Способ управления трехфазным мостовым вентильным инвертором Советский патент 1990 года по МПК H02M7/48 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления автономными инверторами напряжения, входящими в состав питания установок частотно-регулируемо- го электропривода.

Цель изобретения - расширение диапазона регулирования инвертора при инвариантности формы кривой выходного напряжения к параметрам нагрузки и улучшенном качестве процесса связанного регулирования частоты и величины выходного напряжения, осуществляемом за счет плавного поэтапного изменения количества импульсов в полуволне выходной кривой инвертора.

На фиг. 1 изображена упрощенная схема трехфазного мостового инвертора напряжения; на фиг. 2 - временные диаграммы, иллюстрирующие предлагаемый способ управления преобразователем (для определенности принято, что на начальной (минимальной) выходной частоте инвертора на циклограмме управняющих импульсов внутри тактовых интервалов 60-градусных продолжитель- ностей формируется по шесть импульсов управления (), соответственно в данном случае алгоритм управления обеспечивает шестикратное связанное регулирование частоты и величины среднего на полупериоде значения выходного напряжения преобразователя, принято также, что основные вентили силовой схемы инвертора являются полностью управляемыми); на фиг. 3 - функциональная схема системы управления вертикального типа, при помощи которой может быть практически реализован предлагаемый способ управления; на фиг. 4 - временные диаграммы, поясняющие работу системы на 1/6 части периода начальной выходной частоты (интервал 60-120 ); на фиг. 5 - диаграммы, иллюстрирующие работу системы в процессе шестикратного изменения выходной частоты (обозначения кривых на фиг. 4 и 5 соответствуют нумерации узлов устройства управления, приведенной на фигоЗ).

Начальные формы линейного и фазного выходного напряжения инвертора U.b и UAO , а также сигналов управления Uu, соответствующие начальной (минимальной) выходной частоте FO, изображены на фиг02а0 Характерной особенностью опорной формы линейно- го выходного напряжения , является равенство между собой длительности выходных импульсов, формируемых внутри тактовых интервалов, и длительности импульсов, генерируемых на гра- ницах тактовых интервалов0 При этом длительность центрального на полупериоде импульса в полуволне линейного выходного напряжения инвертора в два раза превышает длительность других выходных импульсов, продолжительность 7vU0 каждого из которых на начальной частоте F0 определяется как

uo 6V ti(N+lS Соответственно ПР° должительность 0 сигналов (импульсов) управления, попеременно со сдвигом в 60 эл. град, поступающих на каждый из основных вентилей трехфазной мостовой схемы инвертора, на наN-1чальной частоте равна Т

° 6F0N:

Отмеченные импульсы управления Uu , поступающие ,на вентиль +А фазы А

катодной группы трехфазной структуры преобразователя и вызывающие его периодическое выключение на момент времени, равный длительности упомянутых импульсов управления, представлены на фиг.2 на верхних временных диаграммах. Наличие указанных управляющих импульсов соответствует, таким образом, закрытому состоянию ключа, нулевое значение сигналов управления - его открытому состоянию. На начальной выходной частоте местоположения середин 1-х управляющих сигналов определяются в общем случае как С;о

60И

(2i-i MN-I

эл.град.

N(N+1) 2N1 На второй половине тактовых интервалов формирование управляющих сигналов осуществляется симметрично„ Кроме того, для обеспечения постоянства структуры силовой схемы трехфазного инвертора при любых значениях параметров (коэффициента мощности) нагрузки на всем диапазоне регулирования аналогичные симметричные включающие вентили сигналы управления формируются в зонах закрытого состояния на тактовых интервалах от 240 до 300 эл.град Расширение диапазона регулирования частоты выходного сигнала трехфазного инвертора при предлагаемом способе управления обеспечивается за счет непрерывной поэтапной вариации длительностей пауз между импульсами управления и самих управляющих импульсов на центральных участках тактовых интервалов 60-градусных продолжитель- ностей, находящихся в серединах зон проводимости и закрытого состояния вентилей длительностью в 180 эл0град„ При этом для поддержания постоянства отношения величины выходного напряжения инвертора к частоте на поддиапазонах регулирования, на которых регулирование осуществляется за счет изменения продолжительности центральных пауз, длительности сигналов управления 7 варьируют в зависимости от значений выходной частоты F и от количества формируемых сигналов п на каждой половине тактовых интервалов в соответствии с выражением

