Способ управления трехфазным непосредственным преобразователем частоты Советский патент 1988 года по МПК H02M5/22 

оэ

О)

Изобретение относится к электротехнике, а именно к .преобразова тельной технике, и предназначено для управления преобразователями частоты автоматизированных электроприводов переменного тока с широким диапазоном регулирования скорости. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем обеспечения регулирования амплитуды без искажения формы огибающей выходного напряжения преобразователя. Для этого формируют третью дополнительную импульсную последовательность частотой, в целое число раз большей частоты модуляции эталонных импульсных последовательностей, и, регулируя длительность импульсов последовательности Цщир управляют амплитудой напряжения на выходе преобразователя, 9 ил. с (Л

00

о

Изобретение относится к электро- технике, а именно к преобразователь ной технике, и может быть использовано для управления преобразователями автоматизированных электроприводов переменного тока с широким диапазо ном регулирования скорости.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей 1тутем обеспечения регулирования амплитуды без искажения формы огибающей выходного напряжения преобразователя.

На фиг. 1 и 2 приведены диаграммы формирования основных импульсных последовательностей управления группами ключей фаз при эл.град; на фиг. 3 и 4 - то же, при ц 75 эл.град; на фиг. 5 и 6 - диагра мы формирования линейных напряжений нагрузки; на фиг. 7 - схема преобразователя; на фиг. 8 - схемы замещения системы НПЧ-нагрузка на интервалах проводимости фаз; на фиг. 9 - .. функциональная схема системы- управления шч.

Преобразователь содержит (фиг. 7) полностью управляемь:е ключи 1-9 с двусторонней проводимостью, трехфаз ный мост на полностью управляемых ключах 10-15, шунтированных диодами 16-21.

Функциональная схема системы управления {фиг. 9) содержит управля- емый генератор 22, выполненный на генераторе 23 тактовых импульсов и управляемом кодом делителе 24 частоты, делители 25 и 26 частоты, распределитель 27 импульсов, программируемое постоянное запоминающее устройство 28, широтно-импульсньй регулятор 29. состоящий из первого 30 и второго 31 счетчиков и триггера 32, датчики 33- 35 тока, формирователь 36 реальных участков проводимости групп ключей, формирователь 37 основных управляющих импульсов групп ключей фаз, формирователь 38 импульсов управления дополнительными.ключами, формирова- тель -39 дополнительных управляющих импульсов групп ключей 39, элементы НЕ 40, блок 41 синхронизации, формирователь 42 управляющих импульсов ключей фаз.

Согласно способу формируются входные сигналы ulf (фиг. 9) в виде кодов эквивалентных чисел и определяющие выходную частоту преобразователя.

Этими сигналами устанавливается частота импульсной последовательности на выходе управляемого генератора, которой тактируется работа всей системы управления. На выходах распределителя импульсов формируется шесть импульсных последовательностей Р,, Pj,

PC, PS Pg PC ( l) . длительностью импульсов, равной Tf , к сдвинутых друг относительно друга на угол /3 по выходной частоте. Длительности этих импульсов определяют зоны проводимости групп ключей фаз на полупериодйх выходного напряжения и на интервалах этих импульсов формируются выходные напряжения преобразователя.

В программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) записаны щесть эталонных импульсных-последовательностей Мд, М(,, М ., Mg, Mj, МБ с длительностью импульсов 4 ТГ/З, . сдвинутых друг относительно друга на угол /З и модулированных методом широтно-импульсной модуляции на интервалах от О до 2 jr/3 по закону синуса в области значений от О до 2 F/3, а на интервалах от 2 /Г/3 до 4 .(Г/З - по закону синуса в области значений от 5Г/3 до . В качестве ППЗУ в устройстве использованы микросхемы .

Дпя регулирования амплитуды выходного напряжения с помощью щиротно- импульсного регулятора формируют третью дополнительную импульсную последовательность U| . Широтно-импульс- ньш регулятор 29 (фиг. 9) выполнен на двух одинаковых счетчиках 30 и 31 и триггере 32. Емкости счетчиков выбираются так, что время их заполнения соответствует периоду модуляции

импульсов на выходе ШИР

-шнр

, а коэффициент деления делителя частоты, включенного на вькоде управляемого генератора 22 импульсов, устанавливается так, что -йшир / Cшцл к, где К - целое число, а минимальная длительность импульсов последовательностей М. В рассматриваемом ва рианте принято К 1. На первый счетчик ШИР записываются коды чисел, эквивалентные требуемой скважности (амплитуде напряжения на выходе преобразователя), а исходное состояние триггера соответствует сигналу логического О на его используемом выходе. Под воздействием импульсов, поступающих с выхода управляемого генератора, первый счетчик ШИР считывает код от записанного числа до переполнения, а второй - от нуля до переполнения. По сигналу переполнения первого счетчика на используемом выходе триггера устанавливается уровень логической 1, а по сигналу переполнения второго счетчика триггер уста- , навливается в исходное состояние и происходит перезапись кода числа в первый счетчик.

