Способ управления инвертором на полностью управляемых вентилях с широтно-импульсной модуляцией Советский патент 1992 года по МПК H02M7/48 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления инверторами напряжения с полностью управляемыми силовыми вентилями

Известна система управления с парой переключателей, соединенных последовательно-параллельно источнику питания постоянного тока В рабочем режиме в точке соединения переключателей вырабатывается выходной сигнал С помощью третьего переключателя общая точка двух переключателей соединена с нейтралью В схеме имеется устройство, вырабатывающее сигнал глубина модуляции которого характеризует отклонение выходного сигнала от требуемого уровня. Микропроцессор схемы вычисляет параметры точек коммутации переключателей инвертора во время рабочего

режима Вычисление параметров точек переключателя образуется на глубине модулирующего сигнала для данного числа импульсов Микропроцессор вырабатывает информацию во время каждого полупериода выходного сигнала Микропроцессор имеет центральное устройство обработки информации, которое вычисляет результат

,0W«Sk Л

а«. рр(« 0 TfOttJ snSda

(1« «I

ЙИ

чо , 1во ,

„nflde,

$Й« I

где SRN - передний фронт импульса N в переключающем управляющем сигнале,

apN задний фронт импульса N в переключающем управляющем сигнале;

F - требуемая частота выходного сигнала инвертора,

VI

|0

N

О

о ел

Р - число импульсов, которые вырабатывает инвертор во время полупериода;

DM - глубина модуляции.

Устройство, соединенное с микропроцессором, вырабатывает управляющие переключающие сигналы, используемые для отпирания переключателей.

Недостатком такой схемы являются большие затраты программного времени при непрерывном изменении частоты выходного напряжения, что делает ее малоэф- фективной для использования в частотнорегулируемых электроприводах.

Наиболее близким к предлагаемому способу является инверторна система для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока, содержащая цепь установки выходного напряжения для генерации сигнала значения выходного напряжения, соответствующего величине заданияскорости,генератор последовательности импульсов с частотой, пропорциональной сигналууправления скоростью, цепь деления частоты последовательности импульсов, вырабатываемых генератором для выработки разъединенных импульсов, цепь измерения временных интервалов между упомянутыми разъединенными импульсами подаваемых из цепи деления частоты, арифметическое устройство. При поступлении импульсов со схемы деления на вход арифметического устройства, последнее формирует хронирующий сигнал, в соответствии с которым вводится указанный разъединенный импульс, и дополнительные данные, связанные с рабочей фазой тока относительно основной волны. Там формируются данные о длительности импульсов

KTcllsin сот

которые от арифметического устройства поступают к схеме преобразования длительности,

где U - величина выходного напряжения, поданного устанавливающей выходное напряжение цепью;

Тс - период повторения импульсов, определяемый схемой измеревременного интервала между импульсами;

wt - рабочая фаза относительно основной волны;

К - коэффициент пропорциональности.

Однако, известная схема, принятая за прототип имеет следующие недостатки. При необходимости изменения коэффициента деления частоты в цепи деления частоты выходного напряжения, переход к новому значению коэффициента деления может произойти только при достижении

нуля фазы выходного напряжения, что ухудшает динамические свойства и регулировочные характеристики при работе системы в составе частотнорегулируемого электропривода. Расчет длительностей интервалов производится раздельно для каждой из 3 фаз выходного напряжения, что увеличивает время их расчета арифметическим устройством.