5

Т

1 12п

(V

1

F0N

), Одновременно на

указанных поддиапазонах регулирования осуществляют симметричный синхронный сдвиг одного из фронтов (переднего или заднего) указанных импульсов управления по направлению к центрам тактовых интервалов. Местоположения середин 1-х, считая от на- чала тактовых интервалов, сигналов выключения и включения вентилей определяется в этом случае соответственно из функциональных зависимостей

-60

hi+ir ArTj

1

N(N+1)

)

F NF

эл. град.

c.(i+ -,- - -...;

1 L чп N(N+1) п

№„

эл.град,

Верхняя частотная граница указанного режима достигается при частоте р N(N+1)

о 2n()

„и „ t частот F

В диапазонах

в центрах

0 2п(п-1 ) ()VN( тактовых интервалов формируются управляющие импульсы изменяемых длительностей, а продолжительность остальных сигналов управления не зависит от текущих значений выходной час- Зо паузы между импульсами управления

0

висимостью fl у (г - ) Зб4

Отмеченное изменение длитель5

0

5

длительности остальных импульсов управления.

Длительности импульсов управления на первом поддиапазоне регулирования анализируемого алгоритма управления изменяются (уменьшаются) при росте выходной частоты в соответствии с за F,N;

ности сигналов управления производится путем соответствующего одинакового и симметричного смещения передних относительно начала тактовых интервалов фронтов управляющих импульсов на первых половинах тактовых интервалов и задних фронтов сигналов управления во вторых частях /актовых интервалов. Координаты середин 1-х выключающих импульсов управления на первых половинах тактовых интервалов при этом смещаются к центрам тактовых интервалов.

Указанный процесс продолжается до момента достижения выходной частотой преобразователя значения F,, при котором продолжительность центральной

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в автономных инверторах. Цель изобретения - расширение диапазона регулирования интертора по частоте при инвериантности формы кривой его выходного напряжения к параметрам нагрузки и улучшенном качестве процесса N - кратного связанного регулирования частоты и величины выходного напряжения. Регулирование частоты выходного напряжения инвертора осуществляют за счет непрерывной поэтапной вариации длительностей пауз между импульсами управления и самих управляющих импульсов на центральных участках тактовых интервалов. На поддиапазонах регулирования длительность и местоположение сигналов управления λ варьируют в зависимости от значений выходной частоты F и от количества формируемых сигналов N на каждой половине тактовых интервалов путем одностронней модуляции длительности. Одновременно на всем диапазоне регулирования на тактовых интервалах закрытого состояния вентилей от 240 до 300 эл. град. формируют сигналы включения вентилей, равные по длительности и симметричные аналогичным запирающим импульсам. 5 ил.

тоты инвертора отношения

и определяется из соft

2n(N +N-1)-N(N+I)

12nF0N OH) Местоположения середин сигналов выключения и включения вентилей на таких поддиапазонах регулирования определяют из функциональных зависимос ,2J.H . 1 21-1

2 F

тей 1 + (4а

NFe J 4n

эл .град, 2i-l

и С

-)

NF0 J

2N(N+1) (2|Z

)

эл.град.

2N(N+O

При анализируемом варианте связанного регулирования частоты и величины напряжения инвертора в диапазоне четного количества раз () на первом поддиапазоне регулирования изменение частоты (длительности периода) выходного сигнала производят за счет изменения продолжительности паузы между управляющими импульсами, формируемой в центрах тактовых интервалов Соответственно при нечетных N на пер вом поддиапазоне регулирования производят последовательное плавное изменение продолжительности центрального сигнала управления при неизменной

35

40

45

50

55

принимает нулевое значение..

