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

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для управления инвертором и широтно-импульсной модуляцией, работающими в системе преобразователь частоты - электродвигатель с широким диапазоном регулирования .

Цель изобретения - улучшение гармонического свойства.

На фиг. 1 представлено устройство управления трехфазным мостовым инвертором; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство для управления трехфазным мостовым инвертором содержит генератор 1 тактовых импульсов, генератор 2 пилообразного напряжения, под- ключенньй к информационному входу первого компаратора 3, источник 4 управляющего сигнала, регистр 5, переключатель 6 кратности модуляции, второй компаратор 7, формирователь 8 модулирую1 Д1х сигналов, счетчик 9 импульсов, блок 10 управления генератором тактовых импульсов, формирователь 11 импульсов управления, источник 12 управляющего сигнала по частоте, истогтик 13 сигнала у.травления чередованием фаз, причем, переключатель 6 выполнен на основе триггеров 14.1 -14.m |митта , число которых равно количеству m изменений

3150

числа импульсов в выходном напряжении инвертора, формирователь 8 модулирующих сигналов по двухканальной схеме на основе управляемых делите- лей напряжения, число делителей в

каждом канале равно п Ll(k+1) , где

К-О

k 0,1,2,...m, счетчик 9 импульсов выполнен на основе регистра 15 Джонсона с т-выходами и логического блока 16, построенного в соответствии с логическим уравнением

ZK F,i-F,jj,

где общее число первых выходов z равно п-1

FKJ - Х( Х,2.. Х, Х,

РЧ| У( Уг -Yj- , Yj yj4 -Ут.

при этом для j о, FUJ У Уд . . УГП Ут сигналы х поступают на входы блока 16 с переключателя 6, сигналы у - с выходов 15.1...15.га регистра 15; i и j - индексы первого сигнала с инверсией в последовательном ряду входных сигналов массивов х и у уравнения второго выхода

FXI

Блок 10 управления генератором такто вых импульсов выполнен на основе управляемых ключей 17.1...17.т, которые включены в ключи делителя напряжения с числом ступеней равным т, структура формирователя 11 импульсов управления соответствует уравнениям:

f X, XjX, V XijXj V X, V X, х,х ,

f

j I/

f , V Х4ХэХ4 V Х4Х5Х4Х5 V V Х ХдХ дХ

у X (XjXgXj, ;

f4 fj;

f 5 x X2XJV XjXjX V (,Уjj

VX XjXjX jV XjXflXsXfcV

VXiXjX/jXs; ft, fs;

г

20

25 ,-

40

5

50

jj

где f( -ffc соответствуют шести выходам формирователя; х,-х соответствуют шести входам формирователя импульсов управления, при этом, вход 18 переключателя 6 и первый вход 19 блока 10 подключены к источнику 12, а выходы 20.1... 20.тп переключателя 6 связаны с соответствующими входами блока 16 счетчика 9 импульсов и с соответствующими управляемыми ключами 17.1...17.т блока 10, вход генератора 1 соединен с выходом блока 10, а выход 21 - с входом регистра 15 счетчика 9 и с входом генератора 2, выходы блока 16 счетчика 9 соединены с соответствующими входами управляемых ключей формирователя 8, а второй выход 22 блока 16 связан с входом регистра 5 и с установочным входом регистра 15, т-выходов которого подключены к соответствующим входам блока 16, первый вход 23 формирователя 8 связан с источником 4, а два выхода 24 и 25 - с управляющими входами соответствующих двух компараторов 7 и 3, информационный вход второго компаратора 7 соединен с выходом генератора 2, выходы 26 и 27, соответственно второго 7 и первого 3 компараторов, подключены, соответственно, к первому и второму входам формирователя 11, три других входа которого связаны с выходами 28,29,30 регистра 5, при этом, выходы 31-36 формирователя 11 предназначены для подключения к управляющим входам трехфазного мостового инвертора. Шестой вход формирователя t1 подключен к источнику 13, выполненному на основе компаратора.

Переключатель 6 состоит из триггеров 14.1...14.т, на управляющие входы которых подаются напряжения от источника 12, а на информационные входы - опорные напряжения с потенциометров, которые г1одключ(ны к стабилизированному источнику.

На фиг, 2 диаграммы 37-43 поясняют работу устройства при m 6 ( где Шт - кратность модуляции - отношение несутцей частоты к выхоцной частоте инвертора), а диаграммы 44-51 - работу устройства при тп 18) . Моменты времени 0,60, 120, 180, 240, 300 и 360 эл.град, обозначены, соответственно точками 52-58.