0 Целью данного изобретения является улучшение динамических свойств и регулировочных характеристик, и гармонического состава выходного напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что при формировании сигналов управления

5 полностью управляемыми вентилями инвертора определенной длительности и определенного сочетания включения вентилей в зависимости от заданной частоты, согласно изобретению производим анализ частоты и фазы выходного напряжения,

0 выбираем способ широтно-импульсного управления, вычисляем с использованием имеющейся информации о длительности временных интервалов синусоидальной ШИМ для различных диапазонов выходной

5 частоты длительности временных интервалов нахождения вентилей инвертора в рабочих комбинациях и коды этих комбинаций, запоминаем их, с началом нового цикла в режиме прерываний в интервальный тай0 мер поочередно загружаем занесенные в память в течение предыдущего цикла длительности интервалов нового цикла, в формирователь импульсов - соответствующие им коды комбинаций, а в основном режиме

5 ведем расчет параметров следующего цикла, при этом длительности нахождения вентилей в основной, дополнительной и нулевой комбинациях определяем из выражений

0cin(p-o

t UBUX UdHOMor-r

OCH - TT Ц

и

вых.ном

Ud

ДЗТЧ

sin

71

tflOH

Uebix . UdHOM

Sin

UE

Udfla

ТнуЛ - Тц toCH Т.ДОП,

где i 0,1,...P-1 - номер цикла на периоде

re повторяемости

ивых - требуемая величина выходного напряжения;

ивых.ном. 7 номинальная величина выходного напряжения;

UdhOM - номинальная величина входного напряжения;

. - величина напряжения снимаемого с датчика входного напряжения;

Тц - время цикла,

реализуя при этом векторное управление выходным напряжением, кроме того, в области низких частот время нахождения результирующего вектора в некотором фиксированном положении на фазовой плоскости, именуемое временем цикла Тц - ве- личина постоянная, не зависящая от частоты, а фазу фиксированного положения результирующего вектора на фазовой плоскости определения по формуле tpA 2ni Тц ,

где рпр величина фазы вектора для предыдущего цикла;

f - частота выходного напряжения, количество циклов Р за период повторяемости к /3 - величина переменная, а в области средних частот величина углового шага р перемещения вектора на фазой плоскости - величина постоянная, определяемая из выражения

тс .

а время цикла определяем из выражения

т - 1 |ц 6Pf

причем количество циклов Р на периоде пол

вторяемости ту- величина постоянная, кроме того, результирующий вектор занимает

тс к на периоде повторяемости ту Р - 2 , где

К 0,1,2...; фиксированных положений в зависимости от диапазона частот, и если при изменении частоты происходит переход границы частотного диапазона так, что число фиксированных положений Р результирующего вектора на периоде повторяемости п /3 предыдущего частотного диапазона больше числа фиксированных положений Р текущего частотного диапазона и номер цикла нечетный, то отрабатывают еще один цикл с предыдущим заданием частоты и значением входного напряжения без скачка фазы выходного напряжения, во всех остальных случаях отрабатывают новое задание частоты без задержки и без скачка фазы, кроме того для каждого частотного диапазона записыт вают значения коэффициента ШИМ, имеющие вид

, Л-ГР -I)

sin -Vj-p- Udi«M Т ниж

K; . .Uto Uaux ном

где ивых.гран.нижн. - величина выходного напряжения на нижней границе частотного диапазона;

Тцикл.гоан.нижн. - величина длительности цикла на нижней границе частотного диапа- зона,длительности интервалов определяем по формулам

Ki

toCH -

Udflarq. К2

1нул Тц - tocH Хдоп.

Обеспечивая при этом выполнение соVотношения -т- const.

На фиг. 1 приведена векторная диаграмма выходного напряжения инвертора на фазовой плоскости.

На фиг.2 приведена фазовая диаграмма

л

на периоде повторяемости -, иллюстрирующая организацию переходов при изменении зстоты.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Сигнал задания частоты через задатчик интенсивности поступает на вход аналого- цифрового преобразователя. Величина входного напряжения автономного инвертора снимается при помощи датчика и также

подаются на вход АЦП

АЦП подает цифровую информацию о выходной частоте и входном напряжении на центральный процессор. ЦП в начале каждого цикла, т.е. интервала времени, в течение которого отрабатывается одно фиксированное положение результирующего вектора выходного напряжения на фазовой плоскости, запрашивает с АЦП новые значения частоты и напряжения. Производитсч анализ частоты и фазы выходного напряжения. Интервал рабочих частот 0-100 Гц разбит на ряд диапазонов, для каждого из которых характерен свой способ широт- но-импульсного управления. Так, в области

