Способ управления трехфазным непосредственным преобразователем частоты Советский патент 1987 года по МПК H02M5/27 

11

Изобретение относится к электро- технике, а именно к преобразователь- ной технике, и может быть использовано для управления преобразователями автоматизированных электропри- водов переменного с широким диапазоном регулирования скорости.

Цель изобретения - повышение точности регулирования выходного напряжения при улучшении его формы и уве- личение КПД преобразователя.

На фиг.1 приведена диаграмма основных импульсных последовательностей управления группами ключей фаз при qi 30 эл.град.; на фиг. 2 - то же, при (f 75 эл.град.; на фиг.З - диаграмма формирования линейных напряжений нагрузки; на фнг.4 - схема непосредственного преобразователя частоты (НГГЧ); на фиг.З - схемы за- мещения системы НПЧ - нагрузка на интервалах проводимости фаз; на фиг.6 - функциональная схема системы управления.

НПЧ (фиг.4) содержит полностью управляемые ключи с двусторонней проводимостью 1(Т)-9(9) (цифра в скобк ах с чертой означает, что ключ проводит ток в обратном направлении)

В одном из вариантов реализации способа силовая часть может быть дополнена мостом из полностью управляемых ключей 10-15, зашунтированных диодами 16-21. Выходные выводы преобразователя через датчики тока 22 (ДТд,), 23 (ДТь), 24 (ДТс) подключены к нагрузке 25.

Система управления (фиг,6) содержит генератор 26 управляемый, состоящий из генератора тактовых импульсов выходом соединенного со счетным входом счетчика, выполняющего функции управляемого кодом делителя частоты, выход старшего разряда счетчика соединен с входом распределителя 27 ю-i- пульсов, а параллельные его выходы связаны с входами синусно-косинусног дешифратора, выполняющего функции нелинейного модулятора 28. Выход делителя частоты, выход распределителя и модулятора соединены с соответствующими входами формирователя 29 эталонных импульсов последовательностей, каждый из каналов которого содержит элементы И по числу выходов распределителя, а выход элемента И через элемент ИЛИ соединен с S-вхо- дом триггера, R-вход которого соеди

5

5

1

0

0

5

0

5

372

нен с выходом управляемого генератора 26.

Выходы датчиков тока 22-24 (фиг.4 и 6) соединены с входами формирователя 30 участков проводимости групп ключей, выполненном на пороговых элементах и элементах И по числу выходов, а выхода) формирователя 30 свя- .заны с входами формирователя 31 основных управляющих импульсов групп ключей фаз. Выходы формирователя 31 соединены с входами формирователя 32 управляющих импульсов ключей фаз, куда одновременно подключены и выходы блока 33 синхронизации, и через блок 34 инверсии с входами формирователя управляющих импульсов дополнительных ключей.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Формируются входные сигналы в виде уровня напряжений или входов эквивалентных чисел cif- (фиг.6) и этими сигналами устанавливается частота импульсной последовательности на выходе управляемого генератора 26, подаваемой на вход распределителя 27, этой же импульсной последовательностью тактируется работа всей - системы управления. В результате на выходе распределителя формируются шесть импульсных последовательностей

PC,; РЗ; РЬ; РЬ PC PC (-i 2),

сдвгшутых одна относительно другой на угол м /З по выходной частоте с длительностью каждого импульса и .

Длительности этих импульсов определяют зоны проводимости групп ключей фаз на полупериодах выходного напряжения и на интервалах этих импульсов формируются выходные напряжения преобразователя. По передним фронтам импульсов распределителя с помощью модулятора формирователь 29 (фиг.6) формирует на выходах шесть эталонных импульсных последовательностей Мд, Мд, Mj, Mg, Mj,, М- (фиг.1 и 2), сдвинутых одна относительно другой на угол /3 с длительностью 4/3 ii . Причем каждая эталонная импульсная последовательность модулирована методом широтно-импульсной модуляции на интервале О - 27/3 по закону синуса на интервале О - , а на интервале - - по закону синуса на интервале - 1Г .

