети;
- независимые ветви фазных сопротивлений нагрузки
выходной сети,
- шесть СИФУ (по числу мостов) с переменным углом
управления полуволнами синусоидальных фазных
напряжений нагрузки, формируемым по описанной выше
методике.

18. Мостовые 6-пульсные тиристорные трехфазные НПЧ с естественной коммутацией

1
OSC28
1
Gain7
90
Gain
0.16
alpha_deg
OSC7
CA
K Ts
-K-
1/180
AB
OSC29
AND
pulses
BC
OSC6
CA
Block
1
Discrete,
Ts = 1e-006 s.
z-1
1/180
Block
alpha_deg
90
-1
AB
pulses
BC
g
Gain8
+
A
0
B
+
A
B
0
A
B
C
A
B
C
Vabc
NOT
+
v
-
g
OSC27
i
-
+
-
C
180
OSC26
i
-
+
AND
i
-
+
-
C
Convert
Iabc
a
b
c
Convert
alpha_deg
AB
pulses
BC
CA
Block
alpha_deg
AB
pulses
BC
CA
Block
g
A
0
B
C
g
A
B
C
+
i
-
+
+
i
-
+
v
+
+
i
-
-
alpha_deg
AB
pulses
BC
CA
Block
alpha_deg
AB
pulses
BC
CA
Block
g
A
0
B
C
g
A
B
C
+
i
-
+
+
+
v
+
-
+
i
-
i
-

19. Мостовые 6-пульсные тиристорные трехфазные НПЧ с естественной коммутацией

20. Мостовые 6-пульсные тиристорные трехфазные НПЧ с естественной коммутацией

21. Идеи построения и управления НПЧ, переход к МПЧ

НПЧ как вторичные источники электропитания и бортовой сети
автономных объектов рассматриваются и в теоретическом
плане, и в практических разработках как современная
альтернатива автономным инверторам напряжения АИН с
промежуточным ЗПТ
Идея одноступенчатого преобразования переменного
трехфазного напряжения первичного электромашинного
источника переменной частоты в стабильную трехфазную сеть с
возможными различными одно- и трехфазными потребителями –
основной аргумент в пользу применения НПЧ
К этому добавляется и исключение из ЗПТ ненадежных силовых
электролитических конденсаторов, принципиально необходимых
для АИН.

22. Идеи построения и управления НПЧ, переход к МПЧ

В тиристорных схемах силовые ключи переключаются
один раз за период входной сети с текущим
переменным углом управления. Спектр выходной
сети содержит, помимо полезной основной гармоники,
еще и высшие, порядок которых ненамного больше.
Односторонняя проводимость тиристоров создает
дополнительные проблемы с формированием
вторичного синусоидального тока для произвольной
нагрузки, желаемой формы первичного тока,
коэффициента мощности первичной сети.

23. Идеи построения и управления НПЧ, переход к МПЧ

Переход от тиристоров к транзисторам позволяет
организовать высокочастотные переключения.
Образуется класс так называемых матричных НПЧ (МПЧ)
для применения в регулируемом электроприводе и
электроэнергетике
При использовании МПЧ в качестве вторичного источника
электропитания автономных объектов нейтрали первичной
и вторичной сетей должны быть объединены для
возможного подключения однофазной нагрузки

24. Идеи построения и управления НПЧ, переход к МПЧ

Варианты
двунаправленного
ключа
VTХy
A
A
B
B
C
C
N
VTAa
VTAb
VTAc
VTBa
VTBb
VTBc
VTСa
VTСb
VTСc
a
b
c
iнa
iнb
iнс
Uнa
Uнb
Uнс
n

25. Алгоритмы пространственно-векторного управления матричным преобразователем частоты

Алгоритмы пространственновекторного управления матричным
преобразователем частоты
Преимущества МПЧ по сравнению с ПЧ с неуправляемым выпрямителем
на входе:
двунаправленный обмен энергии между сетью и нагрузкой;
возможность формирования синусоидального входного тока с
единичным коэффициентом сдвига;
отсутствие в силовой схеме конденсаторов большой емкости;
высокий КПД? и показатели электромагнитной совместимости с
питающей сетью.
Недостатки МПЧ относительно двухзвенных ПЧ с АВ и АИН:
увеличенное количество полупроводниковых приборов;
меньший коэффициент использования входного напряжения;
более сложное управление;
менее отработанная и освоенная на данный момент технология
производства полупроводниковых модулей и микроконтроллеров для
НПЧ.

26. Идеи построения и управления НПЧ

Управление транзисторными ключами двусторонней
проводимости МПЧ выступает как самостоятельная
математическая задача с привлечением таких классических
разделов, как разрывное управление динамическими
объектами.
Здесь в качестве сигналов управления выступают n мгновенных
напряжений соответствующего первичного источника.
На малых интервалах времени (постоянных заданных или
переменных, получаемых опосредованно) осуществляется
выбор такой комбинации включения транзисторами, чтобы
достигнуть поставленной векторной цели (не нарушая при этом
устойчивой работы схемы).
Эта цель имеет основную и дополнительную
составляющую.

