Способ управления трехфазным преобразователем с широтно-кодовым регулированием Советский патент 1991 года по МПК H02M7/48 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при управлении преобразователями на базе автономных инверторов напряжения, входящими в состав систем частотно- регулируемого электропривода переменного тока.

Цепью изобретения является улучшение Качества процесса регулирования выходного сигнала трехфазного преобразователя с несимметричным управлением за счет плавного перехода от одного поддиапазона регулирования к другому.

На фиг. 1 представлена упрощенная структура силовых цепей трехфазного о тномостового преобразователя, выполненного на полностью управляемых вентилях; на фиг. 2 и 3 - приведены временные диаграммы, иллюстрирующие процесс осуществления приемов предложенного способа управления; на фиг. 4 и 5 - функциональная схема системы управления, реализующей

указанный способ, и диаграммы, поясняющие алгоритм ее работы.

Временные диаграммы, представленные на фиг. 2, соответствуют варианту связанного регулирования частоты и величины выходного напряжения преобразователя в пятикратном диапазоне (N 5). На фиг. 2, а изображены циклограмма управляющих сигналов Uu, вентиля +А преобразователя на началной выходной частоте FO на интервале 60-120 эл.град. и соответствующая этому кривая линейного выходного напряжения преобразователя . Весь тактовый интервал 60-градусной продолжительности разбит при этом на. пять подинтервалов длительностью Ч,

1

6F0N

12 эл.град. каждый, пока- 20

ричного управления осуществляется за счет постоянной плавной вариации длительностей пауз между сигналами управления и самих управляющих сигналов на близлежащих к центрам тактовых интервалов участках. Частотный диапазон работы преобразователя от часто

ты F до о

2N 3

разбивается при этом

на поддиапазоны, количество которых равно N. Границами указанных поддиапазонов являются значения выходных частот, определяемые как F- „ 2(i - 1)N

-02(1 - 1)(21 - 3) + 1 И „ 2(1 - 1)N

Изобретение относится к электротехнике. Целью изобретения является улучшение качества процесса регулирования преобразователя. Способ управления базируется на алгоритме несимметричного 180-градусного управления, при котором для каждого вентиля трехфазной мостовой схемы преобразователя на периоде выходной частоты попеременно формируют зоны проводимости и закрытого состояния, на средних тактовых интервалах 60-градусных продолжитель- ностей которых, в правой части тактовых подинтервалов, формируют соответственно асимметричные сигналы выключения и включения вентилей (сигналы управления), продолжительность которых определяет величину выходного напряжения преобразователя и количество которых на полупериоде последовательно уменьшается при росте выходной частоты. Регулирование частоты выходного напряжения преобразователя осуществляют за счет постоянной поэтапной вариации длительностей пауз между сигналами управления, расположенных внутри центрального участка каждого тактового интервала, а также длительностей ближних к центру левых сигналов управления. 1 з.п.ф-лы, 5 ил. tf С bt -и о о оо

занных на фиг, 2 дугами (абсолютная протяженность сигналов, формируемых внутри подинтервалов, показанных верхними дугами, постоянна, а длитель ность сигналов, синтезируемых внутри подинтервалов, обозначенных нижними дугами, изменяется в процессе регулирования частоты). В правой крайней части каждого подинтервала на ука- занном тактовом интервале зоны проводимости вентиля + А формируются запирающие вентили сигналы управления

N - 1

с длительностью

9,6 эл.град. Моментам формирования запирающих вентили импульсов на фиг. 2 и 3 соответствует нулевой уровень сигналов Uu,, а проводящему состоянию вентилей - положительное значение сигналов Uu, Количество импульсов в полуволне кривой линейного выходного напряжения преобразователя при этом в два раза превышает число сигналов управления внутри тактовых интервалов, так при варианте N 5 на начальной частоте F полуволна ли(в крайней правой части) всех так вых подинтервалов, начало первого 35 конец последнего из которых синхр зируются соответственно с началом и концом тактового интервада, фор руются сигналы управления с продо

40

жительностью ft - Ьп -

изменение частоты (длительности т тового интервала) производится пр этом за счет изменения продолжител

45 ности ближайшего с левой стороны центру тактового интервала импуль кривой линейного выходного напряж ния преобразователя, соответствую на интервале 60-120° центральной

50 узе между сигналами управления, к

1 нейного выходного напряжения состоит из десяти импульсов.

