СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ Российский патент 2006 года по МПК H02M5/16 H02M9/06 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для преобразования частоты многофазного переменного тока двухзвенным непосредственным преобразователем частоты (ДНПЧ) путем предварительного выпрямления тока источника одной частоты с помощью активного выпрямителя (АВ) и последующего инвертирования выпрямленного тока в переменный ток другой частоты с помощью автономного инвертора (АИ) без промежуточного сглаживающего фильтра между ними и использованием на первом и втором этапах преобразования режимов широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Известны преобразователи частоты электромеханического типа, в которых переменное напряжение задающей частоты вначале преобразуют в постоянное напряжение (выпрямляют), а затем преобразуют в переменное напряжение заранее заданной амплитуды и частоты, так называемый электромашинный преобразователь, см. "ПТ-500", Машиностроение, 1965, техническое описание и Инструкция по эксплуатации.

Для этого выпрямленное напряжение используется для питания двигателя постоянного тока, на валу которого находится 3-фазный генератор переменного тока.

За внешней простотой этого способа видны следующие явные недостатки:

- большие габаритно-массовые характеристики (ГМХ);

- малая зона регулирования частоты, всего 10-15% от номинальной;

- низкая надежность из-за большого количества вращающихся и трущихся частей, токоподводов, щеток и пр.

Известна "Система управления мощным высоковольтным электроприводом на базе процессоров ЦОС TMS 320 С3х", см. ж. CHIP NEWS, №5, май 2003, стр.58-62, в которой применена схема преобразователя частоты (ПЧ) с 6-пульсным управляемым выпрямителем и 6-пульсным инвертором тока на однооперационных тиристорах.

Недостатком этой системы является большая схемная сложность, так число дискретных сигналов управления равно 24, число сигналов обратной связи - 12, еще несколько сигналов задания частоты, управления возбуждения и др., отладочных входов/выходов, внешних защит и блокировок, сигнальных выходов ≈16-24 и еще ряд сигналов. Все это потребовало целого ряда многослойных печатных плат, контроллера ЦОС, модулей нормализации сигналов, интерфейсной платы ввода/вывода, гальванического разделения и ряд других.

Эта схемная сложность влечет за собой трудности в настройке, периодической подстройке во время эксплуатации, также низкую надежность (вероятность безотказной работы). Несмотря на такую сложность, преобразователь формирует несинусоидальный ток двигателя.

Известны электронные двухзвенные преобразователи частоты (ДПЧ) с промежуточным звеном постоянного тока, состоящие из двух автономных инверторов напряжения (АИН), первый из которых работает в режиме активного выпрямителя, а второй - в режиме автономного инвертора; в звене постоянного тока устанавливается сглаживающий фильтр, см. "Двухзвенный преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока" в книге "Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты", автор Р.Т.Шрейнер, г.Екатеринбург, 2003 г., стр.278-280.

Данный тип преобразователей обладает следующими недостатками:

- наличие громоздкого фильтра звена постоянного тока, состоящего из дросселей и конденсаторов большой емкости;

- недостаточная надежность, присущая электролитическим конденсаторам.

Известен "Способ управления обратным преобразователем энергии переменного тока в энергию постоянного тока", в котором с целью формирования заданной формы и фазы переменных токов преобразователя, например синусоидальных сетевых токов с единичным коэффициентом мощности, из задающего обобщенного вектора переменных токов выделяют результативную составляющую. Затем по условию совпадения знаков компонент результативной составляющей путем выделения модулей формируют два времязадающих сигнала. Формируют два кусочно-линейных однополярных несущих сигнала, отличающихся знаками производных и, сравнивая каждый из них с одним из двух опорных сигналов, определяют моменты коммутации ключей мостовой схемы, см. Решение о выдаче Патента РФ по заявке №2001103591 с приоритетом от 07.02.2001 г.

Недостатком его при всех положительных качествах является невозможность его использования в чистом виде для непосредственного преобразования частоты переменного входного напряжения в частоту выходного: для этого требуется значительное усложнение схемы.