27. Идеи построения и управления НПЧ

Основная служит для получения первой (основной)
гармоники выходной симметричной трехфазной сети,
стабилизированной на фоне ряда помех как со стороны
первичной сети, так и нагрузки. Сюда же входят
требования к энергетическим показателям первичной сети
(максимуме коэффициента мощности, отсутствия
постоянной составляющей входного тока фаз).
Дополнительная составляющая формирует характер
спектра выходного напряжения нагрузки.

28. Идеи построения и управления НПЧ

Основная цель может быть получена разными законами
переключения силовых ключей
На периоде несущей фаза нагрузки подключается к той
фазе сети, напряжение которой из трех
сравниваемых – максимальное и больше заданного
фазного напряжения нагрузки, иначе фаза нагрузки
отключается от сети.
При такой методике на каждом периоде несущей
существуют паузы в питании, а спектр выходной сети при
этом содержит гармоники большой амплитуды на
частоте несущей.

29. Идеи построения и управления НПЧ

30. Идеи построения и управления НПЧ

Часто для анализа динамики трехфазных динамических
систем электропривода с изолированной нейтралью
используют понятие «трехкомпонентный управляющий
вектор» и векторное управление на его базе;
Общая идея – использование первичной сети в качестве
«виртуального выпрямителя» с максимальным
двуполярным «выпрямленным» напряжением,
выбранным из имеющихся линейных напряжений на
интервалах их наибольших значений;
Различия – в способах выбора этих состояний (скалярная
или пространственно-векторная);

31. Идеи построения и управления НПЧ

Все предлагаемые реальные варианты топологии и
законов управления не в состоянии обеспечить
требуемый коэффициент гармоник (THD) на уровне менее
5% (если требуется получение синусоидальной сети);
В ряде случаев для выходной сети МПЧ приходится
использовать пассивные LC-фильтры.

32. Вариант управления МПЧ на скользящих режимах

Основная задача наиболее рационального построения
алгоритма управления МПЧ – уменьшить влияние
частых высокоэнергетических коммутационных процессов
на электрическую изоляцию подключаемого к выходной
сети оборудования.

33. Вариант управления МПЧ на скользящих режимах

В варианте такого алгоритма на каждом шаге осуществляется
формирование выходного напряжения одной из трех фаз (ua, ub,
uc) последовательно поочередным включением двух входных
фазных напряжений источника (uA, uB, uC).
Используется следующая логика опроса состояния желаемого
выходного напряжения (напряжения задания – uз) при имеющимся
входном: выявляется состояние в данный момент времени,
когда одно из входных фазных напряжений (или uA, или uB,
или uC) – больше, а другое – меньше формируемого уровня
выходного напряжения.
Время действия каждого из двух напряжений, выбранных на
данном шаге, подбирается таким образом, чтобы среднее
значение выходного напряжения на данном шаге было равно
uз.

34. Вариант управления МПЧ на скользящих режимах

Такой подход к формированию выходного напряжения
представляет собой модернизацию известного метода
разрывного многомерного управления с применением
двух кусочно-постоянных и знакопеременных
управляющих сигналов одинакового уровня для
достижения каждой из компонент векторной цели.
В варианте алгоритма управления для снижения влияния
коммутационных явлений на изоляцию на каждом шаге из
имеющихся фазных напряжений источника выбираются
не любые два, отвечающие указанному выше условию.

35. Вариант управления МПЧ на скользящих режимах

Используются такие два сигнала фазных напряжений
входной сети, для которых отклонение от цели
(требуемого uз) имеет минимальное значение.
Таким образом, формирование значений выходного
напряжения обеспечивается не амплитудным
значением трехфазного источника, как в наиболее
часто исследуемых и используемых алгоритмах
управления, а меньшими по уровню значениями.
Следовательно, возникающие пульсации напряжений
имеют меньшие амплитуды.

36. Вариант управления МПЧ на скользящих режимах

37. Вариант управления МПЧ на скользящих режимах

в пределах периода uз представлены фазные напряжения
источника (uA, uB, uC) и временные диаграммы по принципу
выбора двух входных фазных напряжений в каждый
момент времени для последующего использования в
качестве кусочно-постоянных и знакопеременных
сигналов (eA+, eB+, eC+, eA–, eB–, eC–).
Уровень логической «1» для сигналов eA+, eB+, eC+
указывает, что в данный момент времени для
формирования uз может использоваться соответствующее
фазное напряжение источника uA, uB, uC.

