Устройство для управления автономным регулируемым инвертором Советский патент 1986 года по МПК H02M7/48 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления статическими преобразователями. Цель изобретения - улучшение качества процесса регулирования частоты и величины выходного напряжения инвертора и повышение надежности его в работе. На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие принцип работы схемы. Источник 1 управляюшего напряжения, задающий величину выходного напряжения инвертора, связан с усилителями 2-4 с нормированными и разными коэффициентами усиления (число усилителей приведенной схемы равно трем, т.е. в данном случае п 3). Выходы усилителей 3 и 4 присоединены к входам блоков 5 и 6 сравнения. Генератор 7 тактовых импульсов, задающий частоту выходного напряжения инвертора, связан с генератором 8 пилообразного напряжения и с регистром 9, присоединенным своим выходом к распределителю 10 управляющих импульсов. Регистр 9 принимает за период два состояния и определяет смену полярности кривой выходного напряжения инвертора. Генератор 8 связан с датчиком 11 амплитуды пилообразного напряжения, подсоединенным к плюсовому входу сумматора 12, минусовый вход которого связан с источником 13 постоянного напряжения. Кроме того, генератор 8 пилообразного напряжения подключен к компараторам 14-19, которые через элемент ИЛИ 20 связаны с распределителем 10. Второй вход компаратора 14 соединен с выходом усилителя 2, вторые входы компараторов 15-19 связаны с соответствующими ключами 21-25. Источники 26 и 27 постоянного напряжения присоединены соответственно к ключу 21 и сумматору 28 и к ключу 23 и сумматору 29. На другие входы сумматоров 28 и 29 поступает сигнал от источника 13 постоянного напряжения. Выходы сумматоров 28 и 29 подключены к блокам 30 и 31 сравнения. Выход блока 30 сравнения присоединен к управляющей цепи ключа 21 и к схеме И 32, на другой вход которой поступает сигнал с инверсного выхода блока 5 сравнения. Выход блока 31 связан с управляющей цепью ключа 23 и схемой И 33, соединенной по входу также с инверсны.м выходом блока 6 сравнения. Управляющие цепи ключей 22 и 24 свя.аны с прямыми выходами блоков 5 и 6 сравнения. Выход сумматора 12 соединен с вторыми входами блоков 5, 6 30 и 31, сравнения, а также через ключ 25 - с компаратором 19. Выходы схем И 32 и 33 присоединены к схеме ИЛИ 34, которая связана с управляющей цепью ключа 25. Генератор 7 тактовых импульсов периодически запускает генератор 8 линейноизменяющегося пилообразного напряжения, симметричный выходной сигнал которого, имеющий постоянную крутизну, обозначен на фиг. 2 как Ug. Период выходной частоты напряжения генератора 7 соответствует при этом полупериоду частоты выходного напряжения инвертора. Изменение (увеличение) частоты генератора 7 тактовых импульсов, сопровождается пропорциональным изменением (уменьшением) амплитуды пилообразного напряжения Ug генератора 8. которая постоянно фиксируется датчиком 11 амплитуды пилообразного напряжения (его выходной сигнал обозначен на фиг. 2 как U10. Величины выходных напряжений усилителей 2-4 находятся в соотношении U . Величины напряжений и U-.); источников 26 и 27 лежат в диапазонах ,U:j; И наряду с коэффициентами передачи усилителей 2-4 выбираются из условия обеспечения близкого к оптимальному гармонического состава выходного напряжения инвертора Увых в процессе регулирования частоты и напряжения. В компараторах 14-19 устройства производится последовательное сравнение пилообразного напряжения развертки Ug генератора 8 с сигналами, поступающими на вторые входы компараторов 14-19. В момент равенства указанных сигналов, которые соответствуют моментам формирования фронтов выходных импульсов, компараторами 14-19 вырабатываются короткие однополярные импульсы, поступаюшие через элемент ИЛИ 20 на распределитель 10. В области пониженных выходных частот инвертора, когда разность между сигналом Ьц датчика 11 амплит ды пилообразного напряжения и небольшим по величине сигналом и 15 источника постоянного напряжения, превышает величину сигнала U-v усилителя 4, на прямых выходах блоков 5 и 6 сравнения вырабатываются сигналы, замыкающие ключи 22 и 24. При этом сумма напряжений источников 13 и 27 меньше сигнала Uiz сумматора 12. На выходе блока 31 сравнения, а также на выходе блока 30, вырабатываются сигналы, замыкающие соответственно ключи 23 и 31. Кривая выходного напряжения инвертора при этом формируется из максимального количества импульсов на полупериоде (в данном случае из пяти импульсов на полупериоде) длительностями, соответствующими опорному закону формирования (в рассматриваемом варианте закон формирования импульсов близок к алгоритму ШИМ). При увеличении частоты генератора 7 тактовых импульсов пропорционально уменьшается величина пилообразного напряжения генератора 8, амплитуда которого Us на вс;ем диапазоне регулирования выделяется

