Работа ШИМ преобразователя частоты.

[sergey zhukov]

Сегодня испытывал один мощный преобразователь частоты (8 МВт). Заметил такую вещь:

Вот осциллограммы напряжения на выходе всех трех фаз ПЧ относительно земли (синяя, желтая, малиновая) и ток в одной из фаз (зеленая). Ноль осциллограмм отображается слева стрелками (я разнес их для наглядности). Легкая волнистость линий напряжения - это помехи (на самом деле там все горизонтально).

На первой картинке частота выходного синуса высокая. Режим работы ШИМ ожидаемый: большую часть времени напряжение на фазах равно нулю, ток в нагрузке течет благодаря ее индуктивности. А когда нужно поднять или опустить ток на следующую ступеньку, на фазе появляется короткий импульс напряжения (иногда два импульса на разных фазах одновременно, тогда скорость роста тока удваивается) и происходит быстрое изменение тока практически по вертикальному фронту:


На второй картинке частота выходного синуса ниже. Режим работы ШИМ здесь переключается и становится более странным. Видно, что выходное напряжение на всех трех фазах не остается большую часть в нуле (как было в предыдущем случае), а синфазно скачет с частотой ШИМ:


Нам в общем, конечно, без разницы, каким будет синфазное напряжение на фазах, так что кривая тока в принципе тут формируется совершенно так же, как в предыдущем случае. Грубо говоря (если взять однофазную нагрузку) в первом случае мы подаем импульс напряжения длиной $t$ на один и тот же контакт нагрузки (подаем и через время $t$ снимаем, напряжение на втором контакте остается неизменным), а во втором - подаем напряжение сначала на один контакт нагрузки (на втором в это время ноль), а через время $t$ не снимаем его, а вместо этого подаем такое же напряжение на второй контакт нагрузки. Для тока разницы нет, но осциллограммы напряжения на контактах нагрузки разные.

В чем смысл создавать переменное синфазное напряжение с частотой ШИМ на нагрузке в этом втором случае? Ведь можно было бы формировать ШИМ, как в первом случае. Может, это мера против слишком коротких импульсов работы транзисторов? Или так переключений меньше получается?

[EUgeneUS]

Я не понимаю вторую картинку.
Во-первых, там нет никакого сдвига фаз в напряжении.
Во-вторых, не понимаю, на какой нагрузке такое напряжение даст такой ток
Кстати, какой фазе соответствует осциллограмма тока?

[sergey zhukov]

EUgeneUS
Это ток желтой фазы.
Нагрузка тестовая - трехфазный дроссель (почти чисто реактивная).

Вторая картинка сбивает с толку. Я ее тоже сначала не понял.
Преобразователь трехуровневый, т.е. на каждую фазу может подаваться $-u$, $0$ и $+u$. Если на все фазы синфазно подавать последовательность $-u...0...+u...0...$, то никакого тока, разумеется не будет. На второй картинке на превый взгляд это и происходит. И в самом деле: если поставить нулевой выходной ток, то именно так ПЧ и работает в этом режиме ШИМ. Но на самом деле импульсы там в разных фазах слегка разной ширины (и тем сильнее различаются, чем больше ток), и вот на их фронтах, где они не одновременно переключаются, рост тока и происходит.

Это примерно то же самое, как если бы мы всегда подавали на нагрузку три полноамплитудные синусоиды, а ток в нагрузке регулировали бы их сдвигом друг относительно друга. Если хотим получить нулевой ток - задаем нулевой сдвиг.

[rascas]

sergey zhukov, доступна ли Вам схема силовой части этого преобразователя?
Принципиальная схема силовой части ШИМ такая, или какая-то другая?
Q1 - Q6 на схеме обозначены ключи (силовые транзисторы).

Есть несколько вопросов для прояснения ситуации с этим преобразователем.
Какое напряжение +U?
Какое напряжение фаз: Ph1-3 ?
Какая частота ШИМ?
Какая частота получаемых фаз?
Какой коэффициент трансформации T1-3?

