Устройство для управления трехфазным мостовым инвертором Советский патент 1989 года по МПК H02M7/48 

31469533

Устройство для управления трехфазным мостовым инвертором (фиг.1) со- содержит последовательно соединенные задающий генератор 1 и делитель 2 частоты, кольцевую пересчетную схему 3, формирователь 4 несущих сигналов, формирователь 5 модулирующих сигналов, распределитель 6 выходных сигналов, схему 7 переключения несущих сигналов, переключатель 8 кратности модуляции, блок 9 компараторов частоты и источник 10 задающего сигнала напряжения, при этом формирователь 4 несущих сигналов содержит последовательно соединенные генератор 11 пилообразного напряжения и инвертирующий усилитель 12, выходы которых подключены к управляющим входам двух компараторов 13 и 14 напряжения соот10

15

20

торов 13 и 14 объединены и подключены к источнику 10 задающего сигнала на- гфяжения, формирователь 5 модулирующих сигналов содержит шесть элементов 2И 15.1 ..15,6, схема 7 переключения несущих сигналов содержит два элемента 2И 16.1 и 16.2, переключатель 8 кратности модуляции содержит первый 17.1, второй 17.2, третий 17.3 элементы 2И, соединенные выходами через дифференцирующие схемы 18.1,..18.6 с входами элемента бИЛИ

19,элемент 4И 20, подключенный первым входом к первому входу первого элемента 2И 17.1, вторым и третьим входами к вьрсодам второго элемента 2И 17.2 и четвертым входом к второ- - ну входу второго элемента 2И t7.2, элемент ЗИ 21, первый вход которого связа.н с первьм входом элемента 4И

20,второ й вход с прямым выходом третьего элемента 2И 17.3 и третий подключен к второму входу третьего элемента 2й 17.3, четвертый элемент 2И- 22, первый вход которого связан с первым входом элемента ЗИ 21, второй вход с вторым входом первого элемента 2И 17,1, выходы элементов 4И 20, ЗИ 21 и четвертого элемента 2И 22 связаны с входами элемента ЗИЛИ 23, задающий- генератор 1 соединен с блоком 9 компараторов частоты, выходы которого подключены к первым входам элементов 2И 17,1,,,17,3, 22 переключателя 8 кратности модуляции, к вторым их входам подключены выходы 24,.-.26 промежуточньгх разрядов делителя 2 частоты, выходом старшего раз25

ряда подключенного к входу кольцевой пересчетной схемы 3, выход элемента били 19 переключателя 8 кратности модуляции подключен к тактовому входу генератора 11 пилообразного напряжения формирователя 4 несущих сигналов, при этом выходы компараторов 13 и 14 формирователя 4 несущих сигналов соединены с первыми входами элементов 2Й 16.1 и 16,2 соответственно схемы 7 переключения несущих сигналов, вторые входы которых подключены к выходам элемента ИЛИ 23 переключателя 8 кратности модуляции, выходы элементов 2И J6,1 и 16,2 схемы 7 переключения несущих сигналов подключены к первой группе входов распределителя 6 выходных сигналов, вторая группа его входов соединена с выходами шести элементов 2И 15.1,.,15.6 формирователя 5 модулирующих сигналов ,подключенных входами к выходам кольцевой пересчетной схемы 3, при этом выходы 27... 32 распределителя 6 выходных сигналов предназначены для подключения к управляющим входам трехфазного мостового инвертора.

На фиг,2 обозначены: 33 - сигнал на выходе задающего генератора 1, 34,.,36 - сигналы на выходах 26, 25, 24 промежуточных разрядов делителя 2 частоты, 37 - тактовые сигналы на выходе элемента бИЛИ 19 переключателя 8 кратности модуляции, 38 - сигнал на выходе инвертирующего усилителя 12 фо11мирователя 4 несущих сигналов, 39 - сигчал на выходе генератора 11 пилообразного напряжения формирователя 4 несущих сигналов, 40 - сигнал на выходе источника 10 задающего напряжения, 41 - сигнал на прямом выходе элемента ЗИЛИ 23 переключателя 8 кратности модуляции, 42- сигнал на выходе компаратора 14 напряжения формирователя 4 несущих сигналов, 43 -сигнал на выходе компаратора 13 напряжения формирователя 4 несугщх сигналов, 44 - сигнал на выходе элемента 2И 16.2 схемы 7 переключения несущих сигналов, 45 - сигнал на выходе элемента 2И 16.1 схемы 7 переключения несущих сигналов, 46,..51 -сигналы на выходах элементов 2И 15,1,,,ТЬ,6 формирователя 5 мо- 55 |дулиру1ощих сигналов, 52...59 - моменты времени, соответствующие О, 60, 120, 180, 240, 300, 360, 420 эл.град. фазного напряжения ин30

35

40

45

50

вертора. 60...64 - моменты времени, соответству бщие переключению силовых вентилей на интервале О - 120 эл.град., 65 - момент переключения кратности модуляции.

