СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТРЕХФАЗНЫМ НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ Российский патент 1999 года по МПК H02M5/27 H02P7/42 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к силовой преобразовательной технике, и может быть применено в частотно-регулируемых приводах с асинхронными двигателями.

Известен способ управления трехфазным непосредственным преобразователем частоты с естественной коммутацией, содержащим по меньшей мере восемнадцать управляемых вентилей (УВ), связывающих фазы источника питания (ИП) частотой f₁ с выходными фазными выводами (ФВ) преобразователя, заключающийся в том, что полуволны выходного напряжения формируют из целого числа интервалов переключений ФВ относительно ИП длительностью 1/3f₁ каждый и одного интервала раздельного подключения ФВ к фазам ИП длительностью 1/6f₁ [1].

Способ [1] позволяет получить на выходе преобразователя плавно регулируемую частоту f₂, однако предел ее регулирования ограничен и составляет от 3 до 21 Гц при f₁ = 50 Гц, что в ряде случаев недостаточно.

Наиболее близким к предлагаемому способу - его прототипом является способ управления трехфазным непосредственным преобразователем частоты с естественной коммутацией, содержащим, восемнадцать УВ, связывающих фазы ИП с выходными ФВ преобразователя, заключающийся в том, что формируют выходное напряжение частотой f₂ из интервалов первого вида длительностью 1/6f₁ каждый, в течение которых подключают ФВ раздельно к фазам ИП путем поочередного включения попарно-встречно-параллельно соединенных УВ, и из интервалов второго вида длительностью 1/3f₁ каждый, в течение которых переключают ФВ относительно фаз ИП с сохранением заданного направления вращения обобщенного вектора трехфазного напряжения, при этом для частот f₂ выше f₁/3 формируют цикл из V интервалов первого вида и одного интервала второго вида [2].

Способ [2] позволяет дискретно регулировать выходную частоту преобразователя в диапазоне частот f₁ > f₂ > f₁/3.

Недостаток прототипа - большая дискретность выходной частоты при малых значениях V и неудовлетворительная форма выходного напряжения при частотах f₂ < f₁/3, приводящая к недопустимым потерям в питаемом преобразователем асинхронном двигателе. Это не позволяет изменять выходную частоту преобразователя во всем частотном диапазоне 0 < f₂ < f₁.

Задача изобретения - расширение возможностей регулирования выходной частоты преобразователя путем обеспечения малой дискретности формирования значений частоты f₂ и удовлетворительной формы выходного напряжения преобразователя во всем диапазоне выходных частот от 0 до f₁.

Предметом изобретения является способ управления трехфазным непосредственным преобразователем частоты с естественной коммутацией, содержащим по меньшей мере восемнадцать управляемых вентилей (УВ), связывающих фазы источника питания (ИП) частотой f₁ с выходными фазными выводами (ФВ) преобразователя, заключающийся в том, что формируют выходное напряжение частотой f₂ из интервалов первого вида длительностью 1/6f₁ каждый, в течение которых подключают ФВ раздельно к фазам ИП путем поочередного включения попарно-встречно-параллельно соединенных УВ, и из интервалов второго вида длительностью 1/3f₁ каждый, в течение которых переключают ФВ относительно фаз ИП с сохранением заданного направления вращения обобщенного вектора трехфазного напряжения, при этом для частот f₂ выше f₁/3 образуют цикл первого типа из V интервалов первого вида и одного интервала второго вида, отличающийся согласно изобретению тем, что для частот f₂ ниже f₁/3 образуют цикл второго типа из W интервалов второго вида и одного интервала первого вида, при этом из нескольких циклов первого типа образуют цикл третьего типа, а из нескольких циклов второго типа - цикл четвертого типа, в которых числа V внутри цикла третьего типа и W внутри цикла четвертого типа варьируют на единицу.

Указанная совокупность признаков позволяет уменьшить дискретность значений выходной частоты, получить удовлетворительную форму выходного напряжения преобразователя и тем самым обеспечить возможность плавного регулирования выходной частоты преобразователя во всем диапазоне частот от 0 до f₁.