Аналогично формированию запирающих сигналов на интервале 60- 120 эл.град. на тактовом интервале 240-300 эл.град.осуществляется синтезирование включающих вентили сигна- 55 ВНУТРИ (i-l)-x правых и (1 - 2)-х лов управления.

Регулирование частоты и величины выходного напряжения преобразователя при рассматриваемом способе асиммет-рая в момент достижения выходной частотой значения F / уменьшается до нуля.

В диапазонах частот Fj - F2 F

левых от середины полупериода так вых подинтервалов формируются сигн лы управления с постоянной продолж тельностью, определяемой как

количество формируемых сигналов управления внутри тактовых интервалов. Внутри отмеченных поддиапазонов регулирование преобразователя осуществляется по двум опорным алгоритмам. На поддиапазонах регулирования, при которых F /

F F. + , внутри

(в крайней правой части) всех тактовых подинтервалов, начало первого и конец последнего из которых синхронизируются соответственно с началом и концом тактового интервада, формируются сигналы управления с продол40

жительностью ft - Ьп -

изменение частоты (длительности тактового интервала) производится при этом за счет изменения продолжительности ближайшего с левой стороны к центру тактового интервала импульса кривой линейного выходного напряжения преобразователя, соответствующей на интервале 60-120° центральной паузе между сигналами управления, котоВНУТРИ (i-l)-x правых и (1 - 2)-х

рая в момент достижения выходной частотой значения F / уменьшается до нуля. (1

В диапазонах частот Fj - F2 Fj.

ВНУТРИ (i-l)-x правых и (1 - 2)-х

левых от середины полупериода тактовых подинтервалов формируются сигналы управления с постоянной продолжительностью, определяемой как

4(i - и

2

12FQN(i - 1)(2i - 1)

правой части интервала, расположенного между указанными подинтервала- ми, формируется сигнал управления

регулируемой длительности Л д6F

2(i-1)(2i - 3) -f 1 12FQN(i - 1)

16460JO6

центрального на тактовом интервале В крайнейвключающего импульса. Продолжительность запирающих вентили сигналов управления при этом изменяется в соответствии с функциональной записимостью (N)

10 ТО ( F 3 ) °™еченный процесс ft

к

, путем изменения которой регулируется выходная частота преобразователя. Уменьшение величины Д до нуля наблюдается на граничных частотах F, . В диапазоне повышенных выходных частотпреобразоF 34. вателя

, при NFfl

каждом тактовом интервале, в ее крайней правой части, формируется по одному сигналу управления с длительдлительность указанного включающего 20 импульса уменьшается до нуля (фиг. 2,6).

На следующем подинтервале регулирования (фиг. 2,б,в) длительность 1 всех сигналов управления, за исклю- чем диапазоне преобразователя переход 25 чением центрального, остается неизностью /А - 1

bFoN

На всем рабоменной и равной

от одного поддиапазона регулирования к другому производится безударным методом, при помощи плавного изменения продолжительноетей соответствующих сигналов управления и пауз между ними. Описанный режим управления обеспечивает при этом практическое постоянство отношения величины первой гармоники выходного напряжения преобразователя к частоте при изменении последней в широких пределах.

Длительность и временное положение опорных левых ближайших к центру тактовых интервалов сигналов управления в процессе регулирования по описанному алгоритму непрерывно отождествляется (кодируется,) с продолжительностью основных сигналов управления, регулируемой широтным методом, в связи с чем рассматриваемый принцип управления трехфазными преобразователями может быть определен как широт- но-кодовый.

При анализируемом варианте связанного широтно-кодового регулирования частоты и величины выходного напряжения преобразователя в диапазоне нечетного количества раз (N 5) на первом поддиапазоне регулирования изменение (увеличение) частоты (уменьшение длительности периода) выходного сигнала производят за счет уменьшения продолжительности показанного на фиг. 2, а стрелкой левого

продолжается до момента достижения выходной частотой преобразователя

,К

значения F

Г

4 о 271 5-2(3 - 1)

N2(1 - 1).