Известен способ преобразования частоты, см. статью "Концепция построения двухзвенных непосредственных преобразователей частоты для электроприводов переменного тока", ж. Электротехника, М., №12, 2002 г., стр.30-39. В данной концепции двухзвенный непосредственный преобразователь частоты (ДНПЧ) состоит из двух последовательно соединенных звеньев: активного выпрямителя (АВ) и автономного инвертора (АИ), между которыми отсутствует какой-либо сглаживающий фильтр, и только на входе устанавливается сетевой LC-фильтр. Коммутаторы АВ и АИ выполняются на полностью управляемых ключах с двухсторонней проводимостью. Нагрузкой преобразователя являются активно-индуктивные цепи, например, обмотки электрических двигателей переменного тока - ПРОТОТИП.

Применительно к ДНПЧ стандартные стратегии ШИМ требуют введения дополнительного этапа адаптации, устраняющей искажения значений управляемых координат из-за взаимного влияния высокочастотных составляющих дискретных коммутационных функций АВ и АИ. В ПРОТОТИПЕ задача адаптации решается на основе векторной стратегии ШИМ, предусматривающей расчет длительностей реализации ненулевых векторов коммутационных функций АВ и АИ на периоде ШИМ по стандартным методикам и взаимную адаптацию моментов коммутации ключей АВ и АИ на этапе формирования последовательности реализации соответствующих состояний ключей коммутаторов.

Недостатками векторной стратегии являются эвристический характер решения задачи адаптации на этапе формирования последовательности реализации состояний силовых ключей АВ и АИ, относительно высокие требования к вычислительным ресурсам управляющего устройства, отсутствие аппаратной поддержки стратегии адаптированной векторной ШИМ в современных серийно выпускаемых управляющих микропроцессорных устройствах.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности ДНПЧ за счет устранения отмеченных выше недостатков ПРОТОТИПА.

Указанная цель достигается на основе координатной стратегии ШИМ, предусматривающей адаптацию на этапе формирования модулирующих функций, основные положения которой раскрываются в заявляемом способе преобразования частоты следующим образом.

Предлагается способ преобразования частоты многофазного переменного тока путем предварительного выпрямления тока источника одной частоты с помощью активного выпрямителя и последующего инвертирования выпрямленного тока в переменный ток другой частоты с помощью автономного инвертора, использующий для первого и второго названных этапов преобразования широтно-импульсную модуляцию с формированием в каналах управления силовыми ключами активного выпрямителя и автономного инвертора модулирующих и высокочастотных опорных сигналов. В обеспечении вышеупомянутой адаптации один из каналов управления (например, канал управления силовыми ключами либо АВ, либо АИ) выполняет функцию ведущего, а второй канал управления (соответственно канал управления силовыми ключами АИ либо АВ) функцию ведомого. Сигналы управления силовыми ключами в ведущем канале формируются независимо от процессов формирования сигналов управления в ведомом, поэтому коммутационная функция силового коммутатора ведущего канала не зависит от коммутационной функции ведомого. Сигналы управления силовыми ключами в ведомом канале управления формируются с учетом сигналов управления в ведущем канале управления, поэтому коммутационная функция силового коммутатора ведомого канала зависит от коммутационной функции ведущего таким образом, что обеспечивается адаптация, устраняющая искажения значений управляемых координат (полезных составляющих выходных напряжений и входных токов преобразователя частоты) из-за взаимного влияния высокочастотных составляющих дискретных коммутационных функций АВ и АИ.

На фиг.1 изображена структурная схема преобразователя частоты, реализующего заявляемый способ для случая, когда ведущим является канал управления силовыми ключами АВ, а ведомым - канал управления силовыми ключами АИ. На фиг.2 изображены временные графики сигналов, получаемые на этапах преобразования, осуществляемых в канале управления силовыми ключами АВ. На фиг.3 представлены графики изменения во времени параметров мультипликативно-аддитивной адаптирующей предмодуляции, формируемых по сигналам в ведущем канале управления. Фиг.4 показаны основные этапы преобразования сигналов, осуществляемых в ведомом канале управления. На фиг.5 приведены временные диаграммы напряжений и токов в силовой схеме преобразователя. Реализуемость предлагаемого способа подтверждается приведенными на фиг.6 осциллограммами входных и выходных токов и напряжений, полученными на экспериментальной установке ДНПЧ с микропроцессорной системой управления.

