Способ управления автономным инвертором с широтно-импульсной модуляцией Советский патент 1988 года по МПК H02M7/48 

(21)4131045/24-07

(22)08.10.86

(46) 23.04.88. Бюл. № 15

(71)Кировский политехнический институт

(72)А.Н. Головенкин и А.П. Протасов

(53)621.316.727(088.8)

(56)Авторское свидетельство СССР № 995258, кл. Н 02 Н 7/48, 1981.

Зюбин В.Ф. Дискретные системы управления автономными инверторами с иИМ по нелинейному закону. - Электротехника, 1974, № 11, с. 43.

(54)СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ АВТОНОМНЫМ ИНВЕРТОРОМ С ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

(57)Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах управления автономными инверторами с широтно-импульсной модуляцией автоматизированных электроприводов переменного тока. Целью изобретения является повьшение точности преобразования выходного синусоидального напряжения. Для этого на каждом полупериоде синусоидального напряжения формируют п временных интервалов, где п 2, 4, 6,..., внутри каждого из которых формируют импульс управления, импульсы управления формируют симметрично относительно середины полупериода, а их длительность модуг лируют по синусоидальному закону, при этом в первой половине каждого полупериода совмещают моменты окончания формирования каждого интервала и соответствующего импульса управления, а во второй половине каждого по- луперкода совмещают моменты начала формирования каждого интервала и соответствующего импульса управления. 5 ил.

с

(Л

со )

о

vj

4

00

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах управления автономными инверторами с широтео импульсной модуляцией автоматизированных электроприводов переменного тока.

Цель изобретения - повышение точности преобразования синусоидального вькодного напряжения.

На фиг. 1 представлена диаграмма, поясняющая предл:оженный способ при п 8} на фиг. 2 - блок-схема устройства, реализующего предложенный способу на фиг. 3 - диаграмма, поясняю- щая работу устройства при п 8; на фиг„ 4 - блок-схема элемента временной модуляции управляющих импульсов; на фиг. 5 - принципиальная схема силовой части инвертора.

Устройство для реализации способа содержит .последовательно соединенные задающий генератор 1 коротких импульсов, делитель 2 частоты, счетчик 3, первый вход цифрового компаратора 4 и элемент 5 задержки, элемент 6 временной модуляции управляющих импульсов, счетньш вход которого соединен с выходам задающего генератора 1, управляющий вход - с выходом делителя 2 частоты, а выход - с одним из входов реверсора 7, другой вход которого соединен с выходом делителя 2 частоты, управляющий вход - с выходом

элемента 5 задержки, а выходы - с входами RS-триггера 8. Выход RS-триг- гера предназначен для соединения с входом инвертора 9, для соединения с управляющим входом которого предназначен выход элемента 5 задержки.

Устройство для реализации способа работает следующим образом.

На выходе задающего генератора 1 формируется последовательность импульсов заполнения f, поступающая на вход делителя 2 и счетный вход элемента 6 временной модуляи ии уп- равляющих импульсов. На выходе делителя 2 формируется последовательность импульсов с частотой f „„ 2nf, где f - частота выходного синусоидального напряжения инвертора, п 8 - число интервалов, на которые предварительно разбита половина периода выходного напряжения (фиг. 1) Последователь

ИНТ

по

ность импульсов с частотой f ступает на один из входов реверсора и одновременно на запускаюшдй вход элемента 6.

10

j

35

40

ьо 50 о

Элемент 6 временной модуляции управляющих импульсов может быть вьтол- нен на основе блока памяти и дешифратора. Элемент 6 содержит блок 10 памяти, подключенный к дешифратору 11, к управляющему входу которого подключен выход счетчика 12 интервалов, а выход дешифратора подключен к информационному входу счетчика 13. . Элемент 6 работает следующим образом. Последовательность импульсов с частотой f yj 2nf, поступающая с выхода делителя 2 частоты, подается на счетный вход счетчика 12, на выходе которого формируется код номера Ny импульса интервала, который подается на управляющий вход дешифратора 11. При этом счетчик 12 считает от 1 до пи каждому из его выходных кодов на выходе дешифратора соответствует код, определяющий вьщержку времени формирования заданного импульса. Если считать момент

25 времени прихода U-ro импульса началом i-ro интервала, то на выходе дешифратора в каждый данньп1 момент времени присутствует код N длительности задержки импульса, соответст30 вующий номеру NJ интервала. При этом в первой половине полупериода величина кода Nj соответствует числу, определенному как частное Т,- - tN -/t j, j , a во вто рой половине 20

45

55

как частное tN ./t , округленных до целых чисел.