Изобретение имеет развитие, состоящее в том, что формирование циклов первого и второго типов осуществляют путем счета импульсов изменения полярности фазовых напряжений ИП, причем при формировании цикла первого типа включение попарно-встречно-параллельно соединенных УВ осуществляют после 1-го и до V-го импульса счета, после V-го импульса счета запрещают включение очередных УВ и к (V+2)-му импульсу счета, который принимают за нулевой для следующего цикла, осуществляют следующее раздельное подключение ФВ к фазам ИП, а при формировании цикла второго типа после снижения тока ФВ до 0 и до 2W-го импульса счета осуществляют поочередное включение УВ в выпрямительном режиме в соответствующих группах УВ, соединенных с ФВ одноименными силовыми электродами, после 2W-гo импульса счета запрещают включение в выпрямительном режиме очередного УВ соответствующей группы и формируют интервал первого вида путем ее перевода в инверторный режим, после (2W+1)-го импульса счета, который принимают за нулевой для следующего цикла, включают очередной УВ той же группы в инверторном режиме и после снижения до 0 тока соответствующего ФВ включают в выпрямительном режиме УВ другой группы того же ФВ.

Это позволяет упростить цифровую реализацию системы управления преобразователем.

Изобретение имеет дальнейшее развитие, состоящее в том, что число циклов первого типа в цикле третьего типа с одним из варьируемых значений V изменяют, а с другим - фиксируют равным по меньшей мере единице.

Это позволяет дополнительно уменьшить дискретность формирования выходных частот преобразователя в диапазоне выше f₁/3.

Изобретение имеет еще одно развитие, состоящее в том, что число циклов второго типа в цикле четвертого типа с одним из варьируемых значений W изменяют, а с другим - фиксируют равным по меньшей мере единице.

Это позволяет дополнительно уменьшить дискретность формирования выходных частот преобразователя в диапазоне ниже f₁/3.

Описание осуществления изобретения
На чертеже представлена структура трехфазного непосредственного преобразователя частоты, управляемого по предлагаемому способу.

Трехфазный преобразователь частоты содержит управляемые вентили (УВ) 1-18, связывающие каждую фазу А, В и С трехфазного ИП с выходными фазовыми выводами (ФВ) 19, 20 и 21 преобразователя, подключенными к фазам нагрузки 22, и систему 23 управления, осуществляющую включение вентилей 1-18 в соответствии с предлагаемым способом, выключение УВ обеспечивается за счет естественной коммутации при снижении до нуля протекающего по вентилю тока.

Для синхронизации управляющих воздействий с трехфазным ИП система 23 в момент перехода через ноль любого из фазных напряжений ИП вырабатывает импульсы изменения полярности фазных напряжений, частота которых равна 6 f₁, поскольку каждая фаза меняет свою полярность дважды за период.

Процесс управления трехфазным непосредственным преобразователем частоты с естественной коммутацией может быть представлен как процесс формирования в определенной последовательности интервалов двух видов:
- интервалов первого типа, во время которых каждый ФВ преобразователя подключен к своей отдельной фазе ИП поочередно работающими вентилями встречно-параллельных пар, т.е. интервалов раздельного подключения ФВ к фазам ИП. Минимально возможная длительность такого состояния в преобразователях данного типа составляет 1/6 f₁, что соответствует длительности одного интервала первого вида.

- интервалов второго вида, во время которых каждый ФБ переключается между разными фазами ИП поочередно работающими вентилями выпрямительной группы, т. е. интервалов переключения ФВ между фазами ИП. Минимально возможная длительность переключения ФВ с одной фазы ИП на другую в преобразователях данного типа составляет 1/3 f₁, что соответствует длительности одного интервала второго вида.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

При формировании частоты f₂ в диапазоне от 1/3 f₁ до f₁ к выводам 19, 20 и 21 путем поочередного включения попарно-встречно-параллельно соединенных вентилей 1 и 2, 9 и 10, 17 и 18 подводят фазы ИП в последовательности А, В, С соответственно и формируют цикл первого типа из V интервалов раздельного подключения ФВ к фазам ИП длительностью 1/6 f₁ каждый (интервалы первого вида) и одного интервала переключения ФВ относительно фаз ИП длительностью 1/3 f₁, (интервал второго вида) с сохранением заданного направления вращения обобщенного вектора трехфазного напряжения. В следующем цикле первого типа к выводам 19, 20 и 21 через соответствующие пары встречно-параллельно соединенных УВ подключаются фазы ИП в последовательности В, C, А, а в третьем цикле - в последовательности C, А, В.

Более детально, при формировании интервалов первого вида работают следующие пары УВ:
в 1-м цикле
- 1 и 2, связывающие ФВ 19 с фазой А,
- 9 и 10, связывающие ФВ 20 с фазой В,
- 17 и 18, связывающие ФВ 21 с фазой С;
во 2-м цикле
- 3 и 4, связывающие ФВ 19 с фазой В,
- 11 и 12, связывающие ФВ 20 с фазой С,
- 13 и 14, связывающие ФВ 21 с фазой А;
в 3-м цикле
- 5 и 6, связывающие ФВ 19 с фазой С,
- 7 и 8, связывающие ФВ 20 с фазой А,
- 15 и 16, связывающие ФВ 21 с фазой В;
в 4-м цикле снова работают УВ в парах:
- 1 и 2, связывающие ФВ 19 с фазой А,
- 9 и 10, связывающие ФВ 20 с фазой В,
- 17 и 18, связывающие ФВ 21 с фазой С и т.д.

