Способ управления трехфазным мостовым инвертором Советский патент 1991 года по МПК H02M7/48 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразовательной технике, и может быть использовано при построении систем преобразователь частоты - асинхронный двигатель с автономными инверторами напряжения, регулируемыми по принципу широтно-импульсной модуляции.

Цель изобретения - повышение коэффициента использования первичного источника электропитания и упрощение схемной реализации устройства для управления трехфазным мостовым инвертором,

На фиг. 1 представлены временные диаграммы, поясняющие формирование управляющих сигналов вентилями инвертора и его выходное (линейное) напряжение; на

фиг. 2 - схема устройства для управления трехфазным мостовым инвертором для реализации способа; на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства для управления; на фиг. 4 - схема трехфазного мостового инвертора; на фиг. 5 - схемы замещения инвертора с нагрузкой для некоторых временных интервалов работы; на фиг. 6 - зависимости коэффициента использования напряжения первичного источника электропитания от числа импульсов в полупериоде линейного напряжения инвертора для известного (а) и предложенного (б) способа управления.

На фиг. 1 приняты обозначения: 1 - заданный закон модуляции для первой модуо оо

N

00

о

лированной последовательноеiи импу/исон 2; 3 - вторая модулированная последоиз- гельность импульсов, фсом1,рузмая в соот- свтстсии с законом иллрстно- п- .г.у.тьспого регулирования: на фиг. 4 шесть ровных интервалов, соответствующий периоду выходной частоты инвертора; 5 и 6 - выходные сишзли дп ч формирования послсдоаатиль- ностей управляющих импульсов вентилями одной фазы инвертора; 7 и 8 - импульсы управления вентилями той же фазы инвертора для коэффициента нагрузки равного нулю (угла нагрузки 90 эл. град.}; 9 - моо напряжение ЛВ инпертора; 10- момент времени, соответствующий началу отсчета периода выходного линейного напряжения АР инвертора; 11- 1Б - моменты упихни на интервале 0 - я/3, соотоетстьую нио переключению хотя бы одною ьинтиля ин- осртора; 16-21 -моменты временисостпет сгвеппо для интервалов л /З; 2лУЗ; л; 4д/3; 5л/3; 2я периода выходного линейною напряжения АВ инвертора.

Для формирования шести сдчинугых на угол л/3 последовательностей управляющих импульсов (7, 8) в соответствии с предложенным способом управления формируют две модулированные последовательности импульсов 2 и 3, в первой 2 из которых период повторения равен я/3, а закон модуляции 1 соответствует значению синусоидальной функции на интерпале 0 - л/3. Формируют также шесть равных интервалов 4, составляющих период выходной частоты инвертора, при этом на первом интервале 0-л/3 подают первую модулированную последовательность импульсов 2, на втором интервале я/3- 2лУЗ обеспечивают открытое состояние вентилей, на третьем интервале 2я/3- л подают вторчю модулированную последовательность им пульсов 3, нэ четвертом интервале л- 4,т/3 подают инверсную относительно первой модулированную последовательность импульсов, на пятом и шестом интервалах 4л/3- 2яобеспечивают закрытое состояние вентилей. Изменение коэффициента модуляции первой модулированной последовательности импульсов 2 осуществляют перемещением переднего фронта импульсов. Модуляцию осуществляют по синусои- дальнсму закону, соответствующему значению синусоидальной функции на интервале 0 - я/3. Вторую последовательность модулированных импульсов 3 Формируют на основе широтно-импульсно- i о pei упироьания на несущей частоте, Период повторения второй последовательности 3 равен периоду несущей частоты первой модулированной последовательности импульсом 2 о регулирование осуществляют перемещением псреднгто Фронта импульсов 3, причем pni у лировлние длительности импульсов первой и 3 последсБа- юльностои опреди, -in ..тнисимос ь-п

/ К (ГДР Ч f.lyfniM. 1 r: nl U-ur у у :Ь 1

Р чулиронг зния)

О г носитсыьныя дл, ь Пп импульсов в первой модулiipoBaniiOH последсвательности импульсов 2 на тактовом интервал.- среднему значению синусоидальной на этом же in терпале и пэменчетси прямо чропорцио- нгльноглубине модуляции

л Г) ОМ U

1

где М -1,2, 3,... --Ч1УЛО так .TIM 1хип 1)валоп одной шс0( й ости пррцода выходного напряжения;

т 1, 2 М - порядковый номер .