На фиг.1 и 2 аппроксимация синусоидальных функций для упрощения по3

строения принята на двенадцати интервалах полупериода, но для повышения точности аппроксимации число интервалов может быть увеличено и ограничивается только частотными свойствами силовых ключей. По сигналам датчиков тока U;, U, каждой фазы формирователь 30 участков проводимости групп ключей фаз (фиг.6) предварительно формирует шесть импульсных последовательностей 1, I1, Ig, 1, 1 (фиг.1 и 2) реальной проводимости групп ключей фаз 1а - фазы а с проводимостью, принятой за положительную, Ig - отрицательную и так далее, а за ним путем логического перемножения формируются импульсные последовательности участков проводимости этих групп ключей (фиг.1 и 2).

I Ib-Ic.

-с

I.

ЧИнтервалы импульсов этих последовательностей определяют участки формирования основньрс импульсных последовательностей управления группами ключей фаз, что осуществляют путем логического умножения этих импульсных последовательностей с эталонными импульсными последовательностями соответствующих фаз формирователем 31 (фиг.6):

Кс, n KL М.

ч

M«-l4 + М„

Mg-I, +

1л + М

Ч ,

К с MC-I,

+ R,-I + Мя-i

fl4 м„-1з;Mb i.;

+ Mg.I,;

M, i,;

4 Mf l2 + + Mg-l4,

1

где черта над обозначением эталонных импульсных последовательностей соответствует ее инверсии, т.е. дополнительной операции НЕ,

В результате такого способа формирования нет необходимости заранее задавать различные законы модуляции на различных участках полупериодов, они формируются путем элементарных логических операций из эталонных им пульсных последовательностей. Кроме того, необходиъ-гые при cf if/S дополнительные паузы на вторых участках основных импульсных последовательностей с требуемым законом модуляции (фиг.2) формируются так же из эталонных импульсных последовательностей, так как при таких углах сдвига

,-

5

0

5

0

5

0

5

0

374

на концах этих участков последовательности М оказываются модулированными.

Полученные таким образом три пары импульсных последовательностей к +к1-;

IIо о

Ь Ъ с предназначены для управления тремя группами ключей фаз преобразователя, причем каждая из последовательностей пары должна обеспечивать формирование одной из полуволн напряжения фазы. Однако без синхронизации с напряжением сети она не обладает избирательностью знака формируемого напряжения.. Поэтому каждая пара последовательностей фаз на фиг.1 и 2 показана на общей оси времени. Эту функцию с одновременным распределением импульса по ключам выполняет формирователь 32 управляющих импульсов ключей фаз преобразователя по командам блока 33 синхронизации (фиг.6). Блок синхронизации на интервалах с наибольшим положительным и наибольшим отрицательным фазным напряжениями питающей сети формирует шесть импульсных последовательностей синхронизации: 5д, Sg, S - по положительным напряжениям и 5д, Sg, Sj - по отрицательным напряжениям (фиг.З). С помощью этих импульсных последовательностей предварительно сформированные основные импульсные последовательности разделяются по полуволнам и по ключам путем их логического перемножения: К-К (Зд + .) - положительная полуволна на выходе Р (фиг.З и 4), Kg Kg (S +Sg -t-S-) - отрицательная полуволна на выходеq (фиг.З и 4) и соответственно

Ч К,

к;

(S

SB - S,);

5

KC К,

K К;

(ST + Sj + S.);

(Вд-Ь

(ST -IS

SB S

в

Sc);

S,).

к

При этом на интервалах, например, Зд замыкается ключ 1, присоеди50

55

няя вывод q к фазе сети А, когда на этой фазе наибольшее положительное напряжение, Кг 3 замыкавт ключ 6, когда на фазе С сети наибольшее отрицательное -напряжение и т.д.

Таким образом, импульсы синхронизации БД, Sg, Sf, сформированные из наибольших положительных участков сетевого напряжения фаз, задают зоны, на которых соответствующие ключи за-. мкнуты по командам основных импульсов

управления, формирующих положительны полуволны выходного напряжения, а импульсы синхронизации Зд, S-x, S - зоны замыкания по командам последовательностей импульсов К-, Кг-, Kg этих же групп, формирующих отрицательные полуволны напряжения. Номера ключей (фиг.4), которые могут быть замкнуты на каждой зоне синхронизации, поставлены на импульсах синхронизации |(фиг.З).

