Устройство для управления преобразователем с многоуровневым выходным напряжением для электропривода Советский патент 1988 года по МПК H02M7/48 

САд

Од

00

со

4

00

Фи&1

113

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и может быть использовано при разработке систем частотно-регулируемого электро- привода на базе Евнтильиых преобразователей.

Цель изобретения - улучшение гармонического состава выходного напряжения преобразователя в процессе свя- ванного регулирования частоты и величины его выходного напряжения.

На фиг.1 показана функциональная схема устройства управления; на

1рисоединены к первым входам блоков 25 и 26 сравнения. На второй вход блока 25 сравнения поступает выходной сигнал сумматора 9, второй вход блока 26 связан с выходом усилителя 6.

Выход усилителя 8 подсоединен к минусовому входу сумматора 27. Другие минусовые входы сумматора 27 соединены через ключи 28 и 29 соответственно с источниками 30 и 31 напряжения. Плюсовой вход сумматора 27 связан с источником 22, а выход сум

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при разработке систем частотно-регулируемого электропривода. Цель изобретения - улучшение гармонического состава выходного напряжения преобразователя. Генератор 1 тактовых импульсов связан с генератором 2 раз- вертьтающего напряжения и с регистром 3, который подключен к распределителю 4 управляющих импульсов. Входы распределителя 4 управляющих импульсов подключены через элемент ИЛИ 16 к компараторам 11-15. Введение сумматоров 21 и 27, источников 22 и 30 постоянного напряжения и ключей 29, 28 и 32 позволяет обеспечить в процессе регулирования частоты преобразователя с миогоуровневым выходным напряжением сравнительно небольшую продолжительность пауз нулевого уровня между импульсами кривой выходного напряжения. За счет этого достигается улучшение спектрального состава выходного сигнала преобразователя в процессе связанного регулирования величины и частоты выходного напряжения. 2 ил. (Л

фиг. 2 - временные диаграммы, поясняю- IF матора 27 подключен к первому входу

щие принцип его работы.

На нижнем частотном диапазоне на полупериоде кривой вькодного сигнала преобразователя формируются пять импульсов. Соответственно амплитуда им- пульсов кривой выходного напряжения могут принимать три фиксированных значения А,, А, А. Количество нормированных усилителей в схеме в этом случае равно трем (п 3).

Генератор 1 тактовых импульсов, частота следования которых определяет выходную частоту преобразователя, связан с генератотом развертывающего пилообразного напряжения 2 и с ре- гистром 3. Выход регистра 3 подключен к первому входу логического распределителя 4 управляющих импульсов. Выход генератора 2 соединен с датчиком

5 амплитуды пилообразного напряжения, зьР пилообразного напряжения, выход- сигнал с выхода которого поступаетной развертывающий сигнал Uj которо- на входы усилителей 6-8 с нормирован-го имеет постоянную крутизну и из- ными и разными коэффициентами переда-меняющуюся в. зависимости от частоты чи, а также на плюсовый вход су мато-амплитуды (фиг.2). Период сигнала U pa 9. Минусовый вход сумматор- 9 свя- 40соответствует при этом полупериоду зан с вспомогательным источником 10 постоянного напряжения.

Выход генератора 2 пилообразногосируется датчиком 5 амплитуды, выход- напряжения соединен также с входаминой сигнал Uy которого поступает на компараторов 11-15, включающих вы- 45плюсовой вход сумматора 9 и из величины которого в сумматоре 9 произвовыходного напряжения инвертора. Амплитуда напряжения U2 постоянно фикходные формирователи коротких одно- полярных импульсов, которые через элемент ИЛИ 16 связаны с распределителем 4. Вторые входы компараторов

дится вычитание небольшого по амплитуде сигнала вспомогательного источника 10 (напряжения блоков 9 и 10

12-15 соединены через ключи 17-20 со- 50 обозначены соответственно как U

ответственно с сумматором 21, основным источником 22 постоянного напряжения , с выходами усилителя 6 и сумматора 9. Сумматор 21 связан также с одним из входов сумматора 23, а источник 22 присоединен к сумматору 24. Вторые входы сумматоров 23 и 24 связаны с вспомогательным источником 10, выходы сумматоров 23 и 24