В момент времени прихода U-ro импульса происходит перепись кода длительности задержки импульса в i-м интервале в счетчик 13, откуда записанная информация сразу же. считывается до нудя последовз-тельностью импульсов f| заполнения, поступающих с выхода задающего генератора 1 (фиг. 2). В момент окончания считывания на выходе счетчика 13 формируется импульс. Выход счетчика 13 является выходом элемента 6 и подключен к одному из входов реверсора 7 (фиг. 2).

Формирование импульса на управляющем входе реверсора 7 происходит следуюш м образом. Поступающие с выхода делителя 2 импульсы f ,„т периодически считьшаются в счетчике 3 от 1 до п, на выходе которого при этом формируется код номера N импульса интервала. В цифровом компараторе 4 осуществляется сравнение входного

текущего кода номера N импульса интервала, поступающего с выхода счетчика 3, и эталонного поступающего на второй вход компаратора 4 и соответствующего номеру Ng п/2. Компаратор 4 имеет на своем выходе нулевое состояние, если N,, / N,, и единичное, если Ny N, При этом переход из нулевого состояния в единичное происходит в момент прихода импульса с номером N у п, а из единичного в нулевое - в момент прихода импульса с номером Ny п/2. В элементе 5, на вход которого приходит импульс с компаратора 4, происходит сдвиг по времени фронта и среза выходного сигнала компаратора 4. При этом временная задержка фронта сигнала выбирается большей задержки импульса в интервале с номером N , п в элементе 6, задержка среза - большей задержки импульса в интервале с номером N п/2. Длительность задержек фронта и среза ограничена длительностью интервалов. Сигнал с выхода элемента 5 задержки поступает на управляющий вход реверсора 7. При этом при единичном управляющем сигнале выходной импульс элемента 6 через реверсор подается на запускающий S-вход RS-триггера 8, а импульсы интервала - на сбрасьшающий R-вход. При нулевом управляющем сигнале порядок прохождения импульсов с выхода элемента 6 и импульсов интервалов меняется на обратный, т.е. с выхода элемента 6 импульсы поступают на R-вход, а импульсы интервалов - на S-вход RS-триггера 8.

Импульсы управления с выхода RS- триггера 8 распределяются в инверторе 9. Инвертор состоит из управляемого .распределителя 14 импульсов, блока 15 формирования сигнала управления, согласовывающих элементов 16 и 17, силовой части инвертора 18, состоящей из ключевых элементов 19- 22.

На информационный вход распределителя 14 импульсов сигнал „, подается с триггера 8, на управляющий вход сигнал поступает с выхода блока 15, а два выхода блока 14 соединены соответственно с двумя согласующими элементами 16 и 17, с каждого из которых сигнал поступает на управляющие входы двух ключевых элементов плеча двухфазного мостового инвертора 18. Инвертор 9 работает следующим образом. Импульсы управления с триггера 8 поступают на информационный вход рас- f. пределителя 14 импульсов. В зависимости от состояния сигнала управления сигналы с информационного входа поступают на тот или другой выход блока 14. Таким образом, в каждьй Q данный момент времени в работе участвует один из двух выходов блока 14 и соответственно один из двух каналов инвертора 18, например канал, состоящий 43 элементов 16, 9 и 22. Согла- cywnpie элементы 16 и 17 служат для усиления импульсов управления и гальванической развязки. В ключевых элементах, в роли которых выступают транзисторы 19-22, происходит дальнейшее Q усиление импульсов управления по

мощности. При изменении управляющего сигнала на входе блока 14 закрывается ранее работавший канал и в работу вступает другой канал инвертора 18, 5 т.е. канал, состоящий из элементов 17, 20 и 21. Блок 15 работает в режиме Т-триггера и изменение управляющего сигнала на его выходе происхо- . дит в моменты изменения сигнала с выхода элемента 5 из нулевого положения в единичное (фиг. 3), т.е. в моменты времени, близкие к К. При смене управляющего сигнала блока 14 ни форма импульсов управления, ни порядок их следования не изменяются. Изменяется лишь полярность напряжения на выходе инвертора 18. Таким образом, обеспечивается симметрия выходного напряжения относительно точек ТГК.

