Устройство управления инвертором с однополярной частотно-импульсной модуляцией Российский патент 2024 года по МПК H02M7/53846 

Изобретение относиться к электротехнике, предназначено для автоматического управления преобразователями энергии постоянного тока в энергию переменного тока методом однополярной частотно-импульсной модуляции и может быть использовано в электроприводах, построенных на базе безколлекторных двигателей постоянного тока, источниках энергообеспечения и бесперебойного питания вычислительной техники и медицинского оборудования.

Известно устройство для регулирования тока электродвигателя постоянного тока, содержащее тиристорный преобразователь в цепи питания электродвигателя, обратный диод, источник питания, датчик якорного тока, формирователь пилообразного напряжения, компаратор, три RS-триггера, шесть элементов И-НЕ, три элемента ИЛИ-НЕ, пять формирователей импульсов, генератор прямоугольных импульсов, два усилителя импульсов, задатчик эталонного напряжения (А.С. СССР №SU 1403320 А1, МПК4 H02P5/175, опубл. 15.06.88, БИ №22).

К недостаткам указанного устройства относятся низкая надежность из-за сложности реализации схемы релейного элемента в цепи обратной связи по току нагрузки и силовая часть не позволяет получить переменный ток в нагрузке из источника постоянного тока.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является устройство частотно-импульсного регулирования тока -нагрузки, состоящее из двух формирователей импульсов постоянной длительности, логических элементов И-НЕ, -триггера, компаратора, логического элемента ИЛИ-НЕ, генератора опорного задающего синусоидального сигнала и источника постоянного напряжения в цепи питания мостового инвертора, состоящего из четырех полупроводниковых ключей, -нагрузки и датчика тока (РФ №RU 2810553 C1, опубл. 27.12.2023, БИ №36).

К недостаткам указанного устройства относятся большие пульсации тока нагрузки, а, следовательно, гармонические искажения и коммутационные потери.

Технической задачей изобретения является снижение коэффициента пульсаций, гармонических искажений и коммутационных потерь силовых ключей за счет реализации однополярной частотно-импульсной модуляции.

Техническая задача решается тем, что в известное устройство, содержащее источник постоянного напряжения в цепи питания мостового инвертора, состоящего из четырех полупроводниковых ключей, -нагрузки, компаратора в цепи обратной связи, прямой вход компаратора соединен с выходом генератора опорного задающего синусоидального сигнала, выход компаратора подключен к входу логического элемента НЕ, а выход последнего - ко второму входу второго логического элемента И-НЕ, второй вход первого логического элемента И-НЕ соединен с выходом компаратора, первый вход первого и второго логических элементов И-НЕ соединены с выходами формирователей импульсов постоянной длительности, выходы двух логических элементов И-НЕ подключены к и входам управляющего -триггера, прямой и инверсный выходы -триггера подключены соответственно к входам двух формирователей импульсов постоянной длительности , введены датчик напряжения резистора нагрузки, дополнительные логический элемент НЕ и компаратор, прямой вход компаратора соединен с выходом генератора опорного задающего синусоидального сигнала, а инверсный вход компаратора заземлен, его выход подключен к управляющему входу первого силового ключа мостового инвертора и ко входу логического элемента НЕ, выход которого подключен к входу второго силового ключа мостового инвертора, и выходы -триггера подключены соответственно к входам третьего и четвертого силовым ключам мостового инвертора.

Основное отличие от схемы инвертора с двухполярной частотно-импульсной модуляцией (патент РФ №RU 2810553 C1, опубл. 27.12.2023, БИ №36) состоит в алгоритме управления силовыми ключами 2.1-2.4.

Силовые ключи 2.1 и 2.2 являются знакозадающими, т.е. определяют знак тока или напряжения на резисторе нагрузки, а ключи 2.3 и 2.4 - регулирующие, с помощью которых реализуется частотно-импульсная модуляция. На нагрузку инвертора приложены однополярные импульсы с амплитудой , что снижает коэффициент гармонических искажений и коммутационные потери (динамические потери) на силовых ключах 2.3 и 2.4.

При воспроизведении на нагрузке положительной полуволны задающего синусоидального сигнала алгоритм работы силовых ключей таков: 2.1 замкнут (силовой ключ открыт), 2.2 разомкнут (силовой ключ закрыт), и при воспроизведении отрицательной полуволны напряжения нагрузки - 2.1 разомкнут, а 2.2 замкнут.