55

и,оЬ

Сигнал датчика 5 поступает также на входы усилителей 6-8 с нормированными и разными коэффициентами передачи, абсолютная величина которых мень- ще единицы. Соответственно с изменением амплитуды выходного напряжения блока 5 изменяет величина выходных

сигналов усилителей 6-8 U

6

и

7

и

8

компаратора 11. На входы сумматора 21 поступают сигналы с выхода усилителя 7 и через ключ 32 от источника 30. Управляющая цепь ключа 29 связана с инверсным выходом блока 25 сравнения, управляющие каналы ключей 28 и 32 соединены с инверсным выходом блока 26. Прямой выход блока 25 сравнения присоединен к управляющим цепям ключей 17 и 20, а также к распределителю 4. Прямой выход узла 26 сравнения связан с входом распределителя 4 и с управляющими цепями ключей 18 и 19.

В основе работы схемы лежит вертикальный принцип управления. Тактовые импульсы генератора 1, задающего частоту выходного напряжения преобразователя, поступают на вход генератоР пилообразного напряжения, выход- ной развертывающий сигнал Uj которо- го имеет постоянную крутизну и из- меняющуюся в. зависимости от частоты амплитуды (фиг.2). Период сигнала U соответствует при этом полупериоду

выходного напряжения инвертора. Амплитуда напряжения U2 постоянно фикдится вычитание небольшого по амплитуде сигнала вспомогательного источника 10 (напряжения блоков 9 и 10

обозначены соответственно как U

и,оЬ

Сигнал датчика 5 поступает также на входы усилителей 6-8 с нормированными и разными коэффициентами передачи, абсолютная величина которых мень- ще единицы. Соответственно с изменением амплитуды выходного напряжения блока 5 изменяет величина выходных

усилителей 6-8 U

6

и

7

и

8

(фиг.2). При этом на всем диапазоне регулирования Ug U . Напряжения усилителей 6 (через ключ 19) и 7 (через сумматор 21 и ключ 17), источника 22 (через ключ 18) и сумматор 9 (через ключ 20) подаются соответственно на входы компараторов 14, 12, 13 и 15 и постоянно сопоставляются в них с развертывающим пилообразным напряжением и генератора 2.

На второй вход компаратора 11 поступает сигнал U2J с выхода сумматора 27, который на нижнем частотном диапазоне равен разности напряжений Uj2 источника 22 и Ug усилителя 8. При этом на нижнем частотном диапазоне (фиг.2а) и,, Ug Ujj и 7 « 22-иg. Ключи 17-20 в соответствии с командами блоков 25 и 26 сравнения находятся в замкнутом состоянии.Компараторами 11-15 в моменты равенства напряжений на их входах вырабатываются короткие однополярные импульсы, поступаюише через элемент ИЛИ 16 на логический распределитель 4, который в моменты поступления от компараторов указанных импульсов вырабатывает команды на формирование фронтов соответствующих импульсов кривой выходно- го напряжения преобразователя и , которая синтезируется в этом случае из пяти импульсов на полупериоде (фиг.2а). Единичные сигналы на прямых выходах блоков 25 и 26 сравнения че- рез замыкающие ключи 17-20 передаются также на соответствующие входы логического распределителя 4, в соответствии с чем на нижнем частотном поддиапазоне амплитуды выходных им- пульсов имеют минимальное значение равное А,.