Ui2 на выходе сум1. Сигнал

датчиком 1 матора 12 сначала становится при этом меньше напряжения U- усилителя 4, затем меньше напряжения U источника 27, а затем меньше амплитуды сигнала Уз усилителя 3 (этому этану регулирования соответствуют временные диаграммы фиг. 2). В нолуволне выходного напряжения здесь формируется три импульса. В рассматриваемый период времени, когда UI-)U,, а , сигналы с прямых выходов блоков 5 и б сравнения размыкают ключи 22 и 24. Поскольку выходное напряжение сумматора 29 больше амплитуды сигнала, выходной сигнал блока 31 сравнения размыкает ключ 23. Командный сигнал с инверсного выхода блока 5 сравнения и с блока 30 при этом передается через элемент И 32 и схему ИЛИ 34 на управляюш,ую цепь ключа 25 и вызывает его замыкание. В компараторе 19 происходит сравнение напряжений Ug и Uj2, в моменты равенства которых системой вырабатываются сигналы на формирование первых крайних на полупериоде импульсов.

Дальнейшее увеличение выходной частоты инвертора (или величины его выходного напряжения) приводит к дальнейшему плавному уменьшению длительности крайних на полупериоде и.мпульсов. Продолжительность наузы нулевого уровня на границах полупериодов при этом ограничивается на уровне значения 2(5„иц,величинаб,,инЯвляется минимально допустимым интервалом с позиции обеспечения времени, необходимого для восстановления коммутационными узлами устройства своих запирающих свойств.

Величина бнцч зависит в первую очередь от частотных свойств силовых цепей инверторов, требуемое значение5««,для мошных тиристорных схем это время составляет обычно 100-200 мкс) обеспечивается соответствующим выбором величины постоянного напряжения источника 13.

Уменьшение длительности крайних импульсов в системе на рассматриваемом поддиапазоне регулирования происходит до тех пор, пока амплитуда сигнала не сравняется с суммой напряжений Uf и Uzs источников 13 и 26. В этот момент, которому соответствует минимально допусти.мая величина продолжительности выходных импульсов (Ч)(я(минимально допустимый интервал времени между двумя соседними коммутациями вентилей силовой схемы), управляюший сигнал блока 30 сравнения размыкает контакты ключа 21, прохождение сигнала через ячейку элемента И 32 прекращается, и в полуволне выходной кривой начинает формироваться лишь по одному импульсу. Дальнейшее увеличение выходной частоты происходит при плавно.м изменении продолжительности пауз нулевого уровня, вплоть до достижения длительности паузы минимально допустимого значения 6;Hj,H,4T о является верхней границей диапазона регулирования величины выходного напряжения инвертора, которая при этом близка к максимальному значению. При уменьшении частоты выходного напряжения инвертора, описанные процессы повторяются в обратной последовательности.

