Работа ШИМ преобразователя частоты.

[rascas]

sergey zhukov в сообщении #1623001 писал(а):

Это аналог ШИМ2.

Про режим ШИМ2 я раньше говорил, что в двухуровневом преобразователе, что в трёхуровневом всё почти один к одному. И напряжение и ток через транзисторы будет одинаковый. Единственное что в двухуровневом преобразователе транзисторы будут переключатся в два раза чаще. Это потребует отводить в два раза большую мощность от каждого транзистора. (Суммарная мощность потребляемая что в двухуровневом преобразователе, что в трёхуровневом будет та же).

sergey zhukov в сообщении #1623001 писал(а):

Тогда это будет соответствовать режиму ШИМ1:

Соглашаюсь, что и режим ШИМ1 возможно реализовать по предложенному вами алгоритму в двухуровневом преобразователе.
Но в тёхуровневом преобразователе всё же получается выигрыш по напряжению (это когда на одной фазе идёт импульс положительного напряжения и в тот же момент по другой фазе идёт импульс отрицательного напряжения).
В двухуровневом так нельзя, там одновременно на разных фазах возможны только положительные импульсы (и если длительности этих импульсов должны быть разные, то это похоже на "неэффективное использование тока транзисторов").
И обратите внимание, что в режиме ШИМ1 (на первой картинке в стартовом посте), если импульсы по разным фазам происходят в одно и то же время они всегда разнополярные.

[sergey zhukov]

rascas
Повозился немного с двухуровневым преобразователем. Вот два режима его работы, при которых межфазное напряжение на его выходе одинаково (оно в самом низу в половинном масштабе, а первые три графика - это напряжения фаз относительно минуса):


Первый режим - это ШИМ2. Транзисторы переключаются медленно, но постоянно. Такое управление получается просто путем пересечения треугольного вспомогательного сигнала с синусоидами.

Второй режим - это ШИМ1. Транзисторы переключаются быстро, но иногда у них бывают промежутки без переключений вообще. Такое управление получается немного сложнее, нужно периодически инвертировать вспомогательный треугольный сигнал. Почему здесь "неэффективное использование тока транзисторов"?

rascas в сообщении #1623017 писал(а):

И обратите внимание, что в режиме ШИМ1 (на первой картинке в стартовом посте), если импульсы по разным фазам происходят в одно и то же время они всегда разнополярные.

Вот тут они однополярные:

[rascas]

И ещё желательно понять какие "бонусы" даёт трёхуровневость преобразователя по сравнению двухуровневостью, в режиме ШИМ1?
Очевидно, что большее количество силовых транзисторов даёт большую допустимую мощность на нагрузке.

1) Одновременные разнополярные импульсы создают большее напряжение на нагрузке, в случае трёхуровневости. (это плюс трёхуровневости).
2) В случае одновременных разнополярных импульсов, напряжение на нулевом проводе нагрузки нулевое. (это плюс трёхуровневости).
3) Если есть ситуация, когда одновременно на разных фазах происходят однополярные импульсы, и в случае когда длительность этих импульсов разная.
Наблюдается ситуация что через одну фазу: сначала скачок тока в одну сторону и потом сразу же в другую, это выглядит как "неэффективное использование тока через транзистор".
Похоже, что "неэффективное использование тока через транзистор" наблюдается гораздо чаще в случае двухуровневости.

sergey zhukov в сообщении #1623052 писал(а):

Вот тут они однополярные:

Какая-то искажённая синусоида получилась в этих случаях. Как будто контроллер пытается уйти от какой-то аварийной ситуации.
И эти искажения как раз в моменты времени, когда транзисторные ключи двух фаз одновременно дают импульсы одного знака.
Ток через зелёную фазу на этой картинке эта фаза синих импульсов напряжения?

[sergey zhukov]

rascas
Зеленый ток - это ток желтой фазы.

Я еще немного поковырял эти осциллограммы. Получается так:
На высокой частоте синуса ПЧ работает как трехуровневый, на фазах одновременно бывают разнополярные напряжения (т.е. межфазное напряжение может иметь пять значений $-2u, -u, 0, +u ,+2u$):


На более низкой частоте синуса ПЧ переходит фактически в двухуровневый режим работы (верхняя половина картинки)), когда разнополярные импульсы одновременно на разных фазах уже не встречаются (т.е. межфазное напряжение имеет три значения $-u, 0, +u$)


На еще более низких частотах синуса двухуровневый режим и форма межфазного напряжения сохраняется, но режим работы ШИМ меняется с быстрых переключений транзисторов на медленные (нижняя половина картинки).

БОльшую часть времени межфазное напряжение на нагрузке нулевое, и ток течет в ней за счет ее индуктивности. При этом фазы не просто отключены (это был бы режим рекуперации энергии), а все подключены к одному из трех уровней напряжения. Очевидно, все равно, к какому из трех уровней напряжения подключить все три фазы, если мы хотим получить нулевое межфазное напряжение на выходе. На верхней половине картинки такое подключение происходит всегда к нулевому уровню, а на нижней половине картинки оно происходит поочередно ко всем трем уровням. Верхняя половина картинки получается из нижней, если осциллограмму нижней половины сдвинуть в серых полосках вверх и вниз так, чтобы уровнем "отключения" всегда был нулевой уровень.