Формирование цикла первого типа осуществляют путем счета импульса изменения полярности фазных напряжении ИП. С нулевого по V-й импульс счета формируют V интервалов первого вида. При этом после 1-го и до V-го импульса счета включают соответствующие УВ в парах, указанных выше, а после V-го импульса счета формируют интервал второго вида, запрещая включение очередных УВ, и к (V+2)-му импульсу счета, который принимают за нулевой для очередного цикла, осуществляют следующее раздельное подключение ФВ к фазам ИП.

Из нескольких описанных циклов первого типа формируют цикл третьего типа, внутри которого число V интервалов первого вида варьируют на единицу: например, часть циклов первого типа формируют с V = 2, а оставшуюся часть - с V = 3. В табл. 1 приведены примеры такого формирования цикла третьего типа из 7 циклов первого типа.

При формировании частоты f₂ в диапазоне от 0 до f₁/3 образуют цикл второго типа, в котором на W интервалов второго вида приходится один интервал первого вида.

Интервалы второго вида формируют поочередным переключением УВ внутри выпрямительных (катодных или анодных) групп УВ, соединенных между собой и с соответствующим ФВ одноименными силовыми электродами (катодами или анодами) и связывающих этот ФВ с разными фазами ИП. От цикла к циклу обеспечивают поочередную смену направления тока в одном из ФВ 19, 20 или 21, изменяя выпрямительную группу УВ этого ФВ, например, в следующей последовательности:
в 1-м цикле переключаются УВ:
- внутри катодной группы вентилей 1, 3, 5, обеспечивая положительное (втекающее) направление тока на выводе 19,
- внутри анодной группы вентилей 8, 10, 12, обеспечивая отрицательное (вытекающее) направление тока на выводе 20,
- и внутри анодной группы вентилей 14, 16, 18, обеспечивая отрицательное (вытекающее) направление тока на выводе 21,
во 2-м цикле переключаются УВ:
- внутри катодной группы вентилей 1, 3, 5, обеспечивая положительное (втекающее) направление тока на выводе 19,
- внутри катодной группы вентилей 7, 9, 11, обеспечивая положительное (втекающее) направление тока на выводе 20,
- и внутри анодной группы вентилей 14, 16, 18, обеспечивая отрицательное (вытекающее) направление тока на выводе 21,
в 3-м цикле переключаются УВ:
- внутри анодной группы вентилей 2, 4, 6, обеспечивая отрицательное (вытекающее) направление тока на выводе 19,
- внутри катодной группы вентилей 7, 9, 11, обеспечивая положительное (втекающее) направление тока на выводе 20,
- и внутри анодной группы вентилей 14, 16, 18, обеспечивая отрицательное (вытекающее) направление тока на выводе 21,
в 4-м цикле изменяют направление тока в очередном ФВ, переключая УВ:
- внутри анодной группы вентилей 2, 4, 6, обеспечивая отрицательное (вытекающее) направление тока на выводе 19,
- внутри катодной группы вентилей 7, 9, 11, обеспечивая положительное (втекающее) направление тока на выводе 20,
- и внутри катодной группы вентилей 13, 15, 17, обеспечивая положительное (втекающее) направление тока на выводе 21, и т.д.

Формирование цикла второго типа также осуществляют путем счета импульсов изменения полярности фазовых напряжений ИП.

При этом в течение W интервалов второго вида на всех ФВ формируют полуволны выходного напряжения за счет переключения в выпрямительном режиме вентилей внутри групп УВ, соединенных с ФВ одноименными силовыми электродами: на выводе 19 внутри катодной группы вентилей 1, 3, 5 (положительное направление тока) или анодной группы вентилей 2, 4, 6 (отрицательное направление тока), на выводе 20 - внутри катодной группы вентилей 7, 9, 11 или анодной группы вентилей 8, 10, 12, а на выводе 21 - внутри катодной группы вентилей 13, 15, 17 или анодной группы вентилей 14, 16, 18.

После 2W-го импульса счета запрещают включение очередного УВ соответствующей группы в выпрямительном режиме и переводят проводящую ток группу (например, группу вентилей 1, 3, 5) в инверторный режим, формируя интервал первого вида. Во время интервала первого вида фазовое напряжение на одном из ФВ (например, выводе 19) меняет полярность.