низких частот применяется асинхронная ШИМ, в области средних частот - синхронная ШИМ, в области частот несколько ниже номинальной (50 Гц) - широтно-импульсное регулирование (ШИР), в области частот выше номинальной - поочередное управление вентилей без регулирования величины выходного напряжения. Причем для синхронной ШИМ в зависимости от частоты результирующий вектор занимает на периЛ

оде повторяемости -п различное число фик- о

сированных положений Р. Как известно, результирующий вектор может занимать 6 устойчивых положений на фазовой плоскости, каждому из которых соответствует определенная комбинации вентилей (фиг,1). Кроме того, инвертор может сформировать две нулевых комбинации (включаются 1, 3, 5 или 2, 4, 6 вентили), при которых выходное напряжение инвертора устанавливается в ноль.

Для формирования промежуточных положений вектора на фазовой плоскости необходимо поочередно устанавливать основную для данного интервала комбинацию вентилей, дополнительную (формуюлщучо вектор, отстоящий от основного на

и нулевую комбинацию вентилей,

В общем случае длительность нахождения вен гилей в основной, дополнительной и нуле вой комбинациях определяется по формулам

-

UdHOM Udflarn

sm

Я(Р -I

sin

О

Тдоп -

и

вых

Udlsin

ж

ЗР

Тп

(2) (3)

UBBIX ном Udflai4 Sin Л/3 ул Тц Хосн - tflon ,

где i 0,1Р-1 - номер цикла на периоде

л повторяемости ту;

ивых - требуемая величина выходного напряжения;

ивыхном - номинальная величина выходного напряжения;

UdHow - номинальная величина входного напряжения;

UdAain - величина снижаемая с датчика входного напряжения;

Тц - время цикла.

В большинстве случаев, когда требуется

U

регулирование -г const эта формула может быть упрощена

Для синхронного способа длительность

цикла определяется по формуле Тц 1

(4). Так как нам необходимо выпол6 Pf

нение соотношения

UE

f

КУвых ном, ТО ДЛЯ

этого предварительно рассчитывают для любой частоты данного диапазона (например нижней границы) величину

- т

Лтт И ГР

UdHOM

s,n

(5)

t/ яых «2р,

Ud«oMтг Тц грани (6)

где 11вых.гран.н. - величина выходного напряжения на нижней границе частотного диапазона;

Тцикл.гран н. - величина длительности цикла на нижней границе частотного диапазона.

Рассчитанные заранее величины К1 и К2 для различных частотных диапазонов заносятся в память, и затем вычисляются по фор- мулам:

Ki

tocH UdflaiH

К2

tAOn UdA3TM.

уЛ - Тц - toCH - tflOfl.

(7) (8)

30

25

Вычисления по этим формулам требуют минимальных затрат программного времени и обеспечивают выполнение соотношения

и

-г const

В соответствии ячейки памяти записывают рассчитанные по формулам (7), (8), (3) длительности интервалов и соответствующие им комбинации вентилей.

Так для вектора с окончанием в точке А на фазовой плоскости основной комбинацией будет 1,4,6 (включения 1,4,6 вентили), дополнительной - 1, 3, 6, нулевой - 1, 3, 5.

Отработка этих интервалов происходит

в режиме прерываний с началом следующего цикла. В интервальный таймер загружается число из памяти, соответствующее длительности первого интервала, а в формирователь - код комбинации вентилей для

данного интервала, открывая тем самым соответствующие вентили инвертора. По окончании счета таймером до нуля в него загружается величина длительности следующего интервала, а в формирователь - соответствующий ему код комбинации вентилей. В начале этого цикла по основной программе процессор запрашивает новые значения выходной частоты и выходного напряжения и вычисляет параметры следующего интервала цикла, которые заносятся в память. Таким образом, в каждом цикле отрабатываются сигналы задания запрошенные и вычисленные в предыдущем цикле, и запрашиваются и вычисляются параметры следующего цикла.

