Способ синхронизации трехфазных инверторов напряжения Российский патент 2025 года по МПК H03L7/00 H02M7/17 

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано для организации параллельной работы трехфазных инверторов напряжения с целью увеличения мощности подключаемой нагрузки, а также для повышения надежности электропитания за счет резервирования.

Известна система синхронизации транзисторных инверторов, содержащая параллельно соединенные задающие генераторы, характеризующаяся тем, что каждый задающий генератор включает генератор пилообразного напряжения и фильтр низких частот, представляющий собой два каскадно-соединенных RC-фильтра, перед которыми введены неинвертирующие усилители, подключенные непосредственно к соответствующим выходам генераторов пилообразного напряжения. Каждый генератор пилообразного напряжения включает операционный усилитель, делитель напряжения и RC-цепочку для формирования пилообразного напряжения, причем для улучшения выходных характеристик фильтров между каскадами введены повторители, выполняющие функцию усилителей мощности, а для синхронизации синусоидальных напряжений на выходах задающих генераторов выходы фильтров низких частот электрически соединены между собой. При этом для предотвращения возникновения тока короткого замыкания фильтры низких частот соединены между собой через повторители и резисторы (ПМ RU 128805 «Система синхронизации транзисторных инверторов», МПК H03L7/00, опубл. 27.05.2013 г.).

Недостаток данного способа синхронизации заключается в том, что представленная система не применима для включения на параллельную работу инверторов, расположенных удаленно относительно друг друга (на расстоянии в несколько метров и более), так как аналоговый сигнал синхронизации инверторов, формируемый задающими генераторами, может сильно искажаться за счет наведенных помех.

Известен способ обеспечения групповой работы инверторных преобразователей путем осуществления синхронизации ведомого преобразователя по тактовой частоте ведущего преобразователя. При этом равенство выходных токов преобразователей при допустимом их дисбалансе достигают путем снятия для каждого отдельного инвертора его нагрузочной характеристики, при котором с помощью системы управления устанавливают начальную величину нагрузочного тока, изменяют сопротивление нагрузки при фиксированном значении уставки тока, измеряют значения напряжений и токов в выбранных точках и производят их сравнение, а также измеряют фазовый сдвиг и скважность импульсов на выходе инверторов на этапе их проектирования. Затем производят их сравнение и подстройку для обеспечения идентичности нагрузочных характеристик, фазы и скважности выходных импульсов тока (патент RU 2517199 «Способ обеспечения групповой работы инверторных преобразователей», МПК H02M7/00, H02J3/38, опубл. 27.05.2014 г.).

Недостаток данного способа обеспечения групповой работы инверторных преобразователей заключается в необходимости передачи высокочастотного тактового сигнала от ведущего преобразователя к ведомым. Для гарантированной передачи такого сигнала по проводникам на расстояния в десятки сантиметров и более необходимо использовать быстродействующий усилитель, который сложен схемотехнически. Также подстройку фазового сдвига и скважности импульсов на выходе преобразователей необходимо производить не только на этапе проектирования, но и постоянно в процессе эксплуатации преобразователей, так как эти параметры достаточно сильно зависят от температуры окружающей среды, в которой функционируют преобразователи.

Наиболее близким по техническому решению является способ управления статическими стабилизированными источниками переменного напряжения, работающими параллельно на общую нагрузку. Способ управления заключается в том, что измеряют мгновенное значение общего напряжения и для каждого источника мгновенные значения выходных токов. Мгновенные значения общего напряжения и выходного тока каждого источника преобразуют из трехфазной abc-системы координат во вращающуюся с постоянной частотой Ω двухфазную dq-систему координат, формируют эталонные сигналы для d- и q-составляющих общего напряжения источников, формируют сигналы, пропорциональные d- и q-составляющим общего напряжения, формируют сигналы, пропорциональные d- и q-составляющим токов источников. Для каждого источника формируют первый разностный сигнал и второй разностный сигнал, первый сигнал сравнения и второй сигнал сравнения путем интегрирования соответствующих первого и второго разностных сигналов. Формируют d- и q-составляющие управляющего сигнала пропорционально сигналам сравнения, формируют амплитуду и фазу модулирующих сигналов обратным преобразованием d- и q-составляющих управляющих сигналов из двухфазной dq-системы координат в трехфазную abc-систему координат. При этом один из параллельно работающих источников выбирают ведущим а остальные - ведомыми, причем первый разностный сигнал ведущего источника формируют путем вычитания сигнала, пропорционального d-составляющей общего напряжения из эталонного сигнала для d-составляющей общего напряжения, второй разностный сигнал ведущего источника формируют путем вычитания сигнала, пропорционального q-составляющей общего напряжения из эталонного сигнала для q-составляющей общего напряжения. Для остальных ведомых источников первый разностный сигнал формируют путем вычитания сигнала, пропорционального d-составляющей тока ведомого источника из сигнала, пропорционального d-составляющей тока ведущего источника, второй разностный сигнал формируют путем вычитания сигнала, пропорционального q-составляющей тока ведомого источника из сигнала, пропорционального q-составляющей тока ведущего источника (Патент RU 2472281 «Способ управления статическими стабилизированными источниками переменного напряжения, работающими параллельно на общую нагрузку», МПК H02M7/17, H02M7/23, H02M7/493, H02P13/00, опубл. 10.01.2013 г.).

