Чатотно-регулируемый электропривод с широтно-импульсной модуляцией Советский патент 1977 года по МПК H02P7/42 

1

Изобретение относится к частотно-регулируемым электроприводам на основе двигателей переменного тока со статическими преобразователями, имеющи.ми явно выраженное звено постоянного тока, и может быть использовано, в частности, для систем с повышенными требованиями к равномерности вран,ения двигателей, минимальному уровнго магнитного шума, точной остановки в заданных угловых положениях вала двигателя.

Известны нриводы с ниротно-импульснон модуляцией , в которых система управления предусматривает трехфазный задающий генератор на разностных частотах с фильтрами несущих частот в каждой фазе и три модулятора на основе генератора пилообразного напряжения и трех фазных компараторов.

Недостатком таких электроприводов является неидентичность напряжений в его фазах или даже несимметрия этих напряукений но лолупериодам, что объясняется разбросо.м параметров фильтров трехфазного генератора и неидеальностью компараторов. Эти причины обуславливают, в свою очередь, неравномерность вращения двигателей и наличие постоянных намагничивающих составляющих, поэтому основная задача, преследуемая при создании систем с щиротно-импульсной модуляцией, оказывается не вполне достигнутой.

Наиболее близкой к изобретению ио технической суишостн является система с постоянным коэффициенто.м модуляции 2.

Структура такого электропривода наряду с

обязательными для любой системы подобного тина двигателем, инвертором, задатчиком частоты вращения и задатчиком напрял ения, содержит трехфазный узел опорной высокой частоты с генератором шестикратной, по отноineinuo к onopnoii, частоты; три фазных стробоскопнческих узла, комбинирующих один из сигналов узла опорной частоты и сигнала задатчнка частоты вращения; единый для всей системы щиротно-импульсный модулятор, управляемый задатчиком напряжения; три фазных логических узла управления инвертором, ко.мбинирующих сигналы от ШНМ и от фазного стробоузла. Такая система вырабатывает щиротно-людулированное напряжение,

«гладкая составляющая которого .модулирована по прямоугольпому закону, причем частота гладкой составляю1:цей равна разности опорной частоты и частоты задатчика частоты, а амплитуда определяется задатчиком напряжения посредством широтно-имнульсного модулятора.