1767665

10

Способ управления инвертором с ШИМ с помощью микропроцессора, при котором в основном режиме по сигналам задания вычисляют длительности интервалов нахождения вентилей в рабочих комбинациях и соответствующие им коды комбинаций, а в режиме прерываний отрабатывают эти интервалы, обеспечивая при этом выбор оптимального способа широтно-импульсного управления, переход границ частотных диапазонов без скачка фазы и с минимальной задержкой, вычисления производятся при помощи простейших арифметических операций 2 ил.

На низких частотах (менее 6-4 Гц) незначительное изменение частоты, вызывает согласно формуле:

ТЦ g-p-f

оиень большое изменение времени цикла при постоянном Р, либо требует разбиения низко частотного участка на ряд поддиапазонов с различным числом Р, а отработка частот близкой к нулевой и нулевой (результирующий вектор не изменяет своего положения на фазовой плоскости по формуле (4) представляется невозможной.

Поэтому задаем постоянное время цикла Тц а фазу цикла определяем по формуле:

PA, 2nfJu ,(9)

где - величина фазы вектора для предыдущего цикла;

f- частота выходного напряжения.

Для того, чтобы можно было пользоваться записанными величинами К1 и К2 и переходить к синхронному режиму, полученную величину округляют (отбрасывают дробную часть) до вида

л - Л

Рь -ТГР

(10)

3 Р где i 0,1,2Р-1

Р 2К, где К 0,1,2,3,.,

Для асинхронного метода обычно выбираем Р 32, что обеспечивает высокую точ- ность отработки при относительно небольшом массиве коэффициентов К1 и К2.

Однако, при высоких частотах применение асинхронного способа ШИМ может вызвать появление субгармоник, поэтому применяем синхронный способ, при котором величина углового шага постоянная,

тс Рцс -3 р

а время цикла равно

При синхронном способе производят разбивку на частотные диапазоны со значениями Р 2.

При изменении задания частоты происходит переход границы частотных диапазонов, при которых изменяется число Р. При любых переходах необходимо, чтобы на интервале ту укладывалось целое число циклов, и не происходило скачка фазы выходного напряжения.

Для этого частотные диапазоны для всех способов широтно-импульсного регулирования построены таким образом, чтобы число Р частотного диапазона, примыкающего к верхней границе данного диапазона было в 2 раза меньше, а число Р частотного

диапазона, примыкающего к нижней границе было в 2 раза больше числа Р для данного частотного диапазона, т.е. число Р имеет вид

Р 2К, К-0,1,2,..„

Кроме того, задатчик интенсивности настраивают таким образом, чтобы при изменении частоты за время цикла пересекалось не более одной границы между частотными

диапазонами, т.е. не было их пропуска.

При уменьшении частоты с переходом границы частотных диапазонов не возникает проблем с переводом номеров циклов, так, например

i 3 при Р 4 соответствует i 6, при Р 8 (фиг.2)

При увеличении частоты с переходом границы частотных диапазонов при четном номере цикла также легко происходит

перевод номера цикла, например

i 6 при Р 8 соответствует i 3 при Р 4. Во всех указанных выше случаях в следующем цикле отрабатывается заданная величина частоты без задержки и скачка фазы.

При увеличении частоты с переходом границы частотных диапазонов при нечетном номере цикла прямой переезд номера цикла невозможен, так как при этом на интервале у будет у клады ваться нецелое чисJ

ло циклов. Чтобы избежать скачка фазы, при старой величине задания частоты отрабатывается еще один цикл с предыдущим значением Р, а затем переходим к новому значению Р с новым заданием частоты, Например

И 5 при Р 8

2 и+1 6 при Р 8

2 3 при Р 4

Таким образом, происходит переход к новому значению Р с задержкой на один цикл, но без скачка фазы.

Указанный выше способ позволяет быстро осуществлять переходы от одной часто- ты к другой, что необходимо при работе в системе частотнорегулируемого электропривода.