На следующем подынтервале регулирования (фиг. 26) длительность ft всех сигналов управления, за исключением центрального, остается неизмен„ „ . 2n(N2+N-1)-N(N+l) ной и равной ft. -,2nFtNifl|+iy-

Абсолютная величина расстояний между фронтами импульсов управления внутри каждой половины тактовых интервалов также остается неизменной. На вторых половинах тактовых интервалов управляющие сигналы формируются симметрично. Регулирование частоты выходного напряжения инвертора при этом производится путем последовательного изменения длительности У центрального на тактовом интервале управляющего сигнала, осуществляемого в соответ ствии

Граница

зависимостью

2п (п-1) (N%N-1 ) +N (N+1) 6FenNHN+l) указанного режима достигается при величине выходной частоты инвертора

-- n N(N+1)

, при

F« F in(n-I ) (NX+N-I )+N(N+l )

которой длительность центрального управняющего импульса уменьшается до нуля.

На очередном поддиапазоне работы преобразователя, наблюдаемом в диапазоне частот и характеризующемся уменьшенным на единицу по сравнению с предыдущим режимом количеством вырабатываемых сигналов управления (при этом ), осуществляется, как и на первом поддиапазоне, последовательное изменение продолжительностей импульсов управления, производимое смещением передних фронтов управляющих сигналов на первых половинах тактовых интервалов и задних фронтов им- пуьсов управления на вторых половинах тактовых интервалов Такой же алгоритм формирования управляющих импульсов имеет место в диапазоне частот от F до F3, при этом на каждом тактовом интервале формируется по два сигнала управления (), а полуволна линейного выходного напряжения инвертора синтезируется из пяти импульсов (фиг.2г).

В диапазонах частот от Рг до F2 (фиг.2в) и от FJJ до F3 (фиг.2д) регулирование выходной частоты производится путем соответствующего изменения продолжительности (смещения фронтов сигналов управления, расположенных в центрах тактовых интервалов. Стрелки, изображенные на фиг.2 у соответствующих фронтов импульсов управления , иллюстрируют описанный характер изменения их временного положения внутри каждого из поддиапазонов регулирования о

После уменьшения длительности последнего управляющего сигнала до нуля, наблюдаемого при номинальной выходной частоте преобразователя F40M , выходное напряжение инвертора достигает своего максимального значения (фиг.2е)0 Последующее увеличение выходной частоты производится при неизменной величине выходного напряжения, что соответствует режиму постоянства мощности применительно к использованию преобразователя в системах частотно-регулируемого электропривода переменного тока. Переход от одного поддиапазона регулирования к другому во всей регулировочной зоне инвертора осуществляется плавно, без скачков в величинах среднего и действующего значений напряжения

и амплитуд гармоник спектра выходной кривой.

Способ реализуется устройством, представленным на фиг.З

Блок 1 задания частоты системы управления, величина сигнала U4 на выходе которого прямо пропорциональна выходной частоте инвертора, определяет частоту следования тактовых импульсов генератора 2 тактовых импульсов, которая на всем диапазоне регулирования в двенадцать раз превышает выходную частоту преобразователя„ Ге5 нератор 2 синхронизирует работу генератора 3 развертывающего линейно изменяющегося напряжения, выходной сигнал U которого характеризуется двусторонней симметрией и постоянной

Q крутизной, амплитуда сигнала U изменяется при этом (фиг.5) с ростом выходной частоты по гиперболическому закону.Источники 4-6 опорных напряжений связаны с соответствующими входа5 ми блока 7 формирования длительностей импульсов, источники 4 и 5 кроме того соединены с входами сумматоров 8 и 9, на другие входы которых приходит сигнал с выхода функционального пре0 образователя 10.