Ширина модулированных по синусоидальному закону импульсов управления может быть определена в зависимости от цели преобразования. Ширина импульса, в каждом интервале, на которые предварительно разбита синусоида выходного напряжения, может быть определена из следующих соотношений

0

0

5

0

А siiKdt dUt ; .,l )

1l

(1)

(2)

1, 2, ...,

число интервалов, на которые разбит полупериод синусоиды

выходного напряжения; номер интервала в пределах полупериода;

А - амплитуда синусоидального напряжения, подлежащего ши - ротно-импульсной модуля даи (ШИМ);

и - угловая частота синусЬидаль- кого напряжения; амплитуда импульсов ШИМ; скважность модулированного импульса в интервала длительность модулированного импульса в интервале N., Из выражений (1) и (-2) может быть йдена величина длительности модурованного импульса в интервале ..

Ti-Alcos /n(N.-l)™cos-- ..- . сз)

7

10

15

.

п со- и,

Модулированные импульры распола агот- сЯ внутри интервалов симметрично се- редине полупериода выходного синусоидального напряжения, что позволяет исключить из синусоида 1ьного выход- Hdro напряжения гармоники, кратные двум.

Формирование импульсов управления симметричных относительно середины полупериода .и не сТимметричных относительно серед1-шы интервалов при заданной частоте импульсов заполнения f, уменьшает погрешность преобразования модулированного импульса управления как минимум в 2 раза, так как число импульсов заполнения может быть любым числом натурального ряда, включая нечетные, и исключается необходимость затрат времени на изменение порядка счета импульсов заполнения внутри каждого интервала. Отно си;тельная погрешность преобразования каждого модулированного импульса равна

Л где f

п- TTsrnli72n I2TN.-T) + 13

- дискрета преобразования

(С),

Т период выходного напряжения инвертора (С). Из формулы видно, что точность преобразования значительно уменьшается с увеличением числа временных интервалов, на которые разбита синусоида, с уменьшением номера интервала, и обратно пропорщюнальна дискретности преобразования. Поскольку дискретность преобразования равна для известного способа

С

п. с

;а для предложенного

/1 .рп. 3

где t

п. 3

зап.с

длительность импульса полнения;

время, необходимое для изменения порядка счета импульсов заполнения внутри каждого интервала, то точность предложенного способа увеличивается в сравнении с извест0

5

0

5

0

5

ным в 2-t(. раз,

Повышение точности преобразования синусоидального напряжения в автономных инверторах с ШИМ обеспечивает более эффективное использование силового электрооборудования в электроприводах переменного тока, поскольку при этом повьшгается его КПД и коэффициент мощности.

Формула изобрете ния

Способ управления автономным инвертором с широтно-импульсной модуляцией, заключающийся в том, что на каждом полупериоде синусоидального напряжения формируют п временньк интервалов, где , 4, 6, ..., внутри каждого из которых формируют импульс управления, причем импульсы управления формируют симметрично относительно середины полупериода, а их длительность модулируют по синусоидальному закону, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования синусоидального напряжения, в первой половине каждого полупериода синусоидального напряжения совмещают моменты окончания формирования каждого интервала и соответствующего импульса уп- 0 равления, а во второй половине каждого полупериода совмещают моменты начала формирования каждого интервала и соответствующего импульса управления.

I 11 I

2 3

iwm I I i I I I I I I I I I I I I I I -.

и

вых}г

и

Выки

11 I I I I 11 J

и

Вь/х

и

дых 5

и

Вш,7

II I I М I I I I I I M I I

Bt/xi I I I I I I I I I I I I I I I I I i

и

SbixB

nnni-innn nnni-innn t

Ьых9 (ifet/xfej

1ПППППП

I I I

ll

luuunmr

0US.3