На фиг.1 изображены следующие элементы: 1 - сеть, 2 - датчики напряжения (ДН), 3 - блок синхронизации (БС), 4 - сетевой фильтр, 5 - блок фазовой предмодуляции (БФП), 6 и 12 - первый и второй блоки амплитудной предмодуляции (БАП1 и БАП2) соответственно, 7, 14 - первый и второй широтно-импульсные модуляторы (ШИМ1 и ШИМ2) соответственно, 8 - блок фазовой демодуляции (БФД), 9 и 15 - силовые коммутаторы активного выпрямителя (АВ) и автономного инвертора (АИ), 10 - блок адаптации (БА), 11 - генератор опорных сигналов (ГОС), 13 - блок мультипликативно-аддитивного преобразования (БМАП), 16 - нагрузка (например, асинхронный электродвигатель). Расшифровка условных обозначений на временных диаграммах фиг.2, фиг.3 и фиг.4 дается ниже в расшифровке формул, описывающих основные этапы преобразования сигналов. На фиг.5 и фиг.6 обозначаются: u_a, i_a - сетевые фазные напряжение и ток; i_1а - входной ток коммутатора АВ; u_d, i_d - напряжение и ток на выходе АВ; u_2a, i_2a - фазные напряжение и ток на выходе АИ.

Сеть 1 через сетевой LC-фильтр 4 соединена с коммутатором АВ 9 и через датчики напряжения 2 с блоком синхронизации 3, на вход U_d которого поступают сигналы, задающие величину выходного напряжения и фазу входного тока АВ, его выход соединен с блоком фазовой предмодуляции 5, выход которого соединен со входом блока БАП1 6, выход последнего соединен с модулирующим входом блока ШИМ1 7 и со входом блока адаптации 10, синхровыход которого соединен с блоком генератора опорных сигналов 11, выходы которого соединены со входами для опорных сигналов блоков ШИМ1 7 и ШИМ2 14, а управляющие выходы блока адаптации 10 соединены с соответствующими входами блока мультипликативно-аддитивного преобразования 13; модулирующий сигнал, задающий коммутационную функцию АИ, поступает на вход блока БАШ 12, выход которого соединен с БМАП 13, два выхода последнего соединены с модулирующими входами блока ШИМ2 14; выход блока ШИМ1 7 через блок фазовой модуляции 8 соединен со входом управления состоянием силовых ключей коммутатора АВ 9, выход блока ШИМ2 14 соединен со входом управления состоянием силовых ключей коммутатора АИ 15, в свою очередь коммутатор АВ 9 соединен с коммутатором АИ 15, а силовой выход последнего соединен с нагрузкой 16.

Работа устройства по заявляемому способу. Синхронизация работы каналов управления силовыми ключами АВ и АИ осуществляется блоком ГОС 11. Модулирующие функции и (эталонные модулирующие функции), задающие коммутационные функции соответственно АВ и АИ, формируются в виде следующих гармонических колебаний:

и .

Здесь Ф₁, Ф₂, ϕ₁ и ϕ₂ заданные модули (длины) и фазы (углы поворота) векторов, изображающих эталонные модулирующие функции и , соответственно.

В канале управления силовыми ключами АВ выполняют следующие преобразования его эталонной модулирующей функции:

Формула (1) описывает реализуемую в блоке БФП 5 процедуру фазовой предмодуляции эталонной модулирующей функции АВ с поворотом ее изображающего вектора на угол π/6. Для этого используется матрица поворота

, где .

В случае формируется вектор

Последующая симметричная аддитивная предмодуляция (2), реализуемая блоком БАП1 6:

обеспечивает расширение диапазона регулирования АВ за счет добавления нейтральной составляющей , для формирования которой может быть использована третья гармоника, либо другие известный решения.

