Способ дискретного регулирования частоты и непосредственный преобразователь частоты Советский патент 1987 года по МПК H02M5/27 

каждого из двух формирующих напряжений, устанавливают попеременно, что позволяет реализовать шестикратные входной частоте пульсации выходного напряжения двумя катодно-анодными тиристорными группами. При этом подключаемые к этим группам входные

1

Изобретение относится к преобразовательной технике и предназначено для использования в частотно-регулируемом электроприводе с дискретными ступенями изменения значений выходных частот ниже и вьппе входной частоты преобразователя, при этом форма кривой выходного напряжения может быть приближена к синусоидальной, а эффективное его значение установлено требуемого регулируемого значения в зависимости от числа регулируемых ступеней входного напряжения на выходах регуляторов напряжения и преобразование частоты может быть осуществлено естественными коммутациями преобразователя.

Цель изобретения - улучшение качества выходного напряжения преобразователя во всем диапазоне регулирования его эффективного значения, а также упрощение реализации при независимом по фазам формировании выходного напряжения.

На фиг. 1-6 приведены временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя согласно предлагаемому способу; на фиг. 7 - силовая схема одной независимой выходной фазы предлагаемого преобразователя; на фиг. 8 - блок-схема системы управления преобразователем согласно предлагаемому способу.

Диаграммы, приведенные на фиг. 1

для случая соg, cOj 2-5 - для со

Вы у

«iO

Вх

на

где

сОд, cOgjj- выходная и входная угловые частоты преобразователя. Преобразователь показан при -(j

™4tti ex

6 5

(фиг. 1 и 6), при I (фиг. 2),

напряжения соответственно противоположных полярностей подают через регуляторы переменного напряжения на их выходные выводы и суммируют их в общем контуре с фазой нагрузки преобразователя. 2 с.п. ф-лы, 8 ил., 2 табл.

12

7 (фиг. 3) и при

т

13

/.

(фиг. 4 И 5).

5

5

5

Упрощение преобразователя частоты и совмещение регулирования значения выходных частот и значения напряжения преобразователя по предлагаемому способу реализуется при помощи устройства (фиг. 7) следующим образом.

Суммируют два и, + и и,,амп- литудно-регулируемых по значению входных напряжения разных фаз и разных полярностей для формиройания в каждый момент времени выходного напряжения преобразователя, равного требуемому эталонному выходному напряжению и щ,, , синусоидальной формы и заданной дискретной частоты (фиг. 1 и 2 вверху) и с дискретным приближением регулирования напряжения к заданному (внизу). Согласно предлагаемому способу для формирования выходного напряжения преобразователя используют два противоположных по полярности и наиболее близких по фазе входных напряжения. Например, согласно фиг. 1 напряжения Ui , U (cOj,t - )

в первой половине интервала подключения входного напряжения от до tg и согласно фиг. 2 входные напряжения и, V sinjU t, Uj (QB,t - --)

и,

от tjj до tg (на фиг. 1-6 за начало отсчета времени принято tf,). Чередование циклического подключения каждого из двух входных J , Uj составляющих U,, напряжений осуществляют попеременно через половину

кажд- интервала подключения Т го входного напряжения, например смну циклического подключения U осуществляют в момент времени t

о

и, - в момент времени t(Kr. 1) и момент времени t(фиг. 2). Таким образом, во второй половине интервала подключения входного напряжения, т.е. после момента времени t,U,

V sinCa.t +

2Г З Л

а и не меняет

фазу (фиг. 1), и после момента t

а и. не меняет

и, (Dert фазу (фиг. 2).

После каждого чередования подключения вновь подключенное входное напряжение U, или U регулируют по амплитудному значению согласно синусной зависимости в пределах измене ния этой тригонометрической функции от нулевого значения - в момент подключения входного напряжения до значения 0,866 в половине интервала подключения каждого входного напряжения. Далее значение тригонометрической функции с переключенной ее фазой снижается от значения 0,866 до нулевого в конце интервала подключения. При этом регулирование амплитудных значений каждого из двух и, или Uj входных напряжений осуществляют одновременно для всех трех выходных фаз преобразователя сог2ласно зависимостям Kj,-,ssin в

первой половине и Кр-ч- sin(2iltu +

+ ) во второй половине каждого интервала Т подключения входного напряжения, где Кр - коэффициент регулирования требуемого эталонного эффективного значения выходного напряжения преообразователя, 22 со и ex

разность выходной и входной угловых частот преобразователя,а t, меняется в пределах О t; « каждого интер- .вала Т подключения входных напряжени

Таким образом, согласно приведенным зависимостям регулирования амплитудное значение каждого из U, или и2 входных напряжений меняется от нулевого значения в начале интервала подключения до эталонного требуемого амплитудного значения выходного напряжения в половине интервала подключения и снижается согласно тригонометрической зависимости до нулевого значения в конце интервала подклю20

чения входного напряжения, что видно из приведенных кривых U, или Uj (фиг. 1-6).