Недостаток данного способа управления заключается в том, что для каждого источника переменного напряжения необходимо использовать три датчика напряжения и три датчика тока, которые должны обладать высокой точностью. В противном случае при преобразовании координат велика вероятность возникновения ошибки, которая приведет к сдвигу по фазе выходных напряжений источников переменного напряжения. Также для передачи вычисленных в ведущем источнике d- и q-составляющих управляющих сигналов требуется быстродействующий канал связи, так как эти сигналы нужно будет передавать с частотой, превышающей несущую частоту широтно-импульсной модуляции (ШИМ) силовых транзисторов источников переменного напряжения, которая обычно лежит в диапазоне от 4 кГц до 20 кГц.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способа, повышающего точность синхронизации трехфазных инверторов напряжения, работающих параллельно на общую нагрузку.

Технический результат достигается благодаря тому, что в разработанном способе синхронизации трехфазных инверторов напряжения так же, как и в способе-аналоге, один из параллельно работающих инверторов напряжения выбирают ведущим, а остальные – ведомыми. Новым является то, что синхронизацию опорных сигналов генераторов широтно-импульсной модуляции параллельно работающих инверторов напряжения осуществляют с помощью цикличной передачи по цифровому последовательному интерфейсу связи от ведущего инвертора напряжения ведомым инверторам напряжения глобальных сообщений, содержащих флаги синхронизации, при получении которых ведомые инверторы напряжения производят сброс опорных сигналов генераторов широтно-импульсной модуляции.

Изобретение поясняется следующими фигурами.

На фиг.1 показана функциональная схема включения трехфазных инверторов напряжения на параллельную работу.

На фиг.2 показана диаграмма работы трехфазных инверторов напряжения при параллельной работе.

Структуры ведущего инвертора напряжения 1.1 и ведомых инверторов напряжения 1.2 и 1.n, работающих параллельно на общую нагрузку 2, идентичны (фиг.1). Блоки 3.1, 3.2 и 3.n систем управления соответственно ведущего инвертора напряжения 1.1 и ведомых инверторов напряжения 1.2 и 1.n подключаются к цифровому последовательному интерфейсу связи 4. Выходы блоков 3.1, 3.2 и 3.n систем управления подключены к входам блоков 5.1, 5.2 и 5.n силовых полупроводниковых ключей, к выходам которых подключены фильтры напряжения 6.1, 6.2 и 6.n. К выходам фильтров напряжения 6.1, 6.2 и 6.n подключены узлы измерения 7.1, 7.2 и 7.n выходных токов и напряжений инверторов. Входы блоков 5.1, 5.2 и 5.n силовых полупроводниковых ключей подключены к питающей электрической сети. Выходы узлов измерения 7.1, 7.2 и 7.n выходных токов и напряжений инверторов подключены к блокам 3.1, 3.2 и 3.n систем управления.

При запуске ведущего инвертора напряжения 1.1 и ведомых инверторов напряжения 1.2 и 1.n в момент времени t0 опорные сигналы ОС1, ОС2 и ОСn инверторов, используемые для формирования сигнала ШИМ, как правило, не совпадают по фазе (фиг.2).

До того момента, пока не произойдет синхронизация опорных напряжений инверторов по цифровому последовательному интерфейсу связи 4 (момент времени t1 на фиг.2), ведущий инвертор напряжения 1.1 и ведомые инверторы напряжения 1.2 и 1.n не формируют выходные напряжения (ведущий инвертор 1.1 – напряжения Ua1, Ub1, Uc1; ведомый инвертор 1.2 – напряжения Ua2, Ub2, Uс2; ведомый инвертор 1.n – напряжения Uan, Ubn, Ucn).

С целью синхронизации опорных напряжений ведущего инвертора 1.1 и ведомых инверторов 1.2 и 1.n в момент времени t1, когда опорный сигнал ШИМ ОС1 ведущего инвертора 1.1 равен нулю, блок 3.1 системы управления ведущего инвертора напряжения 1.1 формирует глобальное сообщение, содержащее флаг синхронизации и текущие уставки выходного тока, напряжения и частоты ведущего инвертора 1.1 и ведомых инверторов напряжения 1.2 и 1.n.

Блоки 3.2 и 3.n систем управления ведомых инверторов 1.2 и 1.n при получении этого сообщения по цифровому последовательному интерфейсу связи 4 производят сброс опорных сигналов ШИМ ОС2 и ОСn в нуль (момент времени t1 на фиг.2). Тем самым опорные сигналы ШИМ ОС2 и ОСn ведомых инверторов напряжения 1.2 и 1.n синхронизируются с опорным сигналом ШИМ ОС1 ведущего инвертора напряжения 1.1.