На фиг.З обозначены: 65...68 - сигналы на выходах 27...29 соответственно распределителя 6 для подключения к управляющим входам силовых вентилей анодной группы трехфазного мостового инвертора, 69...71 - сигналы на выходах 30...32 соответственно распределителя 6 для подключения к управляющим входам силовых вентилей катодной группы трехфазного мостового инвертора, 72 и 73 т- диаграммы фазного и линейного напряжения трехфазного мостового инвертора с предлагаемым устройством управления.

На фиг.4 обозначены: 74 - зависимость показателя эффективности К, от угла регулирования of трехфазного мостового инвертора с новым устройством управления, 75 - аналогичная зависимость для инвертора с известным устройством.

. Задающий генератор 1 (фиг.Г) выполнен на основе генератора переменной частоты, управляемого напряжением или кодом, .делитель 2 частоты - на основе двоичных счетчиков импульсов , кольцевая пересчетная схема 3 - на основе JK-триггеров, распре- делитель 6 выходных сигналов - на основе шести многофункциональных логических элементов 3-2И-1-ЗИ-ИЛИ-НЕ, блок 9 компараторов частоты - на основе двухвходовых компараторов част ты,выполненньйс, например, на реверсивных счетчиках, источник tO задающего сигнала напряжения представляет собой любой регулируемый источник постоянного напряжения.

Устройство работает следующим образом.

При работе устройства (фиг.1) на выходе задающего генератора 1 формируется последовательность 33- импульсов (фиг.2), определяницая частоту .работы силовьк вентилей инвертора. Указанная последовательность 33 импульсов поступает на вход делителя 2 частоты и вход блока 9 компараторов частоты (фиг.1),при этом на выходах 24. . .26 делителя 2 частоты формируются последовательности импульсов 36, 35, 34 (фиг.2), которые оп1469533

ределяют число тактовых интерналов в полупериоде выходного напряжения трехфазного мостового инвертора, ра ное

К;

ннв

2

f Гг

N,

10

где

15

d4i

-ЗГ

N

20

25

30

1-t, 2, 3... - номер выхода промежуточного разряда делителя 2 частоты; с

-частота на одном из выходов промежуточных разрядов делителя 2 частоты;

-частота на выходе задающего .генератора 1;

-наименьшее общее кратное чис ла импульсов в полупериоде выходного линейного напряжения.

Последовательности 36, 35, 34 импульсов с выходов 24, 25, 26 делителя 2 частоты поступают на первые входы элементов 2И 7.1... 17.3 (фиг.1), на вторые их входы поступают сигналы с выходов блока 9 компараторов частоты, причем один из них, соответствующий рабочему диапазону для данной кратности модуляции, гфинимает значение лог.1, а осталь ..«.( ( J QJ VW1 OJ

ные - лог.О. На фиг.2 до момента 65 сигнал 1 с выхода блока 9 компараторов частоты поступает на вход, элемента 2И 17.2, на другой его вход 35 поступает последовательность 35 импульсов с выхода 25 делителя 2 частоты, при этом на выходах элемента t7.2 формируется прямая и инверснове двухвходовых компараторов часто- последовательности импульсов, соты пмпптт11оыи1.Д, ,г 40 ответствующие последовательности 35

. Далее обе указанные последователь- ности проходят через дифференщфую- щие схемы 18.3 и 18.4, где по их переднему фронту формируются короткие 45 импульсы, объединяемые с помощью элемента бИЛИ 19 в последовательность 37, которая поступает на тактовый вход генератора 11 пилообразного напряжения, при этом на его выхо- 50 Дв формируется пилообразное напряжение 39 (.2).

Обратное пилообразное напряжение 38 формируется с помощью инвертирующего усилителя 12 (фиг.1) при поступ- 55 лении на его вход пилообразного напряжения 39 (фиг,2) с выхода генератора 11 пилообразного напряжения. Прямое 39 и обратное 38 пилообразные напряжения (фиг.2) поступают на

1469533

ределяют число тактовых интерналов в полупериоде выходного напряжения трехфазного мостового инвертора, равное

ннв

2

f Гг

N,

10

где

15

d4i

-ЗГ

N

20

5

0

1-t, 2, 3... - номер выхода промежуточного разряда делителя 2 частоты; с

-частота на одном из выходов промежуточных разрядов делителя 2 частоты;

-частота на выходе задающего .генератора 1;

-наименьшее общее кратное числа импульсов в полупериоде выходного линейного напряжения.