Постоянные по амплитуде опорные напряжения lb,U5,U6 источников 4-6, .поступающие на вход блока 7, сопоставляются в нем, как следует из кривых, приведенных на фиг, 4, с развертывающим сигналом U} генератора 3. В моменты равенства указанных сигналов блоком 7 формирования вырабатываются команды на формирование фронтов выходных импульсов: передних фронтов на первой половине тактовых интервалов и задних фронтов выходных импульсов на второй половине тактовых 5 интервалов. В соответствии с принципом работы схемы выбор амплитуд сигналов U,tJ5, 11ц., выраженных на в долях от (0, производится из со- U6 Fo 41 Vs

5

0

отношений

0

U,

1&. F5

F;

5

в

макс , 42 U MOIKC

41 , Ц + Fo 41 т тгтг I ve1 t где - о-1 I lwaicc F} Ub

максимальная амплитуда сигнала генератора 3 развертки, наблюдаемая на начальной выходной частоте инвертора FQ. Выбранные таким образом амплитуды сигналов источников 4-6 обеспечивают при этом переход от одного поддиапазона регулирования к

другому на частотах, соответствующих упомянутым выше граничным значениям F .

Регулирование величины выходного напряжения преобразователя в процессе изменения частоты осуществляется путем односторонней модуляции фронтов выходных импульсов, производимой формированием соответствующего сигнала функционального преобразователя 10, связанного по входу с выходом блока 1 задания частоты. Каждому значению сигнала блока 1 при этом соответствует определенная амплитуда сигнала U . Кривая изменения сигнала U в зависимости от значений напряжения U (от выходной частоты инвертора), выраженного в относительных единицах

и«

U.

3 «а кс

- ), изображена на фиг.5,

При этом задаваемый ход изменения величины определяется в соответствии с принципом управления преобразователем /функциональный преобразо- ватель 10 реализует расчетную функциональную зависимость, связывающую длительность включающих вентили импульсов управления, (определяемую величиной сигнала 04Й), с выходной частотой инвертора F, аналогом которой является сигнал блока Л.

Начальное значение UWMQ4 ,023 . Совокупность указанных значений выходных сигналов блоков 4-6 и.10 обеспечивает соответствие граничных выходных частот инвертора, переходных от одного поддиапазон регулирования к другому, приведенным выше величинам F|...

На поддиапазонах частот F0-F4, F,-F,(3 имеет место увеличение сигнала U 0 по закону обращенной ги- перболы. В диапазонах выходных частот F,-Ft, амплитуда U«j постоянна и определяется в первом случае из соотношения U,. -rrv- -0 к) N b

N

макс

v/- ,028 U-щд, а во втором

диапазоне fea.c 40 N«4 24

0,041 U}Mfllie. В момент времени F,6F0 амплитуда Uw достигает максимального значения, равного U(0m -JLfiaET -0,167U,WOW.

0

5

0

5 0

д

5

0

,

Сигналы (импульсы, длительность которых соответствует продолжительности выходных импульсов инвертора с выхода блока 7 формирования поступают на вход логического распределителя 11 управляющих импульсов системы управления, осуществляющего логическое преобразование сигналов, приходящих от блока 7 и от трехразрядного регистра 12, и формирование управляющих сигналов на вентили в соответствии с законом 180-градусного управления ключами трехфазной мостовой схемой преобразователя, Форма кривой выходного напряжения инвертора при этом на всем диапазоне регулирования не зависит от параметров нагрузки.

Средняя частота коммутации вентилей силовой схемы преобразователя при предлагаемом способе управления на всем диапазоне регулирования близка к постоянному значению. Благодаря этой особенности, а также тому, что в процессе регулирования осуществляется последовательное плавное изменение количества выходных импульсов в полуволне выходного напряжения,обеспечивается заметное расширение диапазона регулирования преобразователя по частоте при улучшенном, происходящем без дискретного изменения формы напряжения, качестве процесса связанного линейного регулирования частоты и величины выходного напряжения. Действительно ходе управления преобразователем по известному способу число вырабатываемых импульсов управления, и, соответственно, выходных импульсов, остается неизменным. При росте выходной частоты инвертрра в этом случае наблюдается последовательное уменьшение временных интервалов между импульсами кривой выходного напряжения, в результате чего достаточно быстро достигается верхняя граница частотного диапазона, определяемая частотными свойствами вентилей и узлов коммутации схемы. Предлагаемый способ управления, устраняя указанный недостаток, позволяет осуществить качественное управление трехфазными мостовыми схемами инверторов в практически любом заданном диапазоне регулирования выходной частоты. Формула изобретения

