Способ управления инвертором напряжения Советский патент 1988 года по МПК H02M7/48 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в многофазных инверторах напряжения, предназначенных для частотно-регулируемого электропривода.

Цель изобретения - снижение коэффициента гармоник обобщенного вектора выходного напряжения и повышение ли- неаризации передаточной характеристики: первая гармоника обобщенного вектора выходного напряжения - модулирующее напряжение.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства, реализующая предлагаемый способу на фиг.2 - блок-схема распределителя импульсоВ , на фиг.З - таблица, поясняющая работу распределителя ИМПУЛЬСОВ} на фиг.4 - диаграммы, поясняющие способ управления и работу устройства, реализующего данный способ. I

Устройство для управления инвертором напряжения содержит генератор 1 модулирующих напряжений, генератор 2 опорного напряжения, делитель 3 частоты, задающий генератор 4, датчик 5 цикла, выпрямите ль 6, переключатель 7 кратности, содержащий блок 8 пере- ключения генератора опорного напря-,- жения, измерительный блок 9, блок 10 увеличения кратности и блок 11 уменьшения кратности, первьй блок 12 сравнения, второй блок 13 сравнения, третий блок 14 сравнения, четвертый блок 15 сравнения, первый элемент И 16, первый элемент НЕ 17, второй элемент И 18, триггер Z. 19, триггер Y 20;, второй элемент. НЕ 21, третий элемент НЕ 22, распределитель 23 импульсов, первый датчик 24 напряжения, второй датчик 25 напряжения, первый перемножитель 26, второй перемножитель 27, первый сумматор 28, блок 29 извлече- нйя квадратного корня, второй сумматор 30, ПИД регулятор 31.

Задающий генератор выходом подключен к входу делителя частоты, соответствующие разряды делителя частоты подключены к входу генератора модулирующих напряжений, другие разряды делителя частоты соединены с входами генератора опорного напрйжения, датчик цикла входом соединен с выходом генератора модулирующих напряжений, выпрямитель двумя входами соединен с выходом Z и Y генератора модулирующих напряжений, измерительный блок

5 0

5 0 д 0 д

0

5

, входом соединен с одним из выходов, генератора опорного напряжения,.одним из .-выходов - с одним из входов блока переключения генератора опорного напряжения и одним из входов блока увеличения кратности, другой выход.измерительного блока подключен к одному из входов блока уменьшения кратности и одному из входов блока переключения генератора опорного напряжения, выход блока увеличения кратности соединен с одним из управляющих входов блока переключения генератора опорного напряжения, выход блока уменьшения кратности соединен с другим управляющим входом блока переключения генератора опорного напряжения, пять выходов блока переключения генератора опорного напряжения соединены с соответствующими пятью входами генератора опорного напряжения, к выходу задающего генератора подключены другие входы блока увеличения кратности и блока уменьшения кратности, первый блок сравнения одним из входов подключен к выходу генератора опорного напряжения, а другим входом - к выходу Z генератора модулирующих напряжений, второй блок сравнения одним из входов подключен к выходу генератора опорного напряжения, а другим - к выходу Y генератора модулирующих напряжений, третий блок сравнения двумя входами соединен с выходами Z и Y генератора модулирующих напряжений, первый элемент И подключен одн из входов к выходу четвертого блока сравнения, а другим - к выходу третьего блока сравнения, первый элемент НЕ входом подключен к выходу третьего блока .сравнения, второй элемент И подключен одним из входов к выходу четвертого блока сравнения, а другим входом - к выходу первого элемента НЕ, триггер Z одним из входов подключен к выходу первого блока сравнения, а другим - к выходу первого элемента И, триггер Y одним из входов подключен к выходу второго блока сравнения, а другим - к выходу второго элемента И, второй элемент НЕ входом подключен к выходу триггера Z, третий элемент НЕ входом подключен к выходу триггера Y, распределитель импульсов подключен входом Z к выходу триггера Z, входом Z - к выходу второго элемента НЕ, входом Y - к выходу третьего элемен

