Устройство для управления инвертором напряжения Советский патент 1987 года по МПК H02M7/48 

113

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления инверторами напряжения с регулируемым широтно-им- пульсным способом значением выходного напряжения и регулируемой частотой, используемых,в частности в частотном электроприводе.

Целью изобретения является повышение качества выходного напряжения, линеаризация регулировочной характеристики и упрощение устройства.

На фиг. I представлена блок-схема устройства для управления одной фазой инвертора; на фиг. 2 - схема одной фазы инвертора; на фиг. 3 - структура блока распределения импульсов; на фиг. 4 - кривые зависимости выходного напряжения функционального преобразователя и первой гармоники выходного напряжения инвертора от входного напряжения функционального преобразователя (в относительных единицах) ; на фиг. 5 - эпюры напряжений поясняющие принцип работы устройства в режиме неполной модуляции; на фиг. 6 - эпюры напряжений в режиме перемодуляции; на фиг. 7 - функциональный преобразователь.

Устройство для управления одной фазой инвертора (фиг. 1) содержит сумматор 1, один вход которого является входом задания амплитуды выходного напряжения, второй вход соединен с выходом интегратора 2 ,на вход которого подается напряжение питания инвертора; функциональный преобразователь 3, вход которого соединен с выходом сумматора 1, а выход - с входом задающего генератора 4 трехфазного синусоидального напряжения, соответствующий выход которого соединен с одним из входов блока 5, запоминания данной фазы, второй вход которого соединен с выходом формируемых в моменты максимумов треугольного напряжения коротких импульсов генератора 6 треугольного напряжения, вход которого является входом задания частоты, а выход треугольного напряжения связан с одним из входов широтно-им- пульсного модулятора 7, второй вход модулятора соединен с выходом блока 5 запоминания; блок 8 распределения импульсов, одна пара входов которого подключена к выходам,модулятора 7, а другая пара входов - к выходам дат92072

чика 9 направления тока, на который подается ток нагрузки инвертора.

Одна фаза инвертора (фиг. 2) содержит вентильный полумост на основ5 ных тиристорах 10 и 11 и обратных диодах 12 и 13, узел 14 искусственной коммутации, фазу нагрузки 15, последовательно с которой включен датчик 16 тока нагрузки; датчик 17

to напряжения питания инвертора, выходы датчиков 16 и 17 связаны с входами датчика 9 и интегратора 2 соответственно, а управляющие входы основных тиристоров 10 и 11 и узла 14 искусt5 ственной коммутации соединены с соответствующими выходами блока распределения импульсов.

Блок распределения импульсов 20 (фиг. 3) состоит из двух элементов И 18 и 19, первые входы которых соединены с выходами модулятора, а вторые входы - с выходами датчика направления тока. Прямые выходы элемен 25 тов И соединены с управляющими электродами основных тиристоров непосредственно, а инверсные с управляющими входами узла 14 - через дифференцирующие конденсаторы 20 и 21. 30

Задающий генератор трехфазного синусоидального напряжения имеет нерегулируемую частоту и регулируемую амплитуду. Такой генератор может быт j выполнен, например, на базе.автогенератора с КС-связями и множительными устройствами на выходе для регулирования амплитуды выходного напряжения в функции напряжения задания. Одно- Q фазный генератор треугольного напряжения имеет постоянную амплитуду напряжения и регулируемую частоту. Подобный генератор получается при соединении в кольцо интегратора и релей 45 ного элемента с симметричной двухпо- зиционной характеристикой (например, на основе триггера Шмидта). Причем его частота регулируется вверх и вниз относительно частоты задающего JQ генератора синусоидального напряжения, разность этих частот определяет частот у и порядок следования фаз выходного напряжения инвертора.

Блоки 1-4 и б являются общими для 5 всех трех каналов устройства для управления трехфазным инвертором напряжения, на фиг. 1 изображен только один канал для управления одной фазой инвертора.

3I

функциональный преобраги.1нателр выполнен в виде диодно-резистивной це- пн, в которой положение дпижков потенциометров 22 и величина сопротивлений резисторов 23-25 определяют соответствующие точки излома при кусочно-линейной аппроксимации зависимости Хфиг. 4), а величина сопротивлений резисторов 26-31, определяет угол наклона участков аппроксимации указанной зависимости. Диоды 32-34 - нелинейные элементы, изменяющие конфигурацию цепи в зависимости от величины напряжения задания. На операционном усилителе 35 выполнен суммирующий усилитель, а на операционном усилителе 36 и резисторах 37-39 инвертор.

