Способ управления трехфазным инвертором напряжения Российский патент 2023 года по МПК H02M7/53862 

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано для управления трехфазными инверторами напряжения, работающими в составе частотно-регулируемого электропривода и источников бесперебойного питания.

Известен способ управления трехфазным инвертором напряжения, в соответствии с которым при значениях выходной мощности инвертора, близких к номинальной, происходит переход от способа классической векторной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) к модифицированному способу ШИМ выходного напряжения, при котором количество переключений ключей инвертора напряжения за период модуляции существенно уменьшается. Это позволяет снизить мощность коммутационных потерь на ключах инвертора [Полезная модель 168787, Российская Федерация, МПК Н02М 7/483. Устройство управления трехфазным трехуровневым инвертором напряжения с фиксированной нейтральной точкой / Т.Р. Храмшин, P.P. Храмшин, Г.П. Корнилов, И.Р. Абдулвелеев - №2016119099; заявл. 17.05.2016; опубл. 21.02.2017, Бюл. №6]. Недостаток данного способа заключается в том, что переход на модифицированный способ ШИМ выходного напряжения инвертора осуществляется в соответствии со значениями выходной мощности инвертора без учета температуры его ключей. Поскольку не оценивается тепловое состояние ключей, то момент перехода на модифицированный способ ШИМ выходного напряжения инвертора определяется неточно.

Наиболее близким по техническому решению является способ управления трехфазным инвертором напряжения, в соответствии с которым происходит переход к модифицированному способу ШИМ выходного напряжения на основании значения целевой функции, учитывающей как общие потери мощности в инверторе, так и потери в наиболее нагретой стойке ключей инвертора [Анучин, А.С. Минимизация и перераспределение коммутационных потерь в инверторе напряжения при использовании алгоритма широтно-импульсной модуляции с прогнозированием / А.С. Анучин, МА. Гуляева, Д.М. Шпак, Д.И. Алямкин, М.М. Лашкевич // Вестник МЭИ. - 2019. - №1. - с. 79]. Недостаток данного способа управления трехфазным инвертором напряжения заключается в том, что переход на модифицированный способ ШИМ выходного напряжения инвертора осуществляется только в той фазе инвертора, в которой температура ключей превышает пороговое значение. Это в свою очередь приводит к несимметрии в формируемой инвертором трехфазной системе напряжений.

В этой связи целью изобретения является разработка способа управления трехфазным инвертором напряжения, в основе которого применяется классическая векторная ШИМ, а переход на модифицированный способ ШИМ выходного напряжения инвертора осуществляется при температуре ключей выше порогового значения симметрично во всех фазах инвертора напряжения.

Техническим результатом предлагаемого способа управления является поддержание температуры ключей трехфазного инвертора напряжения в допустимых пределах при обеспечении симметричной трехфазной системы выходных напряжений инвертора за счет снижения количества переключений ключей на периоде ШИМ во всех фазах инвертора при превышении температуры ключей порогового значения.

Этот технический результат достигается за счет того, что в способе управления трехфазным инвертором напряжения, содержащим последовательно соединенные блок определения сектора, блок определения угла внутри сектора, блок расчета времени подключения базовых векторов и времени паузы, блок расчета модулирующих кривых напряжений, блок модификации модулирующих кривых напряжений, соединенный с блоком расчета углов привязки и блоком формирования импульсов управления ключами, который соединен с блоком формирования треугольного опорного напряжения широтно-импульсной модуляции, заключающимся в том, что напряжение на выходе трехфазного инвертора напряжения формируется в соответствии с алгоритмом классической векторной широтно-импульсной модуляции, в модулирующих кривых выходных напряжений трехфазного инвертора напряжения формируются участки, на которых значения модулирующих кривых выходных напряжений инвертора равны положительному значению амплитуды выходного фазного напряжения инвертора при формировании положительных полуволн выходных фазных напряжений инвертора, и равно отрицательному значению амплитуды выходного фазного напряжения инвертора при формировании отрицательных полуволн выходных фазных напряжений инвертора, длительность этих участков определяется углом привязки, который равен нулю при температуре радиатора инвертора меньше порогового значения и прямо пропорционален разности порогового и текущего значений температуры радиатора инвертора при температуре радиатора инвертора выше порогового значения, максимальное значение угла привязки равно 120 электрическим градусам.