38. Вариант управления МПЧ на скользящих режимах

Аналогично, уровень логической «1» для сигналов eA–, eB–,
eC– указывает, что в данный момент времени для
формирования uз будет использоваться соответствующее
фазное напряжение источника uA, uB, uC.
Для исключения перемодуляции амплитудное значение uз
должно быть меньше амплитудного значения трехфазного
источника.

39. Вариант управления МПЧ на скользящих режимах

40. Вариант управления МПЧ на скользящих режимах

В начале каждого из текущих интервалов вычислительного
периода измеряются и записываются в буфер текущие
мгновенные значения фазных первичных напряжений с
извлечением выборок через половину периода.
Эти выборки сравниваются с мгновенными значениями
задания выходного напряжения. Они могут быть
положительными и отрицательными. Определяется
минимальная по модулю разность между фазными
напряжениями фаз А, В, С и заданным выходным
напряжением.

41. Вариант управления МПЧ на скользящих режимах

Управляющий импульс подается на тот активный
транзисторный ключ, для которого разность текущего
мгновенного напряжения первичной сети и вторичного
заданного напряжения – положительна и минимальна, а
затем на тот, для которого разность – отрицательна и
минимальна.
При этом в среднем разность равна нулю, а отклонения от
цели – минимальны.
В случае, когда задание превышает все возможные входные
напряжения, высокочастотные переключения не
производятся, и задействуется сигнал управления, который
имеет меньшее рассогласование с целью, монотонно
уменьшая рассогласование. Пауза в питании нагрузки
отсутствует.

42. Управление двунаправленным ключом

вариант построения
двунаправленного ключа с
общими эмиттерами
При этом реализация системы управления, обеспечивающая,
неразрывность тока нагрузки, должна учитывать ситуации:
- переход с напряжения большего уровня (Ua) на напряжение
меньшего уровня (Ub) и положительном токе (напряжение
коммутации Uba < 0 и I > 0);
- переход с напряжения меньшего уровня (Ua) на напряжение
большего уровня (Ub) и положительном токе (напряжение
коммутации Uba > 0, I > 0);

43. Управление двунаправленным ключом

- переход с напряжения большего уровня (Ua) на напряжение
меньшего уровня (Ub) и отрицательном токе (напряжение
коммутации Uba < 0, I < 0);
- переход с напряжения меньшего уровня (Ua) на напряжение
большего уровня (Ub) и отрицательном токе (напряжение
коммутации Uba > 0, I < 0).

44. Управление двунаправленным ключом

Переключение фаз генератора (источника) при
положительном токе и отрицательном напряжении
коммутации
В такой коммутации предполагается переход с фазы,
имеющей большее напряжение на фазу имеющей меньшее
напряжение.
Предположим, что в момент коммутации (tk = 0), напряжение
фазы A (uA) больше фазного напряжения uB и пусть требуется
выполнить переход с фазного напряжения uA на uB.
При этом ток фазы A (IA), протекающий через нагрузку (Iн), до
коммутации (tk = 0–) совпадал с направлением ЭДС фазы A
(eA)

45. Управление двунаправленным ключом

N
L
L
eA
L
eB
eС
A
B
SAh
С
SBh
SСh
SB
SA
SAl
SBl
iA
iB
SС
SСl
O
iн
Zн
iС

46. Управление двунаправленным ключом

Пример. Коммутации будем совершать ключами SA и SB,
ключ SC при этом всегда будет разомкнут, т.е. iC = 0.
В начальный момент времени (tk = 0–) ключ SA открыт
(логические сигналы управления транзисторами ключа
SAh = 1 и SAl = 1 или SA = 11), а транзистор SB закрыт
(логические сигналы управления SBh = 0 и SBl = 0 или SB =
00). При этом ток нагрузки iн = iA.
Для осуществления перехода с фазы A на фазу B
необходимо совершить последовательно 3 шага:

47. Управление двунаправленным ключом

1) в момент времени tk = 0 закрыть нижний транзистор
(SAl), позволяющий протекать току в противоположном
направлении имеющемуся току iA и одновременно
открыть верхний транзистор (SBh) ключа SB.
2) слежение за величиной тока фазы A (iA) и по
достижении током им нулевого значения совершается
закрытие транзистора SAh ключа SA.
3) подождать некоторое время, соответствующее
максимальному времени закрытия транзистора SAh (для
большинства современных IGBT это время не
превышает 1 мкс) и открыть нижний транзистор (SBl)
ключа SB.