Равенство подключенных значений входных напряжений V, Ugti э половине интервала их подключения видны (фиг. 3 и 4) в моменты времени t,,tj, а и, - в моменты времени во

всех трех выходных фазах одновременно, также видна одинаковая зависимость регулирования U от нулевого значения в моменты времени , а значения U, - в моменты времени t,|tj. Регулирование эффективного значения выходного напряжения осуществляется изменением значения коэффициента К- в зависимости от регулирования входных напряжений . Полный интервал от t подключения входного напряжения Uj (фиг. 4) показан во всех трех выходных фазах одинаково регулируемыми значениями

2 п

входных напряжений (cjg,t + )

2 -Vn,sin«,t, (cOe,t - --)

соответственно. Полный интервал от t, до tj подключения входного напряжения и показан во всех трех выходных фазах преобразователя вход2тными напряжениями V sin(c3avt - --),

ex

2Т

35

(), V sinoe.t соот

ветственно. Другие интервалы подключения и регулирования входных напряжений и,,и5, аналогичны по действию преобразованию частоты с той разни- цей, что в каждом поочередном интервале в качестве подключенных U, или и являются поочередно отстающие входные напряжения при COgju -Wg и опережающие при cOej,,, сОву

В табл. 1 приведены данные, характеризующие процесс преобразования частоты для примера (фиг. 4 и 5), где функция времени t представлена непрерывной.

Моменты времени tJ(фиг. 4 и 5) соответствуют одним и тем же процессам преобразования, только на 55 фиг. 5 относительно входных U,,, напряжений и.

,,

t, Ug

(co,t

- --) 3

Ur. (w,,t

BA

21Гч

+ -г-) показаны им соответствующие переключающие функции h циклическог переключения входных напряжений, причем от h, до h для U, т.е. положительной полярности Ug,, а от h,Q по и, т.е. отрицательно полярности Ug. Здесь значения от Ь, до hj и от h,o до h ,2 относятся к первой выходной фазе преобразовател (фиг. 4), от h. до hj, и от h, до hjj.- к второй выходной фазе, от hj до h и от h,j до к третьей В пределах каждой группы переключающих функций, например,, от h до h,, верхние относятся к ид, средние к и. и нижние к U-. На фиг. 5 также

ос

показаны амплитудно-регулирующие функции sinZQt,

sin(2Qt - --) и и„с sin(2jlt которых используются только значения в пределах от 0,866 до -0,866. При этом для регулирования и, используют значения U,, показанные более толстой линией выше нулевой линии значений функции U, а для регулирования U - значения . показанные толстой линией ниже нулевой линии функции U. При этом непрерывные толстые линии U,, или . соответствуют положительным значениям регулирующей функции U , а прерывистые толстые линии - отрицательным значениям , например в пределах от t до t, U, амплитудн регулируется функцией И

о.-

sin(2s2t + Т пределах от

t, до t - функцией - ,

о/

sin(2at + --). Данные в виде изображенных кривых, переключающих и амлитудно регулирующих функций (фиг.4 и 5), сведенные в табл. 1, дают не- . обходимую информацию для осуществления предлагаемого способа преобразования. Полный цикл повторения (фиг. 5) охватывает интервал от t до t, после которого начинается его повторение.

Частота амплитудно регулирующей функции 2 Q - СО й , а переключающей функции входных напряжений -3jl. Имея данные о процессе преобразования (фиг. 4, 5 и табл. 1), легк

написать выражения для выходного напряжения преобразователя. Например, при со вв1ч вк - 4 и 5) напряжение первой выходной фазы преобразователя в интервал времени t - t,равно

.т., KpU,(u,u,. и.и,,)

и

Kp.U |sincOg t-sin(2Qt + |-) + + -sin( + --)j. (-sLn2Qt)l

KpU j sincJg.t-sin(2s7t + -) +

27 + sin(0g,t + --).sin2Q.t .

Выражение U в интервал времени t,...t равно

и

2 Г U .

Bb,x., , sin(Q,,t + --)

25

-sin( -f |-)+ -sin(Ua.t + |-)

xsin(27it - --) .