После (2W+1)-го импульса счета, который принимают за нулевой для следующего цикла, включают очередной УВ той же группы в инверторном режиме, а после снижения до нуля тока через вывод 19, включают в выпрямительный режим УВ другой группы того же ФВ (соответственно группы вентилей 2, 4, 6 для вывода 19) и аналогично формируют полуволну напряжения противоположной полярности.

Из нескольких описанных циклов второго типа формируют цикл четвертого типа, внутри которого число W интервалов переключения ФВ относительно фаз ИП варьируют на единицу. При этом, например, часть циклов второго типа формируют с W = 1, а оставшуюся часть - c W = 2. В табл. 2 приведены примеры такого формирования цикла четвертого типа из 7 циклов второго типа.

Среднее значение выходной частоты преобразователя, управляемого по предлагаемому способу, определяется формулой
f₂ = f₁V_c/(V_c + 2W_c),
где V_c и W_c - суммарные количества интервалов первого вида и интервалов второго вида соответственно в формируемом цикле третьего или четвертого типа.

Значения V_c и W_c в цикле третьего типа подсчитываются как
V_c - nV₁ + mV₂;
W_c - m + n,
а в цикле четвертого типа как
W_c - nW₁ + mW₂;
V_c - m + n,
где n - количество циклов первого или второго типа, в которых V = V₁, a W = W₁ соответственно, m - количество циклов первого или второго типа, в которых V = V₂ = V₁ + 1, a W = W₂ = W₁ - 1 соответственно.

В табл. 1 - 5, иллюстрирующих примеры формирования циклов по предлагаемому способу управления, приведены результаты расчета относительных значений выходной частоты преобразователя. Таблицы содержат примеры формирования циклов 3-го типа из циклов 1-го типа с варьированием на единицу значения V и циклов 4-го типа из циклов 2-го типа с варьированием на единицу значения W соответственно. Там же для сравнения приведены и отмечены знаком * аналогичные данные для выходной частоты преобразователя, управляемого известными способами [1, 2] , рассчитанные по формулам, приведенным в соответствующих источниках.

Как видно из приведенных данных, предлагаемый способ управления преобразователем позволяет в дополнение к значениям выходной частоты, получаемым известными способами управления, получить ряд монотонно нарастающих промежуточных значений выходной частоты и, тем самым, уменьшить дискретность ее формирования.

Использование в предлагаемом способе управления преобразователем циклов первого и второго типов в соответствующих диапазонах выходных частот и уменьшение дискретности формирования выходной частоты позволило решить задачу изобретения - обеспечить возможность плавного регулирования выходной частоты преобразователя во всем диапазоне частот от 0 до f₁.

В табл. 1 и 2 приведены примеры формирования циклов по предлагаемому способу управления при различных значениях m и n с фиксированным общим количеством (m + n) входящих циклов 1-го типа в цикле 3-го типа или 2-го типа в цикле 4-го типа. Примеры формирования циклов при изменяемом значении (m + n) по предлагаемому способу управления с учетом его развития иллюстрируют табл. 3, 4 и 5.

Табл. 3 и 4 иллюстрируют дополнительное уменьшение дискретности формирования f₂ в диапазоне частот f₁ > f₂ > f₁/3, достигаемое путем использования в циклах 3-го типа изменяемого числа циклов 1-го типа с одним значением V и фиксированного (например, равного 1) числа таких циклов с другим значением V.

Табл. 5 иллюстрирует достижение аналогичного эффекта в диапазоне частот f₂ < f₁/3 при использовании в циклах 4-го типа изменяемого числа циклов 2-го типа с одним значением W и фиксированного (например, равного 1) числа таких циклов с другим значением W.

Как видно из приведенных в табл. 3, 4 и 5 данных, развитие предлагаемого способа управления преобразователем обеспечивает получение дополнительных монотонно нарастающих промежуточных значений выходной частоты и тем самым позволяет дополнительно уменьшить дискретность ее формирования.

Предлагаемый способ управления преобразователем с нагрузкой в виде асинхронного двигателя был промоделирован на ЭВМ. Моделирование подтвердило возможность плавного регулирования выходной частоты преобразователя во всем диапазоне частот от 0 до f₁. Управление преобразователем путем счета импульсов перехода через ноль фазовых напряжений ИП существенно упрощает построение цифровой системы управления асинхронным электроприводом.

Основной областью промышленного применения предлагаемого способа является частотно-регулируемый электропривод асинхронных двигателей с микропроцессорным управлением.

