Устройство для управления инвертором с многоуровневым выходным напряжением Советский патент 1987 года по МПК H02M7/48 

11

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства применительно к его использо- ванию в пшрокорегулируемых инверторах напряжения с многоуровневым выходным напряжением, формируемым из ипульсов неодинаковых амплитуд.

На фиг, 1 изображена функциональ- ная схема устройства управления на фиг. 2 - диаграммы напряженийJ на фиг. 3 - силовая схема инвертора на фиг. 4 - схема распределителя.

Допустим, что на нижнем частотном диапазоне полуволна выходного напряжения инвертора формируется из пяти импульсов. Источник 1 управляющего напряжения, задающий величину выходнго напряжения инвертора, связан с усилителем 2 постоянного тока, коэффициент передачи которого равен 0,5. Выход источника 1 подключен также совместно с основными источниками 3 и 4 постоянного напряжения, количе- ство которых в приведенной схеме равно 2 (т.е. в данном случае п 2), к входам сумматоров 5 и 6.

Генератор 7 тактовых импульсов, задающий частоту выходного напряжения инвертора, связан с генератором 8 пилообразного напряжения. Амплитуда напряжения генератора 8 фиксируется датчиком 9 амплитуды, сигнал с которого поступает на плюсовой вхс сумматора 10. Минусовой вход сумматора 10 связан с источником 11 постоянного напряжения. Выход сумматор 10 подключен к входам блоков 12-15 сравнения. Другие входы блоков 12 и 13 сражения соединены соответственно с выходами сумматоров 5 и 6.

Выход генератора 8 пилообразного напряжения связан с входами компари- рующих блоков 16-21 с выходными формирователями коротких однополярных импульсов. Второй вход компаратора 16 подключен к выходу усилителя 2, а вторые входы компарирующих блоков 17-21 через управляемые ключи 22-26 подсоединены соответственно к источнику 3 постоянного напряжения, выходу сумматора 5, источнику 4, выходам сумматоров 6 и 10. Выходы всех компарирующих блоков через ячейку ИЛИ 27 связаны с логическим распределителем 28 управляющих импульсов. Выход блока 14 сравнения соединен с

53 2 управляющей цепью ключа 22 и с ячейкой И 29, связанной также с инверсным выходом схемы 12 сравнения. Выход блока 15 сравнения подключен к управляющей цепи ключа 24 и к схеме И 30, соединенной по входу с инверс- ньм выходом блока 13 сравнения. Выходы элементов И 29 и 30 через ячейку ИЛИ 31 связаны с управляющей цепью ключа 26. Прямые выходы схем 12 и 13 сравнения присоединены соответственно к управляющим цепям ключей 23 и 25 а инверсные выходы - к элементам И 29 и 30 и к логическому распределителю 28 управляющих импульсов. Источники 3 и 4 постоянного напряжения связаны соответственно с первыми входами сумматоров 32 и 33, на вторые входы которых приходит сигнал с дополнительного источника 11, а выходы которых соединены с входами блоков 14 и 15 сравнения.

Временные диаграммы, поясняющие процесс функционирования устройства, приведены на фиг. 2. Тактовые импульсы генератора 7 тактовых импульсов задающего частоту выходного напряжения инвертора, поступают на вход генератора 8 пилообразного напряжения, выходной сигнал которого, имеющий постоянную крутизну и изменяющуюся в зависимости от частоты амплитуду, обозначен на фиг. 2 как Ugi,,, . Период сигнала U. соответствует при этом

о

полупериоду выходного напряжения инвертора. Амплитуда напряжения U постоянно фиксируется датчиком 9 ам- плитуды, выходной сигнал которого поступает на плюсбвой вход сумматора 10 и из величины которог о в сумматоре 10 производится вычитание небольщо- го по амплитуде напряжения источни- ка 11. Выходные напряжения указанных блоков обозначены на фиг. 2 соответственно как и и,, .

Регулирование величины выходного напряжения инвертора осуществляется источником 1 управляющего напряжения. При з том формирование фронтов центральных на полупериодах импульсов выходной кривой инвертора, имеющих наибольшую амплитуду А,, производится в соответствии с амплитудой напряжения на выходе усилителя 2 постоянного тока (сигнал U,j на фиг.2), имеющего коэффициент передачи, близкий к 0,5, которое постоянно сопоставляется в компараторе 16 с развертывающим напряжением U генератора 8. В моменты равенства указанных напряжений компа- рирующим блоком 16 вьфабатываются короткие однополярные импульсы, которые поступают через элемент ИЛИ 27 на логический распределитель 28 управляющих импульсов, при помощи которого производится выдача команд на формирование фронтов центральных выходных импульсов.