Далее в блоке ШИМ1 7 производится широтно-импульсная модуляция (3):

с использованием высокочастотного опорного сигнала φ_1oп(t) симметричной пилообразной формы.

Последующее линейное преобразование (4), реализуемое в блоке БФД 8, обеспечивает фазовую демодуляцию и нормирование сигналов, в результате чего формируются сигналы управления силовыми ключами АВ

В канале управления силовыми ключами АИ реализуют алгоритм ШИМ, дополненный процедурой адаптации

Формула (5) описывает реализуемую в блоке БАП2 12 процедуру симметричной аддитивной предмодуляции модулирующей функции , расширяющей диапазон регулирования выходного напряжения АВ

где - нейтральная составляющая.

Выражения (6), (7) описывают мультипликативно-аддитивное преобразование, осуществляемое в блоке БМАП 13 с целью адаптации коммутационной функции АИ к коммутационной функции АВ

; .

Параметры данного преобразования k₁, k₂, , определяются по сигналам канала управления силовыми ключами АВ , , с учетом амплитуд опорных сигналов Ф_1оп и Ф_2оп в каналах управления АВ и АИ следующим образом:

; ;

;

где

; ; - максимальное, минимальное и промежуточное текущие значения компонент вектора , соответственно.

По своему физическому смыслу k₁ и k₂ определяют сжатие, а и временное смещение неадаптированной коммутационной функции АИ с целью ее адаптации к коммутационной функции АВ.

Формулы (8), (9) определяют закон широтно-импульсной модуляции, реализуемый блоком ШИМ2 14:

; .

Формируемые на выходе ШИМ2 14 сигналы управления силовыми ключами АИ (10) определяется как

Принципиальная реализуемость предлагаемого способа преобразования частоты проверена методом компьютерного математического моделирования работы ДНПЧ с системой управления, построенной в соответствии со структурной схемой, приведенной на фиг.1. На фиг.2, фиг.3, фиг.4 и фиг.5 представлены некоторые результаты моделирования, иллюстрирующие основные этапы преобразования сигналов в каналах управления силовыми ключами АВ и АИ по заявляемому способу, а также осциллограммы обеспечиваемых им напряжений и токов в элементах силовой схемы ДНПЧ.

Практическая реализуемость предлагаемого способа преобразования частоты проверена на экспериментальном образце ДНПЧ с микропроцессорной системой управления. Некоторые результаты эксперимента представлены на фиг.6.

Можно констатировать, что заявляемый способ преобразования частоты обладает рядом преимуществ. Он органично связан с традиционными способами синусоидальной ШИМ, использующими опорный сигнал, и поэтому позволяет использовать при его практической реализации более развитую аппаратную поддержку современных серийно выпускаемых микропроцессорных средств управления, требует меньших вычислительных ресурсов управляющего устройства. В сравнении с ПРОТОТИПОМ заявляемый способ обладает строго обоснованной процедурой решения задачи адаптации на этапе формирования модулирующих функций для широтно-импульсной модуляции, а также автономностью процедуры адаптации от вида предмодулирующих воздействий, используемых для расширения диапазонов регулирования АВ и АИ.