Источники информации
1. Преобразователь частоты серии ТТС. Каталог 05.70.06-89. - М.: Информэлектро, 1989.

2. Авторское свидетельство СССР N 1372543, H 02 M 5/27, 1986.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к силовой преобразовательной технике, и может быть применено в частотно-регулируемых приводах с асинхронными двигателями для управления трехфазным непосредственным преобразователем частоты с естественной коммутацией, содержащим по меньшей мере восемнадцать управляемых вентилей (УВ), связывающих фазы источника питания (ИП) частотой f₁ с выходными фазными выводами (ФВ) преобразователя. Способ включает формирование выходного напряжения частотой f₂ из интервалов первого вида длительностью 1/6 f₁ каждый, в течение которых подключают ФВ раздельно к фазам ИП путем поочередного включения попарно-встречно-параллельно соединенных УВ, и из интервалов второго вида длительностью 1/3 f₁ каждый, в течение которых переключают ФВ относительно фаз ИП с сохранением заданного направления вращения обобщенного вектора трехфазного напряжения. При этом для частот f₂ выше f₁/3 образуют циклы первого типа из V интервалов первого вида и одного интервала второго вида, а для частот f₂ ниже f₁/3 - циклы второго типа из W интервалов второго вида и одного интервала первого вида. Из нескольких циклов первого типа образуют цикл третьего типа, а из нескольких циклов второго типа - цикл четвертого типа, в которых числа V внутри цикла третьего типа и W внутри цикла четвертого типа варьируют на единицу. Указанная совокупность признаков обеспечивает плавность регулирования выходной частоты преобразователя во всем диапазоне выходных частот 0 < f₂ < f₁, а формирование циклов первого и второго типов путем счета импульсов изменения полярности фазовых напряжений ИП позволяет упростить цифровую реализацию системы управления преобразователем, что является техническим результатом. 3 з.п. ф-лы, 5 табл., 1 ил.

1. Способ управления трехфазным непосредственным преобразователем частоты с естественной коммутацией, содержащим по меньшей мере восемнадцать управляемых вентилей (УВ), связывающих фазы источника питания (ИП) частотой f₁ с выходными фазными выводами (ФВ) преобразователя, заключающийся в том, что формируют выходное напряжение частотой f₂ из интервалов первого вида длительностью 1/6 f₁ каждый, в течение которых подключают ФВ раздельно к фазам ИП путем поочередного включения попарно-встречно-параллельно соединенных УВ, и из интервалов второго вида длительностью 1/3 f₁ каждый, в течение которых переключают ФВ относительно фаз ИП с сохранением заданного направления вращения обобщенного вектора трехфазного напряжения, при этом для частот f₂ выше f₁/3 образуют циклы первого типа из V интервалов первого вида и одного интервала второго вида, отличающийся тем, что для частот f₂ ниже f₁/3 образуют циклы второго типа из W интервалов второго вида и одного интервала первого вида, при этом из нескольких циклов первого типа образуют цикл третьего типа, а из нескольких циклов второго типа - цикл четвертого типа, в которых числа V внутри цикла третьего типа и W внутри цикла четвертого типа варьируют на единицу. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирование циклов первого и второго типов осуществляют путем счета импульсов изменения полярности фазовых напряжений ИП, причем при формировании циклов первого типа включение попарно-встречно-параллельно соединенных УВ осуществляют после 1-го и до V-го импульса счета, после V-го импульса счета запрещают включение очередных УВ и к (V+2)-му импульсу счета, который принимают за нулевой для следующего цикла, осуществляют следующее раздельное подключение ФВ к фазам ИП, а при формировании циклов второго типа после снижения тока ФВ до нуля и до 2W-го импульса счета осуществляют поочередное включение УВ в выпрямительном режиме в соответствующих группах УВ, соединенных с ФВ одноименными силовыми электродами, после 2W-го импульса счета запрещают включение в выпрямительном режиме очередного УВ соответствующей группы и формируют интервал первого вида путем ее перевода в инверторный режим, после (2W+1)-го импульса счета, который принимают за нулевой для следующего цикла, включают очередной УВ той же группы в инверторном режиме и после снижения до нуля тока соответствующего ФВ включают в выпрямительном режиме УВ другой группы того же ФВ. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что число циклов первого типа в цикле третьего типа с одним из варьируемых значений V изменяют, а с другим - фиксируют равным по меньшей мере единице. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что число циклов второго типа в цикле четвертого типа с одним из варьируемых значений W изменяют, а с другим - фиксируют равным по меньшей мере единице.