Таким образом при реализации однополярной частотно-импульсной модуляции ключи 2.1 и 2.2 переключаются с постоянной частотой задающего синусоидального сигнала, а 2.3 и 2.4 - с переменной частотой модулятора, тогда как в схеме с двухполярной частотно-импульсной модуляцией все четыре ключа переключаются с переменной частотой импульсной модуляции.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства. Фиг.2 иллюстрирует формирование управляющих импульсов, а на фиг.3 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства. На фиг.1, фиг.2 и фиг.3 обозначено: - напряжение питания 1; - напряжение на резисторе нагрузки; - выходной сигнал датчика напряжения 11; - выходное напряжение генератора задающего синусоидального сигнала 4; - выходное напряжение компаратора 3; - напряжение прямого выхода управляющего триггера 10; - напряжение инверсного выхода триггера 10; и - сигналы на выходе формирователей импульсов постоянной длительности 8, 9; 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 - полупроводниковые силовые ключи инвертора 2; 2.5 --нагрузка.

Устройство управления инвертором с однополярной частотно-импульсной модуляцией напряжения -нагрузки, содержащее источник постоянного напряжения 1 в цепи питания мостового инвертора 2, состоящего из четырех полупроводниковых ключей 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, -нагрузки 2.5, компаратора 3 в цепи обратной связи, прямой вход компаратора соединен с выходом генератора опорного задающего синусоидального сигнала 4, выход компаратора подключен к входу логического элемента НЕ 5, а выход последнего - ко второму входу второго логического элемента И-НЕ 7, второй вход первого логического элемента И-НЕ 6 соединен с выходом компаратора, первый вход первого 6 и второго 7 логических элементов И-НЕ соединены с выходами формирователей импульсов постоянной длительности 8 и 9, выходы двух логических элементов И-НЕ 6 и 7 подключены к и входам управляющего -триггера 10, прямой и инверсный выходы -триггера 10 подключены соответственно к входам двух формирователей импульсов постоянной длительности 8 и 9, отличающееся тем, что с целью реализации однополярной частотно-импульсной модуляции введены датчик напряжения резистора нагрузки 11, логический элемент НЕ 13 и компаратор 12, прямой вход компаратора соединен с выходом генератора опорного задающего синусоидального сигнала 4, а инверсный вход компаратора заземлен, его выход подключен к управляющему входу первого силового ключа мостового инвертора 2.1 и ко входу логического элемента НЕ 13, выход которого подключен к входу второго силового ключа мостового инвертора 2.2, и выходы -триггера 10 подключены соответственно к входам третьего 2.3 и четвертого 2.4 силовым ключам мостового инвертора.

Выходной сигнал датчика напряжения 11, пропорциональный величине напряжения на нагрузке, поступает на инверсный вход компаратора 3, а на прямой вход последнего подается сигнал с генератора задающего синусоидального сигнала 4.

Сначала рассмотрим работу устройства при воспроизведении на нагрузке положительной полуволны задающего синусоидального напряжения (см. фиг.2, фиг.3). В этом случае силовой ключ 2.1 замкнут, а 2.2 - разомкнут (сигнал на выходе компаратора 12 равен уровню логической «1»). Ключи 2.3 и 2.4 реализуют частотно-импульсную модуляцию (фиг. 1.).

Пусть в исходном состоянии (в момент времени ) управляющий триггер 10 находится в «1». Сигнал прямого выхода триггера 10 замыкает ключ 2.4, а сигнал инверсного выхода 10 размыкает 2.2. В данном случае к нагрузке приложено положительное напряжение (фиг. 1). Ток нагрузки растет (растет напряжение ) под контролем компаратора 3.

При превышении сигнала обратной связи напряжения задающего синусоидального сигнала (в момент времени ) срабатывает компаратор 3, на выходе которого устанавливается состояние логического «0» и управляющий триггер 10 сбрасывается (устанавливается в состояние логического «0»).

В момент времени , когда триггер 10 сбрасывается («1»«0») по фронту сигала инверсного выхода триггера 10 запускается ждущий мультивибратор 9, формирующий импульс постоянной длительности . В течение временного промежутка блокируется прохождение выходного сигнала компаратора 3 на вход -триггера 10, устанавливающего 10 в состояние логической «1». В течение временного интервала ключ 2.3 замкнут, а 2.4 - разомкнут. К нагрузке прикладывается нулевое напряжение: ток нагрузки замыкается по цепи - - замкнутый ключ 2.3 - , протекает в том же направлении, как и когда 2.1 и 2.4 замкнуты, а 2.3 - разомкнут. Напряжение уменьшается (фиг. 1).