Далее выражение U ,ц , по интервалам времени можно написать, ис- 30 пользуя данные табл. 1.

Аналогично напряжения других выходных фаз можно написать, например, в интервале времени t - t,

2/- sin(CO,,t - --)х

sin(2Qt --) - (-siпcOв t)

27

-sin2at)j;

.з .(Q,,t + f}

2 ii Г2 1

sin(2nt - --)4 -sin( - --)U

-sin2sit)J. - -J

Подобно тому, как участие каждого из

входных напряжений определено его переключающей функцией h, участие соответствующей амплитудно-регулирующей

функции U также может быть выражено ее переключающей функцией 1. При этом переключающая функция 1, определяется отдельно для амплитудно- регулируемой функции U,, применяемой для значения входных напряжений U( положительной полярности, и отдельно определяется 1 для UMI применяемой для входных напряжений и. Пд, и образуются от зна leHHft функций обеих полярностей (фиг, 5). Таким образом,

Vl . «Al. - имд1п + - и„,1,5 - и«,1,,;

UMZ , - U,clis - U;,,.

Тогда выходное напряжение фазы р может быть представлено как сумма действующих сочетаний умножений входных и амплитудно-регулирующих функций отдельно для входных напряжений положительной Од, Ug, U. и отрицательной -U,- Uc полярностей UB,,, р и„, Ip, (ИдЬр, +

и, hp.

+ U,hp) - U,lp,(,-H

- + общем виде выходное напряжение в натуральной форме имеет вид Uft,,, H(t).U,,.L(t)-U, где H(t), L(t) - соответствующие переключающи функции входного и амплитудно-регу- лирующего напряжения обеих полярностей,

В преобразователе (фиг. 7) в одной его выходной фазе фазные выводы 1-3 входного напряжения присединены к входным выводам двух катодно-анодных тиристорных групп 4 и 5, соответствующие выходные выводы 6 и 7 которых подключены к первому 8 и второму 9 регуляторам переменного напряжения. При этом вывод 6 подключен к началу первичной обмотки первого регулятора 8, а конец этой обмотки - к общему выводу 10 фаз входного напряжения преобразователя. Выход 7, второй катодно-анодной тиристорной группы подключен к концу первичной обмотки второго регулятора, а ее начало - к общему входному выводу 10 преобразователя. Выходные выводы 11 и 12 первого и 12 и 13 второго регуляторов напряжения включены в последовательную цепь с выводами 11 и 13 фазы нагрузки преобразователя. Тиристоры с 14 по 19 и с 20 по 25 образуют соответственно первую 4 и вторую 5 катодно-анод- ные тиристорные группы, а тиристоры с 26 по 33 и с 34 по 41 - соответствен

339820

но ключи переменного выходного напряжения регуляторов 8 и 9,

Преобразователь работает следую- f. щим образом.

Катодно-анодная тиристорная группа 4 вместе с регулятором 8 напряжения формирует составляющую U выходного напряжения преобразователя,

1Q а группа 5 тиристоров совместно с регулятором 9 - напряжение Uj, При этом как катодно-анодные группы, так и регуляторы напряжения каждый в отдельности (фиг, 7) обеспечивают

15 проводимость тока в обоих направлениях, что необходимо при реализации непосредственных преобразователей частоты. Суммирование выходных напряжений регуляторов 8 и 9 осуще2Q ствляется последовательным включением их выходных выводов 1.1, 1 2 и 12, 13 в последовательной цепи с выводами 11 и 13 фазы нагрузки.

В табл. 2 приведены интервалы фор25 мирования кривой выходного напряже вы. 6

КИЯ при ч включенные тиристоры преобразователя,

В момент времени t| включением тиристора 14 напряжение от первой

30 входной фазы подается в регулятор 8 напряжения, где от вторичной е.го цепи при помощи включенного тиристора 28 подает напряжение в последовательную цепь нагрузки. При этом

35 включается вторая ступень регулирования напряжения U, с его значением 0,7 относительно номинального значения выходного значения (U

бык 9

на

фиг, 1). В этот момент времени t, включением тиристора 21 напряжение от второй входной фазы подается в регулятор 9 напряжения, где от вторичной его цепи при помощи включенного тиристора 35 подает напряжение и. в последовательную цепь нагрузки. При этом включается первая ступень регулирования напряжения U- с его значением 0,35 относительно U. .,

ВЬ|Х 9

Аналогично работает преобразователь и в другие моменты времени и при других уровнях выходного напряжения (фиг. 6) и при разных выходных частотах (фиг. 2-6).