[sergey zhukov]

rascas
Не, это у вас двухуровневый преобразователь. У меня немного сложнее (трехуровневый). Вот такая схема:

Есть три уровня напряжения -2,5 кВ / 0 / +2,5 кВ.
Нагрузка - тестовая (трехфазный дроссель, замкнутый накоротко). Трансформатора на выходе этого ПЧ нет. Я отметил цветом, где измеряется напряжение и ток.

Частота синусоиды на выходе может быть в пределах 30...150 Гц. Частота ШИМ переменная, максимум до 1800 Гц (имеется ввиду частота ступенек на кривой тока).

ПЧ работает так, что на низкой частоте выходного синуса (до 80 Гц) частота ШИМ фиксирована (1400 Гц), поэтому частота ШИМ не кратна частоте выходного синуса, а режим работы ШИМ имеет вид ШИМ 2 (см. ниже). На частотах синуса 80...100 Гц частота ШИМ жестко привязывается к выходной частоте синуса в отношении 1/18 и становится переменной, а режим работы ШИМ переключается в ШИМ 1. На частотах 100...150 Гц частота ШИМ привязана к выходной частоте синуса в отношении 1/12.

Отличие ШИМ1 от ШИМ2 проще всего пояснить на таком примере:


Одинаковые импульса тока через резистор можно формировать, меняя либо один потенциал, либо оба. На низких частотах ПЧ использует ШИМ2, а на высоких ШИМ1.

Вот мне не ясно, зачем нужно переключать ШИМ1 и ШИМ2?

[rascas]

Перерисую кусок схемы силовой части преобразователя, возможно понадобится для дальнейшего анализа.

Посчитаем период следования импульсов ШИМ для различных частот получаемого синусоидального напряжения фаз.

1) 100-150 Гц: период синусоиды 6.67-10 мс, период следования импульсов ШИМ ($\frac{1}{12}$): 556-833мкс.
2) 80-100 Гц: период синусоиды 10-12.5 мс, период следования импульсов ШИМ ($\frac{1}{18}$): 556-694мкс.
3) 30-80 Гц: период синусоиды 12.5-33.3 мс, период следования импульсов ШИМ (1800 Гц): 556мкс.

Повышать частоту дискретизации ШИМ - это увеличение количества переключений силовых транзисторов в единицу времени, и как следствие снижение КПД преобразователя и его повышенный нагрев.
Понижать частоту дискретизации ШИМ скорее всего запрещено тех. заданием на этот преобразователь, слишком сильное искажение выходной синусоиды.

Конечно режим ШИМ1 более предпочтительный чем ШИМ2. Общую (нулевую) точку нагрузки допустимо соединить с общим проводом (у меня на схеме это показано пунктирной линией). И "суммарный" общий потенциал нагрузки постоянен и нулевой (симметричная трёхфазная нагрузка).
Для режима ШИМ2 потенциал общей точки нагрузки скачет на величину U с частотой 1800Гц - это неприятно.

Но почему же не отказались от режима ШИМ2 при низких частотах синусоиды? Если кратко, большое время "рассасывания" заряда в используемых силовых транзисторах. Медленные транзисторы.
Если поддерживать период дискретизации ШИМ на уровне 550-800 мкс, то для низкой частоты (30-80Гц) высота "ступенек" тока в нагрузке будет мала.
А для обеспечения таких малых скачков тока в нагрузке нужно открывать силовые транзисторы на очень короткое время (в случае режима ШИМ1), а это время ограничено временем "рассасывания" транзистора.

Когда научатся изготавливать мощные, высоковольтные, сильноточные транзисторы с малым временем рассасывания (временем переключения транзистора из низкоомного состояния в высокоомное состояние) тогда и откажутся от режима ШИМ2.

Для импульсных преобразователей, блоков питания, это классическая проблема. Низкая нагрузка — это нежелательный режим работы, невозможно делать очень короткие импульсы.

[sergey zhukov]

rascas
Ок, т.е. ШИМ2 позволяет делать очень короткие импульсы напряжения $\Delta t$, т.к. для этого не нужно включать один транзистор на время $\Delta t$, а можно включить два разных транзистора со сдвигом моментов включения в $\Delta t$ (и аналогично с моментами выключения). Получается некоторый "дифференциальный" импульс, у которого нет такого ограничения на минимальную ширину.