Форма напряжения полностью повторяет форму тока нагрузки. В конце указанного промежутка времени (в момент ) управляющий триггер 10 устанавливается вновь в «1». В момент времени по фронту сигнала запускается другой мультивибратор 8, формирующий импульс постоянной длительности (фиг.2). Так как временной интервал меньше , то импульс не влияет на сброс триггера 10. Когда триггер 10 находится в состоянии «1» ключ 2.3 размыкается и 2.4 - замыкается. Напряжение растет до момента , когда управляющий триггер 10 сбрасывается вновь, размыкая 2.3 и замыкая 2.4. Далее описанный процесс повторяется (см. фиг. 1., фиг.2 и фиг.3). Колебания напряжения нагрузки происходят ниже задающего сигнала.

В окрестности перехода на режим воспроизведения на нагрузке отрицательной полуволны задающего синусоидального сигнала, ключи 2.3 и 2.4 переключаются с частотой .

Работа схемы при воспроизведении на нагрузке отрицательной полуволны задающего синусоидального сигнала аналогична (см. фиг.2 и фиг.3). В этом случае силовой ключ 2.1 разомкнут, ключ 2.2 замкнут. Как мы отмечали ранее, ключи 2.1 и 2.2 являются знакозадающими и управляются элементом НЕ 13 и компаратором 12. Ключи 2.1 и 2.2 переключаются с частотой задающего синусоидального сигнала. В этом режиме, когда ключ 2.3 замыкается, а 2.4 размыкается, к нагрузке приложено отрицательное (обратное) напряжение и ток нагрузки растет по модулю, протекая в обратном направлении. Если же ключи 2.3 и 2.4 замыкаются, то как и при воспроизведении положительной полуволны, к нагрузке приложено нулевое напряжение. Ток нагрузки в этом режиме замыкается по цепи - - 2.4 - . Напряжения нагрузки совершает колебания выше задающего сигнала (см. фиг. 1., фиг.2 и фиг.3).

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для автоматического управления преобразованием энергии постоянного тока в энергию переменного тока методом однополярной частотно-импульсной модуляции и может быть использовано в электроприводах, построенных на базе бесколлекторных двигателей постоянного тока, источниках энергообеспечения и бесперебойного питания вычислительной техники и медицинского оборудования. Техническим результатом изобретения является реализация однополярной синусоидальной частотно-импульсной модуляции для снижения гармонических искажений и коммутационных потерь в силовых ключах. Устройство управления инвертором реализует однополярную частотно-импульсную модуляцию. При однополярной модуляции пара ключей первой стойки инвертора является знакозадающей воспроизводимого на нагрузке синусоидального сигнала, а другая пара ключей второй стойки реализует частотно-импульсную модуляцию. Знакозадающие ключи переключаются с частотой воспроизводимого сигнала, а другая пара ключей - с частотой модуляции. При этом к нагрузке приложены однополярные импульсы напряжения. Такой алгоритм управления инвертором по сравнению с прототипом, позволяет снизить гармонические искажения и коммутационные потери в силовых ключах. 3 ил.

Устройство управления инвертором с однополярной частотно-импульсной модуляцией, содержащее источник постоянного напряжения в цепи питания мостового инвертора, состоящего из четырех полупроводниковых ключей, $$RL$$-нагрузки, компаратора в цепи обратной связи, прямой вход компаратора первого канала управления соединен с выходом генератора опорного задающего синусоидального сигнала, выход компаратора подключен к входу логического элемента НЕ, а выход последнего – ко второму входу второго логического элемента И-НЕ, второй вход первого логического элемента И-НЕ соединен с выходом компаратора, первый вход первого и второго логических элементов И-НЕ соединены с выходами формирователей импульсов постоянной длительности, выходы двух логических элементов И-НЕ подключены к $$S$$ и $$R$$ входам управляющего $$RS$$-триггера, прямой $$Q$$ и инверсный $$\overline{Q}$$ выходы $$RS$$-триггера подключены соответственно к входам двух формирователей импульсов постоянной длительности $$\tau$$, отличающееся тем, что с целью реализации однополярной частотно-импульсной модуляции введены датчик напряжения резистора нагрузки, дополнительные логический элемент НЕ и компаратор, прямой вход компаратора соединен с выходом генератора опорного задающего синусоидального сигнала, а инверсный вход компаратора заземлен, его выход подключен к управляющему входу первого силового ключа мостового инвертора и ко входу логического элемента НЕ, выход которого подключен к входу второго силового ключа мостового инвертора, и выходы $$RS$$-триггера подключены соответственно к входам третьего и четвертого силовым ключам мостового инвертора.