Способ управления ключами трехфазного инвертора Советский патент 1993 года по МПК H02M7/5395 

Предлагаемый способ относится к преобразовательной технике и может быть использован, например, в преобразователях частоты с широтно-импульсной модуляцией для регулирования скорости ансинхронного двигателя.

Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности путем снижения напряжения на ключах.

На фиг. t представлена схема трехфазного автономного инвертора для реализации способа; на фиг.2 показаны диаграммы напряжений и управляющих импульсов; на фиг.З - диаграммы исходных (а) и скорректированных (б) управляющих импульсов и напряжений; на фиг.4 - пример устройства управления для реализации предложенного вида модуляции.

Автономный инвертор содержит три полумоста полностью управляемых ключей 1- 6 и три полумоста неуправляемых обратных вентилей 7-12. Каждый из полумостов фазы инвертора состоит из согласно-последовательно соединенных первого и второго ключа, подключенных соответственно к первому и второму выводам источника питания, а средней точкой к соответствующей фазе асинхронного двигателя.

Рассмотрим работу инвертора при соотношении между несущей и выходной частотами инвертора равном 12.

На 1-м периоде несущей частоты, где происходит переход фазы А через О (см. фиг.2), в начале периода открывают вторые силовые ключи 2,4,6 полумостов фаз инвертора. Затем производят переключение на первые ключи 1, 3, 5 полумостов в соответствии с законом модуляции напряжений в фазах инвертора. На 2-м периоде несущей частоты указанный порядок работы ключей сохраняют, а на 3-м периоде порядок работы ключей 6 фазах инвертора изменяют на противоположный в соответствии с изменением знака производной модулируемого напряжения в фазе В.

Таким образом, порядок работы первых и вторых ключей изменяют всякий раз, когда начинают формировать вторую половину отрицательного или положительного полупериода напряжения для фаз А, 8, С двигателя 13, т.е. через 1/6 часть периода выходного напряжения инвертора....

Модуляция напряжений UA, UB, Uc на фазах двигателя осуществляется за счет регулирования времен включения ключей, входящих в фазы инвертора,

В случае исходной синусоидальной модуляции длительность включенного состоя0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

ния первых ключей для фаз А, В, С (см. фиг.З,а) записывается следующим образом: АШ г{1 +/л sin(K - 1)2 ж /п}/2;

A tie г{1 + ц sin(K - 1)2л: /п - 2л (1) A tic т{1 + fi sir(K - 1)2тг /n + 2 п .

Здесь /г коэффициент глубины модуляции; т T/6N - длительность периода несущей частоты, где N - любое целое число; п 6N f/ Q- соотношение между несущей f и выходной йчастотами; К 1, 2, 3,... - номер периода несущей частоты. Импульсы управления вторыми ключами 2, 4, б дополняют импульсы управления первыми ключами 1,3,5 до периода несущей частоты,

Основные ограничения, определяющие коэффициент использования источника питания по напряжению и действующее значение 1-й гармоники выходного напряжения, проявляются при углах модуляции лг/2 и близким к ним при другом п. Это обусловлено тем, что моменты переключения с первых ключей на вторые, в совокупности определяющие результирующее напряжение, несимметричны относительно периода несущей частоты для различных фаз инвертора.

Для устранения влияния асимметрии моментов переключения на кривые выходного напряжения моменты переключения ключей корректируют. Для этого выбирают время, соответствующее минимальной Atmin и максимальной Atmax длительности работы ключей следующим образом:

А 4. . Т A tmax Atmin о Imin - 2 -----2-----

А t A tmax - A tmin Л tmax 2 + -----п ----

где Atmin, Atmax - минимальное и максимальное значение времен включенного состояния первых ключей в фазах инвертора, определяемых системой уравнений (1).

Закон модуляции при принятом соотношении между несущей и основной частотами необходимо изменять на четных периодах несущей частоты (см. фиг.2, 3,6). так как на нечетных интервалах моменты переключения ключей в двух фазах инвертора симметричны.относительно середины периода несущей частоты и соответствуют модуляции равных значений напряжения. Среднее значение напряжения на периодах несущей частоты для фаз двигателя при этом остается без изменения. Импульсы управления первыми ключами для описанного способа управления приведены на фиг.2. Кривые фазных напряжений двигателя UA, UB, Uc при соединении обмоток двигателя в звезду показаны ниже.

Коэффициент использования источника питания инвертора по напряжению можно определить из следующего соотношения:

K UH.cp./E.

где ин.ср. - среднее напряжение на нагрузке, Е - напряжение источника питания. Например, для фазы А двигателя при угле модуляции равном я/2 его максимальные значения составляют: для известного управления 2 (AtiA - AtiB) Зт

Kmax -

(1 я/2)-т(1 + ftsin 11 я/6) 6r

Фдля описанного управления . 2 (AtiA -AtiB )

Kmax ------- ----- (1 +/.1 sin я/2) -r(1 -/ sinjr/2) 6r

-I

где At lA A t max - At lB A t min .