Предлагаемый преобразователь позволяет двумя катодно-анодными тиристо- рными группами (всего 12 Тиристора- ми) формировать на выходе щестикрат- ные входной частоте пульсации в выходном напряжении преобразователя при.помощи суммируемых двух напряжений от регуляторов напряжения. По сравнению с известным способом, где каждое из входных напряжений U, или и формируется при помощи мостовых схем из 16 тиристоров каждая, применение предлагаемого способа уменьшает число тиристоров и реали- зует независимую по выходным фазам работу преобразователя. Независимая работа выходных фаз позволяет реализовать однофазный преобразователь данного типа, а также независимо выбирать моменты включения тиристоров выходных фаз, что в свою очеред улучшает качество выходного напряжения преобразователя.

Система управления предлагаемым способом и преобразователем должна в требуемые моменты времени подавать импульсы управления и распределять их на определенные тиристоры. Эти моменты времени и включаемые тиристоры заданы программой, например, аналогичной приведенной в табл. 1 и 2 и изображающей процесс преобразования согласно предлагаемому способу (фиг. 1-6). Например, полньй цикл процесса преобразования показан на фиг. 5 интервалами времени от

to«°

И В каждом из -указанных моментов времени с t по tg требуется сформировать импульсы управления по соответствующим каналам управления (например, согласно табл. 2 и схеме преобразователя, фиг. 7), что задается программой импульсов управления тиристорами преобразователя. Система управлени должна синхронизировать требуемую очередность подачи импульсов управления (программу) с определенной фазой входной системы напряжения преобразователя (например, момент времени t на фиг. 1-6) дпя того, чтобы преобразование частоты по программе подачи импульсов реализовалось в ситуации, аналогичной той, при которой составлена программа.

Для этой цели используют один или несколько компараторов, которые выявляют моменты времени нулевых значений соответствующих входных напряжений. При выявлении таких момтов времени нулевых значений, например фазных линейных и промежуточ ных их значений, можно в сумме получить

33982010

очередность импульсов управления, которая (с достаточной точностью выбора дискретных моментов времени) может быть использована для выбора (дешифрирования) заданных программой импульсов управления. Далее из этой очередности импульсов дешифрируют те, которые необходимы для реализации

1Q составленной программы, и распределяют по соответствующим тиристорам. Программы управления составляют для каждой применяемой из дискретных значений выходных частот.

15 Пример одного из возможных решений системы программного управления приведен на фиг. 8. Полупериод одной фазы сетевого напряжения заполняют высокочастотной последовательностью импульсов, считывают их и в требуемые моменты (согласно программе подачи импульсов управления тиристорами преобразователя) формируют управляющие импульсы. Аналогичные устройства, содержаш 1е нуль-орган, связанньш через логический элемент И-НЕ с первым двоичным счетчиком, счетный вход которого соединен с выходом генера- тора импульсов, а выход переполнения

3Q с формирователем, также известны. Известны и устройства управления тиристорами, содержащие блок синхронизации, генератор тактовых импульсов, счетчик, дешифратор тактобых импуль20

25.

сов, счетчик, дешифратор и фбрмирователь импульсов.

Формирователь 42 импульса синхронизации (фиг, 8) с сетевым напряжением формирует сороткий импульс

в момент перехода напряжения через нулевое значение. Блоком 43 синхронизации осуществляется синхронизация импульсов генератора 44 высокой частоты с импульсами формирователя 42.

Импульс формирователя 42 является

разрешающим импульсом для прохождения импульсов высокой частоты от генератора 44 на выход блока 43. Блоком 43 синхронизации задается количество

импульсов генератора 44-между двумя импульсами формирователя 42. Синхронизированные с сетевым напряжением импульсы поступают на вход двоичного счетчика 45 импульсов, который производит их подсчет. Дешифратор 46 вьщает импульсы повторения счета счетчиком 45 после поступления от блока 43 синхронизации количества импульсов генератора, соответствую-

11

ЩИХ продолжительностиповторения импульсов управления преобразователей Выход двоичного счетчика 45 импульсов соединен с дешифраторами 47-49 импульсов. Дешифраторами производится дешифрация импульсов, следуюпщх на выходе блока 43 синхронизации и подсчитанных двоичным счетчиком 45, например, соответствующим моментом .времени с t по tg (фиг. 5). Дешифрированные импульсы поступают на распределители 50-52 импульсов по тиристорам. Распределители импульсов представляют собой линейку триггеров. Блоки 53 осуществляют усиление импульсов управления. Для уменьшения влияния помех и исключения возник- пих ложных импульсов введены блоки 54 и 55. Блок 54 осуществляет счет заданного числа периодов входного напряжения, после чего дешифратор 55 импульса сброса осуществляет сброс всей ранее записанной информации.