к выходу второго датчика напряже- I, первый сумматор одним из входов

та НЕ, входом Y - к выходу триггера Y, остальные шесть входов распределителя им пульсов соединены с шестью выходами датчика цикла, соответствен- но инвертор 32 напряжения шестью уп- равняющими входами соединен с шестью выходами распределителя импульсов, трехфазная нагрузка 33 соединена тремя входами с соответствующими выходами инвертора напряжения, первый дат- . чик напряжения одним из входов- подключен к фазе А нагрузки, другим ; входом-к нулю нагрузки, второй датчик напряжения одним из входов соединен с фазой В нагрузки, другим входом - с фазой С нагрузки, первый перемножитель подключен входом к выходу первого датчика напряжения, второй перемножитель подключен входом

НИН

подключен к выходу первого пере- множителя, а вторым входом-к выходу второго перемножителя, блок извлечения квадратного корня входом соединен с выходом первого сумматора, а выходом - с одним из входов второго сумматора, второй вход второ- го сумматора подключен к выходу вып- рямителя, вход ПИД регулятора соединен с выходом второго сумматора, а выход регулятора подключен к входу четвертого блока сравнения. Распределитель импульсов содержит 12 двух- входовых элементов И 34-45, три элемента НЕ 46-48, три пятивходовых элемента ИЛИ 49-51. Один из входов элемента И 34 соединен с первым выходом датчика 5 циклов, другой - с выходом триггера Z 19, один из входов элемента И 35 соединен с третьим выходом датчика 5 циклов, другой - с выходом триггера Y 20, один из входов элемен- -та И 36 соединен с выходом первого элемента НЕ 21, другой - с четвертым выходом датчика 5 циклов, один из входов элемента И 37 соединен с выходом второго элемента НЕ 22, другой - с шестым выходом датчика 5 циклов, один из входов элемента И 38 соединен с выходом второго элемента НЕ 22, другой - с вторым выходом датчика 5 цик-

лов, один из входов элемента И 39 соединен с выходом триггера Z 19, другой - с третьим выходом датчика 5 циклов, один из входов элемента И 40 соединен с выходом триггера Y 20, другой - с пятым выходом датчика 5

0

Q g

5 0

5

0

45

0

55

циклов, один из входов элемента И 41 соединен с выходом первого элемента НЕ 21, другой -.с шестым выходом датчика 5 циклов, один из входов элемента И 42 соединен с выходом триггера Z 19, другой - с первым выходом датчика 5 циклов, один из входов элемента И 43 соединен с выходом первого элемента НЕ 21, другой - с вторым вы-, ходом датчика 5 циклов, один из входов элемента И 44 соединен с выходом второго элемента НЕ 22, другой - с четвертым выходом датчика 5 циклов, один из входов элемента И 45 соединен с выходом триггера Z 19, другой- с пятым выходом датчика 5 циклов, элемент ИЛИ 49 своими входами подключен соответственно к выходам элементов И 34-37 и второму выходу датчика 5 циклов, элемент ИЛИ 50 своими входами подключен соответственно к выходам элементов И 38-41 и четвертому выходу датчика 5 циклов, элемент ИЛИ 51 своими входами подключен к выходам элементов И 42-45 и шестому выходу датчика 5 циклов, выход элемента ИЛИ 49 соединен с входом элемента НЕ 46 и соответствующим входом инвертора 32 напряжения, выход элемента ИЛИ 50 соединен с соответствующим входом инвертора 32 напряжения и входом элемента НЕ 47, выход элемента ИЛИ 51 соединен с соответствующим входом инвертора 32 напряжения и с входом элемента НЕ 48, выходы элементов НЕ 46-48 соединены с соответствующими входами инвертора напряжения .

Способ управления можно понять, рассмотрев работу устройства.

Период модулирующего напряжения (а значит и выходного напряжения инвертора) разбит на шесть равных частей, как показано на фиг.4. Если задать форму модулирующего напряжения только на одной шестой части периода во всех трех фазах (кривые X, Y, Z на первом участке фиг.4), то напряжение на остальных участках получается путем циклической перестановки через одну шестую часть периода кривых X, Y, Z. Очередность следования заданных кривых модулирующего напря- - женин по участкам для всех фаз приведена на фиг.З.

