УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ С НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ СВЯЗЬЮ Советский патент 1968 года по МПК H02M1/12 

Известные устройства управления преобразователем частоты с непосредственной связью, содержащие формирователи сигналов высокой и низкой частот и блоки сравнения, не позволяют получить хорошей формы выходного напряжения, не обеспечивают высокого быстродействия и ненадежны.

Основными отличительными особенностями предлагаемого устройства является то, что, с целью повышения надежности и быстродействия, а также улучшения формы выходного напряжения, указанные формирователи выполнены в виде реверсивных счетчиков, выходы которых подключены к блокам сравнения кодов этих счетчиков.

На фиг. 1 представлены эпюры напряжений, поясняющие принцип работы устройства; на фиг. 2 - эпюры напряжений при формировании импульсов зажигания для вентилей катодной и анодной трупп фазы преобразователя; на фиг. 3 - блок-схема устройства управления; на фиг. 4 - блок-схема формирователя низкой частоты и эпюры напряжений; на фиг. 5 - блок-схема устройства переключения; на фиг. 6 - блок-схема реверсивного счетчика; на фиг. 7 - эпюры напряжений при работе реверсивного счетчика; на фиг. 8 - блок-схема формирователя высокой частоты; на фиг. 9 - схема блока сравнения; на фиг. 10 - блок-схема выходных формирователей; на фиг. 11 - осциллограмма тока двигателя при частоте 10 гц.

Устройство управления преобразователем частоты содержит формирователь 1 низкой частоты, формирователь 2 высокой частоты, а также схемы сравнения кодов 3. Формирователь 1 включает реверсивные счетчики 4, формирователь 2 - реверсивные счетчики 5.

На фиг. 1 кривая 6 - временная диаграмма работы счетчика 5, кривая 7 - временная диаграмма работы счетчика 4. За период работы счетчика 5 блок сравнения 3 выдает два импульса: импульс, соответствующий совпадению кодов при счете в прямом направлении, и импульс, соответствующий совпадению кодов при счете в обратном направлении. Назовем их импульсами прямого и обратного счета. Фаза этих импульсов изменяется с частотой работы счетчика низкой частоты. Если счетчик высокой частоты работает в фазе с напряжением сети, показанным кривой 8, то фаза импульсов обратного счета по отношению к напряжению, показанному кривой 9, изменяется в течение периода работы счетчика низкой частоты последующему закону (см. фиг. 1). В течение первой периода она линейно убывает от 90° до величины, определяемой максимальным показанием счетчика 5. Для максимального показания, представленного на фиг. 1, эта фаза равна примерно 30°. В течение второй периода фаза остается неизменной и равной 30°. В продолжение третьей периода она линейно нарастает от 30 до 90°. Фаза импульсов прямого счета за период работы счетчика 4 изменяется по следующему закону. В течение первой периода - линейно нарастает от 90° до величины, определяемой максимальным показанием счетчика 5. Для максимального показания, изображенного на фиг. 1, эта фаза равна приблизительно 150°.

На протяжении второй периода фаза остается неизменной и равной 150°; в продолжение третьей периода - линейно убывает от 150 до 90°.

Если в первом периоде работы счетчика 4 выделяются импульсы обратного счета, а во втором периоде - импульсы прямого счета, то фаза выделенных импульсов на протяжении двух последовательных периодов изменяется линейно и принимает на границах третей периодов значения 90, 30, 30, 90, 150, 150, 90°.

Изменяя максимально показание счетчика 5, можно управлять диапазоном фазы импульсов, причем увеличение максимального показания этого счетчика приводит к уменьшению диапазона, и наоборот. Изменение периода работы счетчика 4 позволяет управлять частотой изменения фазы импульсов в пределах выбранного диапазона.

Импульсы зажигания для вентилей трехфазного преобразователя формируются тремя счетчиками 4, работающими со сдвигом фаз в 120° и шестью счетчиками 5, три из которых работают в фазе с напряжением сети и три - в противофазе. Для вентилей первой фазы преобразователя импульсы зажигания формируются первым счетчиком 4 и шестью счетчиками 5. Для вентилей второй и третьей фаз преобразователя импульсы зажигания формируются соответственно вторым и третьим счетчиками 4 и теми же счетчиками 5.

На фиг. 2,б; 2,с; 2д показан принцип формирования импульсов зажигания для вентилей катодной группы фазы преобразователя, на фиг. 2,ж; 2,з; 2,и - принцип формирования импульсов зажигания для вентилей анодной группы фазы преобразователя, а на фиг. 2,а и 2,е показаны напряжения катодной и анодной групп.