На фиг. 2 покаялп сиг нлл на вы-. ходе генератора 1, сш и.м 38 - на выходе генератора 2, сигналы 39 и АО - на выходах 26 и 27 компараторов 3 и 7, сигналы 41,А2 - на выходах 31 и 32 соответственно, формирователя 11 линейное напряжение A3 , трехфазного мостового инвертора при управлении с помощью устройства при m , 6, сигнал АА - на выходе генератора 1, сигнал А5 - на выходе генерато ра 2, сигнал А6 - на выходе 25 формирователя 8, сигналы А7 и А8 - на выходах 26 и 27, соответственно, компараторов 3 и 7, сигналы А9 и 50 - на выходах 31 и 32 формирователя 11, линейное напряжение 51 Uflg) трехфазного мостового инвертора при управлении с помощью предлагаемого устройства, при га- 18,

Устройство работает следующим об- разом.

Импульсы управления инвертором f, - f(, на выходах 31-36 формируются формирователем 11. На первый и второй входы форг ирователя 11 с вы- ходов 26 и 27 компараторов 3 и 7 подаются сигналы 39, АО при т 6 (или А7, А8 при m-f 18), При этом, выходные линейные напряжения инвертора имеют вид напряжения A3 при т- 6 (или напряжение 51 при т-, 18), Сигналы на третий, четвертый и пятый входы формирователя 11 поступают с выходов регистра 5 в виде числовой последовательности от О до 5 в двоичном коде, при этом, задаются равные между собой интервалы меяаду точками 52-53, 53-5А, 5А-55, 55-56, 56-57, 57-58, При необходимости изменения последовательности чередование фаз (например, для реверсирования асинхронного двигателя, питаемого от трехфазного мостового инвертора) необходимо изменить сигнал на шестом входе формирователя 11 от источника 13, Таким образом, управление устройством сводится к формированию сигналов, по выходам 26, 27 компараторов 3 и 7 и по выходам 28-30 pe иcтpa 5, на входах формирователя

11импульсов управления. Рассмотрим формирование сигналов

по выходам 26-30,

Аналоговый сигнал от источника

12управляющего сигнала по частоте поступает на вход 18 переключателя 6, при этом, в результате сравнения сигнала управления с опорными сигналами на выходах 20,1,,,20,ш формиру

ется сигнал кода Джонсона, который задает кратность модуляции в функции управляющего сигнала по частоте. Уровни опорных сигналов определяют уровни переключения кратности модуляции. Сигналы с выходов 20,1,,,20,т, коммутируя ключи 17,1,,,17,га блока 10 управления генератором тактовых импульсов, определяют коэффициент деления резисторного делителя, тем самым дискретно изменяя частоту генератора 1, Плавное изменение частоты генератора 1 происходит при плавном изменении напряжения на входе 19 в диапазоне между уровнями опорных напряжений переключателя 6, Сигнал 37 с выхода генератора 1 тактовых импульсов тактирует частоту генератора 2 пилообразного напряжения, с выхода которого пилообразное напряжение постоянной независимой от частоты амплитуды поступает (сигнал 38,фиг,2) на информационные входы компараторов 3 и 7, Сигнал 37 с выхода генератора 1 тактовых импульсов синхронизирует работу регистра 15 счетчика 9 импульсов, предварительно по установочному входу, приведенного в исходное состояние, соответствующее

ув

У У2---Ут- Ут

С каждым тактом, поступающим на вход регистра 15, изменяется в соответствии с кодом Джонсона шифр на выходах 15.1,,,15,т. При этом, каждому сочетанию кода на выходах 20,1 ... 20,m и кода, на выходах 15,1,., 15,га на одном из выходов блока 16 возникает сигнал управления, замыкающий соответствующую пару ключей формирователя 8 модулирующих сигналов, при этом, на его выходах 24 и 25, при неизменных сигналах 23 и 18, возникают напряжения ступенчатой (сигнал А6, фиг.2), число ступеней в которых равно тт/6, а величина напряжений ступеней определена коэффициентом деления подключаемых резистивных делителей и сигналом 23 управления по напряжению.

При минимальной кратности модуляции (raj 6) ступенчатая кривая вырождается в прямую. На выходах 24 и 25 формирователя 8 образуются модулирующие сигналы, поступающие на управляющие входы компараторов 7 и 3. На информационные входы компараторов

3 н 7 поступает сигнал 38 с выхода генератора 2 пилообразного напряжения. В результате сравнения указанных сигналов на выходах 26 и 27 ком- параторов 3 и 7 образуются сигналы 39 и 40, модуляция которых осуществляется перемещением фронта импульса. При этом, соотношение весовых резисторов в рассматриваемой паре уп- ю равляемых ключей формирователя 8 модулирующих сигналов выбирается из условия

а, sin -- (2п - 1), 15

где а, - напряжение на выходе управляемого ключа, приведенное к напряжению источника 4 управляющего сигна- 20 ла для п-го импульса выходного напряжения, причем, для канала с выходом 25 п 1,2,3...1/3N, а для канала с выходом 24 п 25 (1/3N-1), (1/3N-2).., 2/3N;