На фиг. 1 представлена структурная схема системы управления трехфазным инвертором напряжения, содержащая последовательно соединенные блок 1 определения сектора, блок 2 определения угла внутри сектора, блок 3 расчета времени подключения базовых векторов и времени паузы, блок 4 расчета модулирующих кривых выходных напряжений, блок 5 модификации модулирующих кривых выходных напряжений, соединенный с блоком 6 расчета углов привязки и блоком 7 формирования импульсов управления ключами, который соединен с блоком 8 формирования треугольного опорного напряжения ШИМ. На вход блока 1 поступают амплитуда и угол вектора выходного напряжения инвертора, на вход блока 6 - температура радиатора инвертора, на вход блока 8 - частота ШИМ выходного напряжения инвертора, а на выходе блока 7 формируются импульсы управления ключами инвертора напряжения.

Формирование импульсов управления ключами трехфазного инвертора напряжения осуществляется следующим образом.

Блок 1, на вход которого подаются значения амплитуды и угла вектора выходного напряжения инвертора, вычисляет номер шестидесятиградусного сектора, в котором формируется выходной вектор напряжения инвертора. Блок 2 производит расчет угла выходного вектора напряжения внутри шестидесятиградусного сектора. По этим данным блок 3 в соответствии с системой уравнений (1) вычисляет время подключения базовых векторов и время паузы [Калачев Ю.Н., Векторное регулирование (заметки практика). - М.: Издательский дом МЭИ, 2013. - 72. с: ил.]:

где Т_б1 - длительность подключения первого базового вектора, о.е.;

T_б2 - длительность подключения второго базового вектора, о.е.;

T₀ - длительность подключения нулевого базового вектора, о.е.;

А - амплитуда вектора выходного напряжения инвертора, о.е.;

β - угол внутри шестидесятиградусного сектора, эл. град.

На основании рассчитанных времени подключения базовых векторов и времени паузы блок 4 формирует модулирующие кривые выходных напряжений инвертора в соответствии с алгоритмом классической векторной ШИМ.

На основании значения температуры радиатора трехфазного инвертора напряжения блок 6 рассчитывает углы привязки модулирующих кривых выходных напряжений инвертора к положительному или отрицательному значению амплитудного значения выходного фазного напряжения инвертора как величину, пропорциональную разности порогового и текущего значений температуры радиатора. Т.е. чем больше разность порогового и текущего значений температуры радиатора, тем больше угол привязки.

На основании углов привязки модулирующих кривых выходных напряжений инвертора к положительному или отрицательному значению амплитудного значения выходного фазного напряжения блок 5 производит модификацию модулирующих кривых выходных напряжений инвертора.

Если участок модулирующей кривой выходного напряжения инвертора находится в диапазоне угла привязки, то на данном участке значение модулирующей кривой выходного напряжения инвертора равно положительному значению амплитуды выходного фазного напряжения инвертора при формировании положительной полуволны выходного фазного напряжения инвертора и равно отрицательному значению амплитуды выходного фазного напряжения инвертора при формировании отрицательной полуволны выходного фазного напряжения инвертора.

Длительность этих участков определяется углом привязки, который равен нулю при температуре радиатора инвертора меньше порогового значения и прямо пропорционален разности порогового и текущего значений температуры радиатора инвертора при температуре радиатора инвертора выше порогового значения. Максимальное значение угла привязки ограничивается 120 электрическими градусами.

Коммутации ключей инвертора напряжения на участке модулирующей кривой выходного напряжения, находящейся в диапазоне угла привязки, не происходит.

Таким образом при превышении порогового значения температуры радиатора инвертора снижается количество переключений ключей на периоде ШИМ, что позволяет снизить динамические потери в ключах инвертора и, как следствие, их нагрев.

В блоке 7 производится сравнение модифицированных модулирующих кривых выходных напряжений инвертора и треугольного опорного напряжения ШИМ заданной частоты, формируемого блоком 8. В результате на выходе блока 7 формируются импульсы управления ключами трехфазного инвертора напряжения.

Для проверки предлагаемого способа управления трехфазным инвертором напряжения разработана имитационная модель в программе Matlab Simulink. В этой модели трехфазный инвертор напряжения, управляемый в соответствии с предлагаемым способом, работает на трехфазную симметричную активно-индуктивную нагрузку (активное сопротивление - 1 Ом, индуктивность - 0,5 мГн). На выходе инвертора формируется трехфазная система напряжений (действующее значение фазного напряжения - 220 В, частота - 50 Гц).

На каждой из фиг. 2-4 представлены:

- модулирующая кривая выходного напряжения инвертора;

- опорное напряжение ШИМ частотой 1 кГц;

- сигнал управления ключами фазы инвертора;

- выходное фазное напряжение;

- ток инвертора.

При этом на фиг. 2 угол привязки равен нулю (температура радиатора инвертора напряжения - ниже порогового значения), количество переключений ключей фазы инвертора равно 20 за период выходного напряжения инвертора, коэффициент нелинейных искажений кривой тока инвертора - 12,7%.