Способ управления трехфазным мостовым вентильным инвертором, заклю

чающийся в том, что основные вентили- раэных фаз инвертора периодически включают и выключают с взаимным фазовым сдвигом в 60 эло град о, при этом для каждого основного вентиля в течение одного полупериода от 0 до 180 эл.град. формируют зону проводимости, а в течение другого полупериода от 180 до 360 эл.град„ формируют зону закрытого состояния, на тактовом интервале каждой зоны проводимости от 60 до 120 эл.град„ формируют сигналы выключения вентилей, количество которых на начальной выходной частоте инвертора F0 равно N, а начальные местоположения середин 1-х, считая от начала тактового интервала, упомянутых сигналов управления С определяют из функциональной зависимости . , , . ,.. . - 1+ Х

с;

0

+ (2i-0(N-l). N(N+T) 2N1 |JJ1

град., отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования инвертора по частоте при инвариантности формы кривой выходного напряжения к параметрам нагрузки и улучшенном качестве процесса N-крат- ного связанного регулирования частоты F и величины среднего на полуперио- де значения выходного напряжения инвертора, начальные длительности сигналов выключения вентилей опредеN-1

ляют как ТУ,

0 6F0 N

внутри первой

половины тактового интервала каждой зоны проводимости формирование каждого n-го от начала тактового интервала сигнала выключения вентилей осуществляют при изменении выходной

частоты

Г„ до F

инвертора от

Nz(N+l)n

Fo 2n (n-1УO N- iT+N (N+ f) ПриЧеМ на всем диапазоне регулирования на второй половине тактового интервала формирование сигналов управления производят симметрично первой половне, задают тактовый интервал каждой

зоны закрытого состояния вентилей от 240 до 300 эл.град., внутри которого формируют аналогичные сигналам выключения сигналы включения вентилей, при изменении выходной частоты

„ N2(N+1) от FQ до F FQ 2-n-(-NiVN-T) ВНУТРИ

каждой половины тактового интервала зон открытого и закрытого состояния вентилей местоположения середин сигналов управления определяют соответственно как в

(1 + 1+Ъ- п«

15

п «

5 о

5

0

5

град„ и с длительностью , определяемой из функциональной зависимости -А FT а при F на каждой половине тактового интервала каждой зоны открытого и закрытого состояния вентилей формируют по (п-1)-й сигналов выключения и включения вентилей с постоянной длительностью, определяемой из соотношения

2n(N +N-1)-N(N-1)

12nF0N CN+l ) местоположения середин которых определяются соответственно из функцио,21-1 .

ft

нальных зависимостей С . 121-1 ч F

1-К4п60

2N(N+1) ) NF,

) эл.град. и С;

J

4п

21-1

2N(N+1) NF.

)

-

эл.

град., а n-й сигнал управления формируют в середине тактового интервала каждой зоны открытого и закрытого состояния вентиля с длительностью Д , определяемой из функциональной зависимости

V - 2n()(N+N-1)+N(N+1) Ъ 6F7n N CNH-T)

+ о

У S V S XZ

WM

O .J

«w

50

W

W

(lz ya flzc

Фиг.1

Д7

ЬН

Л.

Ь«

фигАi 2 3 Ч

Составитель 0„ ПарфеноваФи&5

Редактор Е. Папп ТехредМ.Дидык Корректор Э. Лончакова

Заказ 337 Тираж 496Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-15, Раушская наб., д. 4/5

Фие.Э

UiUi

Узлах Uimo