N - число импульсов в полупериоде выходного линейного напряжения N 3,6,9. ЗО Сигнал 39 соответствует длительности импульса tп при п 1, N 3, а сигнал 40 - длительности импульса при п 2, N 3. При этом

Li ( sin(2п - 1),

2N

где Л4 - глубина модуляции О 1 ,

ch а, при

(W 1,

г - длительность п-го импульса выходного линейного напряжения, приведенное к длительности тактового интерва- ла, равного IF/N эл.град. Тактовые импульсы с выхода 21 изменяют код на выходах I5.1...l5.m до тех пор, пока он не станет равным коду на выходах 20 , 1 ... 20 .га. При этом, на выходе 22, возникает импульс, который тактирует кольцевой регистр 5 и устанавливает в исходное состояние регистр 15. После этого цикл повторяется .

При минимальной кратности модуляции (mj 6) первый после установки в исходное состояние тактовый импульс на входе регистра 15 приводит к ра

5

0 5

О

0

5 -

5

венству кодов на выходах 15.1...l5.m и 20,1...20.т, т.е. к новой установке в исходное состояние. Поэтому, частота сигнала на входе регистра 5 равна частоте сигнала 37 на выходе генератора 1 тактовых импульсов. При этом, на выходах 28-30 регистра 5 формируется цифровая последовательность от О до 5 в двоичном коде, которая определяет шесть 60 эл.град. интервалов в периоде выходной частоты.

При поступлении сигналов с выходов 26-30 на входы формирователя 11 на его выходах 31-35 формир потся импульсы управления силовыми ключами трехфазного мостового инвертора.

На выходах 33, 34 и 35, 36 формируются последовательности импульсов управления, сдвинутые относительно сигналов 41, 42 соответственно на +120 эл.град. И таким образом, выходное линейное напряжение между фазами А и В Трехфазного мостового инвертора при работе с предлагаемым устройством управления при га- 6 имеет вид напряжения 43, фиг. 2. Два других линейных напряжения сдвинуты, относительно напряжения 43 на i120 эл.град.

Выше была рассмотрена работа устройства управления при минимальной величине кратности модуляции т-г 6. При ее увеличении (например, при т-)- 18) работа устройства осугдест- вляется следующим образом. Код на выходах 20.1...20.т переключателя 5 определяется двумя ключевыми триггерами 14.1...14.2 и выключенными триггерами 14.3...14.т. Следовательно, в общем случае выходные сигналы переключателя 6 соответствуют коду Джонсона. В соответствии с включенными триггерами 14.1 и 14.2 замыкаются ключи 17.1 и 17.2 блока 10 управления генератором тактовых импульсов, что дискретно изменяет величину сигнала управления на входе генератора 1 тактовых импульсов. Код ил выходах 20.1...20.т задает число ступеней в кривых 24 и 25 формирователя 8 (сигнал 46, фиг.2).

После третьего такта происходит возврат в исходное состояние регистра 15 импульсом с выхода 22 и тактируется регистр 5. Кратность модуляции на выходе инвертора определяется кодом на выходах 20.1...20.т.

1а выходах 26 и 27 компараторов 3 и 7 при этом образуются сигналы 47 и 48, поступающие на входы форми- ровятелн 11, на выходах 31 и 32 которого формируются сигналы 49 и 50, а на выходах 33, 34 и 35, 36 формируются аналогичные сигналы, сдвинутые на +120 эл.град. Сигналы с выходов 31-36 формирователя 11 поступают на управляющие входы трехфазного мостового инвертора, выходное линейное напряжение которого имеет вид напряжения 51, фиг, 2.

Устройство обеспечивает независи- мость формы выходных напряжений инвертора от параметров нагрузки в диапазоне изменения ее коэффициента сдвига фазы от 1 до О при уменьшенном числе переключениГг силовых венти лей инвертора. Независимость формы достигается за счет включения трех вентилей разных групп на интервале импул/ са выходного напряжения и трех вентилей одной группы на интервале наузъ; .выходного напряжения. Уменьшение чис.пл переключений силовых вентилей дог тигается за счет использования вентилей в качестве нулевых, каждые 60 эл.град. - поочередно для каящой фазы и при переходе из одного полупериода последовательности импульсов управления в другой - поочередно для каждого вентиля. В устройстве возможно реализовать любой за- кон иПТМ, который определяется требу- емь1ми уровнями напряжений формирователя модулирующих сигналов, при этом величина кратности модуляции не влияет на работу формирователя импуль- сов управления.

Улучшение гармонического состава выходного напряжения при регулировании осуществляется по закону синусоидальной широтно-импульсной модуля- ции.