Дополнительные элементы предлагаемого устройства, осуществляюшего алгорит.мы плавного поэтапного изменения количества импульсов в полуволне выходной кривой в процессе регулирования, в число которых входят сумматоры, компаратор схе.мы сравнения, электронные ключи и логические эле.менты И и ИЛИ, представ,пяют собой простейшие узлы и могут быть легко реализованы на стандартных полупроводниковых элементах средней степени интеграции. Распределитель 10 управляющих и.мп льсов системы включает триггерное звено па входе, попеременно переключаемое из одного состояния в другое короткими однополярными импульсами, поступающими от компараторов 14-19 через эле.мент ИЛИ 20. Входной триггер распределителя 10 связан с первы.м входом комбинационного ,югического устройства распределителя, на второй вход которого поступают сигналы от регистра 9 простейшего триггерного звена, принимающего за период два состояния и определяющего моменты смены полярности кривой формируемого выходного напряжения инвертора.

Плавное широкодианазонное регулирование частоты и величины выходного напряжения инвертора, осуществляемое прсдлагае.мым устройством, позволяет заметно улучшить качество процесса регулирования. Переход от одного поддиапазона регу,1ирования к другому, сопровождаемый изменением количества импульсов в полуволне выходной кривой, осуществляется плавным последовательным изменением длительности крайних на полупериоде выходных импульсов и продолжительностей пауз нулевого уровня, практически без скачков в .среднем на полунериоде и действующем значениях выходного напряжения. Благодаря этому на всем диапазоне регулирования исключается отрицательное воздействие на нагрузку переходных процессов, возникающих в момент перехода от одного поддиапазона регулирования к друго.му. Особенно существенно указанное улучшение переходных процессов сказывается на нагрузках динамического характера, в частности на двигательных нагрузках различных типов.

Обеспечение на всем диапазоне регулирования фиксированных временных интервалов .между двумя соседними ком.м тациями вентилей инвертора, осуществляемое предлагаемым устройство.м управления, позволяет исключить режимы перегрузки контуров коммутации схемы и повысить тем самым надежность функционирования инвертора. Формула изобретения Устройство для управления автономным регулируемым инвертором, содержащее источник управляюид,его напряжения, соединенный с п нормированными усилителями, (п-1) из которых выходами соединены с первыми входами основных блоков сравнения, генератор тактовых импульсов, соединенный с регистром, связанным с первым входом распределителя управляющих импульсов и с генератором пилообразного напряжения, связанным с датчиком амплитуды пилообразного напряжения и с первыми входами (2п-1) компараторов с выходными формирователями коротких импуль сов, выходы которых через элемент ИЛИ присоединены к второму входу раснредедителя, второй вход первого компаратора связан с выходом первого усилителя, вторые входы четных ком 1араторов подключены через первую группу ключей к (п-1) источникам постоянного напряжения, вторые входы остальных нечетных компараторов подключены через вторую группу ключей к выходам остальных нормированных усилителей, прямые выходы основных блоков сравнения присоединены к управляющим цепям второй группы ключей, отличающееся тем, что, с целью улучщения качества процесса регулирования частоты и величины выходного напряжения инвертора и повышения надежности его в работе, оно снабжено п сумматорами, дополнительным источником постоянного насфяжения, (п-1) дополнительными блоками сравнения, компаратором с выходным формирователем коротких импульсов, ключом, элементом ИЛИ и (п-1) элементами И, причем дополнительный источник постоянного напряжения связан с минусовым входом первого сумматора, плюсовой вход которого подсоединен к датчику амплитуды пилообразного напряжения, и с входами остальных сумматоров, вторые входы которых связаны с соответствующими источниками постоянного напряжения, а выходы подключены к первым входам дополнительных блоков сравнения, выходы дополнительных блоков сравнения связаны с управляющими цепями первой группы ключей и с первыми входами соответствующих элементов И, вторые входы которых соединены с инверсными выходами основных соответствующих блоков сравнения, выходы элементов И связаны с дополнительным элементом ИЛИ, присоединенным выходом к управляющей цепи дополнительпого ключа, выход первого сумматора подсоединен к вторым входам основных блоков сравнения и через дополните,1ьный ключ - к первому входу дополнительного компаратора, второй вход которого связан с генератором пилообразного напряжения, а выход дополнительного компаратора подсоединен к основному элементу ИЛИ.