Повыщение частоты выходного сигнала преобразователя, вызываемое соответствующим изменением частоты следо- вания тактовых импульсов генератора 1, сопровождается пропорциональным изменением (уменьшением) амплитуды сигнала Uj генератора 2 развертывающего напряжения и соответственно уменьшением выходных сигналов усилителей 6-8. При этом в определенный момент времени, когда длительности крайних на полупериоде импульсов близки к минимальной величине, выход- ной сигнал Ug усилителя 6 уменьшается до такой степени, что сравнивается с сигналов сумматора 24, равного сумме напряжения источников 10 и 22. В этот

момент (фиг.26) по команде блока 26 сравнения размыкаются ключи 18 и 19 и замыкаются ключи 28 и 32. В кривой выходного напряжения преобразователя начинает формироваться но три имиуль са на полупериоде, причем из-з менившегося состоя}1ия прямого Быхода блока 26 сравнения распределителем 4 на данном поддиапазоне регулирования вырабатываются команды на синтезирование выходных импульсов с амплитудой АЛ, большей, чем на пре- дьщущем поддиапазоне. С целью исключения броска в величине напряжения в момент перехода от одного поддиапазона регулирования к другому длительности выходных импульсов одновременно уменьшаются на одинаковую величину, определяемую величиной напряжения источника 30, подключаемого к входам сумматоров 21 и 27.

В процессе дальнейшего повьш1ения частоты выходного напряжения преобразователя, как и иа предьщущем поддиапазоне, формирование крайних на полупериоде фронтов выходных импульсов производится устройством в моменты равенства сигналов U и U,. Выходное напряжение усилителя 7, складываясь в сумматоре 21 с сигналом источника 30 и поступая на второй вход компаратора 12, определяет моменты формирования вторых фронтов крайних на полупериоде импульсов выходной кривой. С увеличением частоты указанные фронты синхронно и симметрично сдвигаются к центру, одновременно пропорционально увеличивается длительность центрального на полупериоде импульса, благодаря чему при рос- те частоты наблюдается близкое к пропорциональному увеличение величины выходного напряжения преобразователя

Работа преобразователя на указанном поддиапазоне продолж 1ется до тех пор, пока выходной сигнал сумматора 9, поступающий на вход блока 25 сравнения, не сравняется по величине с напряжением сумматора 23, равного сумме сигналов источника 10 и сумматора 21. После этого момента сигналы с прямого выхода блока 25 размыкают ключи 17 и 20, а командное напряжение с инверсного выхода блока 25 замыкает ключ 29, подключая напряжение источника 31 к минусовому входу сумматора 27 и уменьшая тем самым длительность центрального на полуперио51368948

де импульса. Амплитуда центрального выходного импульса в соответствии с командой распределителя 4, при этом увеличивается и достигает максималь- ного значения А,. Указанному поддиапазону повышенных выходных частот преобразователя соответствуют временные диаграммы, приведенные на фиг,2в. Дальнейшее повышение выходной часто- ю ты производится путем пропорционального изменения (увеличения) длительности выходного импульса, сопровождаемого соответствующим увеличением величины выходного напряжения вплоть 15 до момента достижения выходным напряжением максимального значения, близкого по абсолютной величине к значению A/VA. При уменьшении частоты вы6

мощных тиристорных схем это время составляет обычно сто-двести микросекунд) обеспечивается соответствующим выбором величины постоянного напряжения и,о источника 10.

Распределение командных сигналов на управляемые силовые вентили преобразователя осуществляет логический распределитель 4 устройства управления. Наиболее распространенными структурами преобразователей с многоуровневым выходным напряжением, формируемым из импульсов неодинаковых амплитуд, являются схемы, содержащие присоединенное к нерегулируемому источнику питания мостовое инверторное звено, нагрузкой которого является трансформатор с секционированной вто25

30

ходного сигнала такие процессы повто- 20 ричной обмоткой, к выводам секций ко- ряются в обратной последовательности.

Величина напряжений источников 22, 30 и 31 постоянного напряжения и коэффициентов передачи усилителей 6-8, а также количество источников и усилителей выбираются исходя из комплексного рассмотрения требований к качеству гармонического состава выходного сигнала преобразователя и к линейности его регулировочной характеристики в процессе связанного регулирования частоты и напряжения с учетом параметров силовой схемы преобразователя, определяющих амплитуду им- пyльcqв кривой выходного напряжения. ИнтерЬалы нулевого уровня между импульсами кривой выходного напряжения на всех поддиапазонах регулирова ия имеют небольшую продолжительность по сравнению с длительностями выходных импульсов, благодаря чему достигается заметное улучшение спектрального состава выходного напряжения преобразователя на большей части диапазона регулирования.