В дeйcтвитeJJЬнocти кривая модули- рунщего напряжения синусоидальной формы в явном виде не синтезируется

из указанных участков, а форма модулирующего напряжения, используемого в системе, имеет вид Z, Y (фиг.4).

В данном случае используются два модулирующих напряжения Z, Y (фиг.4), так как модулирующие напряжения образуют уравновешенную систему (при соединении трехфазной нагрузки в звезду без нулевого провода), то третье модулирующее напряжение получается как результирующее от первых двух. Для обеспечения симметрии в качестве пассивной фазы используется каждая из фаз по очереди (фиг.З). Знак - в таблице (фиг.З) означает, что в вентильной группе фазы включаются вентили, обеспечивающие формирование отрицательного напряжения на выходе.

Задающий генератор 4 генерирует импульсы, частота которых пропорционально задает частоту выходного напряжения. Задающий генератор 4 запускает делитель 3 частоты. Разряды 1- 5 делителя 3 частоты используются для формирования опорного пилообразного напряжения (фиг.4), разряды 4-7 - для формирования модулирующих напряжений Z и Y.

Генератор 1 модулирующих напряжений работает следующим образом. Импульсы с разрядов 4-7 Делителя 3 частоты,, поступая на вход, генератора-1 модулирующих импульсов, запускают его счетчики, у которых коэффициент счета установлен в зависимости от формы напряжения, которую желательно получить на выходе. Сигналы с выхо доз счетчиков поступают на входы циф роанапоговых преобразователей, которые поступающую информацию в двоичном коде преобразуют в сигнал аналоговой формы, соответствующий поступающему двоичному коду на входы циф- роаналоговых преобразователей. Изменение сигнала по длительности на вы- ходе цифроаналоговых преобразователе осуществляется с помощью изменения длительности импульсов, поступающих от задающего генератора 4 через делитель 3 частоты. Изменение модулирую- щих сигналов по амплитуде осуществляется с помощью изменения опорного напряжения цифрсаналоговых преобразователей.

С выхода генератора 1 модулирую- щих напряжений снимается сигнал, равный по длительности циклу (цикл равен одной щестой части периода выход

n r

5 0

5

0

0

ного напряжения). По времени этот сигнал совпадает с первым циклом мо- д ширующего напряжения.

Этот сигнал с выхода генератора 1 модулирующих напряжений поступает на вход датчика 5 цикла, где происходит формирование на его шести выходах сигнала, равного по длительности циклу, но сдвинутому на один цикл вправо относительно предыдущего выхода.

Генератор 2 опорного напряжения работает следующим образом. Импульсы с разрядов 1-5 делителя 3 частоты, поступая на вход генератора 2 опорного напряжения, попадают на вход пяти элементов И. На вход счетчика проходят импульсы того разряда делителя 3 частоты (разряды 1-5) через элемент И, у которого на втором входе присутствует сигнал с блока 8 переключения генератора опорного напряжения. Импульсы с выхода элемента И запускают счетчик г енератора опорного напряжения, с выхода которого сигнал поступает на вход цифроаналого- ,вого преобразователя. Длительность пилы определяется частотой импульсов, поступающих на вход счетчика. Сигнал в двоичном коде с выхода счетчика поступает на вход цифроана- логового преобразователя, который преобразует поступающую на его вход информацию в информацию в аналоговом виде на его выходе.

Переключатель кратности работает следующим образом. Напряжение с генератора 2 опорного напряжения, равное длительности одной ступеньки пилы, поступает на вход измерительного блока 9, где сравнивается с эталонными импульсами вырабатываемыми одновиб- раторами измерительного блока. Импульсы, вырабатываемые одновибрато- рами, имеют разную длительность - га и п (длительность импульсов Шип (п т) зависит от желаемой частоты переключения).