- - - 1)(2i - 1)

о 2./ 5 - 1

ЈF

19 о

при котором

На следующем подинтерв рования (фиг. 2,б,в) длит всех сигналов управления, чением центрального, оста

менной и равной

, 4(1 - 1)2 л 1

12FQN(i - 1)(2i

30

- 1 12FQ 5 2 5

Tf) Fo а ПР°ДОЛЖИ

тельность центрального сигнала управления определяется из функциональной

л 1 2(i-t)(2i-3)+1 5 зависимости - 12р()

1 2-23 + 1 j 13 6F

6F

12F -5-2 О

120Рл

и

уменьшается с ростом частоты, достигая нулевого значения на частоте

-5-4

г«2-2-3+1

F - г 2(i-ON } (i-1)(2i-3) + 1

70 Ffl (фиг. 2,г).

На очередном поддиапазоне работы преобразователя, наблюдаемом в диапазоне частот от F F0 до 5.2

F 2FQ и характеризующемся

уменьшенным на единицу значением индекса i (i 2), регулирование частоты осуществляется, как и на первом поддиапазоне, за счет уменьшения продолжительности показанного на фиг. 2,г.д стрелкой левого центрального включающего вентили импульса при синхронном изменении (уменьшении)

продолжительности включающих сигналов управления Граница этого режима отображена на фиг. 2,е.

Дальнейшее изменение левого от центра тактового интервала сигнала управления производится в соответствии с зависимостью fl « IQ1-

л 6F 12--5F.

J 6F

1

20F

при неизменной длитель- О

ности второго сигнала, равной fl 4 - 1 1

продолжается до момента достижения

2-5

г о 2ТТ

-о г

частотой значения F F

2 FO , при которой величина уменьшается до нуля (фиг. 2,и).

1I 2Л

Начиная с частоты F,, F и до

номинальной выходной частоты преобразователя NF0, на тактовом интервале, в его крайней правой части, генерируется один управляющий сигнал, продолжительностью которого уменьшается при увеличении частоты в соответствий

л 11

с зависимостью л -rz ,-,, ;, и доoF oF- N О

стигает нуля на номинальной выходной частоте преобразователя (фиг. 2,к). Величина выходного напряжения инвер- тора достигает при этом своего мак- симального значения.

Гармонический состав кривой выходного напряжения преобразователя в диапазоне средних и повышенных выход ных частот может быть улучшен за счет плавного перехода от несимметричного режима управления к симметричному. Этот процесс иллюстрируется временными диаграммами, построенны- ми на фиг, 3. Начиная с частоты F

2N

-р- F , при которой внутри тактового интервала формируется два нерав-, нопротяженных сигнала управления (фиг, 3,а), продолжительность правого из указанных сигналов видоизменяют в соответствии с зависимостью

U NlH Э Длительность о о

левого на тактовом интервале сигнала управления, центр которого синхрони

0

зируется с границей левого тактового подинтервала, сохраняют постоянной

и равной - - . Указанный про6F0N

цесс продолжается до частоты, равной

N

значению -х -F , на которой продолжительность правого сигнала управления уменьшаете до нуля (фиг. 3,в), что соответствует моменту перехода от несимметричного режима к симметричному, в полуволне выходного напряжения преобразователя начинает формироваться по три выходных импульса вместо четырех, причем продолжительность центрального на полупроводе импульса в два раза превышает длительность крайних.

Дальнейшее увеличение выходной частоты преобразователя сопровождается последовательным уменьшением единственного на тактовом интервале сигнала управления по зависимости

А

i

6F

1

6FpN

(фиг. 3,г) вплоть до

0

5

О 5

5

нулевого значения / , наблюдаемого на номинальной выходной частоте преобразователя NF0 (фиг.3,д).

Принцип построения систем управления вертикального типа, реализующих описанный способ управления, рассмотрим на примере устройства, функциональная схема которого приведена на фиг. 4. Генератор тактовых импульсов 1, на вход которого поступает аналоговый сигнал задания частоты Up, формирует последовательность коротких импульсов, частота следования которых на всем диапазоне регулирования в 12 раз превышает выходную частоту инвертора, и которые, поступая на вход генератора линейно- изменяющегося напряжения 2, синхронизируют его работу, благодаря чему на выходе генератора 2 формируется симметричное пилообразное напряжение развертки шестикратной по сравнению с выходным сигналом инвертора частоты. Источник опорного напряжения 3 связан с плюсовым входом суммирующего усилителя 4 с коэффициентом передачи, равным 0,5, на минусовой вход которого приходит сигнал с выхода интегратора 5. Выход усилителя 4 присоединен ко входам сумматоров 6, 7 и 8, кроме того, связаны между собой соответственно выходы сумматоров 6,

7 и 9 и входы сумматоров 7, 9 и 8, а на входы сумматоров 6 и 9 поступае выходной сигнал интегратора 5.