Последовательности 36, 35, 34 импульсов с выходов 24, 25, 26 делителя 2 частоты поступают на первые входы элементов 2И 7.1... 17.3 (фиг.1), на вторые их входы поступают сигналы с выходов блока 9 компараторов частоты, причем один из них, соответствующий рабочему диапазону для данной кратности модуляции, гфинимает значение лог.1, а осталь ..«.( ( J QJ VW1 OJ

ные - лог.О. На фиг.2 до момента 65 сигнал 1 с выхода блока 9 компараторов частоты поступает на вход, элемента 2И 17.2, на другой его вход 5 поступает последовательность 35 импульсов с выхода 25 делителя 2 частоты, при этом на выходах элемента t7.2 формируется прямая и инверс71469533

управляюисие входы компараторов 13 и 14, а на их задающие входы поступает сигнал 40 в виде регулируемого постоянного напряжения от источника с 10 задающего напряжения. На выходах компараторов 13 и 14, которые работают как широтно-импульсные модуляторы, формируются две регулируемые по длительности последовательности JQ 43, 42 несущих сигналов.

При этом у последовательности 42 регулируется задний фронт импульса, а у по :ледовательности 43 - передний фронт. Регулируемая последоВа - 15 твльность 42 с выхода компаратора 14 поступает на первый вход элемента 2И в.2 схемы 7 переключения несущих сигналов,на второй вход которой поступает последовательность 41 20 с выхода элемента ЗИЛИ 23. Формирование последовательности 41 опреде- ляется состоянием сигналов на выходах блока 9. компараторов, частоты. Так, в рассматриваемый момент времени 25 на разрешающие входы элементов ЗИ 21 и 2И 22 поступает уровень лог,О а на разрешающий вход элемента 4И 20 . уровень лог.1 с соответствующих выходов блока 9 компараторов часто- JQ ты.Таким образом разрешается работа элемента 4И 20, на другие входы ко- торо го поступают последовательность 35 и инверсная ей, а также поеле- довательность 36, что приводит к получению на выходе элемента 4И 20 последовательности 41,поступающей на один вход элемента ЗИЛИ 23, Эта последовательности 41 беэ искажений формируется на прямом выходе элемен- . та ЗИЛИ 23, так как на другие входы указанного элемента ЗИПИ 23 поступают лог.О с выходов элементов ЗИ , 21 и 2И 22.

На выходе элемента 2И 16.2 формируется последовательность 45 несущих импульсов с регулируемым задним фронтом. На выходе элемента 2И 16.1 формируется последовательность 44 несущих импульсов с регулируемым передним фронтом, которая образует- 50 ся при поступлении на его входы последовательности 43 с выхода компаратора 13 напряжения и последовательности инверсной 41 и инверсного выхода элемента ЗИЛИ 23. Получен- 55 Hbie таким образом последовательности 44, 45 имеют период повторения 60 эл.град. Они поступают на пер45

.

.

0 5

5

8

вую группу входов распределителя 6 выходных импульсов, на вторую группу его входов поступает последовательный набор импульсов 46„,,51 длительностью каждый в 60 эл,град, и с периодом повторения 360 эл.град. Указанный набор формируется с помощью кольцевой пересчетной схемы 3 и логических элементов 2И 15.1,..15,6 формирователя 5 модулирующих сигналов. Полученные .наборы несущих 44, 45 и модулирующих 46...51 сигналов позволяют получить на выходе распределителя -6 выходных сигналов последовательности 66...71 (фиг.З) импульсов управления силовыми вентилями трехфазного мостового инвертора. Изменение кратности модуляции, т.е. изменение числа импульсов в полупе- риоде выходного .напряжения происходит на фиг.2 в момент времени 65, когда число та1стовых инвервалов и, следовательно, число импульсов в полупериоде выходного напряжения на- чинает определяться последовательностью 34.