Если мы ограничены минимальной шириной импульса $\Delta t$, то это равнозначно тому, что мы ограничены некоторой минимальной высотой ступеньки на кривой тока (при заданной нагрузке). Т.е. это ограничение на "амплитудное разрешение". В таком случае (при низком амплитудном разрешении) нет смысла увеличивать число ступенек на период синуса, т.е. частотное разрешение (даже если бы это было возможно), синус все равно будет корявым. Поэтому синус на высокой частоте и есть корявый: амплитудное разрешение маленькое из-за ШИМ1. А синус на низкой частоте гораздо более ровный (хотя по амплитуде он даже меньше, чем на высокой частоте), т.к. там амплитудное разрешение высокое из-за ШИМ2.

А почему бы наоборот, не использовать постоянно ШИМ2? Видимо, на высоких частотах это ведет к недопустимо высоким емкостным токам через нагрузку на землю.

И еще мне не понятно: а чем все-таки короткий импульс опасен для транзистора? Скажем, существуют динамические потери на транзисторе. Будем рассматривать потери на один импульс. Есть потери на фронте включения импульса и потери на фронте выключения импульса. Если импульс достаточно широкий, то они просто складываются и не зависят от ширины импульса. А если импульс становится слишком коротким, то они начинают как-то перекрываться и их уже нельзя просто складывать, они становяться больше их суммы? Т.е. потери на импульс сначала постоянные, а потом быстро растут с уменьшением ширины импульса?

Или ограничение на минимальную ширину импульса связано не с работой отдельного транзистора самого по себе, а с согласованной работой нескольких транзисторов, когда один еще не успел выключится, а второй уже включается и возникает сквозной ток?

[sergey zhukov]

rascas
Кстати, в этом ПЧ средняя точка звена постоянного тока (ноль) через резистор подтянута к земле (на схеме это нарисовано) и напряжение между нулем и землей контролируется. В норме они должны быть эквипотенциальны. Поэтому при любом режиме ШИМ1 или ШИМ2 средняя точка соединения катушек дросселя все же не эквипотенциальна с землей. В обоих случаях потенциал на ней прыгает относительно земли. Одновременно подключить к земле и диоды и и среднюю точку нагрузки, как это у вас сделано пунктиром, все же нельзя. Если бы на фазах был не ШИМ, а чистые синусоиды напряжения, то да, обе средние точки были бы под нулевым потенциалом относительно земли.

Для ШИМ2 это гораздо сильнее заметно, конечно, поскольку тут в основном синфазная составляющая действует во всех фазах, а в ШИМ1 она сведена к минимуму.

[rascas]

sergey zhukov в сообщении #1622778 писал(а):

В обоих случаях потенциал на ней прыгает относительно земли. Одновременно подключить к земле и диоды и и среднюю точку нагрузки, как это у вас сделано пунктиром, все же нельзя. Если бы на фазах был не ШИМ, а чистые синусоиды напряжения, то да, обе средние точки были бы под нулевым потенциалом относительно земли.

Для ШИМ2 это гораздо сильнее заметно, конечно, поскольку тут в основном синфазная составляющая действует во всех фазах, а в ШИМ1 она сведена к минимуму.

Согласен.

sergey zhukov в сообщении #1622757 писал(а):

А почему бы наоборот, не использовать постоянно ШИМ2?

На мой взгляд, была идея использовать ШИМ1 в максимальном количестве режимов работы, как наиболее предпочтительный.
Для ШИМ2, наверное, и не стоило городить трёхуровневую схему переключения с 12 транзисторами. Для режима ШИМ2 хватило бы и двухуровневой схемы всего с шестью транзисторами.
Но недостаток режима ШИМ2, как я раньше сообщал, вижу в том, что потенциал нагрузки оказывается значительное время равным $\pm U$ и меняется между этими потенциалами с частотой ШИМ.

sergey zhukov в сообщении #1622757 писал(а):

не понятно: а чем все-таки короткий импульс опасен для транзистора?