По сигналам датчиков тока каждой фазы (фиг. 7 и 9) формирователь 36 реальных участков проводимости групп ключей фаз предварительно формирует шесть импульсных последовательностей 1, Ij,, 1, Ig, l, Ig реальной .проводимости групп ключей фаз: I „ - фаз

а с проводимостью, принятой за положительную, Ig C проводимостью, принятой за отрицательную, и так далее :для других фаз, а из них путем логи- ческого Перемножения формируются им- пульсные последовательности участков проводимости этих групп ключей

(фиг. 1-4) в соответствии со следую- щнми логическими уравнениями:

11 i.fl- ici I I ъ

- -J Ь - 4 - -и - -б

S с - fc -« .- -t Интервалы импульсов этих последо- вательностей определяют участки формирования основных импульсных последовательностей управления группами ключей фаз. Формирователь 37 основны управляющих импульсов групп ключей (фиг. 9) формирует основные импульсные последовательности управления К, К, К, К , K g группами ключей фаз (фиг. 1-4), что осуществляется путем логического умножения им- пульсных последовательностей участко реальной проводимости групп ключей

I - э -I-i- Ig fe эталоннь е импульсные последовательности соотвествующих фаз MO, М, Me, My, Mfc М и на третью дополнительную импульсную последовательность U, в соответствии со следующими логическими уравнениями:

Ki, М„1,и,„р + , + М„1,.

К( Мь1,и,р + , + MbljU upi

KL ,,р + МЛ, + мд,

при управлении группами ключей, формирующих положительные полуволны тока, и

5 МЛ,и,.,р + М„1, + М-1,и,„р;

K g M5l,U,,p + М,1, ,и,„р ; KL М-1,иц,„р + , + М,

при управлении группами ключей, формирующих отрицательные полуволны тока.

Здесь 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 импульсных последовательностей. Необходимые при Ч 7 « /3 дополнительные паузы на вторых участках основных импульсных последовательностей с требуемым законом модуляции формируются также из эталонных импульсных последовательностей, так как при таких углах сдвига на концах этих участков последователности М оказываются модулированными. I .

Полученные таким образом три пары

импульсных последовательностей к + + к -, к + К г, к + К- предназнаС( Ъ о С с

чены для управления тремя группами ключей фаз npeo6pa3OBaTenHj, причем каждая из последовательностей пары должны обеспечивать формирование одной из полуволн напряжения фазы. Однако без синхронизации с напряжением сети они не обладают избирательностью знака формируемого напряжения. Поэтому каждая пара последовательностей фаз на фиг. 1-4 показаны на общей оси-времени. Эту функцию с одновременным распределением ш-зпульсов по ключам выполняет формирователь 42 управляющих импульсов ключей фаз преобразователя по командам блока 41 синхронизации (фиг. 9). Блок синхронизации на интервалах с наибольшим положительным и наибольшим отрицательным фазным напряжениями питающей сети формирует шесть импульсных последовательностей синхронизации: 5 ,,

Sg 5 Sc - no положительным напряжениям и 8д , Sg-j Sf - по отрицательным напряжениям (фиг, 5 и 6). С помощью этщ. импульсных последовательностей . предварительно сформированные основные импульсные последовательности разделяются по полуволнам и по ключам путем их логического перемножения в соответствии со следующими уравнени ями: К ц . К ( S д + Б g + S(. ) при формировании положительной полуволнь тока фазы «,

(8д + 5,-+Зе)

при формировании отрицательной полуволны тока фазы и и, соответствен- ;но, для других фаз:

t (S, +S, -bS,); к + Sg + Sc);

Kb Se); K- (S- + S-. +-Sg),

при этом на интервалах, например,

к S . замыкается ключ 1, присоеди , л

няя вывод а к фазе сети А, когда на

этой фазе наибольшее положительное напршкение; К- Sg замыкает ключ 6, когда на фазе С сети наибольшее отри дательное напряжение и т.д.