Если длительность ступеньки пилы больше длительности импульса п, то на выходе измерительного блока 9, который соединен с блоком 11 уменьшения кратности, появляется сигнал (на другом выходе сигнал отсутствует) . Такая комбинация сигналов на входах блока 11 уменьшения кратности и блока 10 увеличения кратности-разрешает прохождение тактовых импуль- . сов задающего генератора 4 через блоки уменьш.ения кратности 1 1 и увели- чения кратности 10 на один из входов блока 8 переключения генератора. Кроме того, та же комбинация присутствует на других входах блока 8 переключения генератора опорного напряжения (управляющих входах регистра сдвига), что соответствует сдвигу импульса, находящегося в регистре сдвига на один такт вправо (что соответствует уменьшению кратности),

Если длительность ступеньки пилы меньше длительности импульса т, то на выходе измерительного блока, который соединен с блоком 11 уменьшения кратности, сигнала не будет, а на другом выходе измерительного блока 9 появится сигнал. Такая комбинация сигналов на входах блоков 11, и 10 разрешает прохождение тактовых импульсов от задающего генератора 4 через блоки 11 и 10 на один из входов блока 8 (тактовый вход). Также комбинация присутствует на других входах блока 8 переключения генератора опорного напряжения (управляющих входах регистра сдвига), что соответствует сдвигу импульса, находящегося в регистре сдвига на один такт влево (что соответствует увеличению кратности).

Если длительность ступеньки пилы еньше длительности импульса п, но

Инвертор напряжения на нагрузке (фиг.1) формирует трехфазное синусоидальное напряжение. Первый датчик 24 напряжения вырабатывает сигнал.

40

45

больше длительности импульса т, то

к ч пропорциональный фазному напряжению на обоих выходах измерительного блока дэ j 9 сигнал отсутствует. Такая комбинация .запрещает прохождение тактовых импульсов от задающего генератора 4 через блоки 11 и 10 на один из входов блока 8, что приводит к запоминанию информации на выходе блока 8 и переключения кратности не происходит.

Таким образом, видно, что переключатель 7 кратности поддерживает определенное соотношение частот выходных напряжений генератора 2 опорного напряжения и генератора 1 модулирующих напряжений в зависимости от значения выходной частоты инвертора напряжения так, что частота коммутаций изме- няется в ограниченном диапазоне при изменении выходной частоты в заданном диапазоне.

Два выработанных модулирующих напряжения Z и Y совместно с вырабаты-55 ваемым в генераторе 2 опорного напряжения опорным пилообразным напряжением поступают в первый блок 12 сравнена нагрузке U. Второй датчик 25 нап ряжения вырабатывает сигнал, пропорциональный линейному напряжению UBC Первый перемножитель 26 возводит в , квадрат поступающее-на его вход нап- :ряжение Uy,, пропорциональное фазному напряжению на нагрузке. Возведенное в квадрат напряжение U поступает на один из входов первого сумматора 28. Второй перемножитель 27 возводит в квадрат и делит на три поступающее на его вход напряжение U,, пропорциональное линейному напряжению на

и|.

нагрузке, напряжение --- с выхода

второго перемножителя 27 поступает на вход первого сумматора 28, где складывается с одновременно поступающим напряжением Щ. Сумма напряже- НИИ и + и /3 поступает с выхода первого сумматора на вход блока 29 извлечения квадратного корня, где происходит извлечение корня из пост

3943748

ния и второй блок 13 сравнения. Первый блок 12 сравнения вырабатывает прямоугольные импульсы по моментам совпадения модулирующего напряжения Z и пилообразного опорного напряжения. Второй блок 13 сравнения вьфаба- тывает прямоугольные импульсы (фиг.4) по моментам совладения модулирующего

Q напряжения Y- и пилообразного опорного напряжения. Причем задний фронт более широкого импульса каждой последовательности Z и Y модулирован по определенному закону - синусоидальности первой гармоники обобщенного вектора выходного напряжения. Модуляция осуществляется в течение каждого такта модулирующего напряжения для достижения наибольшего быстродейст20 ВИЯ и точности работы устройства. Обобщенный вектор напряжения можно определить как

и Uot + JU. Urf + j- . UBC

15

.,. H

25

vT

u, +

где|и1 - модуль

lui Vu. + щ Vui +

Uic/3. (1)

30

Согласно формуле модуля обобщенного вектора (1) сигнал 101 формируется следующим образом.