Продолжительность паузы нулевого уровня на границах полупериода выходной кривой преобразователя ограничи35

40

45

на

уровне значения

2У

торого присоединены встречно-параллельно включенные силовые ключи. Вентили мостового инвертора звена первичной стороны попеременно и попарно переключаются из одного состояния в другое, а формирование соответствующих амплитуд импульсов на нагрузке производится соответствующим синхронным и последовательным переключением вентилей вторичной стороны. В соответствии со структурой силовой схемы распределитель 4 имеет в своем составе триггерное звено, связанное по счетному входу с элементом ИЛИ 16, а по выходу - с комбинационным логическим устройством распределителя 4, соединенного также с выходами регистра 3 и блоков 25 и 26 сравнения. Выходные сигналы регистра 3 (триггер- ного звена со счетным входом) определяют полярность импульсов кривой выходного напряжения преобразователя. Обозначая сигнал на выходе триг- герного звена распределителя 4 через X, сигнал регистра 3 через у, сигналы с выходов блоков 25 и 26 сравнения как и , а вентили вторичной стороны преобразователя, осуществляющие формирование амплитуд

мин

вевается

личина при этом является минимально допустимым интервалом с позиции обеспечения времени, необходимого для восстановления коммутационными узлами силовой схемы своих запирающих свойств (фиг. 2). Величина С,ин зависит в первую очередь от частотных свойств силовых цепей преобразователя, требуемое значение 5,„н (для

50

А,-А

55

соответствующими иьодексами, получаем основные логические уравнения, описьшающие комбинационное устройство распределителя 4

WA, xyUjs ; Чд, ,26 ; Wu, , ; WAJ

;WAJ xyU,,U76 ; W, ,, ;W, хуи„и,«. Таким образом,предлагаемое устройство позволяетзначительно улучАг

:

6

мощных тиристорных схем это время составляет обычно сто-двести микросекунд) обеспечивается соответствующим выбором величины постоянного напряжения и,о источника 10.

Распределение командных сигналов на управляемые силовые вентили преобразователя осуществляет логический распределитель 4 устройства управления. Наиболее распространенными структурами преобразователей с многоуровневым выходным напряжением, формируемым из импульсов неодинаковых амплитуд, являются схемы, содержащие присоединенное к нерегулируемому источнику питания мостовое инверторное звено, нагрузкой которого является трансформатор с секционированной вто

ричной обмоткой, к выводам секций ко-

торого присоединены встречно-параллельно включенные силовые ключи. Вентили мостового инвертора звена первичной стороны попеременно и попарно переключаются из одного состояния в другое, а формирование соответствующих амплитуд импульсов на нагрузке производится соответствующим синхронным и последовательным переключением вентилей вторичной стороны. В соответствии со структурой силовой схемы распределитель 4 имеет в своем составе триггерное звено, связанное по счетному входу с элементом ИЛИ 16, а по выходу - с комбинационным логическим устройством распределителя 4, соединенного также с выходами регистра 3 и блоков 25 и 26 сравнения. Выходные сигналы регистра 3 (триггер- ного звена со счетным входом) определяют полярность импульсов кривой выходного напряжения преобразователя. Обозначая сигнал на выходе триг- герного звена распределителя 4 через X, сигнал регистра 3 через у, сигналы с выходов блоков 25 и 26 сравнения как и , а вентили вторичной стороны преобразователя, осуществляющие формирование амплитуд

0

А,-А

5

соответствующими иьодексами, получаем основные логические уравнения, описьшающие комбинационное устройство распределителя 4

WA, xyUjs ; Чд, ,26 ; Wu, , ; WAJ

;WAJ xyU,,U76 ; W, ,, ;W, хуи„и,«. Таким образом,предлагаемое устройство позволяетзначительно улучАг

:

шить гармонический состав выходного многоуровневого напряжения преобразователя в процессе связанного широкодиапазонного регулирования величины и частоты выходного сигнала.