Применение OIIIM приводит к снижению амплитуд нип1иих из высших гармоник при регулировании выходного на- пряжения.

Кроме того, при снижении выходной частоты инвертора в устройстве применяется многоступе)чатое изменение кратности модуляции, обеспечивающее формирование выходных напряжений инвертора по принятому закону во всем дианс зоне изменения выходной частоты, обеспечиааю1ией улучшенный гармоQ

15 0 5 0 с 0

5

0

5

нический состав линейных напряжений трехфазного мостового инвертора.

Формула изобретения

Устройство для управления трехфазным мостовым инвертором, содержащее генератор тактовых импульсов, генератор пилообразного напряжения, выход которого подключен К первому входу первого компаратора, источник управляющего сигнала, счетчик, о т - ли-уающееся тем, что, с целью улучшения гармонического состава при регулировании, оно снабжено переключателем кратности модуляции, вторым компаратором, формирователем модулирующих сигналов-, счетчиком импульсов, блоком управления генератором тактовых импульсов, блоком формирования импульсов управления, источником управляющего сигнала по частоте и источником сигнала реверса фаз, причем переключатель кратности выполнен на триггерах Шмитта, число га которых равно числу ступеней кратности модуляции выходного напряжения инвертора, входы триггеров Шмитта объединены и являются входом переключателя кратности модуляции, который соединен с выходом источника управляющего сигнала по частоте и входом блока управления генератором тактовых импульсов, который выполнен в виде управляемого делителя напряжения, выход которого подключен к входу генератора тактовых импульсов, управляющие входы управляемого делителя напряжения соединены с выходами переключателя кратности модуляции, в качестве которых использованы выходы триггеров Шмитта, выход источника управляемого сигнала соединен с входом формирователя модулирующих сигналов, который выполнен на двух включенных параллельно управляемьк делителях напряжения, управляющие входы которых соединены с первыми выходами счетчика импульсов, который выполнен на регистре Джонсрна с га выходами и логическом блоке, тактовый вход регистра Джонсона соединен с входом генератора пилообразного напряжения и выходом генератора тактовых импульсов, выходы регистра Джонсона соединены с первыми входами логического блока, вторые входы которого подклю чены к выходам переключателя кратноети модуляции, структура логического блока определяется логическими уравнениями первых n выходов

Zn F,j Fyj ,

FXJ X,X,2««« i-4

yiy-.-yj- Yj Yj Ут для j 0

Fjo У У5.--У.-У,Г1, m

n Z (K+1),

K:0

V/x XjXjx ;

25

где X - сигналы с выходов переключателя кратности модуляции;

у - с выходов регистра Джонсона; 20 ъ i и j - Индексы первых сигналов с инверсией в последовательном ряду сигналов х и у, и уравнением второго выхода F Fyj , К О, второй выход логического блока соединен с R-входом регистра Джонсона и входом счетчика, выход генератора пилообразного напряжения соединен с первым входом второго компаратора, вторые входы обоих компара-30 где f, -f, - сигналы на выходах бло- торов соединены с соответствующимика формирования импульвыходаьти формирователя модулирующихсов управления, которые

сигналов, выходы первого и второгоявляются выходами усткомпараторов подключены соответствен-ройства;

но к второму и первому входам блока 35 ( е сигналы на соответствуюЧ формирования импульсов управления,1 1их входах блока.

f 5 V

,X5Xt,V , Y (y

VX, Хт,Х4Хд,

f6 f-5.

третий, четвертый и пятый входы которого соединены с первым, вторым и третьим выходами счетчика, шестой вход соединен с выходом источника

сигнала реверса фаз, а структура блока формирования импульсов управления определена уравнениями

f ., V XgXji/ X,X,Xq у Х,Х,,Х4;

f f ;

f J, , V X,X,X V X,X 3X4X5 V V V X

V/x XjXjx ;

ъ где f, -f, - сигналы на выходах б ка формирования импу

f 5 V

,X5Xt,V , Y (y

VX, Хт,Х4Хд,

f6 f-5.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления преобразователями с широтно-импульсной модуляцией. Целью изобретения является улучшение гармонического состава при регулировании. Устройство содержит генератор тактовых импульсов, генератор пилообразного напряжения, источник управляющего сигнала, счетчик, первый и второй компараторы, переключатель кратности модуляции, формирователь модулирующих сигналов, блок управления генератором тактовых импульсов, блок формирования импульсов управления и источники управляющих сигналов по напряжению, частоте и реверсу фаз. Устройство осуществляет формирование и распределение импульсов управления, обеспечивающих широтно-импульсную модуляцию выходного напряжения. Улучшение гармонического состава обеспечивается за счет двухполярной модуляции управляющих сигналов, при которой последовательность импульсов управления состоит из модулированных и немодулированных участков. 2 ил.