Таким образом, импульсы синхрони- зации SJ, Sc5 сформированные из наибольших положительных участков се тевого напряжения фаз, задают зоны, на которые соответствующие ключи замкнуты по командам основных импульсов управления группами ключей фаз К, К,, К, формирующих положительные полуволны выходного напряжения, а импульсы синхронизации Sj, Sg, Sg - зоны замыкания ключей по командам К-, Кг, К - этих же групп, формиру1ош 1е от-

о с

рицательные полуволны напряжения.

При Сдвиге тока нагрузки относительно напряжения i/ /3 на интервалах от 4 Т/3 до (5 ;Г/3 - ) форми- руют первые дополнительные импульсные последовательности К , К , К , к . , К , К для управления ключами фаз, обеспечивающими пропуск активного тока фаз нагрузки на указанных ин- тервалах. Эти дополнительные импульсные последовательности формируются непосредственно из соответствующих

эталонных импульсных последовательностей на этом интервале, например, для групп ключей фазы а в соответствии с со следующими логическими уравнениями:

M.Igl Р, - (8, + S, f S,) K( St + Sj;

K ,P,(S + Sg 4-Sj) K(S 4S-4-S,);

причем произведение I - P определяет длительность формирования этих последовательностей и при /3 обращается в нуль. Суммарные импульсные последовательности для управления ключами (фиг. 9), например, для фазы а формируются в соответствии со следующими логическими уравнениями:

ГКц к„ + К ; (к „ + к)(Sд +

+ SB + Sj;

lKg Kg + К (K S +4)(Ss + . +S. + S-).

По условию непрерывности токов при формировании пауз размыкания контуров с токами недопустимо, а 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 токов проводимости на.интервалах пауз обеспечивается дополните льными ключами К ,о - К (фиг. 7).

Для управления этими ключами формирователь 38 импульсов управления дополнительными ключами (фиг. 9) формирует вторые дополнительные импульсные последовательности К ,;, - К j , (фиго 5 и 6) на третьих участках соответствующих основных импульсньк последовательностей в соответствии со следующими логическими уравнениями:

к,„ м,1,Рь +м,1,р,-+к;-,

к,, М-1,Р + ,Pfc + Kl;

MJ,P, ч- M,I,P- + , M,I,P- + M,I,P, + К, + М„1,Р5 + ,

К.5 + , + К|.

Общая длительность интервала модуляции каждой из последовательностей равна (Г/З, а соотношение длител но- стей слагаемых зависит от сдвига тока нагрузки относительно напряжения. При ( вторые слагаемые образуются в ноль, а при у т- - первые.

Приведенные диаграммы линейных напряжений и токов нагрузки сформированы для режима 1/ м /б (фиг. 5 и 6). Здесь же на диаграмме сетевого напряжения вьщелены интервалы линейных напряжений, из которых формируются напряжения U.

Рассмотрев принцип формирования напряжения и тока для этого режима на интервале от О до /3, что соответствует четырем интервалам аппроксимации или сорока тактам. На 1-2 тактах (3 эл.град.) в соответствии с диаграммой напряжений (фиг. 3) необходимо обеспечить „ъ Ьс са 0. При этом токи нагрузки имеют следующие знаки -iq, -it этом случае для формирования нулевой паузы в соответствии с диаграммами управляющих импульсов размыкаются ключи групп фазы а и ъ , а ключи К. поочередно подключают фазу нагрузки С к фазам сети с наибольшими положительными напряжениями ключами 7-9 в соответствии с импульсами синхронизации S. Одновременно замыкается дополнительный ключ 15 и образзтотся контуры с токами, показанные на ди аграмме 5.1 (фиг. 8). При этом выводы , t нагрузки оказьшаются замкнутыми на фазу С и через смещенные в проводящем направлении р-п переходы диодов на все фазы нагрузки подведено одинаковое положительное напряжение сети. На третьем такте необходимо сформировать линейные напряжения 4.и„, -Ut, Uc« .0.

в соответствии с диаграммами управляющих импульсов ключами дополнительно замыкаются ключи группы К ч пр отрицательной синхронизации, подводя к фазе Ъ отрицательное напряжение сети. Состояние контуров на этом так761898

те приведено на диаграмме 5.2(фиг. 8Л Здесь вьшоды фаз а и с- остаются на общем положительном потенциале, что и обеспечивает U .д, О. Для формиро- вания напряжения Ua О, -1Чс на 4-10 тактах (фиг. 5 и 6) размыкают дополнительный ключ 15 и замыкают ключи всех групп преобразователя К,, - К, К подключая к фазам а , ь наибольшее отрицательное напряжение сети, а к фазе с - наибольшее положительное. Состояние контуров с токами на этом интервале приведено на диаграмме 5.3 (фиг. 8).

