ТРЕХФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ Российский патент 2010 года по МПК H02M5/16 H02P27/00 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано, например, в инверторах частоты для управления трехфазными двигателями.

Известен трехфазный усилитель, содержащий три однофазных усилителя, питаемых от сети постоянного напряжения и управляемых от трехфазного источника сигналов, блоки формирования максимального, минимального, среднего между ними значений входных сигналов и три сумматора (патент РФ №2101849 С1, кл. Н03F 3/217, Н02Р 6/14, 1998) - [1].

Недостатком данного линейного усилителя являются большие потери мощности в усилителе.

Наиболее близким к заявляемому объекту по технической сущности и достигаемому результату является преобразователь частоты с трехфазным инвертором и широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), содержащий источник задающих сигналов, первую и вторую группы по три сумматора, первый-третий усилители, формирователь сигнала коррекции, формирователь линейно изменяющегося сигнала, первый-третий компараторы, первый-третий инверторы, драйвер, блок силовых ключей, питаемых от сети постоянного напряжения, блок трехфазной нагрузки, блок датчиков напряжений, причем выходы источника задающих сигналов подключены к первым входам первой группы сумматоров и к первому-третьему входам формирователя сигнала коррекции, выход которого соединен со вторыми входами первой группы сумматоров, выходы которых соединены с первыми входами второй группы сумматоров, вторые входы которых соединены с выходами блока датчиков напряжений, а их выходы соединены с входами первого-третьего усилителей соответственно, выходы которых соединены с первыми входами первого-третьего компараторов, вторые входы которых соединены с выходом формирователя линейно изменяющего сигнала, а их выходы соединены с первым-третьим входами драйвера и с входами первого-третьего инверторов соответственно, выходы которых соединены с четвертым-шестым входами драйвера соответственно, первый-двенадцатый выходы которого соединены с первым-двенадцатым входами блока силовых ключей соответственно, выходы которого соединены с зажимами блока трехфазной нагрузки и с входами блока датчиков напряжений соответственно (см. Keliang Zhou and Danwei Wang. Relationship Between Space-Vector Modulation and Three-Phase Carrier-Based PWM: A Comprehensive Analysis. IEEE transactions on industrial electronics, vol. 49, № 1, February 2002, page 186-196) - [2].

В прототипе расширена линейная зона выходного напряжения на 15% благодаря добавлению сигнала коррекции , но при этом не достигается минимума мощности потерь в системе трехфазного преобразователя частоты - нагрузка от ШИМ.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в минимизации мощности потерь в трехфазной нагрузке, связанной с ШИМ, при сохранении максимальной линейной зоны выходного напряжения.

Технический результат достигается тем, что в трехфазном преобразователе частоты, содержащем источник задающих сигналов u_a, u_b, u_c, первую группу из трех сумматоров, вторую группу из трех сумматоров, первый-третий усилители, формирователь сигнала коррекции u_к, формирователь линейно изменяющегося сигнала, первый-третий компараторы, первый-третий инверторы, драйвер, блок силовых ключей, питаемых от сети постоянного напряжения, блок трехфазной нагрузки, блок датчиков напряжений, причем первый-третий выходы источника задающих сигналов подключены к первым входам первой группы сумматоров и к первому-третьему входам формирователя сигнала коррекции соответственно, вторые входы первого-третьего компараторов соединены с выходом формирователя линейно изменяющего сигнала, а их выходы соединены с первым-третьим входами драйвера и с входами первого-третьего инверторов соответственно, выходы которых подключены к четвертым-шестым входами драйвера соответственно, первый-двенадцатый выходы которого соединены с первым-двенадцатым входами блока силовых ключей соответственно, выходы которого соединены с зажимами блока трехфазной нагрузки и с входами блока датчиков напряжений соответственно, новым является то, что формирователь сигнала коррекции выполнен с возможностью реализации функции

с ограничением величин u_a+u_k, u_b+u_k, u_c+u_k в пределах линейно изменяющегося сигнала, причем вторые входы первой группы сумматоров соединены с выходами блока датчиков напряжений, а их выходы соединены со входами первого-третьего усилителей, выходы которых соединены со вторыми входами второй группы сумматоров, первые входы которых соединены с выходами источника задающих сигналов, а их третьи входы соединены с выходом формирователя сигнала коррекции, выходы второй группы сумматоров соединены с первыми входами первого-третьего компараторов соответственно.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1-5, где:

фиг.1 - функциональная схема трехфазного преобразователя частоты;

фиг.2 - графики зависимости мощности потерь в нагрузке от амплитуды сигнала коррекции при ее изменении в пределах (0,1-0,3)U_m и U_m<U_лm;

фиг.3 - графики мощности потерь в нагрузке с коррекцией, без коррекции и в случае линейного усилителя;

фиг.4 - графики сигнала коррекции в области расширенной линейной зоны выходного напряжения;

фиг.5 - графики сигнала управления по возмущению в области расширенной линейной зоны выходного напряжения.