Аналогично на нижнем частотном диапазоне вырабатываются команды на формирование фронтов выходных импульсов инвертора с меньшими амплитудами. Так, формирование фронтов им- пульсов с амплитудой А j производится в моменты равенства напряжений U источника 3 и Uj сумматора 5 мгновенным значением развертьчрающего напряжения Ug. Формирование фронтов крайних на полупериоде импульсов, имеющих наименьшую амплитуду А,, осуществляется в моменты равенства напряжения Ug и сигналов с выхода источника 4 и сумматора 6.

Беспрепятственное прохождение сигналов с блоков 3-6 на компараторы 17- 2U на нижнем частотном диапааоне обеспечивается соответст:|ующим замыканием управляемых ключей 22-25, осуществляемом по командам схем 12-15 сравнения (единичйые сигналы на выходах схем 12-15), так как поступающее в этом случае на входы схем 12-15 выходное напряжение сумматора 10 превышает амплитуды сигналов, приходящих на другие входы этих блоков. Кривая выходного напряжения в рассматриваемом случае формируется из пяти импульсов на полупериоде. Г . ,

Величина напряжений основных источников 3 и 4 выбирается таким образом, чтобы обеспечить близкий к оптимальному гармонический состав .выходного напряжения в диапазоне пониженных выходных частот инвертора. В частности, формирование кривой мно- .гоуровневого выходного напряжения инвертора может быть осуществлено по законам так называемой амплитудно- импульсной модуляции (АИМ), при которой длительности импульсов кривой выходного напряжения равны между собой, амплитуды выходных импульсов выбира- ются соответствующим заданием параметров силовой схемы инвертора таким образом, чтобы исключить из спек-тра выходного сигнала целые массивы паразитных гармонических составляющих. Для реализации на низшем частотном диапазоне законов АИМ величина напряжения и i-x по порядку основных источников постоянного напряжения устройства должна выбираться в соответствии с соотношением U. -г-т- - где и - максимальная амплитуда ге8т

нератора пилообразного напряжения 8, соответствующая нижней (начальной) выходной частоте инвертора. В рассматриваемом случае, когда полуволна выходного напряжения инвертора формируется на начальной частоте из пяти импульсов (), целесообразно выбирать Uj -|- 0,2Ug,

зи

и 0,би„ . Коэффициент пере4

вн,

дачи усилителя 2 должен быть равен при этом 0,5.

Рост частоты следования тактовых импульсов генератора 7 сопровождается пропорциональным изменением амплитуды напряжения Ug генератора 8, фиксируемой датчиком 9 амплитуды. В процессе повышения частоты напряжени и о на выходе сумматора 1U сначала становится меньше сигнала сумматора 6, затем меньше суммы напряжений источников 4 и 32. Сигналы с выходов блоков 13 и 15 сравнения при этом размыкают ключи: 24 и 25, кривая выходного .напряжения инвертора на этом поддиапазоне регулирования формируется из трех импульсов на полупериоде с равньй и длительностями и амплитудами А х, и А (зПри дальнейшем- увеличении частоты сигнал , становится меньше напряжения Uj сумматора 5, в соответствии с командой блока сравнения 12 ключ 23 размыкается. На входы элемента И 29 поступают при этом единичные сигналы с выхода схемы 14 сравнения и с инверсного выхода блока 12 сравнения, соответствующий сигнал с выхода ячейки И 29 через элемент ИЛИ 31 поступает на управляющую цепь ключа 26 и вызывает его замыкание. Выход сумматора 10 оказывается при этом подключенным к компарирующему блоку 21, формирование фронтов крайних на полупериоде импульсов производится в моменты равенства сигналов Ug и и,о . Этому этапу регулирования

частоты инвертора соответствуют временные диаграммы, приведенные на фиг.2.

Дальнейшее увеличение выходной частоты инвертора приводит к дальнейшему плавному уменьшению длительностей крайних на полупериоде выходных импульсов (см.кривую выходного напряжения инвертора U на фиг. 2). Отмеувеличение частоты приводит к последовательному уменьшению абсолютного значения длительности импульсов выходного напряжения с максимальной амплитудой А . При уменьшении частоты выходного сигнала инвертора описанные процессы повторяются в обратной после довательности.