Начиная с 21-го такта 31 эл.град.

10

15

0

5

0

5

0

5

0

5

знак проводимости фазы « приходит в соответствие со знаком задаваемой f проводимости, т.е. становится положительным (от преобразователя к нагрузке), т.е. снимается запрет на формирование положительной проводимости К;,,, а наибольшее значение тока переходит с фазы с на фазу Ь . В этом, случае очередная пауза (И-й такт, фиг. 5 и 6) в линейных напряжениях формируется замыканием двух фаз а, с на фазу fc , т.е. иной комбинацией ключа. Для формирования паузы здесь осущес твляется размыканием группы ключей Kg, Кс при работающих ключах группы Кг. Состояние контуров для этого интервала показано на диаграмме 5.4 (фиг. 8). Далее до конца интервала 7Г/3 выходные напрязкения формируются за счет формирования контуров, показанных на диаграммах 5,5 и 5.6. При этом с 15-го такта отрица- те.льное напряжение начинает формироваться замыканием ключей К : на фазу сети С с отрицательным напряжением, т.е. ключем 6,

В результате предлагаемого способа формирования пауз упреждакнцее за мыкание дополнительных ключей не приводит ни к возникновению сквозных , токов, ни к изменению конфигурации контуров, так как к диодам, входящим в эти контуры, линейное напряжение- сети оказьтается приложенным встреч но. Дополнительный контур принимает ток только при закрытии ключа соответствующей группы фазы преобразова теля.

Таким образом, формирование третьей дополнительной импульсной после довательности при помощи широт- но-импульсного регулятора и введение в связи с этим дополнительной логики

позволяет осуществить регулирование амплитуды выходного напряжения пре образователя путем регулирования длительности импульсов последовательности за счет изменения кода, подаваемого на вход ШИР, что расширяет функциональные возможности преобразователя и обеспечивает достижение по- ставленной цели. При этом сохраняется неизменность формы огибающей напряжения и тока и независимость ее от коэффициента мощности нагрузки. Соотношение между частотой выходного напряжения и его амплитудой определяется соотношением между кодами управления канала формирователя частоты и канала формирователя амплитуды напряжения. Все это позволяет увеличить управляемость преобразователя, а в случае применения способа для управления преобразователями электропроводов переменного тока - расширить диапазон регулирования скорости.

Формула изобретения

Способ управления трехфазным непосредственным преобразователем частоты, выполненным на полностью управля- емых ключах с двусторонней проводимостью и включаюшдм в себя средства для пропуска реактивного тока нагрузки в виде дополнительного трехфазного моста на полностью управляемых ключах, шунтированных диодами, заклю- чаюшдйся в том, что задают зоны проводимости ключей с длительностью по выходной частоте, в этих зонах

формируют три прямоугольные импульс-

ные последовательности Р,,, Р , Р с длительностью импульсов , и сдвинутых друг относительно друга на 2 /3 по выходной частоте, и три противофазные им импульсные последовательно- сти Р, Р ,Р формируют шесть эталонных импульсных последовательностей М, М, Mj,, Mg, М, g сфазиро- ванных по передним фронтам с соответ- ствуюш 1ми прямоугольными импульсными

последовательностями Р,, Р, Р, Рд

Р, PJ и модулированных методом ши- ротно-импульсной МОДУЛЯЦИИ на интервалах О ... 2 (Г/З по закону синуса в области значений от О до 2 /3, а на интервалах 2 /Г/3 ... 4 Я/З - модулированных по закону синуса в области значений от /3 до 7, определяют интервалы полупериодов токов фаз

нагрузки и в зтих интервалах формируют шесть прямоугольных импульсных последовательностей: 1, 1, 1 - в интервалах положительных полупериодов токов и I-, 1, I- - в интервалах отрицательных.полупериодов токов, из этих импульсных последовательностей формируют шесть импульсны последовательностей 1... зон проводимости путем их попарного логического перемножения в соответствии с логическими уравнениями

- -1 - -с i k с

т - т т Т- - -г fe 4

If - - Ъ 6 5 I Ь

и формируют основные импульсные последовательности управления Кjj, К , с 5 Ь РУппами ключей фаз из эталонных импульсных последовательностей в соответствии со следу- ющими логическими уравнениями:

К « М„1, -fir.I, ч- к; М,1 , -ЬМ,; к; М, ч-Г, ч-М,,, .