48. Управление двунаправленным ключом

1) Эти действия можно совершать одновременно в силу того,
транзистор SAl в данный момент не работает (ток через него
равен нулю), а так как напряжение фазы B меньше
напряжения фазы A, то открытие транзистора SBh не приводит
к возникновению межфазных замыканий. Логические
комбинации сигналов управления ключами для данного
момента времени имеют вид: SA = 10 и SB = 10.
Рассмотрим какие физические процессы при этом возникают.
Для это составим 2 уравнения по 2-му закону Кирхгофа в
момент времени, следующий за коммутацией (tk = 0+), одно
уравнение для контура образованного фазой источника А и
нагрузкой, а второе - для контура образованного фазой B
источника и нагрузкой:

49. Управление двунаправленным ключом

di A (0 )
dt
di (0 )
e B ( 0) i н ( 0 ) Z н L B
dt
e A ( 0) i н ( 0 ) Z н L
Вычитая одно уравнение из другого, получаем:
e A (0) eB (0) di A (0 ) diB (0 )
L
dt
dt
Анализ полученного выражения показывает, что в момент
времени, следующий сразу за коммутацией, производная тока
фазы A больше производной тока фазы B (т.к. eA(0) > eB(0)).
Что в свою очередь указывает, что подержание тока в
нагрузке обеспечивается преимущественно током фазы А.

50. Управление двунаправленным ключом

Поэтому совершать следующую коммутацию,
обеспечивающую полноценный переход на фазу B не
допустимо, так как в противном случае возникнет либо
межфазное короткое замыкание источника (при открытии
транзистора SBl), либо разрыв тока фазы A с последующим
перенапряжением в этой фазе (при закрытии ключа SAh).
В силу необходимости исключения аварийных ситуаций
(коротких замыканий и перенапряжений на силовых ключах)
необходимо ожидать некоторое время, пока ток фазы A не
уменьшится до нуля.
Это может произойти только тогда, когда производная тока
фазы A не станет отрицательной и очевидно, это возможно
только при условии eA(0) < eB(0).

51. Управление двунаправленным ключом

2) Логические комбинации сигналов управления ключами для
данного момента времени имеют вид: SA = 00 и SB = 10.
3) Логические комбинации сигналов управления ключами для
данного момента времени имеют вид: SA = 00 и SB = 11.
Таким образом, переключение работы нагрузки с фазы,
имеющей наибольшее напряжение на фазу с меньшим
напряжением может быть совершено за три
последовательных шага. Длительность переключения τ
определяется суммой длительностей данных шагов:
t1 t 2 t3

52. Управление двунаправленным ключом

Длительность первого Δt1 и третьего Δt3 шагов зависит только
от динамических характеристик транзисторов и как правило не
превышает 1 мкс.
Длительность второго шага Δt2 зависит от двух факторов.
Первый – сколько времени требуется для того, чтобы
напряжение следующей фазы стало превышать значение
напряжения предыдущей фазы. Это время может достигать
третьей части периода питающего напряжения.
Второй – индуктивность фаз первичного источника,
определяющая длительность переходного процесса
(снижение тока работающей фазы до нуля).

53. Управление двунаправленным ключом

Таким образом, минимальное время коммутации, являющееся
абсолютным пределом, не превышает 3 мкс, т.е.
τмин ≤ 3,0 мкс.
Максимальное время переключения может превышать третью
часть периода питающего напряжения (τмин > Tпит/3, при
частоте питающей сети 50 Гц, это время может превышать
τмин > 6,67 мс), делая переключение ключей низкочастотными.

54. Управление двунаправленным ключом

Осциллограммы сигналов при переключении фаз генератора (Uk < 0 и Iн > 0)

55. Вариант управления МПЧ на скользящих режимах

Верхний уровень модели в Матлаб

56. Вариант управления МПЧ на скользящих режимах

Подмодель осуществления выборок и хранения разностей
мгновенных фазных напряжений первичной сети и задания
вторичного напряжения нагрузки.
1
Clock
2
In1
UZa
Memory1
3
Memory2
4
2
B
3
C
4
GND
Triggered
Subsystem4
2
Out1
VZb
Triggered
Subsystem5
In1
UZc
A
VZa
In1
UZb
1
1
Out1
Memory3
+ v
-
3
Out1
VZc
Triggered
Subsystem6
In1
Memory4
+ v
-
4
Out1
VA
Triggered
Subsystem1
In1
Memory5
+ v
-
5
Out1
VB
Triggered
Subsystem2
In1
Memory6
Out1
Triggered
Subsystem3
6
VC

57. Вариант управления МПЧ на скользящих режимах

Подмодель обработки команд программы для управления
ключами фаз.
1
VZ
>0
-K-
2
Divide2
VA
3
VB
Multiport
Switch+
1
1
s
Const1
4
Integrator2
Const2
VC
Gain for
PERIOD
Compare
To Zero2
>=
Relational
Operator2
== 0
Compare
To Zero3
0
5
sync
1
6
Const3
sync_plus
7
2
sync_minus
Const4
Multiport
Switch-
3
Const5
==
AND
Logical
Operator
OR
==
AND
Logical
Operator6
Relational
Operator3
Logical
Operator1
Relational
Operator1
==
Relational
Operator4
AND
Logical
Operator2
OR
Logical
Operator7
OR
==
Relational
Operator5
==
Relational
Operator6
==
Relational
Operator7
AND
Logical
Operator3
AND
Logical
Operator4
AND
Logical
Operator5
Logical
Operator8
1
gate_A
2
gate_B
3
gate_C