Для вентилей катодной группы импульсы зажигания формируются счетчиками 5, работающими в фазе с напряжением сети, причем для вентилей, подключенных к 10, 11 и 12 фазам сети, импульсы зажигания формируются счетчиками 5, работающими в фазе с напряжением, показанным кривыми 11, 12 и 10 соответственно.

Для вентилей анодной группы импульсы зажигания формируются счетчиками 5, работающими в противофазе с напряжением сети; для вентилей, подключенных к 13, 14 и 15 фазам сети, импульсы зажигания формируются счетчиками 5, работающими в противофазе с напряжением, показанным кривыми 14, 15 и 13 соответственно.

Необходимое соотношение фаз импульсов зажигания для вентилей катодной и анодной групп обеспечивается тем, что в первом периоде работы счетчика 4 для вентилей катодной группы используются импульсы обратного счета, а для вентилей анодной группы - импульсы прямого счета, во втором периоде для вентилей катодной группы используются импульсы прямого счета, а для вентилей анодной группы - импульсы обратного счета.

В формирователь 1 входят генератор 16 тактовых импульсов низкой частоты, схема управления 17, шесть схем переключения 18 и три счетчика низкой частоты 4. Генератор 16 тактовых импульсов формирует импульсы прямоугольной формы управляемой частоты. Схема 17 управляет триггерами знака и триггерами периода и осуществляет запрет тактовых импульсов, поступающих на счетчики 4. Триггеры знака работают со сдвигом фаз в 120°. Триггеры периода работают так, что полупериод их работы совпадает с периодом работы счетчика 4. Сигналы триггеров периода используются для управления логическими схемами блоков выходных формирователей 19. Схемы 18 осуществляют переключение сигналов двух триггеров знака, сигналов двух триггеров периода и тактовых импульсов, сформированных для двух счетчиков 4. Переключение этих сигналов приводит к смене последовательности фаз напряжения преобразователя. Процесс переключения происходит при смене полярности сигнала управления.

В формирователь 2 входят генератор тактовых импульсов высокой частоты 20, схема управления 21 и шесть счетчиков высокой частоты 5. Генератор 20 формирует импульсы прямоугольной формы управляемой частоты. Схема 21 управляет триггерами знака и осуществляет запрет тактовых импульсов, поступающих на счетчики 5. Триггеры знака счетчиков 5, помимо основного назначения, управляют также логическими схемами блоков 19.

Блок 19 включает шесть схем сравнения кодов 3, шесть логических схем 22 и шесть усилителей 23. Схема 3 в момент совпадения кодов счетчиков выдает импульс, логическая схема 22 выделяет импульсы прямого и обратного счета, усилители 23, усиливают импульсы зажигания по мощности.

На фиг. 4 приведена схема управления 17 и временные диаграммы, поясняющие работу схемы. В схему входят триггеры 24-34, инверторы 35-41 со схемами совпадения, схемы совпадения 42-44 и диодно-конденсаторные вентили 45-53.

На вход схемы поступают тактовые импульсы 54 низкой частоты. Триггеры 24 и 25 выполняют деление частоты тактовых импульсов на четыре (временная диаграмма представляет сигнал правого плеча триггера). Триггеры 26, 27, 28 и инвертор 35 составляют схему пересчета на шесть. Триггеры 29, 30, 31 перебрасываются импульсами схемы пересчета и импульсом триггера 25, поступающим на вентили 45, 46 и 47. Сигналы управления вентилями формируются из сигналов схемы пересчета схемами совпадения 42, 43 и 44. Триггеры периода 32, 33, 34 перебрасываются импульсами триггеров знака, поступающими на вентили 48-53. Для управления вентилями используются сигналы самих же триггеров периода. При этом вентили каждого триггера управляются сигналами триггера, работающего с опережением фазы на 120°. Инверторы 36, 38, 40, используя сигналы триггеров знака, формируют сигналы запрета тактовых импульсов, инверторы 37, 39 и 41 осуществляют запрет тактовых импульсов.

Схема переключения 18 выполнена на инверторах 55-61 со схемами совпадения и осуществляет переключение сигналов 62 и 63 при смене полярности сигнала управления 64. При отсутствии сигнала управления сигнал 62 проходит на выход инвертора 56, сигнал 63 - на выход инвертора 59, а в случае наличия сигнала управления сигнал 62 проходит на выход инвертора 58, сигнал 63 - на выход инвертора 57. Инвертор 60 собирает сигналы инверторов 56 и 57, а инвертор 61 - сигналы инверторов 58 и 59. Таким образом, при отсутствии сигнала управления на выход инвертора 60 проходит сигнал 62, на выход инвертора 61 - сигнал 63, в случае наличия сигнала управления на выход инвертора 60 проходит сигнал 63, а на выход инвертора 61 - сигнал 62.