при управлении группами ключей, формирующих положительные полуволны тока и

Ка М-1 -f -ь M,I ;

ч V. - Vi .

KL M-i, + , + Mgi

при управлении группами ключей, формирующих отрицательные полуволны тока, из участков фазных напряжений сети с наибольшим положительным значением напряжения формируют три импульсные последовательности синхронизации S, Sg, S с длительностью

гч 7 . .

импульсов 2 /3 по частоте сети, а из участков фазных напряжений ветви с наибольшим отрицательным значением напряжения формируют три противофазные импульсные последовательности синхронизации S-., S г, S-, а основные импульсные последовательности управления ключами Kg, К(., Кр, К, К К- формируют из основных импульсных по-

111376189 2

следовательностей управления группа- К +

ми ключей в соответствии со следую-

щими логическими выражениями: К„ и с- -г в

Кд (S + ) при формировании

положительной полуволны тока фазы ч и c- -i c Kg к - Cs дН- S g + S g) - при форми-

ровании отрицательной полуволны тока К,, М., фазы о и соответственно для других фаз: 10 К,, + ;

.Kg к; (s + sj; . к,5 ,

.K- KL( + S bотличающийся тем, что,

J5с целью расширения функциональных

K K(S + Sg+Sc)jвозможностей путем обеспечения регулирования амплитуда без искажения/-

K KL (S J + Sg +85)формы огибающей выходного напряжения

преобразователя, формируют третью допричем при сдвиге тока нагрузки от- 20полнительную импульсную последованосительно напряжения /3 в ин-тельность U с частотой, в целое

тервале 4 f/3.,.(5 /3 - i) форшг- ° раз большей частоты модуляции

руют первые дополнительные импульсные эталонных импульсных последовапоследовательности для управлениятельностей, и основные импульсные

ключами, обеспечивающими пропуск ак- 25последовательности управления К,,

тивного тока фаз нагрузки на вышеука-К,К,,Ко,К,К. группами клюзанных интервалах, например, для фа-,ключеА фаз формируют в соответствии

зы С1 в соответствии со следующими ло-со следующими логическими уравнениями;

.г

гическими уравнениями:

30

К ; M.igPeCs ,+ Sg + sj к, + , + м,1,и,„р;

к (S д + S, + 8); .к; + Mll + .p;

К1 М51„Р(8д + 85 + БЗ) McI-rU Hp + Mllt - М,1, 5 Д 6 управлении группами ключей,

формирующих положительные полуволны

а суммарные импульсные последователь-тока, и

норти для управления ключами, напри- 40, ,

мер, для фазы q формируют в соответ- 5 а .шир

ствии со следующими логическими урав-,

нениями:К , + МЛ, ч- ,и,„р-,

D

. I

1К„ Ке,+ К; (К „+К )(8,н- 45 К М.1, , -f М,,,

+ SB + :

„ , (.при управлении группами ключей,

6 c/jтока, а вторые дополнительные импуль

50сные последовательности управления

вторые дополнительные импульсные по-ключами дополнительного трехфазного

следовательности управления ключамимоста формируют в соответствии со

дополнительного трехфазного мостаследующими логическими уравнениями: формируют путем инверсии основных км- К,(, + + К -,

пульсных последовательностей только 55

на интервалах длительностью 11,/3 в Л К, + + ,

соответствии со следующими логически-

ми уравнениями:К + + ,

.г

,

. I

13

к

13

-Ь МЛ,Р, + К ,

1376189 14

и регулируя длительность импульсов третьей дополнительной импульсной пос l

g.

3

S-

li

Д

.,., .... J- 1 т5 .во -С

ьс ас 5

l 1 I I

) O u CO Cj Ib, K,. 1 (. I (. 00 «O to Jl CO 5 a ac

: и а: и

«

(О

«

Э.

«а S tj

3 -

тпау-

1 I т г

Ьс /. k- k

-,% и&

/7

t

i

if адмП| срл a

I

52

/ /

i/5

. k

-I//;

/ V..V

-Us U

J

20

n

.-t

17

f-wig J5

J

irV

y ytt y

7

т г

k- k

-,% и& -Us -Us

Ki /Kf T

If tUf

52

i/5 -i/s -//5 +i/5

. k

V..V

-Us Us -Uf, -U +1/S

..V

ig J5

J

irV

i ytt y

й

Pi/e.

5

« f« f f

SlsUUISIShlgl