Здесь: 1 - источник задающих сигналов; 2-4 - первая группа сумматоров; 5-7 - вторая группа сумматоров; 8-10 - первый-третий усилители; 11 - формирователь сигнала коррекции; 12 - формирователь линейно изменяющегося сигнала; 13-15 - первый-третий компараторы; 16-18 - первый-третий инверторы; 19 - драйвер; 20 - блок силовых ключей; 21 - блок трехфазной нагрузки; 22 - блок датчиков напряжений.

Выходы источника 1 задающих сигналов подключены к первым входам первой и второй группы сумматоров 2-7 соответственно и к первому-третьему входам формирователя 11 сигнала коррекции, выход которого соединен с третьими входами второй группы сумматоров 5-7, вторые входы которых соединены с выходами усилителей 8-10 соответственно, входы которых соединены с выходами первой группы сумматоров 2-4 соответственно, вторые входы которых соединены с выходами блока 22 датчиков напряжений соответственно, выход формирователя 12 линейно изменяющего сигнала соединен со вторыми входами компараторов 13-15, первые входы которых соединены с выходами второй группы 5-7 сумматоров соответственно, а их выходы соединены с первым-третьим входами драйвера 19 и со входами инверторов 16-18, выходы которых соединены с четвертым-шестым входами драйвера 19 соответственно, первый-двенадцатый выходы которого соединены с первым-двенадцатым входами блока 20 силовых ключей соответственно, выходы которого соединены с зажимами блока 21 трехфазной нагрузки и с входами блока 22 датчиков напряжений соответственно.

Трехфазный преобразователь частоты работает следующим образом. На выходе блока задающих сигналов формируются три сигнала u_a, u_b, u_c. Эти сигналы поступают на первый-третий входы формирователь 11 сигнала коррекции, который вырабатывает сигнал коррекции u_k для минимизации мощности потерь в нагрузке. Сигнал коррекции добавляется к задающим сигналам сумматорами 5-7, результирующие сигналы или сигналы управления по возмущению сравниваются компараторами 13-15 с линейно изменяющимся сигналом u_л, имеющим частоту ШИМ. Их выходные сигналы с широтно-импульсной модуляцией инвертируются инверторами 16-18. Сигналы компараторов и инверторов подаются на драйвер 19, который вырабатывает сигналы для управления силовыми ключами блока 20, питаемыми от сети постоянного напряжения U₀.

На выходах блока 20 силовых ключей формируются импульсы напряжений, средние значения которых равны требуемым напряжениям на фазах нагрузки с добавлением требуемого потенциала ее нейтрали. В результате фазные напряжения на сопротивлениях нагрузки изменяются по законам

а напряжение на нейтрали относительно земли

где k_y=U₀/2u_лm - коэффициент усиления трехфазного преобразователя частоты, а u_лm - амплитуда линейно изменяющегося сигнала u_л.

Для повышения точности работы схемы при отклонении ее параметров от номинальных значений на базе сумматоров 5-7 реализуется принцип комбинированного управления по возмущению и по отклонению. Для этого блок 22 датчиков напряжений вырабатывает три сигнала ū_a, ū_b, ū_c, соответствующие напряжениям на трехфазной нагрузке. Эти сигналы вычитаются из задающих сигналов u_a, u_b, u_c сумматорами 2-4 соответственно и усиливаются усилителями 8-10, на выходах которых получаются сигналы управления по отклонению

эти сигналы добавляются к сигналам управления по возмущению сумматорами 5-7.

В результате экспериментальных исследований установлено, что сигнал коррекции u_k в зависимости от задающих сигналов в каждый момент времени t определяется по следующему алгоритму.

1. Формируется сигнал

В случае, когда u_a, u_b, u_c являются трехфазной системой синусоидальных напряжений, уравнение (4) примет вид

2. Вырабатываются сигналы

3. Вырабатываются сигналы

4. а) Если U_max>u_лm, вырабатываются сигнал разницы

б) Если u_min<-u_лm, вырабатывается сигнал разницы

в) Иначе

5. Вырабатывается сигнал коррекции u_к=ū_к-u_раз на выходе формирователя 11 сигнала коррекции.

При условиях U₀=300 В, u_a=U_msin(ω_иt), , , U_лm=1 В, частота выходного напряжения ƒ_и=50 Гц, частота линейно изменяющегося сигнала ƒ=5 кГц, нагрузка включает в себя резистор r_H=5 Ом, индуктивность L_H=5 мГн и источник ЭДС. ЭДС формируют трехфазную систему e_A=Е_msin(ω_иt), , , где E_m=140 В. Были проведены численные эксперименты для U_m<U_лm и для .

На фиг.2 показаны результаты первого эксперимента: зависимость мощности потерь в нагрузке от амплитуды сигнала коррекции при ее изменении в пределах (0,1-0,3)U_m при U_m<U_лm. Здесь видно, что минимальная средняя мощность потерь в нагрузке получается при амплитуде сигнала коррекции . При коррекции с амплитудой, предлагаемой в прототипе , средняя мощность потерь в нагрузке увеличивается.