Одной из наиболее распространенных

ченное уменьшение длительностей край- 10 разновидностей силовых схем инвертоних на полупериоде импульсов продолжается с ростом частоты до тех пор, пока амплитуда суммарного сигнала на выходе сумматора 32 не сравняется по величине с напряжением U сумматора 10, после чего на выходе блока 14 сравнения появляется нулевой сигнал, способствующий размыканию ключа 26, в результате в полуволне выходной кривой начинает формироваться по одному импульсу с амплитудой А. Продолжительность крайних на полупериоде импульсов в период времени, предшест

ров с многоуровневым выходным напряжением является структура с силовым секционированным трансформатором,упрощенный вариант которой применитель- 15 но к рассматриваемому случаю формирования трехуровневого выходного напря- жения приведен на фиг.3.В инверторном блоке на первичной стороне трансформа- тора, нагрузкой которого служит пер- вичная обмотка Wf , осуществляется попеременное переключение накрест расположенных вентилей (Т,-Т и Т,-Т ), в результате чего в схему попеременно генерируются одноуровневые импульсы

вующий моменту описанных переключений, достигает минимально допустимой вели- обеих полярностей (напряжение Ц, на чины & , что соответствует минималь- фиг.2). Формирование многоуровнево- ному интервалу времени, необходимому го выходного напряжения и осу- коммутирующим узлам вентилей силовой ществляется при помощи соответствую- схемы для восстановления своих запира- щих попеременных, осуществляемых син- ющих свойств. Общая продолжительность 30 хронно с работой вентилей Т,--Т;, -пе --.;, паузы нулевого уровня на границах по- реключений вентилей Т,. -Т , под- лупериода на рассмотренном поддиапа- соединенных к соответствующим отводам

зоне регулирования ограничивается на

уровне значения

2S

мин )

что позволясекционйрованной вторичной обмотки трансформатора. При этом наибольшая

Г1 1 д

ет исключить режимы перегрузки узлов 35 амплитуда импульсов на нагрузке А

коммутации при смене полярности кривой выходного напряжения. Абсолютная величина интервала&„ „ зависит от час-. тотных свойств силовых цепей инвертора и составляет для мощных тиристор- 40 при включении l и . ных схем время порядка 100-200 мкс Требуемое зна чение 9„„„ задается в .предлагаемом устройстве параметрически соответствующим выбором напряжения смещения дополнительного источника 11 постоянного напряжения, поступающего на сумматоры 10,32 и 33.

наблюдается при включ Т и Т р , импульсы с формируются при включ пульсы с наименьшей

TS и Т

В соответствии со ловой схемы многоуров строится схема логиче лителя управляющих имп 45 управления. Один из во

тов построения логиче . лителя 28 применитель на фиг. 3 структуре с вертора представлен н

После того, как в полуволне выходного сигнала инвертора остается лишь по одному импульсу, дальнейший рост выходной частоты происходит за счет плавного изменения продолжительности

Распределитель содержит в качестве основных узлов программное постоянное запоминающее логическое устройство (ячейку ППЗУ) 34, первая адресная шина которого связана с инверспауз нулевого уровня вплоть до момента достижения указанной длительностью ным выходом блока 12 сравнения, а вто- значения, считая от начала полуперио- рая адресная шина подсоединена через

да, равного8| „. Величина выходного значения инвертора при этом бли-зка к максимальному значению,и дальнейшее

элемент ИЛИ 35 к инверсному выходу блока 13 сравнения. Последовательность коротких импульсов, поступаю4153 6

увеличение частоты приводит к последовательному уменьшению абсолютного значения длительности импульсов выходного напряжения с максимальной амплитудой А . При уменьшении частоты выходного сигнала инвертора описанные процессы повторяются в обратной последовательности.

Одной из наиболее распространенных

10 разновидностей силовых схем инверто

ров с многоуровневым выходным напряжением является структура с силовым секционированным трансформатором,упрощенный вариант которой применитель- но к рассматриваемому случаю формирования трехуровневого выходного напря- жения приведен на фиг.3.В инверторном блоке на первичной стороне трансформа- тора, нагрузкой которого служит пер- вичная обмотка Wf , осуществляется попеременное переключение накрест расположенных вентилей (Т,-Т и Т,-Т ), в результате чего в схему попеременно генерируются одноуровневые импульсы

обеих полярностей (напряжение Ц, на фиг.2). Формирование многоуровнево- го выходного напряжения и осу- ществляется при помощи соответствую- щих попеременных, осуществляемых син- хронно с работой вентилей Т,--Т;, -пе --.;, реключений вентилей Т,. -Т , под- соединенных к соответствующим отводам

секционйрованной вторичной обмотки трансформатора. При этом наибольшая

при включении l и .