Oi носиюльная длительность гр им пул ь- CCD по торой последовательности импульсе в 3 определяется выражением

ЗМ

где } --угол регулирования, 0 } 1 .

Число импульсов последовательности 3 на ,але л/3 равно числу импульсов последовательноеы 2 на том же интерва5 nv

Изменение коэффициента модуляции первой модулированной последовательности ммп/льсов 2 осуществляют перемещением переднего фронта импульсов 0 момент времени 12 и 15 на фиг. 1, задний фэонт импульсов 2 Формируется в тактовые

i X

мтменты времени I. моменты времени 13 и 16 на фиг. 1 (Ч 1, 2, 3, .,.). Регулиро- 5 пнние длительности импульсов 3 осумдествллюг перемещением переднего фронта импульсов (моменты времени 11 и М на фиг. 1), задний фронг импульсов 3 Формируется также в тактовые моменты

1 1 омени L --/JUT (моменты времени 13 и 16

нл фиг. 1). Глубину модуляции/1 и угол регулирования } изменяют одновременно и их абсолютные величины равны друг другу в Г пюбсй момент времени.

Устройство для управления трехфазным мостовым инвертором (фиг, 2), реализующее предлагаемый способ, содержит задающий генератор 22, первый 23 и второй 24 рэспреде.читилм уровней, управляемый дели гель 25, первый 26 и второй 27 компараторы, датчик 28 нуля фазных токов и коммутатор „29. Задающий генератор 22, являющийся и генератором пилообразного напряжения, входом 30 пр (соединен к внешнему источнику сигнала, определяющее выходную частоту инвертора выходом 31 (пилообразных импульсов) - к первым входам компараторов 26 и 27. а выходом 32 (тактовых импульсов)- к входу первою распределителя 23 уровней, первый выход которого подключен к входу второю распределителя 24 уровней Выходы первого распределителя 23 уровней соединены также с соответствующими первыми входа ми управляемого делителя 25. Выход последнего связан с вторым входом первого компаратора 26. Вторые входы управляемого делителя 25 и второго компаратора 27 соединены между собой и подключены к внешнему источнику сигнала 33, определяющему глубину модуляции Uo Датчик 28 нуля фазных токов входами 34-36 присоединен к внешнему источнику сигналов (пропорциональных фазным токам инвертора), а выходами - к сходам 37 42 коммутатора 29, с входами 43-48 которого соединены п соответствующей последовательности выходы второго распределителя 24 уровней К входам 49 и 50 Kovwyiaiopa 29 подключены соответственно прямой и инверсный выхо ды первого компаратра 26, а к входу 51 выход второго компаратора 27 Вылоды 52 57 коммутатора 29 являются выходами vстрой с т в а для управления т р е х р j з н ы м мостовым инвертором, предназначенными для подключения к управляющим входам вентилей.

Первый распределитель 23 уровней выполнен на N/3 каналов (где N - число им- ny/U COB о полупериоде выходной частоты инвертора), а второй распределитель 24 уровней - на шесть каналов.

Управляемый делитель 25 представляет собой резисторный делитель напряжения, коэффициент деления которого меняется при подключении параллельно к нижнему плачу резисторов 58. Делитель 25 в общем случае содержит (N/3 1) цепочек резистор - ключ 59.

Коммутатор 29 выполнен на основе комбинационной схемы из шести одина ковых ячеек 60, каждая из которых содержит четыре элемента 2И-НЕ 61-64, элемент НЕ 65 и элемент 4ИЛИ-НЕ 66. Оба входа элементов 61-63, второй вход .элемента 64 и вход элемента 65 являются сходами ячейки 60. Выходы элементов 61-63 и 65 соединены с входами элемен 06, выход которого соединен с первым

входом элемента 64 Выход последнего яп- лаегс.1 выходом ячейки 60 и выходом коммутатора 29.

Первые входы элементов 61 всех ячеек объединены и подключены к входу 49 коммутатора 29. Аналогично объединены и подключены к входу 51 первые входы элементов 62 и к 50 первые входы элементов 63. Второй вход элемента 61. вход элемента 65,

0 вторые входы элементов 62 и 63 в перечисленной последовательности для каждой ячейки GO присоединены к четырем смежным выходам распределителя 24 уровней, при этом у первой группы ячеек 60 сдно5 именные входы присоединены к выходам 43-48 распределителя 24 с шагом через един выход (следует учрсти что выходы 43- 48 закольцовлкн т ( после выхода 48 следует аь код 41 и т д.). Аналогично