По условию непрерывности токов при формировании пауз от размыкания с токами недопустимо, поэтому на интервалах пауз напряжений фазы нагрузки подключаются к фазам сети. Поскольку ключи с двусторонней проводимостью в замкнутом состоянии обеспечивают проводимость любого знака, для исключения сквозных токов проводимость на интервалах пауз обеспечивается дополнительными ключами 10-15 (фиг.4), а дополнительные импульсные последовательности управления этими ключами формируются на третьих участках соответствующих основных импульсных последовательностей следующим образом. Например, для управления ключо м 10, замыкающим реактивный ток фазы b в случае qj -ir/S, импульсная последовательность управления этим ключом формируется из инверсий двух эталонных импульсных последовательностей путем логического умножения на соответствующие последовательности реальной проводимости:

К М Т-Р +N. о с Ь b 5 ъ

и соответственно для остальных дополнительных ключей:

«с-. Р-Ь .

м, + M II-PC;

Mg.-I,.P, -Mg.I.-P,; Мь 1, Р„ + ,,-,; .-Pa -ь M-.I,.P,.

Первое слагаемое в каждой из приведенных зависимостей формируется на интервалах совпадения знаков тока и напряжения данной фазы, а второе - при их несовпадении. Общая длительность интервала модуляции каждой из последовательностей п /З, а соотношение длительностей слагаемых зависит от сдвига тока нагрузки относительно напряжения.

Так при cf О обращаются в ноль вторые слагаемые, а при - первые. Дополнительные rмпyльcныe последовательности для рассмотренного случая приведены на фиг.З. При сдвиге тока нагрузки относительно напряжения cf ir/3. Кроме дополнительных импульсных последовательностей управления дополнительными ключами

на интервалах -cf формируются и дополнительные импульсы управления ключами фаз. Эти импульсы формируются непосредственно из соответствующих эталонных импульсных последовательностей на этом интервале (фиг.2) путем следующих логических операций, например, для группы ключей фазы:

2:Ка а M -Ia P S,+S,+S,); ГКд К- +Mg.I,.P ()

где К, Kg - основные импульсные последовательности управления, а вторые слагаемые - дополнительные импульсы управления.

Во вторых слагаемых произведение, например, Ig, Р определяет длительность формирования этих последовательностей и при с| 1i /3 обращается

в нуль.:. При ЭТОМ ДОполнительные импульсные последовательности управле- иия дополнительными ключами формируются так же, как и для режимов с q)i; ir/3, но к ним добавляются импульсные последовательности, полученные инверсией дополнительных импульсов управления группами ключей фаз на интервалах /3 -q.

На фиг.З приведены диаграммы линейных напряжений и токов нагрузки, сформированные для режима qi (/6, на диаграмме сетевого напряжения выделены интервалы линейных напряжений, из которых формируются напряжения Ugj .

Рассмотрим принцип формирования напряжения и тока для этого режима на интервале О -Т/З, что соответствует четырем интервалам аппроксимации или сорока тактам. На первых двух тактах (3 эл.град.) в соответствии с диаграммой напряжений (фиг.З) необходимо обеспечить

и,- и,, и,„ о,

при этом токи нагрузки имеют следующие знаки 1д, i-b - с этом случае для формирования нулевой паузы в соответствии с диаграммами управляющих импульсов размыкаются клю

чи групп фазы Q и Ь, а ключи К„ по-

С

очередно подключают- фазу нагрузки С к фазам, с наибольшим положительным напряжением ключами 7-9 в соответст- ВИИ с импульсами синхронизации S. Одновременно замыкается дополнительный ключ 15 (фиг.4) и образуются контура с токами, показанные на схеме 5а. При этом выводы фаз Q , b нагрузки оказываются замкнутыми на фазу с и через смещенные в проводящем направлении р-п-переходы диодов на все фазы нагрузки подводится одинаковое положительное напряжение сети. На третьем такте (фиг.З) необходимо сформировать линейные напряже- ния ,, -Ub, , U 0.