Повышение коэффициента использования источника питания инвертора может быть выражено следующим соотношением:

Atn

Atmax -Atn

что для описанного управления по сравнению с прототипом составляет повышение в 1,33 раза. Эффект повышения коэффициента использования источника питания инвертора по напряжению справедлив и для других соотношений между несущей и основной частотами, например, при п 18 коэффициент повышается в 1.21 раза, при п 24 - в 1,33 раза и т.д. Это позволяет облегчить работу ключей, так как напряжение источника питания при этом можно снизить. Использование указанного эффекта позволяет также расширить диапазон регулирования частоты вращения асинхронного двигателя вверх от номинальной частоты вращения асинхронного двигателя при сохранении перегрузочной способности двигателя.

На фиг.4 показан пример устройства для реализации предложенного вида моду- 5 ляции. Устройство управления трехфазным инвертором содержит последовательно соединенные задающий генератор 1, счетчик 2 периода несущей частоты, счетчик 3 соотношения между несущей и выходной часто10 тами инвертора, счетчики 2 и 3 подключены соответственно к младшим и старшим адресным входам постоянного запоминающего устройства 4, выходы данных которого через блок 5 усилителей подключены к уп15 равляющим входам ключей инвертора.

Основным элементом устройства (фиг.4), определяющим последовател.ьность срабатываний ключей и длительность их работы является постоянное запоминающее

0 устройство 4. Адресное пространство запо- минающего устройства разбито на ряд областей, число которых равно соотношению между несущей и выходной частотами инвертора. Протяженность одной области оп5 ределяется разрядностью счетчика 2 периода несущей частоты. Каждый из разрядов запоминающего устройства программируется последовательностями 0 и 1, число которых пропорционально соответственно паузе и работе соответствующего силового

0 ключа 1-6 (фиг.1. 2) на периоде несущей частоты. Совокупность состояний разрядов составляет результирующий код ячейки памяти, определяющий работу всех ключей инвертора на такте работы задающего гене5 ратора. Результирующий код одного разряда данных внутри области пропорционален длительности работы соответствующего ключа инвертора на периоде несущей частоты. Исключение сквозных токов в момент

0 переключения ключей, входящих в фазу инвертора, достигается программированием О в соответствующем разряде запоминающего устройства по адресу, пропорциональному фазе момента переключения.

5Развертка кодов во времени, поступающих с выходной шины данных запоминающего устройства 4 через блок усилителей 5 на управляющие входы.ключей инвертора, осуществляется с помощью задающего ге0 нератора 1 и счетчиков 2 и 3. При этом с помощью счетчика 2 осуществляется развертка кодов внутри области памяти, а счетчика 3 - переход на другую область памяти (период несущей частоты).

5Таким образом корректировка управляющих сигналов, обеспечивающая симметрию моментов переключения цепи нагрузки в двух фазах инвертора относительно середины периода несущей частоты, позволяет повысить запас по длительности работы ключей и увеличить действующее значение 1-й гармоники выходного напряжения. Ф о р м у л а и з о б р е те н и я Способ управления ключами трехфазного инвертора с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения, содержащего в каждой фазе полумоста из согласно последовательно соединенных первого и второго ключа, подключенных соответственно к первому и второму входным выводам, причем на протяжении каждой нечетной 1 /6 части периода выходного напряжения инвертора Т в начале каждого периода несущей частоты г T/6N, где N - любое целое число, открывают одновременно все первые ключи, а в момент времени,

0

5

определяемый законом модуляции данной фазы выходного напряжения инвертора на данном периоде т . переключают цепь нагрузки инвертора с первого ключа на второй, а на протяжении каждой четной 1/6 части периода Т. порядок коммутации ключей изменяют на обратный, о т л и ч щ и й- с я тем, что, с целью повышения надежности путем снижения напряжения на ключах, моменты переключения цепи нагрузки с первого ключа на второй и обратно корректируют, обеспечивая симметрию относительно середины периода т в тех двух фазах, где длительность открытого состояния ключей соответственно максимальна и минимальна.

Использование: преобразование постоянного напряжения в регулируемое трехфазное переменное напряжение для систем электропривода и вторичного электропитания. Сущность изобретения: инвертор выполнен в виде трех полумостов с первыми 1, 3, 5 и вторыми 2, 4, 6 ключами, коммутируемыми на несущей частоте, в несколько раз превышающей частоту выходного напряжения инвертора. В начале каждого периода несущей частоты на протяжении каждого нечетного интервала длительностью 60 эл. град, открыты одновременно первые ключи 1.3,5 всех полумостов, а в момент времени, определяемый законом модуляции выходного напряжения, в данном периоде несущей частоты производят переключение цепи нагрузки с первого ключа 1. 3, 5 на соответственно 2, 4, 6. На протяжении каждого четного интервала длительностью 60 эл. град, порядок коммутации ключей 1-6 изменяют на обратный, т.е. в роль первого ключа выполняет второй и наоборот. Моменты переключения ключей с первого на второй и обратно корректируют, обеспечивая симметрию относительно середины периода несущей частоты, в тех двух фазах, где длительность открытого состояния ключей максимальна и минимальна. 4 ил. у Ё

Фае. 2

Hrtn. упр.1

Имя.

У/7/7. J

Кип.

У/1/7.5

ИНП.

упр.1

Пип, дар.З

Инп. упр.5

Фаг. 3