I

Работу устройства для управления рассмотрим с помощью временных диаграмм напряжений и токов (Фиг. 5), где а - напряжение одной фазы задающего генератора 4, - строб-сигналы первого выхода генератора 6, предназначенные для управления ключом блока 5 запоминания. На короткое время действия строб-сигнала ключ замыкается и конденсатор блока запоминания заряжается до напряжения, равного напряжению генератора 4 в этот момент. Таким образом, стробируя синусоиду, получаем ступенчато-аппроксимированное синусоидальное напряжение (фиг. 5 в), амплитуда которого равна амплитуде сину соиды генератора 4,а частота - разности частот синусоиды и стробирования. Это ступенчатое напряжение подается на один вход широт но-импульсного модулятора, на второй вход которого поступает напряжение треугольной формы (фиг. 5 в) с генератора 6. На двух выходах модулятора 7 получаются при этом две широтно-мо дулированные последовательности импульсов (фиг. 5 г,д). Импульсное напряжение на нагрузке, соответствую- щее этим импульсам модулятора, имеет вид, изображенный на фиг. 5 е, где одновременно показана кривая тока пр предположении активно индуктивного характера нагрузки. От тока нагрузки в датчике 9 направления тока формируются два единичных сигнала (фиг.5 ж,з), соответствующие положительной и отрицательной полуволнам тока. Под действием первого единичного сигнала (фиг. 5 ж) селектируются импульсы первого выхода модулятора (фиг. 5 г)

74

в резуд1 т.-)те получаются импульс., управления (фиг. 5 и основным тиристором И) флзы инвертора. 1о задним фронтам импульсов, соответствующих моментам выключения основного тиристора 10, в блоке 8 путем дифференцирования формируются (фиг. 5 к) короткие импульсы управления тиристором той части узла 14 искусственной

коммутации, которая обеспечивает выключение основного тиристора 10. Аналогично под действием второго единичного сигнала датчика 9 (фиг. 5 з) селектируются импульсы второго выхода модулятора (фиг. 5 д), в результате получаются импульсы (фиг. 5 л) управления вторым основным тиристором 11 фазы инвертора. По заданн1,м фронтам этих импульсов, соответствующих

моментам выключения основного тиристора 1 1 ,в блоке 8 формируются (фиг. 5 м) короткие импульсы управления тиристором той части узла 14 искусственной коммутации, которая обеспечивает выключение основного тиристора 1 1 .

Регулирование величины первой гармоники выходного напряжения инвертоРа осуществляется сигналом задания амплитуды Uj, который через сумматор и функциональный преобразователь 3 задает амплитуду выходного напряжения генератора 4 (фиг.5 а), а значит и амплитуду ступенчато-аппроксимированной синусоиды (фиг. 5 в), поступающей на модулятор 7. Этим самым регулируется ее относительная (по отношению к нерегулируемой амплитуде пилообразного напряжения генератора 6) величина, т.е. изменяется глубина модуляции, а значит и величина первой гармоники выходного напряжения инвертора. Последняя зависит и

от величины среднего значения напряжения питания инвертора. Если это напряжение равно номинальной величине, то сигнал на второй вход сумматора 1 от интегратора 2, следующего за

средним значением напряжения питания инвертора, не поступает. При повьппе- нии напряжения питания на выходе инвертора выходной сигнал интегратора 2, пропорциональный приросту этого

напряжения над номинальной величиной, имеет знак, противоположный сигналу задания Uy на втором входе сумматора, что приводит к пропорциональному уменьшению выходного напряжения гене

ратора 4, а значит и глубины модуляции. В результате первая гармоника выходного напряжения инвертора не увеличивается несмотря на увеличение напряжения питания. При уменьшении напряжения пцтания инвертора выходной сигнал интегратора 2 имеет уже иную полярность и через сумматор I воздействует в направлении увеличения глугармоники выходного напряжения от напряжения Ui.) характеристика функционального преобразователя при U, U

(фиг. 4) должна определяться следуюбины модуляции, что не позволяет пер-10 заны на фиг. 6, причем развертки вой гармонике выходного напряжения а-м последней идентичны соответствую- инвертора уменьшиться в этой ситуа- щим разверткам а-м фиг. 5. ции. Таким образом, обеспечивается Для обеспечения и в этом режиме линеаризация регулировочной характе- линейной регулировочной характерис- ристики инвертора, т.е. независимость J5 тики (зависимости величины первой выходного напряжения инвертора от колебаний его напряжения питания. Функциональный преобразователь 3 при этом ведет себя как пропорциональное -зве- . но, пока величина сигнала задания Uj 20 Щим образом.

