Устройство для управления 3-фазным инвертором Советский патент 1983 года по МПК H02P13/18 

Изобретение относится к преобра зовательной техника и предназначено преимущественно для применения в системах электропитания и электропривода для преобразования постоянного напряжения в трехфазное переме ное напряжение с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) по закону, близкому к синусоидальному. Известны трехфазные инверторы напряжения, используемые в системах электропитания и электропривода для преобразования постоянного напряжени в трехфазное переменное напряжение с системой управления, реалиэукндей ШИМ по закону, близкому к синусоидал ному iL К недостатку устройства следует отнести отсутствие широтно-импульсно го регулирования выходного напряжения. Поэтому для сохранения формы выходного напряжения, близкой к синусоидальному закону, здесь возможно использовать только амплитудное регулирование, что неизбежно приведет к увеличению установленной мощности силового оборудования. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устрЪйство, содержащее первый счетчик, состоящий из последовательно соединенных яладашх и старшего разряда, вход которого соединен с шиной внешней переменной частоты. Старший разряд этого счетчика выполнен в многофазном коде, эквивалентном цифрам от О до 5. Цифровой выход младше го разряда счетчика соединен с входом блока умножения, второй вход которого соединен с шинами изменения напряжения инвертора. Инвертор содержит также второй счетчик, вход которого соединен с шиной стабильной частоты, и три блока сравнения, первые входы которых соединены с цифровым выходом второго счетчика; первые входы двух блоков сравнения соединены соответственно с выходами прямого и обратного кодов блока умножения а второй вход третьего блока сравнения соединен с шинами изменения напряжения инвертора. Выходные шины старшего разряда первого счетчика и выходы блоков сравнения соединены с входами блока формирования напряжений инвертора Ё2 . К недостаткам такой системы управления инвертором следует отнести сложность, неравное количество импульсов, получаемых при формировании нарастающего и спадающего .фронтов полуволн выходного напряжения, в особенности при малых соотношениях частот, и недостаточно высокое качество выходного напряжения (в смысле его коэффициента гармоник). Это приводит к нежелательному ухудшению характеристик электропривода. Цель изобретения - упрощение и уменьшение искажений выходного напряжения , Поставленная цель достигается тем, что в устройстве управления трехфазтл инвертором, содержащем первый счетчик, где старший разряд выполнен,, например, по пересчетной схеме, обеспечиваклдей формирование трехфааного кода, эквивалентного цифрам обычного цифрового кода от О до 5, вход этого счетчика соединен с шиной внешней переменной частоты, блок умножения, вход которого соединен с внешними шинами изменения напряжения инвертора, второй счетчик, вход которого соединен с шиной частоты модуляции, два блока сравнения и логический блок формирования управлякнцих снгнгшов переключения силовых ключей тр1ехфазного мостового инвертора, где цифровые шины младоиих раэ- . рядов первого счетчика соединены с вторым входом блока умножения, цифровые выходные шины которого соответственно для прямого и обратного кодов соединены с первыми входами блоков сравнения, а выходы блоков сравнения и выходные шины старшего разряда первого счетчика соединены с пятью входами логического блока, во втором счетчике установлены шины для прямого и обратного кодов, которые соединены с вторыми входами первого и второго блоков сравнения, а выходы этих блоков через введенную логич гскую двухвходовую схему ИЛИ соединены с шестым входом логического блока. Принцип работы устройства управления инвефтором поясняется на примере, где младшие разряды первого счетчика, блок умножения, второй счетчик и блоки сравнения выполнены в общеизв€ стном двоичном виде. На фиг. 1 представлены блок-схемы устройства управления инвертором и собственно инвертор,- на фиг. 2 принципиальная схема логического блока на фиг. 3 - сигналы трехфазного кода А (а, aj а) и соответствукяцие им сигналы обычного цифрового кода О а:,а, 1 2 aji, 3 ,j, 4 , 5 а на фиг. 4 - цифровые сигналы прямого А и обратного В кодов второго ечетчика, цифровые сигналы прямого С и С2 и обратного О.,, D2 кодов блока умножения соответственно для максимального и промежуточного значений выходного напряжения инвертора, сигналов М, К на выходе первого и второго блоков сравнения и сигнала L-, на выходе логической схемы ИЛИ для максимального значения выходного напряжения инвертора и соответственно этих же сигналов Kj, 1,2 для промежуточного значейия выходного напряжения, инвертора , на / фиг, 5 а, 6, в - эквивалентные трёхфазному коду цифровые сигналы обычного цифрового кода на входных шинах cTaiHuero разряда первого счетчика А, на выходе блоков сравнения М, К, на выходе логической схемы ИЛИ L, а также максимальные выходные напряжения (iffb, инвертора:

Hat фиг. 5а - выходные напряжейия формируются на интервале от О до /3,

фиг. 56, когда выходные напряжения формируются на интервале о 2Л /3 до 4Л/3 ,

фиг, 5в, когда выходные напряжения формируются на интервале от 211/3 до 2Ti ,

на фиг, ба, б, в - аналогичные фиг. 5 сигналы, -но для промежуточного значения выходного н апряжения инвертора.