58. Вариант управления МПЧ на скользящих режимах

Модель содержит:
- трехфазный симметричный генератор первичной сети;
- триггерные блоки выборки-хранения на расчетном
периоде 100 мкс разностей мгновенных фазных
напряжений первичной сети и задания вторичного
напряжения трехфазной нагрузки;
- блоки обработки команд программы для управления
ключами фаз;
- блок из девяти транзисторных ключей двухсторонней
проводимости (соответствует силовой схеме с вариантом
организации двунаправленного ключа с одним IGBTтранзистором и 4-мя диодами),

59. Вариант управления МПЧ на скользящих режимах

- цифровую модель формирования логических условий
сравнения разностных сигналов управления и функции
цели и определения возможности выбора управляющих
команд в скользящем режиме. Она реализована
программно в виде s-функции. Используется методика
организации скользящего режима, описанная выше;
- трехфазную симметричную RL-нагрузку на выходе МПЧ с
заземленной нейтралью.
Период квантования входных фазных и выходных заданных
напряжений определен в 100 мкс. Амплитуда заданного
выходного напряжения выбрана 0.866 в о.е. для
исключения перемодуляции.

60. Вариант управления МПЧ на скользящих режимах

Результаты моделирования.

61. Вариант управления МПЧ на скользящих режимах

Результаты моделирования.

62. Вариант управления МПЧ на скользящих режимах

Результаты моделирования.

63. Секционированные МПЧ

Классическая силовая схема МПЧ
n0
ea
ia a
eb
ib b
SaA
ec
ic c
SbA
SbB
SbC
ScA
ScB
ScC
SaC
SaB
iAн
uAн
A
iBн
B
ZA uBн
SxY
uCн
ZB uCн
N
C
ZC
SxYp
SxYn

64. Секционированные МПЧ

Идея двухступенчатой топологии матричного
преобразователя в секционированном виде в определенном
смысле схожа с инверторной технологией, но отличается
системой управления;
имеются первая двунаправленная транзисторная
выпрямительная секция с высокочастотной
коммутацией ключей и вторая инверторная
транзисторная секция также с высокочастотной
коммутацией;
полный вариант секции выпрямителя включает 12
сдвоенных встречно-направленных ключей в трех
«стойках», питающихся по входу от трехфазного первичного
источника заданной частоты. Инвертор (по сути АИН)
содержит 6 ключей.

65. Секционированные МПЧ

Непрямая топология МПЧ
RECT
Sapn
n0
ea
ia Lf
Sapp
ia1
eb
ib Lf
ib1
ec
ic Lf
ic1
Cf
Cf Cf Sann
Sanp
Sbpn
Sbpp
p
INV
i
Scpn
SAp
SBp
SCp
SAn
SBn
SCn
Scpp
Ud
Sbnn
Sbnp
Scnn
iAн
Scnp
n
uAн
ZA
iBн
uCн
uBн
ZB
uCн
N
ZC

66. Секционированные МПЧ

Секция выпрямителя, отличающаяся от УВ или
активного выпрямителя с плечами из двухключевых
сборок;
Обозначение ключей: S с тремя подстрочными
индексами.
Первый индекс означает фазу входного
синусоидального источника (a, b, c), к которой
относится ключ.
Второй индекс – к какой шине выпрямленного тока
этим транзистором подключается первичный
трехфазный источник (к шине p или к шине n).

67. Секционированные МПЧ

Третий индекс – в каком направлении ключ
обеспечивает протекание выпрямленного тока: – от
источника к нагрузке (в положительном направлении) – p,
или от нагрузки к источнику (в отрицательном
направлении) – n.

68. Секционированные МПЧ

При отсутствии импульсов управления на ключах все
ветви выпрямителя разомкнуты, т.к. каждый из диодов
включен последовательно с транзистором.
В отличие от схемы с активным выпрямителем,
рассматриваемая схема не может работать как диодный
выпрямитель.
Для обеспечения протекания тока в нагрузке между
шинами p и n и исключения режима междуфазного
короткого замыкания требуется одновременное
проводящее состояние только одного ключа в верхней
группе одной фазы и только одного ключа в нижней
группе одной из двух других фаз.