амплитудой А наблюдается при включении вентилей Т и Т р , импульсы с амплитудой А формируются при включении Т и Tg,импульсы с наименьшей

TS и Т

В соответствии со структурой сиовой схемы многоуровневого инвертора строится схема логического распредеителя управляющих импульсов системы правления. Один из возможных вариантов построения логического распреде- ителя 28 применительно к приведенной на фиг. 3 структуре силовой схемы инвертора представлен на фиг. 4.

Распределитель содержит в качестве основных узлов программное постоянное запоминающее логическое устройство (ячейку ППЗУ) 34, первая адресная шина которого связана с инверс

ным выходом блока 12 сравнения, а вто- рая адресная шина подсоединена через

элемент ИЛИ 35 к инверсному выходу блока 13 сравнения. Последовательность коротких импульсов, поступающая от элемента ИЛИ 27, приходит на вход счетного триггера 36, сигнал с инверсного выхода которого через дифференциатор 37 передается на С- вход четырехразрядного двоичного счетчика 38, выходы первых трех разрядов которого подсоединены к соответствующим адресным шинам ячейки ППЗУ 34, а выход старшего разряда подключен к второму входу ячейки ИЛИ 35. О Сброс счетчиков 38 осуществляется при помощи сигналов с выхода одновибратона выходе конъюнкторов 43-48 в соответствии с порядком поступления логических сигналов на их входы с прямого выхода триггера 36 и с соответ- 5 ствующих разрядов ячейки ППЗУ 34.

Последовательность выработки соответствующих команд предварительно подготовленной ячейки ППЗУ 34 в соответствии с сигналами, поступающими на ее адресные шины, отображена в таблице. При этом алгоритм работы I соответствует состоянию системы управления, при котором на инверсных выходах блоков 12 и 13 сравнения имера 39, связанного по входу с выходом

седьмого разряда ППЗУ 34 и с дифферен- „„„ . . .. .- , -

циатором 37, , ются нулевые сигналы (на адресных

Формирование управляющих импуль- -шинах блока 34 , ), кривая сов на вентили Т-Т инверторного блока на первичной обмотке трансформатора осуществляется в системе при по- .. - j мощи логической части, включающей 20при алгоритме 2 (, ) выход- счетный триггер 40 с прямым и инверс-ная кривая формируется из импульсов ным выходами, конъюнкторы 41 и 42,с амплитудами А, и А, при алгоритме связанные с выходом триггера 36 и с3 (, ) на полупериоде выход- дифференциатором 37. Управляющие сиг-ной кривой формируется по им- налы на вентили Тд-Т вырабатываются пульсу с амплитудой А,.

выходного напряжения при этом формируется из максимального количества импульсов с амплитудами А ,, А, А,

Регулирование частоты выходного пряжения осуществляется последовательным плавным изменением длительностей крайних на поЛупериоде импульсов с наименьшей амплитудой, наименее ин- . формативных с позиции влияния на спектр « выходного напряжения. Процесс регулирования частоты и величины выходного напряжения осуществляется при практическом постоянстве частоты коммутации

на выходе конъюнкторов 43-48 в соответствии с порядком поступления логических сигналов на их входы с прямого выхода триггера 36 и с соответ- ствующих разрядов ячейки ППЗУ 34.

Последовательность выработки соответствующих команд предварительно подготовленной ячейки ППЗУ 34 в соответствии с сигналами, поступающими на ее адресные шины, отображена в таблице. При этом алгоритм работы I соответствует состоянию системы управления, при котором на инверсных выходах блоков 12 и 13 сравнения . . .. .- , -

ются нулевые сигналы (на адресных

шинах блока 34 , ), кривая .. - j при алгоритме 2 (, ) выход- ная кривая формируется из импульсов с амплитудами А, и А, при алгоритме 3 (, ) на полупериоде выход- ной кривой формируется по им- пульсу с амплитудой А,.

выходного напряжения при этом формируется из максимального количества импульсов с амплитудами А ,, А, А,

вентилей силовой схемы и при постоянной частоте работы силового формирующего трансформатора инвертора. На всем диапазоне регулирования обеспечивается гарантированная продолжительность коммутационных пауз, что облегчает режимы работы узлов коммутации схемы и повьшает надежность функционирования инвертора в целом.