При необходимости переключения сигналов двух триггеров переключаются не четыре сигнала, а два: по одному сигналу каждого триггера. Сигнал противоположной полярности получается с помощью инвертора.

Реверсивный счетчик 4 выполнен на триггерах 65, связь между которыми осуществляется через диодно-конденсаторные вентили 66 и 67, управляемые триггером знака 68. Счетчик считает тактовые импульсы 69, поступающие на счетный вход первого триггера. Счет в прямом направлении начинается после перевода триггеров счетчика в состояние «1». Перевод осуществляется импульсом триггера знака, поступающим на установочный вход каждого триггера.

На фиг. 8 приведена схема управления и временные диаграммы, иллюстрирующие работу схемы. Схема состоит из трех одинаковых узлов 70. Каждый узел управляет одним триггером знака, общим для двух счетчиков, работающих в противофазе, и осуществляет запрет тактовых импульсов для этих счетчиков. Для формирования сигналов управления триггером знака используется фазное напряжение сети, причем переброс триггера знака для обеспечения устойчивой работы счетчиков синхронизируется тактовыми импульсами. Для формирования сигналов запрета тактовых импульсов используется линейное напряжение сети, знак которого изменяется в точках, соответствующих периода фазного напряжения.

В узел входят трансформаторы 71, 72, нуль-органы 73, 74, инверторы 75, 76, 77, 78 со схемами совпадения, диодно-конденсаторные вентили 79, 80 и триггер 81.

Трансформаторы 71 и 72 служат для понижения напряжения сети и потенциальной развязки системы управления и сети. На вход трансформатора 71 подается напряжение 82 сети. С выхода трансформатора напряжение поступает на нуль-орган 73, выявляющий момент перехода напряжения через нуль. Сигналы нуль-органа и инвертора 75 управляют работой вентилей 79 и 80, на вход которых подаются тактовые импульсы 83. Переброс триггера 81 осуществляется очередным тактовым импульсом, поступающим на вентиль после снятия сигнала управления.

На вход трансформатора 72 подается напряжение 84 и 85 сети. С выхода трансформатора напряжение поступает на нуль-орган 74. Сигналы нуль-органа и инвертора 77 используются в качестве сигналов запрета. Инверторы 76 и 78 осуществляют запрет тактовых импульсов. С выхода инвертора 76 тактовые импульсы поступают на счетчик, работающий в фазе с напряжением 82 сети, так как этот счетчик при отсутствии сигнала считает в прямом направлении. С выхода инвертора 78 импульсы подаются на счетчик, работающий в противофазе с напряжением 82 сети, так как этот счетчик при наличии сигнала 81 считает в прямом направлении.

Схема блока сравнения 3 кодов счетчиков 4 и 5 выполнена на дешифраторах несоответствия 86 (фиг. 9,а), производящих поразрядное сравнение состояний триггеров (принципиальная схема блока 3 приведена на фиг. 9,б). Ко входам 87 и 88 дешифратора подсоединяются соответственно левое и правое плечи триггера первого счетчика 4, ко входам 89 и 90 - соответственно правое и левое плечи триггера второго счетчика 5. На выходе дешифратора потенциал низкого уровня («0») появляется при одинаковых состояниях триггеров, а потенциал высокого уровня («1») - при противоположных состояниях триггеров. Сигналы дешифраторов поступают на эмиттерный повторитель 91, на выходе которого сигнал низкого уровня возникает только при одинаковых состояниях триггеров всех разрядов.

На фиг. 10 показаны две логические схемы и временные диаграммы, характеризующие работу схем. Первая схема выполнена на инверторах 92, 93, 94 со схемами совпадения, вторая - на таких же инверторах 95, 96 и 97, Работу схем рассмотрим на примере выделения импульсов зажигания для двух вентилей, подключенных к одной фазе сети и принадлежащих разным группам. Первая схема выделяет импульсы зажигания для вентилей катодной группы, вторая - для вентилей анодной группы. На вход инверторов 92 и 93 поступает сигнал 98 схемы 3, сравнивающей код счетчика 4 низкой частоты с кодом счетчика 5 высокой частоты, работающего в фазе с напряжением сети. На вход инверторов 95 и 96 подается сигнал 99 схемы 3, сравнивающей код счетчика 4 с кодом счетчика 5, работающего в противофазе с этим напряжением сети. Для управления работой логических схем используются сигналы 100 и 101 триггера знака, работающего в фазе с напряжением сети и сигналы 102 и 103 триггера периода.