Выход генератора развертки 2 связ с первыми входами компараторов 10-14 на вторые входы которых приходят сигналы соответственно с усилителя 4 и сумматоров 6-9 На выходах всех компараторов включены формирующие цепи, состоящие, как показано применительно к компаратору 10, из логичекого инвертора 15 и дифференциаторов (дифференцирующих цепей) 16 и 17, формирующих короткие однополярные им пульсы в моменты равенства сигналов на входах компараторов 10-14, которы через дизъюнктор 18 последовательно поступают на вход счетного триггера 19 и вызывают его периодическое срабатывание. Выход триггера 19 связан со входами логического распределителя управляющих импульсов 20 и блока определения суммарной длительности выходных импульсов 21. На входе блока 21 включен конденсатор 22, выделяющий постоянную составляющую последовательности импульсов с выхода триггера 19, Напряжение конденсатора 22 поступает далее на делитель 23, в котором осуществляется его деление на аналоговый сигнал задания выходной частоты Up, в результате чего на выходе блока 21 в соответствующем масштабе формируется напряжение, пропорциональное суммарной на полупериоде длительности выходных импульсов. Этот сигнал поступает на минусовой вход интегратора 5, плюсовой вход которого связан с источником постоянного опорного напряжения 3. Выход узла 17 подключен ко входу трехразрядного регистра 24, выходы которого присоединены к тактовым входам распредели теля 20.

На фиг. 5 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип действия системы управления. Индексы сигналов на фиг. 5 при этом соответствуют нумерации узлов и блоков системы, приведенной на фиг. 4. Амплитуда развертывающего сигнала U генератора 2 уменьшается пропорционально росту выходной частоты преобразователя. Выбор напряжения источника 3 производится в соответствии

с условием U

U 2 /W кс N

s иг масс

U

UMOKC

IU

- максимальная амплиту20

25

5 ю 155

30

35

40

да сигнала U, наблюдаемая на начальной выходной частоте преобразователя. Величина сигнала U,- опррделяется при этом продолжительность тактовых подинтервалов. Амплитуда сигнала на выходе интегратора 5 пропорциональна длительности основных выходных импульсов кривой выходного напряжения, а разностный сигнал на выходе усилителя 4 пропорционален половинной продолжительности основных сигналов управления. При этом в моменты равенства сигналов 1 и U в системе вырабатываются команды на формирование ближних к краям и к центру полу-1 периода фронтов выходных импульсов. На выходах сумматора 6-9 в соответствии с приведенной схемой их соединения синтезируются сигналы, определяющие моменты формирования остальных фронтов импульсов кривой выходного напряжения преобразователя. Контур внутренней обратной связи системы, включающий узлы н блоки 19, 21-23 и 5, обеспечивает на всем диапазоне регулирования непрерывное, осуществляемое по астатическому принципу, формирование корректирующего сигнала, поступающего на входы сумма-1 торов 6-9 и автоматически поддерживающего постоянство суммарной вольт- секундной площади выходных импульсов на полупериоде в процессе изменения выходной частоты. В этом случае производится автоматическая реализация представленных в первой части описания функциональных зависимостей между продолжительностями сигналов управления, их временным положением и значениями выходной частоты преобразователя, а также автоматический переход от одного поддиапазона регулирования к другому, наблюдаемый на граничных частотах.

Благодаря приведенному включению трехразрядного регистра 24, вход которого связан с выходом компаратора 10 через дифференциатор 17, обеспечивается требуемая асимметрия закона формирования управляющих сигналов. Выраженные в цифровой форме состояния выходных разрядов QjQjQf регистра 24 на периоде выходной частоты записываются соответственно как 100, 001, 000, 101, 110, 111. Логические функции, реализуемые распре-

0

ной выходной частоте тактовые интервалы разбивают на N подынтервалов

одинаковой на всем диапазоне регули-

г „ 1

5 рования длительности, равной , ,

о

в крайней правой части каждого из

+ В QtQg + QiQfc + Q,U,cj+ ) которых на всем диапазоне регулирования формируют сигналы управления с начальной продолжительностью

N - 1

делителем 20 и поступающие в форме управляющих сигналов на вентили инвертора, при этом имеют следующий вид:

- А Q,Q3 + Q, 02U,9;

+ С - Q,Q3+ Q,U( Q2U1

10

20

Таким образом, предложенный способ широтно-кодового регулирования выходного напряжения преобразователя на базе инвертора напряжения, при15