Инвертор напряжения на нагрузке (фиг.1) формирует трехфазное синусоидальное напряжение. Первый датчик 24 напряжения вырабатывает сигнал.

пропорциональный фазному напряжению j

на нагрузке U. Второй датчик 25 напряжения вырабатывает сигнал, пропорциональный линейному напряжению UBC- Первый перемножитель 26 возводит в , квадрат поступающее-на его вход нап- :ряжение Uy,, пропорциональное фазному напряжению на нагрузке. Возведенное в квадрат напряжение U поступает на один из входов первого сумматора 28. Второй перемножитель 27 возводит в квадрат и делит на три поступающее на его вход напряжение U,, пропорциональное линейному напряжению на

и|.

нагрузке, напряжение --- с выхода

второго перемножителя 27 поступает на вход первого сумматора 28, где складывается с одновременно поступающим напряжением Щ. Сумма напряже- НИИ и + и /3 поступает с выхода первого сумматора на вход блока 29 извлечения квадратного корня, где происходит извлечение корня из поступившего напряжения Ш

Л

+ и|с/3. С выхода блока извлечения квадратного корня напряжение 1 и + U /3 поступает на один из входов второго сум- матора 30, на другой вход которого поступает с выпрямителя 6 огибающая напряжений Y, Z (фиг.4). Огибаюч щая напряжений получается путем выпрямления выпрямителем 6 модулирую- щих напряжений Y, Z.

С выхода второго сумматора 30 снимается разность поступивших напряже 1с/

-т-т

НИИ и - и у где и т/иг +

Напряжение, равное разности U-u снимается с выхода второго сумматора 30 и подается на вход регулятора 31, где оно сглаживается и затем по- 1 дается на вход четвертого блока 15 сравнения, где происходит сравнение преобразованного по закону ГЩД (про- порционально-интегрально-дифференци- ального)-регулятора разности U - U с нулевым уровнем. По моменту сравнения вырабатываются синхроимпульсы, которые поступают на один из входов первого элемента И 16 и второго элемента И 18. На другой вход элемента И 16 поступают с третьего блока 14 сравнения селекторные импульсы. Первый элемент И 16 пропускает н а свой вход те синхроимпульсы,.которые по времени совпадают с селекторными импульсами.

На другой вход элемента И 18 поступают с первого элемента НЕ 17 инвертированные селекторные импульсы. Элемент И 18 пропускает на свой выход, те синхроимпульсы, которые по времени совпадают с инвертированными импульсами.

Таким образом, импульсы, сформированные на выходе . элементов И 16 и И 18, получены в соответствии с синусоидальностью первой гармоники обоб- щенного вектора напряжения. В дальнейшем зти импульсы используются для формирования импульсов управления инвертором напряжения, поэтому и выходное напряжение инвертора будет форми роваться согласно синусоидальности первой гармоники обобщенного вектора напряжения.

Синхроимпульсы с выхода элемента И 16 поступают на один из входов триггера Z 19 и синхронизируют его работу так, что триггер 19 переключа

5

0

5 0

5

0

5

ется в новое состояние с приходом , синхроимпульса.

Аналогично синхроимпульсы с выхода элемента И 18, поступая на вход триггера .Y 20, синхронизируют его работу.

Таким образом, происходит модуляция последовательностей импульсов Z и Y в соответствии с синусоидальностью первой гармоники обобщенного вектора выходного напряжения.

Далее-модулированные импульсы Z и Y поступают на вход распределителя 23 импульсов непосредственно, а также через элементы НЕ 21 и 22.

Рассмотрим работу распределителя 23 импульсов. Блок-схема представлена на фиг.2. Для простоты рассмотрим работу лишь одной фазы - фазы А.

Согласно таблице работы распределителя импульсов (фиг.З) на первый вентиль инвертора напряжения должна поступать последовательность, указанная в первой строке этой таблицы. Для этого используются элементы И 34-37 и элемент ИЛИ 49.