В случае отсутствия сигналов 100 и 101 на выход инвертора 92 проходят импульсы обратного счета, на выход инвертора 95 - импульсы прямого счета, так как при отсутствии сигнала 100 счетчик 5, работающий в фазе с напряжением сети, считает в обратном направлении, а счетчик 5, работающий в противофазе с напряжением сети, считает в прямом направлении.

При отсутствии сигналов 101 и 103 на выход инвертора 93 проходят импульсы прямого счета, на выход инвертора 96 - импульсы обратного счета, так как при отсутствии сигнала 101 счетчик 5, работающий в фазе с напряжением сети, считает в прямом направлении, счетчик 5 высокой частоты, работающий в противофазе с напряжением сети, считает в обратном направлении.

Инвертор 94 собирает импульсы инверторов 92 и 93, а инвертор 97 - импульсы инверторов 95 и 96.

Таким образом, на выход инвертора 94 проходят импульсы схемы сравнения кодов, сравнивающей код счетчика низкой частоты с кодом счетчика высокой частоты, работающего в фазе с напряжением сети, на выход инвертора 97 проходят импульсы схемы сравнения кодов, сравнивающей код счетчика 4 с кодом счетчика 5, работающего в противофазе с напряжением сети. При этом в течение первого периода работы счетчика низкой частоты на выход инвертора 94 проходят импульсы обратного счета, на выход инвертора 97 - импульсы прямого счета, а в течение второго периода на выход инвертора 94 проходят импульсы прямого счета, на выход инвертора 97 - импульсы обратного счета.

Временная диаграмма работы счетчика низкой частоты имеет форму равносторонней трапеции с соотношением оснований 1:3 (см. фиг. 7). Разложение в ряд нечетной периодической кривой, имеющей форму трапеции с соотношением оснований 1:3, не содержит четных гармоник и гармоник, кратных трем, амплитуда пятой гармоники составляет 4% от амплитуды первой гармоники. Учитывая это, можно считать, что форма временной диаграммы работы счетчика низкой частоты достаточно близка к синусоидальной. Для сравнения первая гармоника разложения наложена на временную диаграмму работы счетчика.

Число возможных состояний счетчика 4 равно девяти (см. временную диаграмму работы счетчика). Зная минимальное и максимальное числа возможных состояний счетчика 5, можно оценить пределы изменения диапазона фазы импульсов и соответственно кратность изменения амплитуды напряжения преобразователя. Минимальное число возможных состояний счетчика 5 равно числу возможных состояний счетчика 4, т.е. девять. Максимальное число возможных состояний счетчика высокой частоты равно шестидесяти четырем. Возрастанию числа возможных состояний счетчика высокой частоты от девяти до шестидесяти четырех соответствует убывание диапазона фазы импульсов от 180 до 25,2°, что обеспечивает кратность изменения амплитуды напряжения преобразователя, равную 4,6.

При семиразрядных счетчиках минимальное и максимальное числа возможных состояний счетчика 5 будут равны 9 и 128, максимальный и минимальный диапазоны фазы импульсов составят соответственно 180 и 12,6°, кратность изменения амплитуды напряжения преобразователя будет равной 9,1.

Диапазон изменения частоты напряжения преобразователя определяется генератором тактовых импульсов. Выполнение однотактного управляемого генератора прямоугольных импульсов, обеспечивающего практически необходимый диапазон изменения частоты, не представляет сложной задачи. В случае применения цифрового измерителя рассогласования в качестве источника тактовых импульсов может быть использована схема пересчета с переменным коэффициентом пересчета, осуществляющая деление частоты эталонного генератора и управляемая кодом измерителя рассогласования.

Временная диаграмма работы счетчика высокой частоты также имеет форму трапеции, Запрет тактовых импульсов на протяжении второй и третьей периода работы счетчика позволяет обеспечить диапазон фазы импульсов, для получения которого без запрета потребовались бы счетчики с числом разрядов, на единицу большим. Кроме того, запрет тактовых импульсов исключает возможность совпадения кодов счетчиков в точках, соответствующих значениям фазы, меньшим 0 и большим 180°.

То обстоятельство, что напряжение сети определяет только период работы счетчиков 5, обусловливает независимость работы системы управления от величины и формы напряжения сети.

Устройство управления преобразователем частоты с непосредственной связью, содержащее формирователи сигналов высокой и низкой частот и блоки сравнения, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности и быстродействия, улучшения формы выходного напряжения, указанные формирователи выполнены в виде реверсивных счетчиков, выходы которых подключены к блокам сравнения кодов этих счетчиков.