Q одноименные входи второй группы ячеек GO присоединены к выходам 43 48 распределителя 24 с шагом через два выхода Вторые входы элемента 64 ячеек 60 присоединены к соответствующим выходам 375 42 датчика 28 чулч фазных токов. Указанные входы ячеек первой группы присоединены к прямым выходам 37 39 и 41 компараторов датчика 28, а ячеек второй ipymibi - к инигрсным выходам 38, 40

f; и 42 тех жп компараторов

Устройство для управления трехфазным м товым инвертором работает следующим обр 13ом

На фиг. 3 принты обозначения 67 5 последовательность импульсов пилообразной формы на выходе 31 задающего генератора 22; 68 нос н-довагетькость узких импульсов на выходе 32 задающею генератора 22, 69 - последовательность импульсов

Q на выходе первого распределителя 23 уров- ньи; 70 - последовательность импульсов на выходе управляемого делителя 25: 71 последовательность импульсов на выходе 49 компаратора 26; 72 последовательность

5 импульсов на выходе 50, 73 - последовательность импульсов на выходе компаратора 2 7 74 - диаграмма напряжения на выходе 37 датчика 28 нуля фазных токов при cos с/Тц- 0,75 последовательность импульQ сов на выходе элемента 66 ячейки 60 коммутатора 29; 76 и 77 - диаграммы напряжения на вы/одах соответственно 52 и 53 устройства управления

Инвертор, для управления которым при5 меняется предлагаемый способ, выполнен по трехфазной мостовой Слеме (фиг. 4) на управляемых вентилях 78 83, шунтированных диодами 84-89 обратного тока Его питание осуществляется от источника электропитания 90. К выходным зажимам

нвертора подключается трехфазная ни- i рузкз 9 93, соединенная в зьезду.

(1осль включения устройства сигнал, пропорциональный выходной частоте ин иерторэ, поступает на вход 30 задающего генератора 22, на выходах которого образуются две последовательности импульсов - пилообралнгп формы 67 (см. фиг. 3) и узки импульсов 68, соответствующих по времени крутым фронтам последовательности 67. Задающий генератор 22 настроен так, что частота этих импульсов в 2N раз больше входной частоты инвертора.

Узкие импульсы синхронизируют рабо гу распределителя импульсов 23, на выходах которого поочередно появляется .югенциал в течение интервала лУП сперг с дом .т/3, где л:- полупериод выходной сготы интервала. При появлении ютенциала на выходе распределителя 23 амыкаегся ключ 59 управляемого делителя ГЬ, скачком изменяя его коэффициент делении по закону

sin

Л

2 N

(2п-1).

де п 1, 2N/3, что соотзетстиует отрезкам синусоиды на диаграмме 1 (см, фиг, 1). Ipvi :том напряжение с входа 33, определл- ющге глубину модуляции и выбранное так, что при// 1 оно равно амплитуде импульсов G7 пилообразной формы, преобразуется в ступенчатую кривую на выходе делителя 25, число ступеней которой равно N/3.

На диаграмме 69 изображено напряжение на первом выходе распределителя 23, а на диаграмме 70 - напряжение на выходе управляемого делителя 25 для N 6.

Ступенчатое напряжение 70 поступает iui второй (опорный) вход компаратора 26, на первый (модулирующий) вход которого подается напряжение пилообразной формы 07. В результате на выходе 49 компаратора 26 образуется последовательность 71 импульсов, промодулированных по синусоидальному закону (см. диаграмму 2 на фиг. 1). На выходе 50 образуется инверсная системе 71 система 71 импульсов,

В результате сравнения с помощью компаратора 27 пилообразного напряжения 67 с опорным напряжением с входа 33, на выходе компаратора 27 образуется последовательность импульсов 73 (см. диаграмму 2 на фиг. 1). Нарастающий фронт импульса на первом выходе первого распределителя 23 синхронизирует второй рас- поеделитель 24 уровней, а также определяет начало периода ступенчатой кгппой 70, поэтому импульсы на каждом из

гыходов 43-48 сонпадают со ступенчатой припой 70 пи ,цпительносн1 и по фазе. Такое же совпадение будет и с последовательностью 71,которая является функцией

кривой 70.