13

8ЫХ

n

ex

Формула изобретения

1. Способ дискретного регулирования частоты, заключающийся в циклическом подключении на определенные интервалы времени входных напряжений с прямым или обратным порядком их чередования для формирования выходного напряжения преобразователя, в суммировании напряжений разных входных фаз, в регулировании амплитудного значения каждого из двух входных напряжений с повторяющейся зависимостью их изменения в каждом интервале подключения входных напряжений, в задании дискретных значений частот выходного напряжения преобразователя согласно зависимости

V

™ CO.vHa основе предварительно

составленной программы подачи импульсов управления тиристорами преобразователя, гдесОц| |, со gx угловые выходная и входная частоты преобразователя, m - частотная кратность пульсации, к, п - целые числа, о т- личающийся тем, что, с целью улучшения качества выходного напряжения преобразователя во всем диапазоне регулирования его эффективного значения, выходное напряжение преобразователя формируют двумя противоположными по полярности, наиболее близкими по фазе и регулируемыми

10

й я . 5 20

339820 2

по амплитудному значению входными напряжениями разных фаз, порядок чередования подключения которых осуществляют попеременно через половину интервала подключения каждого входного напряжения, в течение которой регулирование амплитудных значений каждого из двух входных напряжений осуществляют согласно зависимостям

Kp--jesin2f7t IJ в первой половине

и

I

и

U + -; - во второй поло- интервала подключения каждого входного напряжения преобразователя.

Kp-gsin(2Qt вине

V - У б

Р и

г вых.м

отношение требуемого

эффективного значения выходного напряжения преобразователя к номиналь

ному, 2 Q

няется в пределах

еых 6V О

а время Сц мет t, « Tj. каждого интервала Т подключения входных напряжений преобразователя.

0

0

5

0

5

2. Непосредственный преобразователь частоты, содержащий в каждой его выходной фазе две катодные и две анодные тиристорные группы, входы каждой из которых подключены к. выводам фаз трехфазного входного напряжения преобразователя, а выходы первых и вторых катодно-анодных тири- 5 сторных групп соединены вместе, содержащий также последовательно включенные в цепи фазы нагрузки преобразователя трансформаторно-тиристор- ные регуляторы переменного напряжения и блоки реализации программного управления, включающие в себя компаратор, счетчик импульсов, дешифраторы и распределители импульсов, отличающийся тем, что, с целью упрощения преобразователя частоты при независимом по фазам формировании выходного напряжения, выход первой катодно-анодной тирис- торной группы подключен к началу входного вьгаода первичной обмотки первого регулятора, а конец этой обмотки - к общему выводу фаз входного напряжения преобразователя, выход второй катодно-анодной тиристорной группы подключен к концу входного вывода первичной обмотки второго регулятора, а ее начало- к общему входному выводу преобразователя.

(Т)

Я

s ч to

Rt

н

-

М

СЭ

CN ы

&

CN

СО

с

tD

4

Сэ

,С4Г4Г4

:э Э t

см CN

f3 & Р

- со

р р

э Ь

со

&

CN

dT

I

I I

I I I

I I

N

S

р IP

СЭ

в

4J

I

1л U

При номинальном значении U,,,

Таблица 2

.

у X

у А .

/7 К L-,

7

. /

A/ . 7

V: . /

v/ . /

Vy V

A 1/%± Ч

. .

w/

o/

L

w/

/

/ г/л//,;r

/ i „

./A

. , -r-yc-.. r ./-

,-,Y

A

. .

w/

/

/ г/л//,;r

/ i „,

A

/. , c-.. r ./-

Изобретение относится к преобразовательной технике и м.б. использовано в частотно-регулируемом электроприводе. Целью является улучшение качества выходного напряжения во всем диапазоне регулирования его эффективного значения, а также упрощение реализации при независимости по фазам формирования выходного напряжения. Устр-во содержит катодно- анодные тиристорные rpynnri 4,5, выходные вьгеоды которых подключены к регуляторам переменного напряжения 8, 9. Порядок чередования подключения Ш (Л 20 г 22 23. 2Ч ZS

.3

. Ut

Г .Ж

Чвьи.

Ч

53

53

5J

Редактор Н. Тупица

Составитель Г. ЬlЩЫк

Техред М.Двдык Корректор С. Шекмар

Заказ 4241/52Тираж 659Подписное

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