Проблема здесь в другом, транзистор, работая в ключевом режиме, просто не может сделать этот короткий импульс.
(А если Вы вдруг предлагаете использовать транзистор не в ключевом режиме, а в режиме усиления, то это мгновенная и верная смерть транзистора, транзистор просто моментально испарится от выделившейся на кристалле мощности)

Работу биполярного транзистора в ключевом режиме можно рассмотреть так:
1) Открытие транзистора. Здесь всё прекрасно. Поступает управляющее воздействие, и с очень небольшой задержкой транзистор открывается, переходит в низкоомное состояние, и быстро спадает напряжение между коллектором и эмиттером.
2) Закрытие транзистора. Поступает управляющее воздействие, и вместо того чтобы быстро закрыться, начинается процесс рассасывания неосновных носителей заряда это занимает относительно большое время.
После того как закончился процесс рассасывания транзистор быстро переходит в высокоомное состояние и быстро нарастает напряжение между коллектором и эмиттером.

Таким образом в первом приближении можно считать, что в ключевом режиме транзистор не может создать импульс короче времени рассасывания. (Даже если управляющее воздействие было минимально допустимым)

Неосновные носители заряда возникают в полупроводниках, где ток проходит через разные типы проводимости (P и N проводимость полупроводника), например, в полевых транзисторах нет ни каких неосновных носителей зарядов
и полевые транзисторы в ключевом режиме несопоставимо быстрее биполярных.

sergey zhukov в сообщении #1622757 писал(а):

когда один еще не успел выключится, а второй уже включается и возникает сквозной ток?

Контроллер, который управляет ключами, должен ориентироваться на параметры транзисторов и выдавать управляющие воздействия, не допуская ни каких сквозных токов и всяких других возможных событий, приводящих к повреждениям.

[sergey zhukov]

rascas
А, т.е. никакой особой опасности в коротком управляющем импульсе открытия для транзистора нет. В первом приближении можно считать, что один транзистор просто не способен открыться на время короче некоторого $\Delta t$, даже если управляющий импульс короче $\Delta t$. А между моментами открытия/закрытия двух разных транзисторов можно делать любую сколь угодно малую $\Delta t$.

Кроме того, в процессе включения/выключения транзистор короткое время работает в активном режиме. Если увеличивать частоту ШИМ и сокращать ширину импульсов, то работа транзистора приближается практически к постоянно активному режиму, когда он или еще не открылся, или еще не закрылся, при котором мощность в нагрузку передается плохо, а на транзисторе рассеивается хорошо. В итоге увеличение частоты ШИМ и уменьшение ширины импульсов приводит к очень быстрому росту доли динамических потерь (при неизменой выходной мощности).

Вообще, я считал, что короткий импульс почему-то сам по себе опасен для транзистора. Например, один из аварийных индикаторов на драйвере транзистора называется "Управляющий транзистором импульс слишком короткий". Но это может быть защитой от сбоя в управлении транзисторами. Скажем, драйвер знает, что управляющих импульсов короче $\Delta t$ контроллер просто никогда не дает. Если такой импульс зафиксирован, то, возможно, контроллер или линия связи неисправны, т.е. есть опасность неправильного управления.

Трехуровневая схема (или даже пятиуровневая с четырьмя диодными мостами и 24-пульсным выпрямлением) все же выигрывает у двухуровневой по всем параметрам. Хотя она, конечно, сложнее.

[rascas]

sergey zhukov в сообщении #1622807 писал(а):

А, т.е. никакой особой опасности в коротком управляющем импульсе открытия для транзистора нет.

Всё таки я бы отметил, что ни какой опасности в допустимо коротких импульсах нет.
Если управляющий импульс совсем совсем короткий то он и не сможет даже открыть транзистор, если чуть длиннее то вызовет не полное открытие транзистора, транзистор окажется в активном режиме и будет перегреваться. Минимальная допустимая длина управляющего импульса импульса это когда транзистор проходит полностью открытое состояние. Но если уж транзистор попал в открытое состояние, то закроется он не ранее чем через время рассасывания.

sergey zhukov в сообщении #1622807 писал(а):

В первом приближении можно считать, что один транзистор просто не способен открыться на время короче некоторого $\Delta t$, даже если управляющий импульс короче $\Delta t$.