не превышает некоторой величины U Сначала находим зависимость пер- (фиг.4), соответствует глубине моду- вой гармоники выходного напряжения ляции, равной единице при номинальном инвертора U,, (при допущении беско- входном напряжении инвертора.нечной большой кратности- частоты

Частота выходного напряжения ин- 25 коммутации и выходной частоты) от ве- вертора регулируется сигналом задания частоты, воздействующим на частоту треугольного напряжения генератора 6. При ее изменении меняется и частота строб-импульсов (фиг. 56), 30 а значит и частота ступенчато-аппроксимированной синусоиды (фиг. 5 в) на входе модулятора 7. При линейной зависимости частоты генератора 6 от напряжения на его входе выходная тота инвертора также является линейличины перемодуляции, численно равной относительной величине выходного напряжения , функционального преобразователя

и

(1)

- sin(arccos

1

и

-) + 16ЫХ

- arccos

II

sin(2arccos

1

и

6Ь1Т

НОЙ функцией сигнала задания.

Импульсы управления тиристорами

мости У(,.

Если потребовать линейной зависиот напряжения U, то в этой формуле вместо U(, надо подставить узла 14 искусственной коммутации ин- д напряжение U. Кривая связи на- вертора разделены не менее, чем полу- пряжения U,, являющегося входным на- периодом треугольного напряжения ге- пряжением функционального преобразо- нератора 6, независимо от глубины вателя (при номинальном напряжении модуляции частоты выходного напряже- на входе инвертора), с выходным на- ния инвертора (фиг. 5 к)- Это оз- .j пряжением функционального преобразователя построена на фиг. 4.

начает, что в предлагаемом устройстве нет ограничений на глубину модуляции, присущих известным системам, что позволяет увеличить выход первой гармоники в напряжении инвертора и этим самым повысить использование напряжения источника питания инвертора вплоть до теоретически предельно возможного.

Для достижения этого напряжение задания амплитуды Ui, устанавливается больше, чем Ut (фиг.4). При этом величина выходного напряжения функционального преобразователя 3 резко

В предельном случае, т.е. при U,

4 1,27,выходное напряжение одно50 фазного инвертора становится прямоугольным, а трехфазного инвертора - прямоугольно-ступенчатым (фиг. 6 н). , Первая гармоника выходного напряжения инвертора при этом увеличивается

также в 1,27 раза по сравнению со случаем полной модуляции (при ). Практически уже при глубине модуляции равной трем, что соответствует U-j. l,215, выход первой гармоники блиувеличивается (фиг. 4, кривая U. ), а значит также увеличивается и амплитуда синусоиды генератора 4 до такой величины, чтобы сохранилась линейная зависимость первой г армони- ки выходного напряжения инвертора от напряжения U, (фиг. 4, кривая U). Возникает режим перемодуляции, эпюры напряжений для этого режима покагармоники выходного напряжения от напряжения Ui.) характеристика функционального преобразователя при U, U

(фиг. 4) должна определяться следуюзаны на фиг. 6, причем развертки а-м последней идентичны соответствую- щим разверткам а-м фиг. 5. Для обеспечения и в этом режиме линейной регулировочной характерис- тики (зависимости величины первой Щим образом.

коммутации и выходной частоты) от ве-

личины перемодуляции, численно равной относительной величине выходного напряжения , функционального преобразователя

коммутации и выходной частот

и

(1)

- sin(arccos

1

и

-) + 16ЫХ

ации и выходной ча

- arccos

II

sin(2arccos

1

и

6Ь1Т

мости У(,.

формуле вм напряжение пряжения U пряжением вателя (пр на входе и пряжением вателя пос

В предельном случае, т.е. при U,

4 1,27,выходное напряжение однофазного инвертора становится прямоугольным, а трехфазного инвертора - прямоугольно-ступенчатым (фиг. 6 н). , Первая гармоника выходного напряжения инвертора при этом увеличивается

также в 1,27 раза по сравнению со случаем полной модуляции (при ). Практически уже при глубине модуляции равной трем, что соответствует -j. l,215, выход первой гармоники бли713

зок к преде.цьному (отличается на 0,05.5 от предельного значения 1,27). Таким образом, введение функционального преобразователя 3 и блока 8 распределения имлульсов 8, управляемого указанным образом от датчика 9 направления тока, позволяет увеличить глубину модуляции, а значит и величину первой гармоники выходного напряжения и этим улучшить качество выходного напряжения и обеспечить практически полное использование напряжения источника питания инвертора. Добавление в систему управления сумматора 1 и интегратора 2 линеаризует регулировочную характеристику и в режиме нормальной модуляции, и в режиме перемодуляции. Выполнение задающего генератора высокочастотным нерегулируемым по частоте существенно упрошает систему управления, упрощается и блок логики за счет исключения из него элементов задержки на время коммутации.