В соответствии с диаграммами управляющих импульсов ключами дополнительно замыкаются ключи группы V при отрицательной синхронизации,-подводя к фазе b отрицательное напряжение сети. Состояние контуров на этом такте приведено на схеме 5& (фиг.З), Здесь выводы фаз а и с остаются на общем положительном потенциале, что и обеспечивает U. 0. Для формирования напряжения и., -U, , +13,-. на тактах от четвертого по десятый (фиг.З) размыкают дополнительный ключ 15 и замыкают ключи (Т)-(З), (Z)-(6), 7-9 всех групп преобразователя, подключая к фазам q, b наибольшее отрицательное напряжение сети, а к фазе с - наибольшее поло- жительное.

Г

Состояние контуров с токами на этом интервале приведено на схеме 5Ъ (фиг.5). Начиная с 21-го такта (31 эл.град.), знак проводимости фазы а приходит в соответствие со знаком задаваемой проводимости, т.е. станет положительным, (от преобра-- зователя к нагрузке)(фиг.З), снима- ется запрет на формирование положительной проводимости Кд, а наибольшее значение тока переходит с фазы С на фазу Ь. В этом случае очередная пауза (11-й такт, фиг.З) в линейных напряжениях формируется замыканием двух фаз Q и с на фазу Ь, т.е. другой комбинацией ключей,. Для формирования паузы осуществляется размыкание группы ключей (1)-(3), 7-9 при работающих ключах группы 4-6. Состояние контуров для этого интервала показано на диаграмме 5.-г (фиг.5). Далее до конца интервала Г/З выход

-5

0 О 5

0

0

5

ные напряжения формируются за счет формирования контуров, показанных на диаграммах 5.Q,e. При этом с 15-го такта отрицательное напряжение начинает формироваться замыканием ключей 4-6 на фазу сети с с отрицательным напряжением, т.е. ключом 6.

В результате предлагаемого способа формирования пауз упреждающее замыкание дополнительных ключей не приводит ни к возникновению сквозных токов, ни к изменению конфигурации контуров, так как к диодам, входящим в эт№ контура, линейное напряжение сети оказывается приложенным встречно. Дополнительный контур принимает ток только при закрытии ключа соответствующей группы фазы преобразователя.

Таким образом, по данному способу формирование управляющих импульсных последовательностей независимо от частоты сети, но не для отдельных ключей, а для групп ключей фаз и присоединение нагрузки с помощью ключей к линейным напряжениям сети только при наибольших положительных и отрицательных напряжениях фазы сети обеспечивает формирование выходных напряжений из однотипных интервалов линейных напряжений. Это позволяет сделать регулировочную характеристику преобразователя по частоте линейной с незначительной дискретностью, независящей от частоты сети. Автома-. тическая перестройка управляющих импульсных последовательностей в зависимости от изменения фаз реальной проводимости относительно задаваемой с использованием при этом одних и тех же эталонных импульсных последовательностей обеспечивает независимость формы выходного напряжения от коэффициента мощности нагрузки, а реализацию способа делает достаточно простой. При этом неизменной остается не только форма огибающих выходного линейного напряжения, но и фазы этих напряжений, в точности совпадающие с задаваемыми интервалами проводимости. При достаточно высокой частоте модуляции ухудшение формы тока определяется пульсациями постоянной частоты, эквивалентными пульсациями шестифазного выпрямленного напряжения, а также необходимым сдвигом одной или двух пар импульсов на границе полупериода внутри интервалов модуляции, необходимых для выполнения условия симметрии (U +

+ и,

Чс - eg 0. фиг. 1-3).

При этом предельная частота модуляции и количество интервалов аппрок симации синусоидальных напряжений на периодах зависят только от частотных свойств ключей, что позволяет пульсации тока на интервалах модуляции уменьшить до минимума. Это особенно важно при использовании способа для управления преобразователем в следящих и прецизионных электроприводах с широким диапазоном регулирования скорости. Предлагаемый способ исключает одновременную коммутацию пар ключей с общим зажимом, сетевые зажимы которых присоединены к различным фазам питающей сети. Это устраняет сквозные токи при коммутации ключей и увеличивает КПД и надежност преобразователя. Коммутация ключей в процессе работы одной группы фазы по команда { импульсов синхронизации не .приводит к существенному увеличению потерь, так как в этом случае сетевые зажимы коммутирующих ключей практ 1чески находятся под одним потенциалом.