Я бы это сформулировал так:
$\Delta t_{\min in}$ -минимально допустимый управляющий импульс.
$\Delta t_{st}$ -время рассасывания.
$\Delta t$ - интервал времени

Управляющий импульс длительностью $\Delta t_{\min in} + \Delta t$ - вызывает открытие транзистора на время $\Delta t_{st} + \Delta t$
Подразумевается что: $\Delta t_{st} \gg \Delta t_{\min in}$ и $\Delta t_{\min in}$ можно пренебречь в первом приближении.

sergey zhukov в сообщении #1622807 писал(а):

А между моментами открытия/закрытия двух разных транзисторов можно делать любую сколь угодно малую $\Delta t$.

Да.

sergey zhukov в сообщении #1622807 писал(а):

Кроме того, в процессе включения/выключения транзистор короткое время работает в активном режиме.

Активный режим — это когда ток транзистора контролируется управляющим воздействием. Если транзистор работает в ключевом режиме такого контроля нет. Подали управляющее воздействие на закрытие транзистора, и только через некоторое время транзистор перешёл в закрытое состояние уже "самостоятельно".
Я бы назвал это не активный режим, а переходный процесс.

sergey zhukov в сообщении #1622807 писал(а):

Если увеличивать частоту ШИМ и сокращать ширину импульсов, то работа транзистора приближается практически к постоянно активному режиму, когда он или еще не открылся, или еще не закрылся, при котором мощность в нагрузку передается плохо, а на транзисторе рассеивается хорошо. В итоге увеличение частоты ШИМ и уменьшение ширины импульсов приводит к очень быстрому росту доли динамических потерь (при неизменой выходной мощности).

Когда транзистор открыт или закрыт тепловыделение на нём небольшое.
Основное тепловыделение происходит во время переходного процесса. Чем больше частота переходных процессов, тем больше тепловыделение транзисторных ключей.

sergey zhukov в сообщении #1622807 писал(а):

Трехуровневая схема (или даже пятиуровневая с четырьмя диодными мостами и 24-пульсным выпрямлением) все же выигрывает у двухуровневой по всем параметрам. Хотя она, конечно, сложнее.

На сложности я бы не акцентировал. Двухуровневая схема просто дешевле, так как там заметно меньше силовых транзисторов.

[sergey zhukov]

rascas в сообщении #1622818 писал(а):

Двухуровневая схема просто дешевле, так как там заметно меньше силовых транзисторов.

Это да. Но они должны быть рассчитаны на вдвое большее рабочее напряжение. Такие транзисторы еще более медленные, а двухуровневый инвертор как-раз должен иметь более высокую частоту переключений, чтобы сравняться с трехуровневым.

rascas в сообщении #1622818 писал(а):

Если управляющий импульс совсем совсем короткий то он и не сможет даже открыть транзистор, если чуть длиннее то вызовет не полное открытие транзистора, транзистор окажется в активном режиме и будет перегреваться

Возьмем фиксированную частоту ШИМ и будем постепенно уменьшать ширину импульса. По моему, потери на транзисторе будут монотонно падать, ничего страшного с ним не произойдет даже при экстремально коротких импульсах, когда он будет недооткрываться на каждом импульсе. Так по моему. Или нет?

А вот если мы захотим при этом выдавать в нагрузку неизменную мощность, то нам придется вместе с уменьшением ширины импульсов повышать частоту их следования. Вот тогда очень скоро транзистор сгорит.

[rascas]

sergey zhukov в сообщении #1622827 писал(а):

Это да. Но они должны быть рассчитаны на вдвое большее рабочее напряжение.

Если рассматривать режим работы ШИМ2, то напряжение и ток транзисторов такие-же, что двухуровневой схеме что в трёхуровневой схеме. Для этих схем транзисторы разного типа не нужны. (Режим ШИМ1 невозможен в двухуровневой схеме).

sergey zhukov в сообщении #1622827 писал(а):

двухуровневый инвертор как-раз должен иметь более высокую частоту переключений, чтобы сравняться с трехуровневым.