Дополнительные преимущества предлагаемой системы управления связаны с уменьшением в два раза частоты следования импульсов управления узлом 14 (фиг. -5 к,м), что снижает в два раза частоту коммутации в инверторе, а значит уменьшает потери активной мощности на коммутацию, что повышает КПД.

Формула изобретения

.Устройство для управления инвертором напряжения, содержащее общие для всех фаз задающий генератор трех фазного синусоидального напряжения, генератор треугольного напряжения с входом задания частоты, выходы задающего генератора трехфазного синусоидального напряжения соединены с пер- выми входами блоков запоминания для соответствующих фаз, к вторым входам которых подключен выход формируемых в моменты максимумов треугольного напряжения коротких импульсов гене- ратора треугольного напряжения, выход блока запоминания в каждой фазе

78

подключен к первому входу широтн т- импульс-ного модулятора, второй нход которого соединен с выходом треуг оль- ного напряжения генератора треугольного напряжения, и распределитель импульсов в каждой фазе, отличающееся тем, что, с целью повышения качества выходного напряжения, линеаризации регулировочной характеристики и упрощения устройства, оно снабжено последовательно соединенными интегратором, сумматором и функциональным преобразователем, у которого

Uj.Ue,,, , при и. и

и - sin(arccos

и,

BHv

0

5

0

5

0 5 0

- - arccos

- sin (2arccos

Uetn

1

и

где U

et.iv

-) , при U и.

f.tlX

Uv иГвыходное напряжение функ- циона.пьного преобразователя;

сигнал задания амплитуды; величина U, , соответствующая глубине, модуляции, равной единице при номинальном входном напряжении инвертора,

вход интегратора соединен с выходом датчика напряжения питания инвертора, второй вход сумматора является входом задания амплитуды выходного напряжения инвертора, а выход функционального преобразователя соединен с входом задающего генератора трехфазного синусоидального напряжения, задающий генератор трехфазного синусоидального напряжения вьшолнен высокочастотным с регулируемой амплитудой выходного напряжения, а блок распределения импульсов содержит два элемента И, первые входы которых соединены с прямым и инверсным выходами щиротно-импу.пьс- ного модулятора, вторые входы подключены к выходу датчика направления тока нагрузки, выходы элементов И предназначены для подключения к вентилям инвертора, прямые - непосредственно, а инвертирующие - через дифференцирующие конденсаторы.

К системе управления

г

сРаза инвертора

От системы управления

От ЦНТ

Фиг. 2

Фиг. З

Фиг.

J /.27 Uj

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления инверторами напряжения с широтно-импульсной модуляцией и регулируемой частотой. Целью изобретения является повышение качества выходного напряжения, линеаризация регулировочной характеристики и упрощение устройства. При изменении напряжения питания на входе инвертора выходной сигнал интегратора 2, пропорциональньй отклонению этого напряжения, от номинальной величины, имеет знак, противоположный знаку сигнала задания амплитуды при повьшении напряжения питания, и ту же полярность, что и сигнал задания амплитуды при уменьшении напряжения питания. Это приводит к пропорциональному изменению выходного напряжения задающего генератора 4 трехфазного синусоидального напряжения. В результате первая гармоника выходного напряжения инвертора не изменяется, несмотря на изменения напряжения питания. Таким образом, обеспечивается линеаризация регулировочной характеристики инвертора. Для повышения качества выходного напряжения величину сигнала задания амплитуды устанавливают больше некоторого значения , соответствующего глубине модуляции, равной единице при номинальном входном напряжении инвертора, при этом величина выходного напряжения функционального преобразователя 3 резко увеличивается. Линейность регулировочной характеристики в этом режиме сохраняется. 7 ил. (О (Л со со ГС

и.,

-С

Фи&.5

а

X

/ V V У V

л Л

V

л Л.Ж

ejUC

о П

in

П f

П г

I П

-u№

- UJZ

I L

От cyHi amopa.

Заказ 2525/52 Тираж 660Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

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