Экспериментальные исследования за- являемого способа управления инвертором на полностью управляемых вентилях с ШИМ показали, что по сравнению с прототипом, предложенный способ обеспечивает высокое быстродействие и обеспечивает хо- рошие регулировочные характеристики.

По сравнению с применяемыми в настоящее время системами управления на логических элементах, предлагаемое решение обеспечивает улучшенный гармонический состав выходного напряжения, лучшие динамические и регулировочные характеристики.

Формула изобретения 1. Способ управления инвертором на полностью управляемых вентилях с широт- но-импульсной модуляцией, заключающийся в том, что каждый период повторяемости работы инвертора, равный n/З, делится на Р циклов, в каждом из которых осуществляется чередование комбинаций включенных вентилей в следующем порядке: основная, при которой включены вентили, формирующие-выходные напряжения, соответствующие данному интервалу повторяемости, нулевая, при которой включены вентили анодной (катодной) группы, дополнительная, которая является основной для следующего интервала повторяемости, и нулевая, при которой включены вентили катодной (анодной) группы, так что результирующий вектор выходного напряжения перемещается по фазовой плоскости по квазигармоническому закону, отличающийся тем, что, с целью улучшения динамичес(их свойств и регулировочных характеристик и гармонического состава выходного напряжения, разбивают область регулирования выходной частоты инвертора на области низких и средних частот, область средних частот разбивают на диапазоны, в каждом цикле фиксируют значения частоты и фазы выходного напряжения инвертора и его значение, определяют частотную область и диапазон, в области низких частот время цикла устанавливают постоянным Тц const) фазу результирующего вектора выходного напряжения на фазовой плоскости определяют по формуле рн 2 rf Тц ,

где рпр - фаза вектора для предыдущего цикла, f - частота выходного напряжения, количество циклов на периоде повторяемости устанавливают в зависимости от частоты, в области средних частот число циклов устанавливают постоянным в каждом диапазоне, время цикла определяют из выражения Тц 1/6Pf, величину углового шага перемещения вектора на фазовой плоскости определяют как рцс -л/3 Р, при переходе в диапазон с более низкими частотами число циклов Р скачкообразно увеличивается, при переходе в диапазон с более высокими частотами - уменьшается, вычисляют длительности tocH, т.Доп, Тнул временных интервалов нахождения вентилей в основной, дополнительной и нулевой комбинациях по формулам

..т. к, ™тз т« - щ

tny/l Тц toCH tflOfl,

где i 0,1Р-1 - номер цикла на периоде

повторяемости;

Квых - требуемая величина выходного напряжения;

UdHOM - номинальная величина выходного напряжения;

Ыс)дат измеренная величина выходного напряжения, запоминают комбинации и их длительности

и с началом нового поочередно воспроизводят их, одновременно с этим ведут расчет параметров для следующего цикла, если очередное i Р, то задают i 0, и производят изменение комбинаций вентилей, вызывающее сдвиг на л:/3 против часовой стрелки вектора выходного напряжения, обеспечивая тем самым векторное управление выходным напряжением..

напряжения занимает на периоде повторяемости Р 2К, где К 0,1,2... фиксированных положений в зависимости от диапазона частот, если при изменении частоты происходит переход границы частотного диапазона так, что число Р в предыдущем диапазоне больше, чем в текущем, и номер i нечетный, то отрабатывают один цикл с предыдущим заданием частоты и значением величины

выходного напряжения, во всех остальных случаях отрабатывают новое значение частоты без задержки.

3,Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что при расчете Тосн и Хдоп коэффициенты Ki и К2 задают равными

К

sin 7Г(Р -1) ЗР

sin я/3

К2 К

sin Л I 3 Р

Sin Л/3

50

где К - постоянный для данного частотного диапазона коэффициент, обеспечивая при этом выполнение соотношения U/f const.

8(2,3,8)

Д(2,3,5)

сгшгч 0(/A5j

Фиг/

;Г(Ш)

Ц(1А,6)

Фиг 2