Видно, что после смены режима ШИМ синусоида становится качественнее, т.к. появляется возможность использовать более мелкие ступеньки тока по высоте (т.е. импульсы межфазного напряжения теперь не ограничены по минимальной ширине). На верхней половине картинки высота ступенек тока ограничена снизу, поэтому там есть странные моменты "пропуска" ступеньки. Я думаю, там просто решили не вставлять ступеньку минимальной высоты, т.к. это привело бы к менее качественному приближению синусоиды. Причем импульсы на фазах в этой точке не лишние, ведь они формируют еще и две другие синусоиды тока. Тут никакого "неэффективного использования тока" нет.

Можно видеть, что на нижней половине картинки средняя частота переключений каждого транзистора меньше, чем на верхней, за счет того, что на границе переключений пакетов фазных импульсов с положительных на отрицательные два последовательных противофазных импульса формируются "бесплатно" по цене одного.

Еще режим работы ПЧ на верхней половине картинки, похоже, менее сбалансирован. Если уровень "отключения" всегда нулевой, то нагрузка на транзисторы фазы получается разной. Например, вот токи транзисторов и диодов нижнего плеча одной фазы (в режиме "уровень отключения всегда нулевой") при почти полностью индуктивной нагрузке:


А вот на нагрузке, приближающейся к активной:


Видно, что транзистор 1 имеет больший средний ток, но транзистор 2 имеет больше переключений на период синуса. Когда нагрузка приближается к активной, транзистор 1 вообще половину периода синуса открыт, а другую - закрыт. А транзистор 2 переключается половину периода синуса. Обратные диоды работают все меньше и меньше, а диод соединения с нулевой точкой всегда работает в достаточно тяжелом режиме. Если же мы на каждом периоде ШИМ переключаем "уровень отключения", то (хотя я это еще не проверял) эта картина должна стать более ровной.

[rascas]

sergey zhukov в сообщении #1623574 писал(а):

Зеленый ток - это ток желтой фазы.

sergey zhukov, на мой взгляд это очень странно. Интервал времени я выделил белым прямоугольником.
В этом интервале наблюдается отрицательный импульс напряжения на жёлтой фазе, на остальных фазах 0 вольт.
Но в тоже время судя по зелёному графику на жёлтой фазе положительный скачок тока.
Как Вы это можете прокомментировать?

sergey zhukov в сообщении #1623574 писал(а):

На более низкой частоте синуса ПЧ переходит фактически в двухуровневый режим работы (верхняя половина картинки)), когда разнополярные импульсы одновременно на разных фазах уже не встречаются (т.е. межфазное напряжение имеет три значения $-u, 0, +u$)

Разнополярные импульсы дают удвоенное напряжение. Если потребуется увеличение тока маленькими ступеньками, то удвоенное напряжение даёт импульсы маленькой длительности.
А уменьшение длительности импульсов лимитировано. Поэтому снижают напряжение.

sergey zhukov в сообщении #1623574 писал(а):

Причем импульсы на фазах в этой точке не лишние, ведь они формируют еще и две другие синусоиды тока. Тут никакого "неэффективного использования тока" нет.

Понятно, что импульс напряжения по одной фазе влияет на скачки тока во всех трёх фазах. И надо всё это учитывать.
Но "неэффективное использование тока транзисторов" это про другое.
Это про ситуацию, когда, например, в течение 5 мкс на фазу A и B подаётся напряжение +U. На этих фазах получается скачок тока по +50А.
Потом в следующие 4 мкс напряжение на фазе B уменьшается до нуля, а на фазе А напряжение не изменяется и остаётся +U.
На фазе A скачок ещё на +80А. На фазе В скачок тока на -40А.
Итого за время подачи импульсов напряжения (9 мкс) скачки тока по фазам:
На фазе А: +130 A
На фазе B: +10 А
На фазе С: -140 А

Получается, что для того чтобы увеличить ток на фазе В всего на 10А ток в течении 9 мкс, сначала увеличивают на 50А, а потом уменьшают на 40А.
Вот это и есть "неэффективное использование тока транзисторов". (Это режим ШИМ1 с однополярными импульсами разной длительности на разных фазах)

[sergey zhukov]

rascas в сообщении #1623677 писал(а):

Как Вы это можете прокомментировать?

А, да это я просто датчик тока (катушка Роговского) повесил на шину как попало. Без учета полярности.

По поводу того, что бывают случаи, когда ток в фазы практически на месте растет и падает. Да, такое бывает. Вот осцилограммы модели (напряжение и ток одной из фаз катушки нагрузки. Напряжение не фазы, а именно на катушке нагрузки). ПЧ работает в двухуровневом режиме:


В зависимсти от того, как мы генерируем ШИМ-импульсы (по пилообразному или треугольному задающему сигналу) можно получить либо "зубчики", либо "сбой ступеньки". И то и другое мы видим в натуре.

А вот работа ПЧ в трехуровневом режиме (на пиле и треугольнике):


Я тут поговорил с разработчиком. Он говорит, что режим ШИМ2 применяется на низкой частоте именно с целью сбалансировать работу всех транзисторов по среднему току на временах меньше периода синуса. Он сказал, что на очень низких частотах синуса его период получается такой большой, что уже нельзя считать температуру транзистора средней за период синуса: на одном полупериоде, где транзистор должен быть все время открыт, он уже может перегреться. В режиме ШИМ2 все транзисторы постоянно переключаются, средний ток у них выравнивается, нет транзисторов, которые должны быть открыты полный полупериод синуса.

Еще он сказал, что в многоуровневых инверторах есть проблема разной нагруженности транзисторов и диодов в каждой фазе даже по среднему току за период синуса (собственно, это видно на модели). ШИМ2 позволяет выравнивать средний ток и на времени больше периода синуса.