Для тиристорных инверторов необходимо вводить ограничение минимальной длительности импульсов или пауз в выходном напряжении, что определяется временем, необходимым для восстановления запирающих свойств ти- .ристора, В данном устройстве это можно реализовать с помощью двух одно- вибраторов, включаемых на выходах схемы 7 переключения necywfix сигналов, В случае, когда минимальная пауза в несущих импульсах становится. меньше допустимой, на входы распределителя- 6 выходных сигналов поступают импульсы одновибр аторов с нормированной для данного типа тиристоров паузой для предоставления времени на их запирание. Управление работой одновибраторов осуществляется с дополнительного выхода блока 9 ком- параторов частоты. При этом на заданном уровне вькодной частоты происходит отключение одновибраторов и на первую группу входов распределителя 6 выходных сигналов поступает напряжение лог. Ч, что приводит к формированию на в псодах распределителя 6 выходных сигналов, соответствующих нерегулируемому инвертору со 180 эл.град, управлением. .

Обеспечение независимости формы кривой выходного .напряжения от параметров нагрузки осуществляется в устройстве следующим образом. На интервале импульса выходного напряжени включают всегда три силовых вентиля разных групп (фиг.З, диаграммы 72, 66, 68, 70, моменты времени 52...60 61 и 62, 63...53). На интервале паузы в выходном напряжении ..включают всегда три силовых вентиля одной группы (фиг.З, диаграммы 72, 66, 67, 68, моменты времени 60 и 61, 62 и 63 IПри этом пауза образуется за счет замыкания накоротко всех фаз нагрузки через открытые вентили в двух фазах и обратный диод в третьей фазе или открытый вентиль в одной фазе и обратные диоды в двухч фазах в зависимости от коэффициента сдвига фазы (параметров активно-индуктивной на- грузки) к одному из зажимов источника питания. Реализованный в устройстве принцип формирования паузы в выходном напряжении позволяет обеспечить независимость формы кри- вой выходного напряжения от параметров нагрузки в диапазоне изменения ее коэффициента сдвига фазы от единицы до нуля (О cos Ц ).

Улучшение гармонического состава выходного напряжения трехфазного мостового инвертора осуществляется в устройстве следующим образом. В моменты времени 52, 53, что соответствует началу каждой шестой части периода выходного напряжения (фиг.2, диаграммы 46.. .51),модуль фазного напряжения изменяется в одной фазе от

1 2

+ -г- Е до + --- Е, а в другой - от 3.3

, 2 1

i ДО - Е (Е - напряжение

питания инвертора). Линейное напряжение, образованное путем , векторно- го сложения фазных напряжений, имеет в середине каждого полупериода импульс длительностью, превышающей в два раза длительность любого другого импульса линейного напряжения (фиг.З диаграммы 72, 73, интервал 63...64). Особенность формирования линейного напряжения состоит также в том, что модуляция длительности среднего импульса линейного напряжения осуществляется перемещением переднего и заднего фронта импульса (фиР. З, диаграмма 73, моменты времени 6 и 64).

Проведены расчеты гармонического состава выходного напряжения трехфазного мостового инвертора, реализующего в данном устройстве управления формирование импульсов управления силовыми вентилями в соответствии с диаграммами 66...71. Амплитуды высших гармоник выходного напряжения инвертора определяются выражением

2Е

м

.,. ь 7 k , ° os k,

( r

где t,(t.j) - начало (конец) п-го iимпульса;

k - номер высшей гармоник

m - число импульсов в полпериоде линейного напряжения.

Общая оценка влияния несинусоидальности напряжения на работу регулируемого асинхронного двигателя производится по формфактору потерь и КПД.

Ислользуется составляющая форм- фактора, оцениваяющая несинусоидальность напряжения питания асинхронного двигателя, которая с учетом коэффициента использования напряжения источника питания, конечного числа гармоник и отсутствия в выходном напряжении инвертора гармоник, кратных трем, имеет вид

К.

(2)

где э показатель эффективности;

и ц - амплитуда напряжения высшей гармоники в относительных единицах;

мп U,f,/E - коэффициент использования напряжения источника питания; Ui,n - амплитуда первой гармоники номинального выходного напряжения; L - номер наибольшей учитываемой гармоники, знаки - и -f относятся соответственно, к гармоникам прямой и обратной последовательности.

Показатель эффективности К, характеризует влияние несинусоидального напряжения на увеличение потерь и синжсние КПД асинхронного двигателя, питаемого от трёхфазного мостового инвертора с широтно-импульсной, модуляцией.

Проведен расчет показателя эффективности для системь трехфазный мостовой инвертор - асинхронный двигатель, реализующий в данном устройстве управления ШИМ в соответствии с диаграммами 66...73. На фиг.4 (кривая 74) приведена завиаимость показателя эффективности Кэ от угла регулирования d для f/F 18, L 41 (f - тактовая частота, F - выходная частота).