69. Секционированные МПЧ

Если включен верхний ключ данного плеча (например,
верхнего фазы А Sаpp при отрицательном токе), то в двух
других верхних плечах (фаз В и С) нижнее ключи Sbpp и
Scpp должны быть разомкнуты для исключения
междуфазного короткого замыкания фаз В и С через шину
«p», а для своей фазы А включение нижнего ключа не будет
выполнено, т.к. данный ключ и так шунтирован диодом.
Таким образом, можно указать, в какой «стойке» включен
один верхний ключ верхнего плеча (второй индекс ключа
«p», как автоматически выполняются условия выключения
всех нижних ключей этого верхнего плеча – второй индекс
«n»). Это существенно упрощает кодирование команд
ключами.

70. Секционированные МПЧ

Для ключей верхних плеч при положительном токе
нагрузки (имеющих второй и третий индексы «p»)
команда из трех бит, например, 100 – означает, что в
фазе А включен ключ Sаpp, а в фазах В и С все ключи
выключены.
Например, при отрицательном токе нагрузки может быть
включен один из ключей с третьим индексом «n».
Тогда для отрицательного тока нагрузки трехбитовый код
для возможно активных ключей нижних плеч стоек
будет иметь вид: 010.
В итоге для отрицательного тока нагрузки шестибитовый
код 100010 однозначно характеризует состояние всех 12
транзисторов.

71. Секционированные МПЧ

«Положительный» или «отрицательный» ток нагрузки?
При условии положительности напряжения на выходе
выпрямителя (входе инвертора) это означает передачу
мощности от нагрузки к сети синусоидального входного
источника.
Пользуясь общепринятыми приемами векторных команд
на комплексной плоскости по расположению
обобщенного вектора напряжения и тока можно
определить направление мощности: при передаче
мощности от нагрузки к источнику этот угол – тупой, а
при передаче от источника к нагрузке – острый.

72. Секционированные МПЧ

RECT
Sapn
n0
ea
ia Lf
Sapp
ia1
eb
ib Lf
ib1
ec
ic Lf
ic1
Cf
Cf Cf Sann
Sanp
Sbpn
Sbpp
p
INV
i
Scpn
SAp
SBp
SCp
SAn
SBn
SCn
Scpp
Ud
Sbnn
Sbnp
Scnn
iAн
Scnp
n
uAн
ZA
iBн
uCн
uBн
ZB
uCн
N
ZC

73. Секционированные МПЧ

Преобразование классической топологии 3х3 - в
комбинированную двухсекционную (топология indirect
matrix converter – IMC -«непрямой матричный
преобразователь»).
Классификация IMC с четырьмя возможными
модификациями по степени упрощения топологии (ее
«разрежения» с уменьшением количества транзисторов):
sparse matrix converter – SMC,
very sparse matrix converter – VSMC,
inverter link matrix converter – ILMC,
ultra sparse matrix converter – USMC.

74. Секционированные МПЧ

Johann W. Kolar

75. Секционированные МПЧ

При определенных условиях схему выпрямительной
секции можно максимально упростить до варианта USMC
(УРМПЧ), включающего 3 транзистора и 12 диодов;
на опытных образцах мощностью 5–6 кВт
демонстрируются высокие КПД до 94%, синусоидальность
входного тока (THD=3%) и синфазность входного тока с
напряжением в рекомендуемых областях применения.

76. Секционированные МПЧ

p
RECT
ea
ia
Lf
Sapp
ia1
eb
ib Lf
ib1
ec
Lf
ic
Sbpp
INV
SAp
SBp
SCp
SAn
SBn
SCn
Scpp
Udc
ic1
Cf
i
C f Cf
iAн
n
uAн
ZA
iBн
uCн
uBн
ZB
uCн
N
ZC

77. Секционированные МПЧ

Управление инвертором может осуществляться по
ставшему классическим векторно-пространственному
принципу, когда 6 ключей, образующих 3 «стойки» фаз
выходной трехфазной сети, управляются 3-битовыми
командами, определяющими состояние стоек фаз в
зависимости от синтезируемого обобщенного
трехмерного вектора управления.
Управление осуществляется на высокой частоте.
Например, код 100 означает, что в стойке фазы а замкнут
«верхний» ключ на положительную шину входного
выпрямителя, в то время как в других двух стойках фаз b,
c «нижние» ключи замкнуты на отрицательную шину
выпрямителя.

78. Секционированные МПЧ

Относительная длительность каждой из применяемых
команд на выбранном малом периоде ШИМ
рассчитывается так, чтобы в среднем на периоде ШИМ
получить синтезируемый вектор управления,
совпадающий с желаемым по модулю и углу.
При этом на периоде ШИМ используются 3 векторные
команды, среди которых обязательно присутствуют так
называемые нулевые – «0+» (111) или «0–» (000)
одинаковой длительности.