Изобретение применимо как для управления НПЧ, каждая фаза которого выполнена из трехфазных нулевых-схем так и в случае мостовых схем в каждо фазе. В последнем случае основные импульсные последовательности управления, приведенные на фиг.З, используются для управления всеми ключами моста с тем различием, что распределение их по ключам одной тройки моста осуществляется по командам импульсов синхронизации одного знака, а по ключам другой тройки моста - импульсами синхронизации другого знака. Кроме того,, дополнительные ключи собираются для каждой фазы в однофаз- ные мосты по схемам, соответствующим схеме на фиг.4.

Формула изобретения

1. Способ управления трехфазным непосредственным преобразователем частоты, выполненным на полностью управляемых ключах с двусторонней проводимостью и включающим в себя средства для пропуска реактивного тока нагрузки, заключающийся в том, что задают зоны проводимости ключей с длительностью по выходной часто

те, в этих зонах формируют три прямоугольные импульсные последовательности Рд, Р-, PJ. с длительностью импульсов iT и сдвинутых одна относительно другой на 2 || /3 по выходной частоте и три противофазные им импульсные последовательности Рд, Рг, PJ- и из упомянутых импульсных последовательностей формируют шесть основных импульсных последовательностей управления ключами для пропуска активного тока нагрузки К, К, К. и противофазные им К, К, К , каждый импульс которых синтезируют из трех участков, на участках от О до

ii

г и от -- до II импульсы модулируют

методом широтно-импульсной модуля

ции, а на

участках от до -3про

водимость оставляют полной и неизменной, а для пропуска реактивного тока нагрузки на участках от О ff 2 Sir

ДО 3

ОТ-до1

и

до основ

0

ных импульсных последовательностей формируют шесть дополнительных импульсных последовательностей управления у казанными ключами, отличающийся тем, что, с целью улучшения формы выходного напряжения и тока преобразователя, формируют .шесть эталонных импульсных последо- . вательностей М, Mj, М,, Мд, М, М, 5 сфа зированных с соответствующими прямоугольными импульсными последовательностями Рд, Pj, Рр, Р, Pg, Pj и модулированных методом широтно-импульсной модуляции: на интервалах

02|Г

от о до - по знаку синуса в области

п 25Г значении от О до -г-; а на интервалах

27 4

от - до --, модулированных по зако- 33

ну синуса в области значений от ;:: до

i, определяют интервалы полупериодов токов фаз нагрузки и в этих интервалах формируют шесть прямоугольных импульсных последовательностей 1

0

Ь

1с в интервалах положительных

Ч 1с 5

полупериодов токов и Ig, в интервалах отрицательных полупериодов токов, из зтих импульсных последовательностей формируют шесть импульсных последовательностей зон проводимости путем их попарного логического перемножения в соответствии с логическими уравнениями:

11. 129

I,,; l,,, 1,1«-1ь;

I4 l5-Ic- I.4-Ic; и формируют основные импульсные последовательности управления Кд, к , К, Kg, Кг, Kj группами ключей фаз из эталонных импульсных последовательностей в соответствии со следующими логическими уравнениями:

К„ М„.1, + М.1,;

,.1, , +М.1,;

- М 1б - MO-I.