Шина внешней переменной частдты соединена с входом 1 первого счет- чика, который содержит последовательно соединенные младоше разряды 2 и старший разряд 3 в трехфазном коде Счетчи содержит цифровые выходные шины Шадшего разряда к выходные шины трехфазного кода старшего разряда соответственно для сигналов а, а, а Шины младших разрядов соединены с первым входом блока 4 умножения второй вход которого соединен с внешними шинами 5 изменения выходного напряжения инвертора. Блок умножения содержит выходные шины сигналовС прямого кода и выходные шины сигналов О обратного кода. Для принятого варианта выполнения блоков в двоичном коде сигналы обратного кода-; являются инверсными к сигналам прямого кода, .

Внешняя шина 6 частоты модуляций выходного напряжения инвертора соедйнена с входом второго счетчика 7, который содержит выходные шины сигНешов А прямого кода и выходные шины сигналов В обратного кода. Выходные шины сигналов ПРЯМО1ХЭ кода счетчика 7 и блока 4 умножения соединены/ например, с двумя входами блока 8 сравнения, а выходные шины сигналов обратного кода этих приборов соединены с двумя входами блока 9 сравнения. Выходы блоков 8 и 9 сравнения и выходные шины сигналов трехфазнохч кода блока 3 соединены с пятью входгаля логического, блoкia 10, Выходы блоков 8 и 9 сравнения также соединены через логическую схему ИЛИ с шестым входом логической схемы 10. Выходные шины ПРЯМЫХ Н, Н Н И инверсных Н, fJg, Н сигналов логического блока 10 соединены с управлякяцими цепями силовых ключей мостового инвертора 11. Шины прямых сигналов соединены с одной группой клю-;

чей, а шины инверсных сигналов с другой. .

Выполнение счетчийрв 2 и 7 в двоичном коде широко известно и также общеизвестно выполнение старшего

5 разряда 3 первого ечетчика в многофазном коде.

Блоки 8, 9 сравнения, которые предназначены для определения равен ства и неравенства двух сравниваемых

0 разрядных чисел (блок 8 определяет М А С, блок 9 - К В 4 D), выполняются по общеизвестным принципам и схемам.

Блок 4 умножения выполняется

5 по общеизвестным принципам и схемам. При этом емкость счетчика 7 определяется произведением емкости счетчика 2 и максимального коэффициента умножения блока 4, Пусть счетQ чик 2 выполняется десятиразрядным (п 10), тогда емкость счетчика 2 равна ( 1) 1023, Пусть блок умножения имеет максимальный коэффициент умножения 15, Емкость счетчика 7 при этом должна быть 1023-15 15345, Следовательно, цифроззой сиГ нал на первом эходе блока 4 будет десятиразрядным, на втором входе блока 4 - четырехразрядным, а на . выходных шинах блока 4, счетчика 7

0 и соответственно входных шин блоков 8 и 9 - четырнадцатиразрядными. 1 выходных шинах старшего разряда первого счетчика, которые соответствуют цифрам 0-5,

5 При цифре О (а О, 32 ,33 0) в соответствий с (1) сигнал Н повторяет сигнал М , в соответствии с (2) сигнал Н2 О, а в соответствии с (3) сигнал .Н повторяет сигнал L 1,.

0 При цифре 1 (а 1, 32 .0, aj О) сигнал Н повторяет сигнал L 1, сигнал Н„ О, а сигнал Н повторяет сигнал К-,,.

При цифре 2 (а 1,32 з

5 сигнал Н повторяет сигнал Ly 1, сигнал Н- повторяет сигнал .И-,, а сигнал Н О и т,д,

Форма сигналов Н, Н 2, Hj-Соответствует форме потенциалов напря-.