Датчик 2с нуля флзньк тсч,ов (содержащий ТРИ независимых компаратора) преобразую, сипи мы, ,тропо| циональные фазным токам, и З-фаЗ ./ю систему прямоугольных

0 импульсов, у которы на выходе 1 (положительный потенциал) возникает, когда фазный ток болммо нуля, и О (нулевой потенциал) когда фазный ток меньше нуля Инверторы, подключенные к выходу каждо 5 г о компарагорч .омюляют получить инверсную тре фЗ н1. .о погг|г,д 1чятр; ьность На диаграмме 7/ г Ьрч;+ено шпг. м.ение на выходе 37 ; .т -ику 28 мул фатных токов при нагрузке пнгертппа с cos 1,л, 0.

0 Таким об|) -- РХПДН коммутатора ..9 поступают пнусоидлльная пог/ дова- л ольность импульсов 71 на вход 49, инверсная ей последовательность 72 на в-од 50. прямоугольная погл -доч.мельность 73 на

5 пход Ы, на мюсть входов 43 48 поступают шесть смежных импульсоп длительностью ;г/3 с периодом 2/л каждый, и две трехфазные системы прямоугольных импуль гов прямач нз 37, 39 и 41 и

0 обратная на входы 38 40,42.

На фиг. 5 схемы замещения инвертора для различных интервалов работы: а) длз им рпзлгн 10- 11 и 13 14 (см. фиг. ) б) дгч интервалов 11-12 и 14-15; и) для

5 интервалов 12-13 и 15-16.

Р асгмогрим работу инвертора на Taipysicy с коэффициентом cos p О If/Hi - 90 эл. град.,), используя диаграммы 7, 8 (фиг. 1) импульсов управления

0 вентилями 78 и 79 инвертора (см. фиг. 4) А и аналогичные им диаграммы, сдви- чутые на 120 эл. град в сторону отставания для фазы В и на 120 эл. град в сторону пережени %пя фазы С. Работа инвертора

5 рассматриваете. на одной шестой части периода ЕЗИХОДКо: о напряжения - периода пооiоряемости - для всех фаз одновременно, полная картина фг-зных и линейных напряжений получается круговыми

0 перестановками, Рассматриваемые моменты времени условно показаны стрелками на фиг. 1 и обозначены 10-16. Отсчет времени ведется с отметки 10, соответствующей нулю огибающей линейного

5 напряжения АВ

На интервале 10-11 (фиг. 1) импульс управления подают на вентиль 79 инвертора (фи( 4). В течение этого интервала времени токи направлены следующим образом: ток фазы А от уз,-э нагрузки через открытый

вентиль 79 к отрицательному зажиму источника питания; токи фаз В и С от отрицательного зажима источника питания через обратные диоды 87 и 89 к узлу нагрузки (см фиг. 5а). Таким образом на интервале 10-11 формируется нулевая пауза в кривых фазных напряжений. В течение этого интервала времени происходит обмен реактивной энергии нагрузки между всеми фазами.

На интервале 11-12 импульсы управления подают на вентили 79 и 82 инвертора. Направления токов остаются неизменными относительно предыдущего интервала, а фаза С подключается через открытый вентиль 82 к положительному зажиму источника питания 90 (фиг. 56). В течение этого интервала времени происходит обмен реактивной энергии нагрузки между фазами Л и В. При этом в фазах А и В амплитуда ф-тзно- го напряжения на нагрузке состаппяет -1 /3 Е (Е - напряжение источника питания инвертора), в фазе С равна 2/ЗЕ.

На интервале 12-13 импульс управления подают на вентиль 82 инвертора. Направления токов остаются неизменными относительно предыдущего интервала, а фаза А подключается через обратный диод 84 к положительному зажиму источника питания 90 (фиг. 5в). В течение этого интервала времени происходит обмен реактивной энергии нагрузки между фазами А и С и рекуперация реактивной энергии нагрузки фазы В в источник питания. При этом в фазах А и С амплитуда фазного напряжения на нагрузке равна +1/ЗЕ. а в фазе В составляет -2/ЗЕ.

На интервале 12-14 импульс управления подают опять на вентиль 79. Схема замещения инвертора соответствует фиг. 5а, так как направления токов в фазах остаются неизменными. На интервале 14-15 импульсы управления подают опять на вентили 79 и 8J2 инвертора. Схема замещения для этого интервала соответствует фиг. 5 б, так как направления токов в фазах остаются неизменными. На интервале импульс управления подают опять на вентиль 82 инвертора. Схема замещения для этого интервала соответствует фиг. 5в, так как направления токов в фазах остаются неизменными.

Таким образом, на интервале 10 - 16 (период повторяемости) представлена работа трехфазного мостового инвертора рассмотрена на активно-индуктивную нагрузку с (рк 90 эл. град, по предлагаемому способу управления. Полная картина фазных напряжений получается путем круговой перестановки напряжений, полученных на одной шестой части периода Линейные напряжения получают путем векторного сложения соответствующих фазных напряжений (фиг. 1, диаграмма 9 - линейное напряжение АВ).