79. Секционированные МПЧ

Первая из них означает, что замкнуты все верхние ключи
на положительную шину, а вторая – все нижние ключи на
отрицательную шину.
Нулевая команда разрывает ветвь питания
инвертора от выпрямительной секции.
Идея коммутации ключей выпрямителя во время
действия нулевой команды инвертора создает
необходимые условия для снижения потерь на
переключение выпрямительной секции
Выпрямительная секция с тремя ключами разреженной
матрицы также может управляться с использованием
пространственно-векторного управления на своей
высокой частоте.

80. Секционированные МПЧ

Мгновенные значения линейных напряжений входного
трехфазного источника, а также обобщенные векторы
управления на 6 секторах периода входного напряжения
по 600.
u сb
III
u сa
u ab V 2
II
2
V об V лин e j
0
IV
u ba
θ I
1
V
VI
u bс
V 1 1 V 2 2
2
u ac V 1

81. Секционированные МПЧ

При этом в отличие от инвертора, входной управляющий
вектор напряжения уже задан трехфазной сетью
источника питания, и здесь требуется синтезировать
вектор тока, синфазный с напряжением.
В каждом из 6 секторов на каждом периоде несущей
рассчитываются относительные длительности τ1 и τ2 двух
ненулевых подходящих для этого векторов управления V1
(в начале сектора), V2 (в конце сектора с углом 600) так,
чтобы равнодействующий обобщенный вектор был
бы синфазен с фазными входными напряжениями

82. Секционированные МПЧ

Подходят такие линейные напряжения
u ac u ab u bс
и т.д.,
когда одно из них отстает, а другое опережает фазное
напряжение на 300.
Например, в I секторе целесообразно использовать в
качестве первого из них напряжение u ac , а в качестве
второго u ab .
Для других секторов II–VI управляющие векторы
линейных напряжений должны выбираться аналогично.

83. Секционированные МПЧ

Если «местный» (в каждом секторе по 600) угол поворота
θ синтезируемого тока (угол выпрямителя) отсчитывается
от середины сектора в диапазоне от –300 до +300,
решение для определения относительных длительностей
действия комбинаций ключей выпрямителя имеет
универсальный вид на всех шести секторах:
τ1 cos(θ 3 ) / cos(θ);
τ 2 cos(θ ) / cos(θ);
3
τ1 τ 2 1.
u сb
синтезируется
не сам
III
II
u ab V 2
трехфазный ток,
а лишь его j
V об V лин e
фазовый нулевой
угловой
сдвиг
0
V V
с напряжениями
θсимметричной
I
IV
2
системы входных напряжений,
V в косинусоидальной
VI
заданных
u ba
u ac V 1
форме
u сa
2
(1)
1
1
u bс
1
2
2

84. Секционированные МПЧ

Регулировать длину этого эквивалентного вектора не
представляется возможным, и при резистивном
характере нагрузки входного источника синфазность тока
и напряжения удается выполнить.
Если нагрузка выпрямительной секции имеет RLхарактер в определенных границах, это можно учесть
необходимой коррекцией расчетных формул для
относительных длительностей.

85. Секционированные МПЧ

Управление инверторной секции осуществляется с применением
трех пространственно-векторных команд управления;
по аналогии с управлением классических автономных
транзисторных инверторов с шестью ключами при синтезе
обобщенного вектора выходного напряжения с формируемым
требуемым углом θинв (углом инвертора) при его слежении за
заданным желаемым значением.

86. Секционированные МПЧ

Здесь задействуются три управляющие команды.
Первая из них V1 длительностью τ1инв – в начале сектора,
вторая V2 длительностью τ2инв – в конце сектора с углом
600, и третья длительностью τ0инв – нулевая V0.
По трем управляющим сигналам требуемой
относительной длительности получить желаемый
обобщенный вектор выходного трехфазного напряжения
(напряжения нагрузки).
Составляются 2 уравнения для проекций синтезируемого
вектора напряжения на управляющие векторы V1 и V2 с
учетом длительности действия нулевого вектора V0 как
дополнения до 1.

87. Секционированные МПЧ

Решение для определения относительных длительностей
действия комбинаций ключей инвертора имеет
универсальную форму для всех секторов:
τ1инв Aинв sin 3 θ инв ;
τ 2 инв Aинв sin θ инв ;
τ
1 τ1инв τ 2 инв ,
0 инв
(2)
Аинв – относительная амплитуда обобщенного вектора
управления

88. Секционированные МПЧ

Важно при этом для обеспечения бестоковой
коммутации ключей выпрямителя, что
разрешенными интервалами являются времена
действия нулевой комбинации инвертора τ0инв – либо
000, либо 111.
Осуществляется совместное синхронизированное
управление секциями выпрямителя и инвертора УРМПЧ

89. Секционированные МПЧ

Допустим, при равенстве несущих частот выпрямителя и
инвертора коммутация выпрямителя должна произойти в
расчетный момент τ1 на периоде несущей, когда ключ Sapp
постоянно включен, и нужно перейти от включенного
состояния Sbpp к включенному Scpp.
При нахождении требуемого вектора управления
инвертором в I секторе в том же периоде несущей
последовательно переключаются комбинации,
представляющие зеркальное сопряжение двух
полупериодов:
000→100→110→111→111→110→100→000.

