Способ преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное с широтно-импульсной модуляцией для многоуровневых преобразователей частоты Российский патент 2025 года по МПК H02M7/527 H02M7/5395 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах управления многоуровневыми преобразователями частоты.

Известен способ преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное с широтно-импульсной модуляцией, в основе которого лежит принцип формирования задающего напряжения, смещенного на уровень амплитуды опорного пилообразного напряжения в момент отрицательной полуволны (KR 101966318 B1, 27.08.2019). Указанный способ не предусматривает контроля соотношения частоты сигнала задания и опорного пилообразного сигнала, что может приводить к появлению постоянных составляющих, если в периоде задающего сигнала укладывается целое число периодов опорного пилообразного сигнала.

Известен также способ преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное с двуполярной широтно-импульсной модуляцией (CN 105356780 B, 30.03.2018). Данный способ дает большее искажение напряжения по сравнению с однополярной широтно-импульсной модуляцией.

Наиболее близким, взятым за прототип, является способ преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное с широтно-импульсной модуляцией (H02M 7/527, RU 2356160 C1, 20.05.2009). Данный способ преобразования по первому варианту реализуется путем сравнения опорного пилообразного сигнала с положительной и инвертированной отрицательной полуволнами задающего (синусоидального) сигнала, причем при каждом переходе синусоидального сигнала задания через ноль пилообразный сигнал должен сбрасываться в начальное состояние.

Недостатком первого варианта преобразования является отсутствие возможности изменения начального значения опорного пилообразного сигнала, что делает его затруднительным к применению в многоуровневых преобразователях без дополнительных преобразований.

Данный способ преобразования по второму варианту реализуется путем сравнения положительной полуволны задающего (синусоидального) сигнала с опорным пилообразным сигналом, а инвертированной отрицательной полуволны с дополнительным пилообразным сигналом. Причем опорный пилообразный сигнал сбрасывается в начальное состояние при переходе сигнала задания сигнал через ноль с отрицательной плоскости в положительную, а дополнительный при переходе с положительной плоскости в отрицательную. Начальное состояние должно быть постоянно, а величина его находиться в диапазоне от нуля до максимума пилы.

Недостатком второго варианта преобразования является наличие в схеме нескольких генераторов опорного пилообразного сигнала, которые в процессе работы могут рассинхронизоваться из-за наличия колебаний частот тактовых генераторов, что приведет к смещению начальных состояний и появлению колебаний выходного напряжения.

Также к недостаткам обоих вариантов способа преобразования относится формирование двух коммутационных функций, управляющих силовой частью автономного инвертора напряжения (АИН), поскольку управление только двумя транзисторами на каждой полуволне задающего сигнала может привести к появлению постоянной составляющей в выходном напряжении многоуровневого частотного преобразователя из-за различия в уровнях питающих напряжений АИН.

Технический результат предлагаемого способа заключается в повышении качества работы многоуровневого преобразователя частоты за счет уменьшения колебаний выходного напряжения.

Предложенный способ преобразования осуществляется сравнением задающего выпрямленного синусоидального сигнала с опорным пилообразным сигналом, причем при каждом переходе задающего невыпрямленного синусоидального сигнала через ноль пилообразный сигнал сбрасывается в начальное значение, определяемое временным сдвигом момента начала пилообразного опорного сигнала. Начальное значение всегда находится в диапазоне от нуля до амплитуды пилообразного сигнала.

Структурная схема АИН по предложенному способу показана на фиг. 1, где приняты следующие обозначения:

1 – блок вычисления перехода через ноль;

2 – блок формирования опорного пилообразного сигнала;

3 – блок выпрямления задающего сигнала;

4 – блок сравнения задающего сигнала и опорного пилообразного сигнала;

5 – блок силовой части АИН;

F ₁, F₂, F₃, F₄ – коммутационные функции управления силовыми ключами инверторного моста соответствующих ключей;

S ₁ – сигнал сброса пилы в начальное состояние;

S ₂ – сигнал, отражающий знак задающего напряжения;

U _з – задающий сигнал;

U _з.в – задающий выпрямленный сигнал;

U _п – опорный пилообразный сигнал;

U _АИН – выходное напряжение АИН;

f _п – частота опорного пилообразного сигнала;

t _п – временной сдвиг нулевого значения опорного пилообразного сигнала.

Принцип работы АИН, показанного на фиг. 1, заключается в следующем.