Формула изобретения

Устройство для управления инвертором с многоуровневым выходным напряжением, содержащее источник управляю- щего напряжения, связанный с усилителем, п источников постоянного напряжения, п блоков сравнения, п+1 основных сумматоров, генератор тактовых импульсов, связанный с генератором пилообразного напряжения, соединенным с датчиком амплитуды пилообразного напряжения, выход генератора пилообразного напряжения подключен к первым входам 2п+1 компарирующих блоков с выходными формирователями ко ротких импульсов, выходы которых через элемент ИЛИ соединены с первым входом распределителя управляющих импульсов, вторые входы всех компарирующих блоков, кроме первого, через управляемые ключи связаны с источниками постоянного напряжения и с выходами соответствующих основных сумматоров, первьй источник постоянного на-- пряжения связан с входом п+1-го сумматора, выходы основных блоков срав- нения подсоединены к управляющим цепям соответствующих ключей, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, оно снабжено п дополнительными сумматорами, п дополнительными блоками сравнения с прямыми и инверсными выходами, п элементами И, допол- нительным управляемым ключом, элеме ;- том ИЛИ, дополнительным компарирую- щим блоком с выходным формирователем коротких импульсов и дополнительным источником постоянного напряжения, причем выход усилителя подсоединен к второму входу первого компарирующего блока, источник управляющего напряжения связан с первыми входами всех основных сумматоров, кроме первого, вторые входы п сумматоров, кроме первого, подключены к соответствующим основным источникам постоянного напряжения, плюсовой вход первого основного сумматора соединен с датчиком амплитуды пилообразного напряжения, минусовый вход первого основного сумматора связан с дополнительным источником постоянного напряжения, выход первого основного сумматора присое- динен к первым входам всех блоков сравнения и через дополнительный ключ к первому входу дополнительного компарирующего блока, который подсоединен к основному элементу ИЛИ, вторые входы основных блоков сравнения связаны с выходами дополнительных сумматоров, вторые входы дополнительных блоков сравнения соединены с выходами соответствующих основных сумматоров, входы элементов И соединены с выходами, соответствующих основных блоков сравнения и с инверсными выходами дополнительных блоков сравнения которые связаны также с остальными входами распределителя управляющих импульсов, выходы элементов И связаны через дополнительный элемент ИЛИ с управляющей цепью дополнительного ключа, прямые выходы дополнительных блоков сравнения присоединены к управ ляющр1м цепям соответствующих основных ключей, второй вход дополнительного компарирующего блока подключен к выходу генератора пилообразного напряжения, входы дополнительных сумматоров связсшы с соответствующими основными источниками постоянного напряжения и с дополнительным источником постоянного напряжения, при этом распределитель управляющих импульсов содержит постоянное запоминающее устройство ПЗУ, содержащее 2п+1 адресных шин и 2п+3 выходных разрядов, од- новибратор с конъюнкторным входом, (п+2)-разрядный счетчик со счетным и установочным входами, два счетных триггера, ди(3)ференциатор, элемент ИЛИ и 2п+4 элементов И, причем первый вход распределителя управляющих импульсов связан с входом первого ного триггера, прямой выход которого связан с первыми входами всех элементов И, а инверсньй ВЁКОД через дифференциатор присоединен к счетному входу счетчика, к входу второго счетного триггера и к конъюнкторному входу одновибратора, связанному также со старшим разрядом ПЗУ, выход одно- вибратора присоединен к установочному входу счетчика, младшие разряды счетчика связаны с соответствующими адресными шинами ПЗУ, последний вход распределителя управляющих импульсов, а также старший разряд счетчика связаны с соответствующей адресной шиной ПЗУ через элемент ИЛИ, а остальные входы распределителя управляющих импульсов присоединены к соответствующим адресным шинам ПЗУ непосредственно, прямой и инверсный выходы второго

II130415312.

триггера соединены соответственно с ствующих разрядов ПЗУ, причем ПЗУ ны- вторыми входами второго и первого эле- полнено реализующим функциона,аьную за- ментов И, вторые входы остальных эле- висимость в соответствии с табли- ментов И связаны с выходами соответ- цей.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления инвертором с многоуровневым выходным напряжением. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей. Регулирование частоты выходного напряжения инвертора осуществляется последовательным плавным изменением длительностей крайних на полупериоде импульсов с наименьшей амплитудой. Процесс регулирования частоты и величины выходного напряжения осуществляется при практическом лостоянстве частоты коммутатора вентилей силовой схемы и при постоянной частоте работы силового формирующего трансформатора инвертора. На всем диапазоне регулирования обеспечивается гарантированная продолжительность коммутационных пауз, что повьшает надежность функционирования инвертора. 4 ил. 1 табл. с S (Л со о ел СО

cpuf.J

+ о

- О

сри.:з

ffCfJiJs MoTzJ t aTs наТг ноТу //efTg ffoTg ffoTfo фие.4

Редактор E. Копча

Составитель 0. Парфенова

Техред И.Попович Корректор М.Самборская

Заказ 1322/56Тираж 661Подписное

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