90. Секционированные МПЧ

Без корректировки закона переключения ключей
инвертора при коммутации выпрямителя на нулевом токе
(который соответствует нулевой команде инвертора)
расчетное время действия зеркальной
последовательности команд 000→100→110→111 и
111→110→100→000 одинаково на обоих полупериодах
несущей ТШИМ/2.
Sapp
Tшим/2
Sbpp
Tшим/2
τ1
Scpp
τ2
Ст. Аинв
τ1инв.общ
Ст. Bинв
τ2инв.общ
Ст. Cинв
t
τ0инв.общ/2
τ0инв
τ1инв
τ2инв
τ0инв τ0инв
τ0инв.общ/2
τ2инв
τ1инв
τ0инв

91. Секционированные МПЧ

Рассчитанные для возможного примера временные
диаграммы состояния ключей выпрямителя Sapp, Sbpp, Scpp
и стоек инвертора Ст. Аинв, Ст. Bинв, Ст. Cинв без
корректировки с коммутацией в произвольный момент не
при нулевом токе.
Корректировка переднего фронта работы ключей
инвертора в момент коммутации ключей выпрямителя
рассчитана аналитически как «поправка» и показана для
первого и второго полупериода несущей ТШИМ/2.

92. Секционированные МПЧ

Sapp
Tшим/2
Sbpp
Tшим/2
τ1
Scpp
Первый
полупериод
несущей частоты
τ2
Ст. Аинв
τ1инв.общ
Ст. Bинв
τ2инв.общ
Ст. Cинв
t
τ0инв.общ/2
τ0инв τ1инв τ2инв τ0инв τ0инв
τ0инв.общ/2
τ2инв
τ1инв
τ0инв
Sapp
Tшим/2
Sbpp
Tшим/2
τ1
Scpp
Второй
полупериод
несущей частоты
τ2
Ст. Аинв
τ1инв.общ
Ст. Bинв
τ2инв.общ
t
Ст. Cинв
τ0инв.общ/2
τ0инв
τ0инв.общ/2
τ1инв
τ2инв
τ0инв τ0инв τ2инв τ1инв τ0инв

93. Секционированные МПЧ

Из рассчитанных по (1) и (2) «частичных» относительных
длительностей τ1, τ2, τ1инв, τ2инв, τ0инв аналитически
определены простые «поправки» и программно
сформированы «общие» относительные длительности
τ1инв.общ, τ2инв.общ, τ0инв.общ включения соответствующих ключей
на периоде несущей:
τ
A
sin
θ
/
sin
cos(θ);
1инв.общ
инв
инв
3
3
τ 2 инв.общ Aинв sin θ инв / sin cos(θ);
3
τ 0 инв.общ 1 τ1инв τ 2 инв .
(3)

94. Секционированные МПЧ

Обеспечено только изменение переднего фронта
действия состояний с длительностями V1, V2 и V0,
сами же длительности τ1инв.общ, τ2инв.общ, τ0инв.общ для
выполнения задачи управления нагрузкой путем
формирования необходимого вектора управления
требуемых амплитуды и угла остаются
неизменными.

95. Имитационная модель УРМПЧ

96. Имитационная модель УРМПЧ

Выпрямитель
Инвертор

97. Имитационная модель УРМПЧ

98. Имитационная модель УРМПЧ

99. Имитационная модель УРМПЧ

100. Секционированные МПЧ

При совместном синхронизированном управлении на
интервале действия нулевой команды и осуществляется
коммутация транзисторов выпрямительной секции
без потерь.
Фактически, рассмотренным алгоритмом решается как
основная задача управления нагрузкой, так и две
важных вспомогательных – фильтрация гармонических
искажений сетевого тока и исключение его фазового
сдвига относительно соответствующего фазного
напряжения.
Таким образом, преобразователь приобретает
дополнительный функционал активного фильтра
гармоник и компенсатора реактивной мощности.

101. Секционированные МПЧ

Результаты проведенных анализа и моделирования
совместного синхронизированного управления
выпрямительной и инверторной секциями подтверждают
высокий КПД преобразователя > 98 % и малое значение
коэффициента гармонических искажений сетевого
тока < 5%.
Получено, что схема, содержащая всего 9
транзисторных ключей (как и исходный МПЧ
традиционной топологии), способна работать с
высоким КПД, обеспечивать синусоидальный
входной ток на уровне требований ГОСТ и
коэффициент мощности, близкий к единице.

102.

Спасибо за внимание!