Далее блок 3.1 системы управления ведущего инвертора напряжения 1.1 формирует глобальные сообщения, содержащие флаги синхронизации и текущие уставки выходного тока, напряжения и частоты инверторов, каждый период опорного сигнала ШИМ ОС1 в момент его равенства нулю. При этом блоки 3.2 и 3.n систем управления ведомых инверторов 1.2 и 1.n при получении этих сообщений по цифровому последовательному интерфейсу связи 4 производят корректировку своих опорных сигналов ШИМ ОС2 и ОСn путем сброса их в нуль (моменты времени t2, t3,…tm на фиг.2).

Таким образом синхронизируются опорные сигналы ШИМ ведущего инвертора напряжения 1.1 и ведомых инверторов напряжения 1.2 и 1.n.

В соответствии с опорными сигналами ШИМ ОС1, ОС2 и ОСn блоки 3.1, 3.2 и 3.n систем управления формируют управляющие импульсы, поступающие на блоки 5.1, 5.2 и 5.n силовых транзисторов ведущего инвертора напряжения 1.1 и ведомых инверторов напряжения 1.2 и 1.n.

При этом синусоиды выходных напряжений фазы А инверторов (Ua1, Ua2 и Uan) синхронизированы с опорными сигналами ШИМ ОС1, ОС2 и ОСn, а синусоиды выходных напряжений фазы В инверторов (Ub1, Ub2 и Ubn) и фазы С инверторов (Uc1, Uc2 и Uc1n) сдвинуты на угол 120 и 240 эл. градусов.

Выходные напряжения, формируемые блоками 5.1, 5.2 и 5.n силовых транзисторов, фильтруются фильтрами напряжения 6.1, 6.2 и 6.n.

Информация о текущих значениях выходных токов и напряжений ведущего инвертора напряжения 1.1 и ведомых инверторов напряжения 1.2 и 1.n от узлов измерения 7.1, 7.2 и 7.n поступает на блоки 3.1, 3.2 и 3.n систем управления.

Таким образом, разработанный способ позволяет повысить точность синхронизации трехфазных инверторов напряжения, работающих параллельно на общую нагрузку за счет синхронизации опорных сигналов, используемых для формирования сигналов ШИМ инверторов, посредством цифрового последовательного интерфейса связи.

По данным научно-технической и патентной литературы авторам неизвестна заявляемая совокупность признаков, направленная на достижение поставленной задачи, что позволяет сделать вывод о соответствии решения уровню изобретения.

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано для организации параллельной работы трехфазных инверторов напряжения. Технический результат изобретения – повышение точности синхронизации выходных напряжений инверторов, работающих параллельно на общую нагрузку. Этот технический результат достигается за счет того, что синхронизация опорных сигналов генераторов широтно-импульсной модуляции инверторов напряжения, работающих параллельно на общую нагрузку, осуществляется с помощью цикличной передачи по цифровому последовательному интерфейсу от ведущего инвертора ведомым инверторам глобальных сообщений, содержащих флаги синхронизации, при получении которых ведомые инверторы напряжения производят сброс опорных сигналов генераторов широтно-импульсной модуляции. 2 ил.

Способ синхронизации трехфазных инверторов напряжения, работающих параллельно на общую нагрузку, состоящий в том, что один из параллельно работающих инверторов напряжения выбирают ведущим, а остальные – ведомыми, отличающийся тем, что до того момента, пока не произойдет синхронизация опорных напряжений инверторов по цифровому последовательному интерфейсу связи, ведущий инвертор напряжения и ведомые инверторы напряжения не формируют выходные напряжения, в момент времени, когда опорный сигнал широтно-импульсной модуляции ведущего инвертора равен нулю, блок системы управления ведущего инвертора напряжения формирует глобальное сообщение, содержащее флаг синхронизации и текущие уставки выходного тока, напряжения и частоты ведущего инвертора и ведомых инверторов напряжения, в результате чего ведомые инверторы напряжения производят сброс опорных сигналов широтно-импульсной модуляции в нуль, тем самым опорные сигналы широтно-импульсной модуляции ведомых инверторов напряжения синхронизируются с опорным сигналом широтно-импульсной модуляции ведущего инвертора напряжения; далее блок системы управления ведущего инвертора напряжения формирует глобальные сообщения, содержащие флаги синхронизации и текущие уставки выходного тока, напряжения и частоты инверторов, каждый период опорного сигнала широтно-импульсной модуляции в момент его равенства нулю, при этом синусоиды выходных напряжений фазы А инверторов синхронизированы с опорными сигналами ШИМ, а синусоиды выходных напряжений фазы В инверторов и фазы С инверторов сдвинуты на угол 120 и 240 градусов.