Динамические потери в ключах инвертора за период выходного напряжения определяются по формуле:

где P_VT - динамические потери в ключах, Вт;

E_ts - мощность потерь, выделяющаяся в одном ключе за один цикл переключения, Дж;

t_p - расчетное время, с;

N - количество переключений ключа.

Мощность потерь E_ts в ключах IXYK100N120C3, примененных в рассматриваемом примере согласно технической документации, равна 17,5 мДж.

На фиг. 3 угол привязки равен 60 электрическим градусам (температура радиатора инвертора напряжения - выше порогового значения), количество переключений ключей фазы инвертора равно 13 за период выходного напряжения, коэффициент нелинейных искажений кривой тока инвертора - 12,78%, мощность динамических потерь в этом случае, рассчитанная в соответствие с формулой (2) P_VT=68,25 Вт.

На фиг. 4 угол привязки равен 120 электрическим градусам (температура радиатора инвертора напряжения - выше порогового значения), количество переключений ключей фазы инвертора равно 7 за период выходного напряжения инвертора, коэффициент нелинейных искажений кривой тока инвертора - 13,2%, мощность динамических потерь, рассчитанная в соответствие с формулой (2) P_VT=36,75 Вт.

В результате проведенного моделирования установлено, что предлагаемый способ управления трехфазным инвертором обеспечивает снижение динамических потерь в ключах в 2,86 раза по сравнению с классической векторной ШИМ, при увеличении коэффициента нелинейных искажений в кривой тока на 0,5%.

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано для управления трехфазными инверторами напряжения, работающими в составе частотно-регулируемого электропривода и источников бесперебойного питания. Техническим результатом предлагаемого способа управления является поддержание температуры ключей трехфазного инвертора напряжения в допустимых пределах при обеспечении симметричной трехфазной системы выходных напряжений инвертора за счет снижения количества переключений ключей на периоде ШИМ во всех фазах инвертора при превышении температуры ключей порогового значения. Способ управления трехфазным инвертором напряжения, содержащим последовательно соединенные блок определения сектора, блок определения угла внутри сектора, блок расчета времени подключения базовых векторов и времени паузы, блок расчета модулирующих кривых напряжений, блок модификации модулирующих кривых напряжений, соединенный с блоком расчета углов привязки и блоком формирования импульсов управления ключами, который соединен с блоком формирования треугольного опорного напряжения широтно-импульсной модуляции, заключающийся в том, что напряжение на выходе трехфазного инвертора напряжения формируется в соответствии с алгоритмом классической векторной широтно-импульсной модуляции и отличающийся тем, что в модулирующих кривых выходных напряжений трехфазного инвертора напряжения формируются участки, на которых значения модулирующих кривых выходных напряжений инвертора равны положительному значению амплитуды выходного фазного напряжения инвертора при формировании положительных полуволн выходных фазных напряжений инвертора и равны отрицательному значению амплитуды выходного фазного напряжения инвертора при формировании отрицательных полуволн выходных фазных напряжений инвертора, длительность этих участков определяется углом привязки, который равен нулю при температуре радиатора инвертора меньше порогового значения и прямо пропорционален разности порогового и текущего значений температуры радиатора инвертора при температуре радиатора инвертора выше порогового значения, максимальное значение угла привязки равно 120 электрическим градусам. 4 ил.

Способ управления трехфазным инвертором напряжения, использующим последовательно соединенные блок определения сектора, блок определения угла внутри сектора, блок расчета времени подключения базовых векторов и времени паузы, блок расчета модулирующих кривых напряжений, блок модификации модулирующих кривых напряжений, соединенный с блоком расчета углов привязки и блоком формирования импульсов управления ключами, который соединен с блоком формирования треугольного опорного напряжения широтно-импульсной модуляции, заключающийся в том, что напряжение на выходе трехфазного инвертора напряжения формируется в соответствии с алгоритмом классической векторной широтно-импульсной модуляции, и отличающийся тем, что в модулирующих кривых выходных напряжений трехфазного инвертора напряжения формируются участки, на которых значения модулирующих кривых выходных напряжений инвертора равны положительному значению амплитуды выходного фазного напряжения инвертора при формировании положительных полуволн выходных фазных напряжений инвертора и равны отрицательному значению амплитуды выходного фазного напряжения инвертора при формировании отрицательных полуволн выходных фазных напряжений инвертора, длительность этих участков определяется углом привязки, который равен нулю при температуре радиатора инвертора меньше порогового значения, и прямо пропорционален разности порогового и текущего значений температуры радиатора инвертора при температуре радиатора инвертора выше порогового значения, максимальное значение угла привязки равно 120 электрическим градусам.