Задающий синусоидальный сигнал U_з поступает на блок вычисления перехода через ноль 1, определяющий момент перехода через ноль, и формирующий в этот момент импульсный сигнал S₁, который вместе с сигналами f_п и t_п поступает на блок формирования опорного пилообразного сигнала 2, и логический сигнал S₂, отражающий знак задающего сигнала. Тот же задающий сигнал поступает на вход блока выпрямления 3, который инвертирует отрицательную полуволну задающего сигнала U_з, формируя выпрямленный сигнал U_з.в. На выходе блока 2 формируется опорный пилообразный сигнал U_п, который сбрасывается в начальное значение по переднему фронту импульсного сигнала S₁. Начальное значение пилообразного сигнала определяется сигналом временного сдвига нулевого значения опорного пилообразного сигнала t_п. Далее опорный пилообразный сигнал U_п, выпрямленный задающий сигнал U_з.в и логический сигнал S₂ поступают на блок сравнения 4, в котором происходит сравнение сигналов опорного и задающего сигналов, и который формирует раздельные коммутационные функции F₁, F₂ или F₃, F₄, в зависимости от значения логического сигнала S2, для каждого ключевого элемента блока силовой части 5, причем ключевые элементы плеча инвертора на каждой полуволне задающего (синусоидального) сигнала работают в противофазе, обеспечивая на выходе блока 5 квазисинусоидальное напряжение требуемой частоты U_АИН.

Временные диаграммы, поясняющие предложенный метод, приведены на фиг. 2. В них показывается случай, когда смещение начального состояния пилы отсутствует, т.е. t_п = 0.

Многоуровневый частотный преобразователь можно представить структурной схемой, показанной на фиг. 3, в которой блоки 1, 2, 3 – инверторы напряжения, показанные на фиг. 1, питаются от раздельных источников, а выходные напряжения АИН суммируются, формируя выходное напряжение многоуровневого частотного преобразователя U_{АИН.сумм}.

Временные диаграммы, поясняющие способ формирования выходного напряжения многоуровневого частотного преобразователя, представлены на фиг. 4.

Описываемый способ позволяет использовать момент перехода через ноль задающего сигнала как точку синхронизации тактовых генераторов АИН, составляющих многоуровневый частотный преобразователь, исключая колебания выходного напряжения АИН, связанные с колебаниями частоты тактовых генераторов, формирующих опорное пилообразное напряжение. Таким образом, исключаются колебания из-за рассинхронизации выходных напряжений АИН.

Кроме того, формирование управляющих функций F₁, F₂ или F₃, F₄, переключающих соответствующие ключевые элементы силовой части АИН в противофазе, позволяет снизить постоянную составляющую в выходном напряжении многоуровневого частотного преобразователя, появляющуюся из-за различия в уровнях питающих напряжений АИН.

Таким образом, предложенный способ преобразования в сравнении с прототипом, при сохранении всех достоинств, позволяет значительно снизить колебания выходного напряжения многоуровневого преобразователя частоты и тем самым улучшить качество выходного напряжения.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах управления многоуровневыми преобразователями частоты. Технический результат предлагаемого способа заключается в повышении качества работы многоуровневого преобразователя частоты за счет уменьшения колебаний выходного напряжения. Технический результат достигается за счет того, что в способе преобразования осуществляется сравнение задающего выпрямленного синусоидального сигнала с опорным пилообразным сигналом. При каждом переходе задающего синусоидального сигнала через ноль пилообразный сигнал сбрасывается в начальное значение, определяемое временным сдвигом момента начала пилообразного опорного сигнала, и всегда находится в диапазоне от нуля до амплитуды пилообразного сигнала. Способ позволяет использовать момент перехода через ноль задающего сигнала как точку синхронизации тактовых генераторов автономного инвертора напряжения (АИН), исключая колебания выходного напряжения АИН. Кроме того, коммутационные функции, переключающие ключи силовой части АИН в противофазе, позволяют снизить постоянную составляющую в выходном напряжении многоуровневого частотного преобразователя, появляющуюся из-за различия в уровнях питающих напряжений АИН. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное с широтно-импульсной модуляцией для многоуровневых преобразователей частоты, заключающийся в сравнении опорного пилообразного сигнала с выпрямленным задающим сигналом, отличающийся тем, что при переходе задающего сигнала через ноль опорный пилообразный сигнал сбрасывается в начальное значение, которое задается внешним параметром временного сдвига нулевого значения опорного пилообразного сигнала.

2. Способ преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное с широтно-импульсной модуляцией для многоуровневых преобразователей частоты по п. 1, отличающийся тем, что коммутационные функции управления силовыми ключами формируются раздельно для каждого ключевого элемента таким образом, что ключевые элементы плеча инвертора на каждой полуволне задающего сигнала работают в противофазе.