Частота (период) переключений транзисторов для режима ШИМ2 совсем низкая. (Период смены состояний транзисторов открыт/закрыт в режиме ШИМ2 большой 556мкс. ). В трёхуровневой схеме половина транзисторов формирует импульс положительно напряжения, половина транзисторов формирует импульс отрицательного напряжения. В двухуровневой схеме только положительные импульсы и их формируют все 6 транзисторов. На общее тепловыделение преобразователя это не влияет.

sergey zhukov в сообщении #1622827 писал(а):

Возьмем фиксированную частоту ШИМ и будем постепенно уменьшать ширину импульса. По моему, потери на транзисторе будут монотонно падать, ничего страшного с ним не произойдет даже при экстремально коротких импульсах, когда он будет недооткрываться на каждом импульсе. Так по моему. Или нет?

Длительность управляющего импульса, чтобы транзистор уже начал приоткрываться и в тоже время не входил в полностью открытое состояние на мой взгляд трудно поймать. Здесь будет много всяких влияющих факторов, начиная от температуры транзистора, свойств конкретного экземпляра транзистора и т.д.
Для меня не очевидно, что транзистор не будет перегреваться в таком коротком но непонятно каком режиме.
Одно дело мы подали управляющее воздействие на открытие транзистора, далее транзистор хоть и почти без задержки, но "самостоятельно" отработал его с максимальной скоростью.
Другое дело мы подали какой-то "недоимпульс" который кратковременно перевёл транзистор в непонятный режим типа активного. Что в транзисторе будет происходить от таких сверхкоротких импульсов детально я не представляю, но предполагаю ничего хорошего. На мой взгляд таких сверхкоротких импульсов надо избегать и подавать управляющие импульсы не короче минимальной допустимой длительности, чтобы не было проблем.

[sergey zhukov]

rascas
Кстати, в двухуровневом ПЧ тоже есть аналоги ШИМ1 и ШИМ2.

В двухуровневом ПЧ в каждой фазе транзисторы работают в противофазе (верхний включен/нижний выключен (10) и наоборот (01)). Допустим, ПЧ должен давать короткие импульсы тока. Это значит, что он относительно долго находится в "выключенных" состояниях 01, 01, 01 или 10, 10, 10 и быстро проходит все прочие "включенные" состояния между ними (когда, собственно, и формируются импульсы тока).

Мы можем назначить одно из "выключенных" состояний основным. Т.е., например, состояние 01, 01, 01 будет основным, и в него ПЧ будет переходить всегда, когда он хочет "выключить" ток. А состояние 10, 10, 10 будет просто запрещено. Тогда это будет соответствовать режиму ШИМ1: ПЧ почти все время будет в состоянии 01, 01, 01 исключая моменты быстрых "рабочих" состояний типа 10, 01, 01 или 10, 10, 01 и т.д. При этом транзисторы вынуждены переключаться быстро. Если ток в нагрузке задать равным нулю, то транзисторы вообще не будут переключаться, ПЧ всегда будет в состоянии 01, 01, 01.

Но можно позволить ПЧ использовать оба "выключенных" состояния 01, 01, 01 и 10, 10, 10. Тогда примерно 50% времени ПЧ будет находится в состоянии 01, 01, 01, и 50% времени - в состоянии 10, 10, 10. При этом транзисторы переключаются медленно. Если ток в нагрузке задать равным нулю, то транзисторы все равно будут переключаться с частотой ШИМ из одного "выключенного" состояния 01, 01, 01 в другое "выключенное" состояние 10, 10, 10 , и на выходе на всех фазах будет синфазный меандр. Это аналог ШИМ2.

[realeugene]

sergey zhukov в сообщении #1622418 писал(а):

Может, это мера против слишком коротких импульсов работы транзисторов?

Похоже. Если нужно сформировать короткий импульс между двумя фазами, чтобы изменить ток слегка, то точнее обе фазы отпирать или обе фазы запирать, но с небольшой задержкой. Время отпирания и запирания каждой фазы мы не знаем, но знаем, что они разные. А когда две фазы переключаются в одну сторону, то задержку переключения можно сформировать точно, даже не зная само время переключения.