На всем диапазоне регулирования при этом поддерживается близкая к постоянной величина отношения величины выходного напряжения к частоте, что делает особенно перспективным использование предложенного устройства для управления преобразователями, входяш;ими в состав систем частотно-регулируемого электропривода. Формула изобретения

Устройство для управления преобразователем с многоуровневым выходным напряжением для электропривода, со- держащее п нормированных усилителей, вспомогательный и (п-1) основноых источников постоянного напряжения, п. сумматоров, (п-1) блоков сравнения, (2п-1) ключей, генератор тактовых им- пульсов, связанный с генератором пилообразного напряжения и с регистром присоединенным к первому входу логического распределителя управляющих импульсов, выход генератора пилооб- разного напряжения связан с датчиком амплитуды пилообразного напряжения и с первыми входами (2п-1) компараторов с выходными формирователями коротких однополярных импульсов, к вторым входам всех компараторов, кроме первого подсоединены ключи, а выходы компараторов через элемент ИЛИ присоединены к второму входу распределителя управляющих импульсов, выход датчика ам- плитуды пилообразного напряжения связан с плюсовым входом первогр сумматора, к минусовому входу которого подключен вспомогательньй источник постоянного напряжения, связанный также с первыми входами остальньж сумматоров, выходы которых присоединены к первым входам блоков сравнения, выходы первого усилителя, первого сумматора и основных источников постоянного напряжения связаны с соответствующими ключами, основные источники постоянного напряжения, за исключением (п-1)-го, связаны с вторыми входами соответствующих сумматоров, начиная с второго, вторые входы всех блоков сравнения, кроме первого связаны с выходом первого сумматора, прямые выходы всех блоков сравнения.

кроме Сп-1)-го, соединены с управляющими цепями ключей, включенных между соответствующими основными источниками постоянного напряжения и вторыми входами соответствующих компараторов, отличающееся тем, что, с целью улучшения гармонического состава выходного напряжения преобразователя, оно снабжено дополнительными (п-1) сумматорами, (п-2) источниками постоянного напряжения и

.и. . ,ключами, причем вькод

датчика амплитуды пилообразного напряжения связан с входами всех усилителей, выход первого усилителя подсоединен к второму входу первого блока сравнения, выход п-го усилителя связан с первым минусовым входом первого дополнительного сумматора, дополнительные исто.чники постояиного напряжения через соответствующие группы дополнительных ключей подсоединены к другим соответствующим минусовым входам первого дополнительного сумматора и к входам остальных дополнительных сумматоров, выходы всех усилителей, за исключением первого и п-го, подключеиы к другим входам соответствующих дополнительных сумматоров, выходы всех дополнительных сумматоров, кроме первого, связаны с соответствующими основными ключами и с вторыми входами всех основных сумматоров, кроме первого и второго, (п-2)-й основной источник постоянного напряжения соединен с полюсовым входом первого дополнительного сумматора, п-й минусовый вход которого через соответствующий основной ключ, управляющая цепь которого подсоединена к инверсному выходу (п-1)-го блока сравнения, связан с (п-1)-м основным, источником постоянного напряжения, инверсные выходы остальных блоков сравнения связаны с управляющими цепями соответствующих групп дополнительных ключей, прямые выходы всех блоков сравнения связаны с соответствующими дополнительными входами распределителя, кроме того, прямой выход первого блока сравнения соединен с - управляющей цепью основного ключа, включенного между первым усилителем и соответствующим компаратором, прямые выходы остальных блоков сравнения связаны с управляющими цепями основных ключей, включенных между до9Г36894810

полнительньии сумматорами, а прямой новного ключа, связанного с первым выход (n-l)-ro блока сравнения под- сумматором и соответствующим компа- соединеи также к управляющей цепи ос- ратором.

Чу tilt/y t/f-Un