Как видно из приведенных результатов математического моделирования и экспериментальных исследований, заявляемый способ обеспечивает формирование синусоидальных входных и выходных токов ДНПЧ, что позволяет квалифицировать его и как высококачественного регулируемого источника питания нагрузки, так и высококачественного потребителя электрической энергии переменного тока. Кроме того, заявляемый способ обеспечивает работу преобразователя как в режиме потребления электрической энергии из питающей сети, так и в режиме ее рекуперации в питающую сеть, что весьма важно для реализации энергосберегающих пуско-тормозных режимов в системах электроприводов переменного тока.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для преобразования частоты многофазного переменного тока. Достигаемый технический результат - устранение искажений полезных составляющих выходных напряжений. Способ преобразования частоты основан на том, что с помощью двух каналов управления управляют силовыми ключами активного выпрямителя и автономного инвертора, при этом в одном канале эталонный модулирующий сигнал, задающий коммутационную функцию, последовательно подвергают фазовой и амплитудной предмодуляциям, широтно-импульсной модуляции и фазовой демодуляции, а в другом - последовательно подвергают амплитудной и адаптирующей предмодуляциям и широтно-импульсной модуляции с использованием высокочастотного опорного сигнала. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ преобразования частоты многофазного переменного тока путем предварительного выпрямления тока источника одной частоты с помощью активного выпрямителя и последующего инвертирования выпрямленного тока в переменный ток другой частоты с помощью автономного инвертора без промежуточного сглаживающего фильтра между ними, использующий для первого и второго названных этапов преобразования широтно-импульсную модуляцию с формированием в каналах управления силовыми ключами активного выпрямителя и автономного инвертора модулирующих и высокочастотных опорных сигналов, отличающийся тем, что эталонный модулирующий сигнал, задающий коммутационную функцию активного выпрямителя, последовательно подвергают фазовой и амплитудной предмодуляциям, затем широтно-импульсной модуляции с использованием высокочастотного опорного сигнала и последующей фазовой демодуляции полученного широтно-импульсного сигнала, в результате чего формируют сигналы управления силовыми ключами активного выпрямителя, эталонный модулирующий сигнал, задающий коммутационную функцию автономного инвертора, последовательно подвергают амплитудной и адаптирующей предмодуляциям и широтно-импульсной модуляции с использованием высокочастотного опорного сигнала, в результате чего формируют сигналы управления силовыми ключами автономного инвертора.2. Способ преобразования частоты по п.1, отличающийся тем, что адаптирующая предмодуляция в канале управления силовыми ключами автономного инвертора представляет собой мультипликативно-аддитивное преобразование, параметры которого формируют по сигналам, полученным в результате амплитудной предмодуляции модулирующего сигнала в канале управления силовыми ключами активного выпрямителя и с учетом амплитуд опорных сигналов в каналах управления силовыми ключами активного выпрямителя и автономного инвертора.3. Способ преобразования частоты по п.1, отличающийся тем, что опорный сигнал широтно-импульсной модуляции в канале управления силовыми ключами автономного инвертора синхронизируют по фазе с опорным сигналом широтно-импульсной модуляции в канале управления силовыми ключами активного выпрямителя.4. Способ преобразования частоты многофазного переменного тока путем предварительного выпрямления тока источника одной частоты с помощью активного выпрямителя и последующего инвертирования выпрямленного тока в переменный ток другой частоты с помощью автономного инвертора без промежуточного сглаживающего фильтра между ними, использующий для первого и второго названных этапов преобразования широтно-импульсную модуляцию с формированием в каналах управления силовыми ключами активного выпрямителя и автономного инвертора модулирующих и высокочастотных опорных сигналов, отличающийся тем, что эталонный модулирующий сигнал, задающий коммутационную функцию автономного инвертора, последовательно подвергают амплитудной предмодуляции и широтно-импульсной модуляции с использованием высокочастотного опорного сигнала, в результате чего формируют сигналы управления силовыми ключами автономного инвертора, эталонный модулирующий сигнал, задающий коммутационную функцию активного выпрямителя, последовательно подвергают фазовой, амплитудной и адаптирующей предмодуляциям, затем широтно-импульсной модуляции с использованием высокочастотного опорного сигнала и последующей фазовой демодуляции полученного широтно-импульсного сигнала, в результате чего формируют сигналы управления силовыми ключами активного выпрямителя.5. Способ преобразования частоты по п.4, отличающийся тем, что адаптирующая предмодуляция в канале управления силовыми ключами активного выпрямителя представляет собой мультипликативно-аддитивное преобразование, параметры которого формируют по сигналам, полученным в результате амплитудной предмодуляции модулирующего сигнала в канале управления силовыми ключами автономного инвертора и с учетом амплитуд опорных сигналов в каналах управления силовыми ключами активного выпрямителя и автономного инвертора.6. Способ преобразования частоты по п.4, отличающийся тем, что опорный сигнал широтно-импульсной модуляции в канале управления силовыми ключами активного выпрямителя синхронизируют по фазе с опорным сигналом широтно-импульсной модуляции в канале управления силовыми ключами автономного инвертора.