Q женин ° точках , и „мостового инвертора.11, Поэтому на отрезке от О до Г/З напряжение ,) возрастает по линейному закону, имея положительный знак, На- пряжение, U ( остается постоянным и отрицательным по знаку, а напряжение Uj. убывает по линейному закону, имея отрицательный знак. На отрезке от Ж/3 до 21/3 напряжение Ug остается неизменным и .положительным по знаку, напряжение .убывает по линейному закону, имея .отрицательный знак, а напряжение UCQ возрастает по линейноиу закону, имея положительный Знак и т,д. . Следовательно, при входном сигнале на шине 5, соответствующем мак симальному напряжению инвертора, на его выходе формируются напряжени по трапецеидальному закону ШИМ, ког да в каждой полуволне выходного напряжения содержатся импульсы только одной- полярности. Теперь рассмотрим работу устрой ства, когда на входных шинах 5 блока 4 установлено меньшее число. Пус это число 10, При этом счетчик 7 будет работать без изменения и на его выходных шинах прямого кода будет изменяться цифровые сигн.алы от О до 15345, а на выходных шинах инверсного кода от 15345 до О, Для каждого цикла счетчика 2 цифровые сигналы на выходных шинах прямо.го кодс1 блока 4 будут изменять ся от О до 10230 а на выходных шинах инверсного кода соответственно от 10230 до О, Это изменение будет происходить шагами по 10 единиц. Блоки 8 и 9 определяют соответственно, когда сигнал А станет равным и меньше сигнала 1) и си нал В станет равным и меньше сигнала За цикл переключения счетчика 2 сигнал М2 будет импульсно изменяться по линейно возрастающему закону, а сигнал К2 - по лине но убывающему закону. При этом сигнал 12 будет состоять из равномерно распределенных импульсов постоянной длительности, Дальней1лая работа уст Логический блок 10 может быть представлен, следующими логическими выражениями Н К a a VMa agVLa Sj(1) ,Н„ Kaja VMaja VLaiaa . (2) Н| - Ka a VMa ajVLa a (3) В соответствии с этими выражени ями выполнена принципиальная схема этого блока, которая состоит из тре одинаковых логических схем 12-14, Каждая из этих схем содержит три трехвходовые логические схемы И, объединенные на выходе логической схемы ИЛИ, Входы схем И соединены с шинами входных сигналов в соответ ствии с выражениями (1) - (3), а прямые и инверсные шины входов схем ИЛИ соединены с управляющими цепями силовых ключей мостового инвертора Устройство работает следующим образом. Сигнал частоты на входной шине который определяет частоту выходног напряжения инвертора, периодически переключает младши г разряды счетчика, начиная с нулевого значения до 1023. При каждом возвращении счетчи ка 2 в нулевое положение происходит переключение в старшем разряде счет жка 3. За время одного цикла переключения счетчика 2 счетчик 7, кото рый переключается от сигнала частоты на входной шине б, успевйет совершить несколько циклов переключения, периодически изменяя свое состояние от нуля до 15345, Пусть соотношение частот на входных шинах 1 и € будет таким, что за один цикл счетчика 2 счетчик 7 сове-шит шесть циклов. Пусть на входных шинах 5 блока 4 установлено максимальное двоичное число ) 15, Тогда в каждом цикле счезгчика 7 цифровые сигналы на его вызюдных шинах прямого кода будут изменяться от О до 15345, а на выходных шинах инверсного кода соответственно от 15345 до О, При этом цифровые сигналы на выходных шинах прямого кода блока 4 для каждого циклс1, счетчика 2 будут изменяться от О до 15345, а на выходных шинах инверсного кода соответственно от 15345 до О, Это изменение цифровых, сигналов на выходе счетчика 7 будет происходить через единицу, а на выходе блокг1 4 через 15 единиц. Блоки 8 и 9 определяют соответственно: когда сигнал А станет равным и меньше сигнала; С(М 1) и сигнал В станет равным и меньше сигнала 0(К..., 1) За цикл переключения счетчика 2 сигнал М будет импульсно изменяться по линейно возрастающему закону, а сигнал по линейно убывающему закону, ПрИ этом сигнал L будет всегда рвным 1, При принятом соотношении . частот таких импульсов за цикл переключения счетчика 2 будет шесть, iBce эти соотношения -будут повторяться при кодовых комбинациях сигналов ройства полностью повторяет описан ную выше,. . Следовательно, при любом входном сигнале на шине 5 на вьлходных шинах инвертора формируются напряжения по трап.ёцеидальному закону ШИМ, когда в каждой полуволне выходного напряжения содержатся импульсы толькб одной полярности. При этом предлагаемое устройство проще известного: в нем вместо трех блоков сравнения используется только два, а вместо третьего блока установлена элементарная двухвходовая логическая схема ИЛИ в остальной части устройства одинаковые блоки, Устройство обеспечивает полную симметрию выходного напряжения инвертора. При равных соотношениях частот на выходных-шинах в известной схеме инвертора содержится 7 импульсов на нарастающем фронте полуволны выходного напряжения и 6 импульсов на спадающем фронте полуволны этого напряжения, что приводит к искажению выходного напряжения и появлению в его составе четных гармоник.

Проведенное сравнение предлагаемого устройства с известным показывает что первая гармоническая составляющая напряжения в устройстве заявки больше, а относительные значения высших гахнуюническнх срставлякяцих меньше при любых соотношениях частот сигналов на входных шинах инвертора, что приводит к повышению КПД.

И, f

12

Hi л

13

1

в.А

.в

П П П I П I П л П

1

.

J

С

.с П П nmr-i П лГппп П П

fff

H n n n nr

ff

n n

i/

%

n n n ГПГ

/s I n n n rni-i n n n I-in

/ f11 HI 3

n л n

iloS

«%

и

TT

in n n n

U U U LJI

JLJ U U и

(Puf 5

Щ

in n n n П nrii-1 n n n n n n n

fl.

О

.

/%

-,2 0 П П y| П П П П n М П П П П П

П П П

%

.J П

П П П П П П n П П П П П П П П П П П П П П

fpus.G