при управлении группами ключей, формирующих положительные полуволны тока, и

4 Mg.I, + M.I, +

Ь - . Kl Мг 1, -f , + M--I,;

при управлении группами ключей, формирующих отрицательные полуволны тока, из участков фазных напряжений сети с наибольшим положительным значением напряжения формируют три импульсные последовательности синхронизации 8д, S ь, Sg с длительностью импульсов 2 ii /3 по частоте сети, а из участков фазных напряжений сети с наибольшим отрицательным значением напряжения формируют три противофазные импульсные последовательности сийхронизации 8д, S, S, а основные импульсные последовательности управления ключами К , К,, К , К-, Кг, К- формируют из основных импульсных последовательностей управления группами ключей в соответствии со следующими логическими выражениями:

К Кд-(Зд+Бц +З) при формировании положительной по луволны тока фазы а ;

(S; +SB+SJ,) при формировании отрицательной полуволны тока фазы а, и соответственно, для других фаз:

5

to

15

0

5 0 5 0

5

3712

Ч K;.(S, + S + S); К-ь (Ss+ Sg+ Sf); KC к ,-(5д + Sp + S,);

, Kj Kl-(S5 + S-), причем дополнительные импульсные последовательности управления формируют путем инверсии основных импульсных последовательностей управ- ления.

2.Способ по п.1, отличающий с я тем, что при сдвиге тока нагрузки относительно напряжения д)1 /3 на интервалах от 49/3 до (З и/З -qi) формируют вспомогательные импульсные последовательности для управления ключами, обеспечивающими пропуск активного тока фаз нагрузки на указанных интервалах и суммарные импульсные последовательности для управления ключами, например, для ключей фазы а в соответствии со следующими логическими уравнениями:

,IaPc(Sд+Sв- S,); 2:K-VM5-Ic, Pe ().

3.Способ поп.1,отличаю- щ и и с я тем, что при выполнении упомянутых средств для пропуска реактивного тока в виде дополнительного трехфазного моста на полностью управляемых ключах, шунтированных диодами, дополнительными импульсньми последовательностями управляют ключами дополнительного моста, причем эти импульсные последовательности формируют путем инверсии основных импульсных последовательностей только на интервалах длительностью Г/З в соответствии со следующими логическими уравнениями:

К.о К..

1

(

50

14

(5

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления преобразователями автоматизированных электроприводов переменного тока с широким диапазоном регулирования скорости. Целью является повышение точности регулирования выходного напряжения при улучшении его формы и увеличении КПД. При формировании входных сигналов в виде уровня напряжений зтими сигналами устанавливается частота импульсной последовательности на выходе управляемого генератора. Этой же импульсной последовательностью тактируется работа всей системы управления. В результате на выходе распределителя формируются шесть импульсных последовательностей (ИП), сдвинутых одна относительно другой на угол /3 по выходной частоте с длительностью каждого импульса fr. По передним фронтам ИП формируют шесть эталонных импульсных последовательностей (ЗИП), сдвинутых на угол , длительностью 4/3 ii . По сигналам датчиков тока каждой фазы формируют шесть импульсных последовательностей реальной проводимости групп ключей фаз (ИПР), Для управления группами ключей фаз осуществляют логическое умножение соответствующих ЗИП с ИПР, 2 з.п,ф-лы. 6 ил. i (Л t со N9 О9 sj

nmmr

ir

JIL

II-inn

11-im n n

nnnr

П П П П

П П П П

. П ППППГ

ЗПnnr

П П

ПП

nnnn FL

П П П П

П n П n

(Jab, i-a

be, b

и,

Cff,

П П П П

П П

oJ,t

«

,

(

.W

L

- I, ,4 I

/2l2)3{3h I /W)f3f5)

II J-:r4.-. -L

16

TO

/V . 1

w;i I Аг7уЛг|;/5Г5;

j

УЬ iKb) T/- /CcfXc

«-

15

JK

4:

45f

JU

2/

cffi

Hi

la ha

-УЗ

fr

/ / / /«/ / / .Лс / A.).V «

-(/S -Us -УЗ Ws

Kc

fxa /Kb

-м-ИЧ

, .- I f5 j- -i- t.

gibllli ери яр 4 срн

(

«/ A.-(/S -Us -УЗ Ws

Kc

fxa /Kb

Af

-«s

Г2б

ot/I

III l

Составитель Г.Мыцык Редактор Н.Марголина . Техред А.Кравчук Корректор т.Колб

283/56

Тираж 661 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4

21

Hi

53

1НТГГ

/с дзормироВотелю имп. 1/лроёления дополнительными ключами

.Б