Для известного устройства реализующего в трехфазном мостовом инверторе ШИМ по прямоугольному закону, произведен расчет показателя эффективности, при этом амплитуды высших I ...

гармоник определяются по выражению

п Е 4 ь sin kF/3 и Г-- sin к с

kir

. kffF sin -7

На фиг.4 (кривая 75) приведена зависимость К(с) при f/F 18, L 41 для инвертора с известным устройством управления.

Из анализа результатов расчетов и зависимостей (кривые 74 и 75) дует, что предлагаемое устройство управления позволяет улучшить гар- монический состав выходного линейного напряжения трехфазного мостового инвертора з.а счет снижения амплитуд низших из высших гармоник при регулировании. Например, К снижа- ется от 2,1 до 1,7% при d 0,8; от 4,2 до 3,0% при 0,6; от 24,8 до 6,0% при - 0,2,

Формула изобретения

Устройство для управления трехфазным мостовым инвертором, содержащее последовательно соединенные задющий генератор частоты f зл- ,V,H fjr икс делитель частоты, кольцевую пересчетную схему, формирователи несущих и модулирующих сигналов, распределитель выходных .сигналов, схему п ереключення несущик сигналов и переключатель кратности модуля- ции, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью улучшения гармоническо

0

5

5 0

5

0 5

го состава и обеспечения независимости формы вькодного напряжения от параметров нагрузки в широком диапазоне регулирования, оно снабжено блоком компараторов частоты с тремя выходами и источником задающего сигнала напряжения, причем формирователь несущих сигналов содержит последовательно соединенные генератор пипообразного напряжения и инвертирующий усилитель, выходы которых подключены к управляющим входам двух компараторов напряжения, а задающие входы компараторов объединены и подключены к источнику задающего сигнала напряжения, формирователь моду- лируюпщх сигналов содержит шесть элементов 2И,схема переключения несущих сигналов содержит два элемента 2И, переключатель кратности модуляции содержит первый; второй, третий элементы 2И, соединенные вькода- ми через дифференцирующие схемы с. входами элемента бИЛИ, элемент 4И, подключенный первым входом к первому {ВХОДУ первого элемента 2И, вторьй и третьим входами - к выходам второго элемента 2И и четвертым входом - к второму входу второго элемента 2И, элемент ЗИ, первый вход которого связан с первьм входом элемента 4И, второй вход - с прямым выходом третьего элемента 2И и третий подключен к второму входу третьего элемента 2И,четвертый элемент 2И,первый вход которого связан с первым входом элемента ЗИ, второй вход - с вторым входом- первого элемента 2И5 выходы элементов 4И, ЗИ и четвертого элемента 2И связаны с входами элемента ЗИЛИ, делитель,частоты имеет три промежуточньрс выхода с частотами ,f дц. и коэффициентами деления d; и выход старшего разряда с коэффициентом деления d, причем отношение коэффициентов деления 1/2, где d ; ; N - наименьшее общее кратное коэффициентов деления делителя частоты, задающий генератор соединен с блоком компараторов частоты алгоритм у выходов которого определен соотношением

, 5.г-макс / У

- О з.г „„«с /d, f3.r , при этом соответствующие указанному соотношению i-e выходы делителя частоты и блока компараторов частоты

Э,г

подключены соответственно к первым и вторым входам элементов 2И пере ключателя кратности модуляции, выход старшего разряда делителя частоты подключен к входу кольцевой пересчетной схемы, выход элемента бИПИ переключателя кратности модуляции подключен к тактовому входу генератора пилообразного напряжения формирователя несущих сигналов,выходы компараторов формирователя несущих сигналов соединены с первыми входами элементов 2И схемы переключения несущих сигналовj вторые входы которых

подключены к выходам элемента ЗИЛИ переключателя кратности модуляции, выходы элементов 2И схемы переклю- чения несущих сигналов подключены к первой группе входов распределителя выходных сигналов, вторая группа его входов соединена с выходами шести элементов 2И формирователя модулирующих сигналов, .подключенных входами к выходам кольцевой пересчетной схемы, а выходы распределителя выходных сигналов предназначены для подключения к управляющим входам

трехфазного мостового инвертора.

тп

-2 J

4Г «w. f

«

t

1469533 5S$5 56

f f

6

5ti

Фиб, Z 55SS SS

II I

7J

Фиг,3

57

Si f

S3

r II

0,2 (il Of А Фие.