На фиг.3 показаны результаты второго эксперимента с U_m<U_лm: 1 - средняя мощность потерь в нагрузке без коррекции за период ШИМ; 2 - средняя мощность потерь в нагрузке без коррекции за треть периода синусоидального напряжения; 3 - средняя мощность потерь в нагрузке с коррекцией за период ШИМ; 4 - средняя мощность потерь в нагрузке с коррекцией за треть периода; 5 - средняя мощность потерь в нагрузке при линейном усилителе, т.е. без пульсаций тока из-за ШИМ. На фиг.3 видно, что дополнительная средняя мощность потерь в нагрузке из-за ШИМ с коррекцией снизилась на 33,33% сравнительно с этой мощностью без коррекции.

На фиг.4 показаны результаты третьего эксперимента: 1 - сигнал коррекции без сохранения максимальной линейной зоны выходного напряжения; 2 - сигнал коррекции при сохранении максимальной линейной зоны выходного напряжения. Здесь амплитуда задающих сигналов равна , которая соответствует максимальной линейной зоне выходного напряжения на уровне 1,15 В.

На фиг.5 показаны для четвертого эксперимента, при , сигналы управления по возмущению при отсутствии сигналов управления по отклонению: 1 - сигнал управления без сохранения максимальной линейной зоны выходного напряжения; 2 - сигнал управления при сохранении максимальной линейной зоны выходного напряжения. Видно, что при управлении без учета линейной зоны выходного напряжения сигналы управления по возмущению превышают максимальную амплитуду, и в выходном напряжении появляются насыщение и искажение. С учетом линейной зоны выходного напряжения сигналы управления по возмущению не выходят из пределов линейно изменяющегося сигнала, что сохраняет линейную зону выходного напряжения.

Таким образом, благодаря выполнению формирователя сигнала коррекции с возможностью реализации функции

с ограничением величин u_a+u_к, u_b+u_к, u_c+u_к в пределах линейно изменяющегося сигнала, трехфазный преобразователь частоты способен работать с лучшими энергетическими показателями, т.е. снижение мощности потерь в нагрузке из-за ШИМ при уравновешенных законах изменения трехфазных задающих напряжений при сохранении максимального линейного зона выходного напряжения.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в минимизации мощности потерь в трехфазной нагрузке, связанной с ШИМ, при сохранении максимальной линейной зоны выходного напряжения. Схема трехфазного преобразователя частоты содержит источник u_a, u_b, u_с задающих сигналов (1), первую группу сумматоров (2-4), вторую группу сумматоров (5-7), первый-третий усилители (8-10), формирователь сигнала коррекции (11), формирователь линейно изменяющегося сигнала (12), первый-третий компараторы (13-15), первый-третий инверторы (16-18), драйвер (19), блок силовых ключей (20), блок трехфазной нагрузки (21), блок датчиков напряжений (22). Благодаря выполнению формирователя сигнала коррекции (11) с возможностью реализации функции с ограничением величин u_a+u_k, u_b+u_k, u_c+u_k в пределах линейно изменяющегося сигнала трехфазный преобразователь частоты способен работать с лучшими энергетическими показателями, т.е. со снижением мощности потерь в нагрузке из-за ШИМ при уравновешенной системе задающих напряжений и сохранении максимальной линейной зоны выходного напряжения без усложнения трехфазного преобразователя частоты. 5 ил.

Трехфазный преобразователь частоты, содержащий источник задающих сигналов u_a, u_b, u_с, первую группу из трех сумматоров, вторую группу из трех сумматоров, первый - третий усилители, формирователь сигнала коррекции u_k, формирователь линейно изменяющегося сигнала, первый - третий компараторы, первый - третий инверторы, драйвер, блок силовых ключей, питаемых от сети постоянного напряжения, блок трехфазной нагрузки, блок датчиков напряжений, причем первый - третий выходы источника задающих сигналов подключены к первым входам первой группы сумматоров и к первому - третьему входам формирователя сигнала коррекции соответственно, вторые входы первого - третьего компараторов соединены с выходом формирователя линейно изменяющего сигнала, а их выходы соединены с первым - третьим входами драйвера и с входами первого - третьего инверторов соответственно, выходы которых соединены с четвертым - шестым входами драйвера соответственно, первый - двенадцатый выходы которого соединены с первым - двенадцатым входами блока силовых ключей соответственно, выходы которого соединены с зажимами блока трехфазной нагрузки и с входами блока датчиков напряжений соответственно, отличающийся тем, что формирователь сигнала коррекции выполнен с возможностью реализации функции с ограничением величин u_a+u_k, u_b+u_k, u_c+u_k в пределах линейно изменяющегося сигнала, причем вторые входы первой группы сумматоров соединены с выходами блока датчиков напряжений, а их выходы соединены со входами первого - третьего усилителей, выходы которых соединены со вторыми входами второй группы сумматоров, первые входы которых соединены с выходами источника задающих сигналов, а их третьи входы соединены с выходом формирователя сигнала коррекции, выходы второй группы сумматоров соединены с первыми входами первого - третьего компараторов соответственно.