котором на всем диапазоне связанного регулирования частоты и величины выходного напряжения производится процесс непрерывного отождествления (кодирования) продолжительности и временного положения опорных сигналов управления с длительностью основных сигналов управления и со значением выходной частоты, позволяет обеспечить плавный безударный переход от одного поддиапазона регулирования к другому и улучшить тем самым качество процесса регулирования преобразователя. Средняя частота коммутации вентилей преобразователя в процессе 30 широкодиапазонного регулирования при этом близка к постоянному значению. 1

Формула изобретения

6F0N

отличающийся

тем, что, с целью повышения качества процесса регулирования, в диапазоне

частот F - - о 3

2N

F начало каждого о

первого и конец каждого последнего тактового подинтервала синхронизируют с началом и концом соответствующего тактового интвервала, формирование каждого 1-го по направлению от конца к середине тактового интер- 25 вала сигнала управления (каждого

(i-1)-ro от начала тактового интервала сигнала) осуществляют при изменении выходной частоты преобраэова-

теля от F0 до F/ - F, 2((Ј) + 1 причем при изменении выходной частоты от Ffl до F,

II

2(i-1)N

о 2(i-l7(2i-1)-1

выходного напряжения вентили разных фаз преобразователя периодически включают и выключают с взаимным фазовым сдвигом в 60 эл.град., при этом для каждого вентиля в течение 45 одного полупериода от 0до 180 эл.град, формируют зону проводимости, в течение другого полупериода от 180 до 360 эл.град. формируют зону закрытого СОСТОЯНИЯ, Внутри таКТОВЫХ ИНТер- CQ

валов проводимости от 60 до 120 эл.град. и тактовых интервалов закрытого состояния вентилей от 240 до 300 эл.град формируют соответственно сигналы выключения и включения

35 внутри каждого тактового подинтервала формируют сигнал управления с дли. 1 1 тельностью 6(2i-l) J

1

F0N

, . . ч

при Fj F Fj внутри (i-1)-x правых и (i-2)-x левых от середины полу- периода тактовых подинтервалов синтезируют сигналы управления с длитель-

ностью t Ha-obi-D в край

ней правой части интервала, расположенного между указанными подинтерва- лами, формируют сигнал управления

л 1

с продолжительностью fl ) (2i-3) + 1

12FnN(i - О

2N

а в диапазоне

частот F0 - NF0 в правой крайней вентилей (сигналы управления), коли-части тактовых интервалов генерируют

чество которых последовательно уменьшается с ростом выходной частоты преобразователя F, причем на наиальпо одному сигналу управления с длительностью

л .J

6F 6F0N

N - 1

6F0N

отличающийся

тем, что, с целью повышения качества процесса регулирования, в диапазоне

F - - о 3

2N

F начало каждого о

первого и конец каждого последнего тактового подинтервала синхронизируют с началом и концом соответствующего тактового интвервала, формирование каждого 1-го по направлению от конца к середине тактового интер- вала сигнала управления (каждого

(i-1)-ro от начала тактового интервала сигнала) осуществляют при изменении выходной частоты преобраэова-

теля от F0 до F/ - F, 2((Ј) + 1 причем при изменении выходной часто

ты от Ffl до F,

II

2(i-1)N

о 2(i-l7(2i-1)-1

внутри каждого тактового подинтервала формируют сигнал управления с дли. 1 1 тельностью 6(2i-l) J

1

F0N

, . . ч

при Fj F Fj внутри (i-1)-x правых и (i-2)-x левых от середины полу- периода тактовых подинтервалов синтезируют сигналы управления с длитель-

ностью t Ha-obi-D в край

ней правой части интервала, расположенного между указанными подинтерва- лами, формируют сигнал управления

л 1

с продолжительностью fl ) (2i-3) + 1

12FnN(i - О

а в диапазоне

2N

акт

по одному сигналу управления с длительностью

л .J

6F 6F0N

2N N

о То cePeW Hy левого на тактовом интервале сигнала управления синхронизируют с границей левого тактового подинтервала, продолжительность его принимают равной ft

1

6F0N

, длительность правого сигS) К

t; tr,

fff

а . -

«о.

я) vr

4 if

нала управления определяют в соответствии с функциональной зависимостью

2Е

( ) t а в диапазоне 12F0NОТо

выходных частот -z Fe - NF в середине

каждого тактового интервала формируют по одному сигналу управления с

продолжительностью й -- 6F 6F0N

уз )

с

«#

W

JW

о

го О VO - vЈ

§

О

S

04

I

fcS W

fcr

с

«

«б1

п

-A

7

W

a3

- -

Фаг. 4

Un

иг и

/

л/

SZ

7Ј7

000