Сигнал на выходе элементов И 34-37 присутствует тогда, когда одновременно на обоих входах элементов И есть сигнал, т.е. сигнал Z будет на выходе элемента И 34 тогда, когда на ее входах будет присутствовать циклоим- пульс и сигнал Z. Таким образом, выборка нужного сигнала из последовательностей Z, Z, Y, Y зависит от того, какой из циклоимпульсов пришел на вход элемента И. Также видно (первая строка таблицы фиг.З), что на втором цикле присутствует широкий импульс - Ш, равный по длительности пришедшему импульсу цикла. Это говорит о TOM, что фаза А в этот момент времени формируется автоматически за счет фаз В и С. Элемент ИЛИ 49 суммирует пришедшие на его входы последовательности с выходов элементов И 34-37 и подает их на вентиль инвертора напряжения. Элемент НЕ 46 инвертирует последовательность импульсов, поступающую на его вход с выхода элемента ИЖ 49 и подает ее на следующий вентиль инвертора напряжения.

Фазы В и С работают аналогично.

Таким образом, напряжение на вы- ходе инвертора напрядения, а соответственно и на нагрузке (фиг.4) формируется согласно синусоидальности первой гармоники обобщенного вектора выходного напряжения, что приводит к снижению коэффициента гармоник обобщенного вектора и повышению линеаризации передаточной характеристики: первая гармоника обобщенного вектора выходного напряжения - модулирующее напряжение.

Формула изобретения

Способ управления инвертором напряжения, заключающийся в том, что формируют две последовательности импульсов управления вентилями инвертора, длительность которых модулируют по синусоидальному закону с периодом модуляции, равным шестой части периода выходного напряжения, импульсы управления для двух фаз инвертора формируют из указанных последовательностей путем их циклической перестановки через одну шестую часть периода выходного напряжения, импульсы управления для третьей фазы формируют непрерывно в течение периода модуляции, причем в качестве пассивной фазы используют каждую из фаз инвер

тора поочередно в каждом периоде выходного напряжения, отличающийся тем, что, с целью снижения коэффициента гармоник обобщенного вектора выходного напряжения и повышения линеаризации передаточной характеристики: первая гармоника обобщенного вектора выходного напряжения - модулирующее напряжение, из условия и - и.

,

.3 и лЦ + вс. где Ufl - сигнал, пропорциональный

напряжению одной из фаз инвертора)

Ugc - сигнал, пропорциональный

междуфазному напряжению двух других фаз инвертора и, - больший по модулю модулирующий сигнал,

формируют сигнал, указанный сигнал подвергают пропорционально-интеграпь- но-дифференциальному преобразованию и по условию равенства нулю полученного сигнала формируют моменты окончания более широких импульсов управ- ле,ния в одной из фаз инвертора.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в многофазных инверторах напряжения, предназначенных для частотно-регулируемого электропривода. Целью изобретения является снижение коэффициента гармоник обобщенного вектора выходного напряжения и повышение линеаризации передаточной характеристики: первая гармоника обоб- щенного вектора выходного напряжения - модулирующее напряжение. В способе управления инвертором напряжения, где происходит формирование двух последовательностей импульсов управления вентилями инвертора, длительность которых модулирована по синусоидальному закону с периодом модуляции, равньм одной шестой части периода выходного напряжения, формирование импульсов управления двумя фазами инвертора из указанных последовательностей происходит путем их циклической перестановки через одну шестую часть периода выходного напряжения, формирование импульсов управления для третьей фазы - непрерывно в течение периода модуляции, причем в качестве третьей - пассивной - фазы используется каждая из фаз инвертора поочередно, в каждом периоде выходного напряжения формируют моменты окончания более широких импульсов управления в одной из двух фаз инвертора по условию равенства нулю сигнала, подвергнутого пропорционально- интегрально-дифференциальному преобразованию и образованного разностью большего по модулю модулирующего сигнала и сигнала, полученного путем вычисления корня квадратного из суммы возведенных в квадрат напряжений, одно из которых пропорционально фазному напряжению инвертора, а второе- междуфазному напряжению двух его других фаз, деленному на .3. 4 ил. (Л со со 4 СО 4

МП

входы 12:5 It 5 6 22УУ

Ц)и г. 2

Фие,3