5Таким образом на выходе инвертора

формируется линейное напряжение, форма которого не зависит от параметров нагрузки в диапазоне изменения ее коэффициента

О COS /5ц 1,0 .

10Амплитуда гармоник линейного напряжения инвертора, управляемого в соответствии с предлагаемым способом управления:

15op i/3Nn

U-c- lHJ coskC-nf -г„)k n л , ,2/vNr . , n JTx

2Q - cos 1+2, cos k ( )

k n л

N

- +

N V

j-i

ГI ( П Я

cosk(-N- -rp)

25

. / П iTT i i

- cos k ( - - r, ) V

I.

где n 2/3N+1; 30i-1,2,3,;.., 1/3N,

rn ( TI ) определяются по выражению f m при замене индекса m на n(i);

N 3M.

На фиг. 6 приведены зависимости коэффициента использования напряжения первичного источника электропитания от числа импульсов в полупериоде линейного напряжения инвертора для прототипа - кривая а и предлагаемого изобретения - кривая 6.

Формирование одной широтно-модули- рованной последовательности импульсов из одного участка синусоиды на интервале О - лУЗ приводит к упрощению предлагаемого технического решения.

Формула изобретения

Способ управления трехфазным мостовым инвертором, заключающийся в том, что формируют шесть сдвинутых на л/3 последовательностей управляющих импульсов, которые подают на управляющие входы вентилей инвертора, и две модулированные последовательности импульсов, период повторения первой из которых равен л/3. а закон модуляции соответствует значению

синусоидальной функции на интервале О -.т/3, причем каждую из шести указанных сдвинутых на угол ;г/3 последовательностей управляющих импульсов формируют на интервале 0 -vr/З из первой модулированной последовательности, на интервале л/3- 2тг/3 обеспечивают постоянно открытое состояние вентиля, на интервале 2JT/3-JT из второй модулированной последовательности импульсов на интервале л- 4я/3 инвертируют первую модулированную последовательность, а на интервале 4л/3-2я обеспечивают закрытое состояние вентилей, при этом изменений коэффициента модуляции и нерпой модулированной последовательности осуществляют переме щенмем переднею фронта импульсов несущей частоты, также определяют моменты перехода мгновенного значения тока каждой фазы через нуль к подают на соответствующие вентили инвертора длп

лиеспечения их переключений только часть сформированных последовательностей управляющих импульсов, начиная с определенного момента перехода мгновенного

значения тока фазы через нуль, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью повышения коэффициента использования напряжения источника питания и упрощения схемной реализации, вторую модулированную пос.ледовательность импульсов формируют путем широтно-импульсного регулирования на несущей частоте, период которой равен периоду несущей частоты первой модулированной последовательности импульсов,

причем широтно-импульсное регулирование осуществляют перемещением переднего фронта импульсов второй модулированной последовательности импульсов, а изменение их длительности определяют зависимостью , где у- угол регулирования.

Изобретение относится к электротехнике. Цель изобретения - повышение коэффициента использования первичного источника электропитания и упрощение схемной реализации устройства для управления трехфазным мостовым инвертором. Способ заключается в том, что формируют шесть сдвинутых на лУЗ последовательностей управляющих импульсов, причем вторую модулированную последовательность импульсов формируют путем широтно-им- пульсного регулирования на несущей частоте период которой равен периоду несущей частоты первой модулированной последовательности импульсов, широтно-иЛпульс- ное регулирование осуществляют перемещением переднего фронта импульсов второй модулированной последовательности импульсов, а изменение их длительности определяют зависимостью f.i - у , где у- угол регулирования;// -глубина модуляции. 6 ил. Ё

/ ff

fO f 12 /j S

4

JLQJLQJUIJIJIJIIJLIL ДОЛПЛШШШШП J.

$

Q

ЛЕИ

II

7

s

ДСП

1лп.ши

9&9.f

«

t

a/if

пгГ

Vlf

ПГ

UJt

шииу

«;6

Ш

it

rn

/r

I

&

I I

гпиипиош: ui. injmin: DLJUL UL

ТЛГШГПГ ПГ1П Г Г

JTJTJ LT Lfri U

ym

ftty

-)

:IL TJOD

/

LUJDIHT Г f

I

I I

ui. L U

69

Ю817Ич)1