Inteligentní pohony a mechatronické systémy s vestavěnou inteligencí

Abstract

Dizertační práce se zabývá problematikou řízení víceúrovňových měničů. Řízením víceúrovňového měniče se rozumí spínání vhodných prvků měniče na základě pulzně šířkové modulace a balancování napětí na jednotlivých výkonových spínacích prvcích měniče, pokud to daná topologie vyžaduje. V práci jsou popsány navržené modulační algoritmy založené na pulsně šířkové modulaci (PWM), větší část práce je pak věnována odvozeným algoritmům vektorové modulace (SVPWM). Správná funkce jednotlivých modulačních algoritmů byla nejprve ověřena v prostředí grafického simulátoru Matlab-Simulink v součinnosti s modelem měniče sestaveným v programu PLECS. Následně byly algoritmy implementovány do programovatelné logické jednotky FPGA. Pro implementaci byl použit programovací jazyk VHDL. Funkčnost implementovaných modulátorů byla ověřena experimenty na prototypech měničů několika topologií. Topologie prototypů měničů byly devítiúrovňové kaskádní zapojení, tříúrovňová s upínacími diodami (3L-NPC), tříúrovňová s aktivními upínacími prvky (3L-ANPC) a čtyřúrovňová s plovoucími kondenzátory (4L-FLC). Kromě testů funkčnosti samotných modulačních algoritmů byla ověřena funkce aktivního balancování. Pro aktivní balancování byly použity dva různé přístupy. Prvním je balancovací tabulka, která je sestavena podle topologie měniče, ze všech přípustných spínacích kombinací a jejich vlivu na napětí kondenzátorů ve stejnosměrném meziobvodu měniče, popřípadě plovoucích kondenzátorů. Druhým je matematický model popisující chování napětí kondenzátorů na základě sepnutí přípustné spínací kombinace. Hlavním přínosem této práce je návrh vektorového modulátoru založeného na modulární struktuře pro víceúrovňové měniče. Funkčnost navrženého modulátoru byla ověřena v prostředí Matlab-Simulink v součinnosti s modelem sedmiúrovňového střídače s plovoucími kondenzátory. Navržené modulační algoritmy byly hodnoceny dle výpočetní náročnosti, složitosti samotné implementace, možností budoucí rozšiřitelnosti řešené problematiky a celkového harmonického zkreslení (THD) napětí a proudů měniče.