Недостатками этой системы являются несинусоидальность гладких составляющих выходного напряжения и, следовательно, неравномерность вращения привода и ухудщение оегулировочиых возможностей управления его движением в силу дискретного характера вращения вектора питающего напряжения и намагничивающего поля. Для улучщения регулировочных характеристик предлагаемого электропривода в него введены фазовый дискриминатор, перемножитель с фильтром и дополиительпый общий д;1Я всех фаз широтно-импульсный модулятор, причем входы фазового дискриминатора включены между задатчиком частоты и генератором 6-кратной частоты, входы перемножителя переключены к выходу фазового дискриминатора и задатчика напряжения, а второй модулятор подключен входом к выходу перемножителя, а выходом--ко всем фазным логическим узлам, что позволяет обеспечить практически синусоидальную форму -гладкой составляющей напряжения инвертора. На фиг. 1 дана структурная схема описываемого электропривода; на фиг. 2 - диаграмма его работы. Электропривод состоит из двигателя 1 переменного тока, трехфазного мостового инвертора 2 на транзисторах или тиристорах и системы 3 управления, которая, в свою очередь, содержит опорный генератор 4 с трехфазным узлом опорных частот, задатчик 5 частоты , фазные стробузлы 6, 7 и 8, основной широтно-импульсный модулятор 9 с задатчиком 10 напряжения и логические фазные узлы 11, 12 и 13 управления. Кроме того, система содержит фазовый димкриминатор 14, перемножитель 15 с фильтром и дополнительный щиротно-импульсный модулятор 16. Оба модулятора 9 и 16 имеют общий тактовый генератор 17 сигнала пилообразной формы. Опорный генератор 4 подключен к входу трехфазного узла 18, являющегося замкнутым регистром сдвига. Задатчик 5 частоты вращения подключен к входам каждого из стробузлов 6, 7 и 8, а ко второму входу каждого из стробузлов 6, 7 и 8 подключен соответствующий выход узла 18 опорных частот. Каждый из стробузлов 6, 7 и 8 по выходу совместно с выходом модулятора 9 подключен к входам фазных логических узлов 11, 12, 13 управления. Кроме того, генератор 4 и задатчик 5 подключены к входам фазового дискриминатора 14, а его выход совместно с выходом задатчика 10 подсоединен к перемножителю 15. В свою очередь, перемножитель 15 через дополнительный широтно-импульсный модулятор 16 подключен к логическим фазным узлам 11, 12 и 13. На фиг. 2 диаграммы 19, 20, 21 соответствуют сигналам от логических выходов стробузлов 6, 7 и 8; на диаграмме 22 показаны совместно сигналы задающего генератора 17, (модуляторов 9 и 16) и сигнала задатчика 10 напряжения; диаграмма 23 - сигнал основного модулятора 9; диаграмма 24 - сигнал задающего генератора 17 (модуляторов 9 и 16) и сигнала перемножителя 15; диаграмма 25 - сигнал дополнительного модулятора 16; диаграммы 26, 27, 28 - выходные сигналы логических узлов И, 12, 13; диаграм.ма 29 - одно из трех линейных напряжений .мостового инвертора 2. Электропривод работает следующим образом. Стробузлы 6, 7 и 8 ко.мбинируют сигналы «высокой частоты от узла 18 и задатчика 5 и вырабатывают трехфазную систему напряжений 19, 20, 21 прямоугольной формы с частотой, равной разности ко.мбинируемых входных частот узла 18 и задатчика 5. Основной щиротно-имнульсный модулятор 9 сравнивает сигналы задатчика 10 напряжения и сигнал генератора 17, сочетание которых соответствует диаграмме 22, и вырабатывает щиротно-и.мпульсный сигнал 23, поступающий на все фазные логические узлы 11, 12 и 13 управления. Фазовый дискриминатор 14 вырабатывает импульсы прямоугольной формы, длительность которых определяется интервала.ми вре.мени между моментами поступления импульсов от генератора 4 6-кратной опорной частоты и задатчика 5 частоты вращения. Перемножитель 15 имеет два входа, на один из которых, являющийся как бы входом питания, поступает непрерывный сигнал от задатчика 10 напряжения, а на другой, импульсный, вход поступает сигнал от дискриминатора 14. При этом сигнал на выходе фильтра перемножителя 15 определяется «фазой сигнала задатчика 5 ча-стоты и измеияется при вращении двигателя по пилообразному закону с частотой, в 6 раз большей частоты питания двигателя, а его амплитуда пропорциональна сигналу задатчика 10 напряжения. Сочетание сигналов перемножителя 14 и генератора 17 соответствует диаграмме 24. Этот сигнал преобразуется дополнительным модулятором 16 в соответствующую последовательность импульсов 25, которые поступают на фазные логические узлы 11, 12 и 13. Каждый из фазных логических узлов И, 12, 13 выполняет следующие логические функции: при наличии импульса от дополнительного модулятора 16 они комбинируют сигналы от соответствующего узла 6, 7 или 8 стробопреобразования и от модулятора 9 таким образом, что при наличии импульса от модулятора 9 повторяется сигнал от соответствующего стробузла 6, 7, 8, а при наличии паузы тот из сигналов стробузлов 6, 7, 8, который в данный момент противофазен двум остальны.м, инвертируется. При этом все линейные напряжения инвертора 2 оказываются в момент паузы сигнала от модулятора 9 равными нулю, так как все ключи катодной (и анодной) групп инвертора имеют одинаковые состояния. При наличии паузы от донолнительного моулятора 16 сигнал того стробузла, который ереключился по низкой рабочей частоте поледним (что фиксируется взаимными логичекими связя.ми между стробузлами), инвертиуется за исключением интервалов времени, оБпадаюп-1,их с паузами от основного модуляора.

Благодаря описанным логическим функциям фазных узлов 11, 12, 13 управления их входные сигналы 26, 27, 28 имеют вид последовательностей широтно-модулированных импульсов, промодулированных по специальному кусочно-линейному закону. Линейные напряжения инвертора 2, одно из которых соответствует диаграмме 29, имеют вид симметричных импульсных последовательностей. Гладкие составляющие линейных выходных наиряжеНИИ являются ломаными кривыми, в которых горизонтальные участки длительностью 1/6 периода по рабочей частоте чередуются с участками линейного изменения длительностью 1/3 периода. Такая кусочно-ломаная функция практически совпадает с синусоидой, поскольку гармоники 3-го порядка в ней отсутствуют, а составляющие 5-го и 7-го порядка составляют 4% и 2% от основной соответственно.

Таким образом, благодаря данному изобретению, достигается сочетание полезных технических качеств, отсутствующее у известных электроприводов с широтно-импульсной модуляцией:

точность регулирования, идентичность работы инвертора по фазам и полупериодам;

упрощение устройства благодаря использованию общих для всех фаз модуляторов;

простота управления, плавность регулирования частоты и напряжения;

практически синусоидальность формы гладких составляющих выходного напрялсения.

Формула изобретения

Частотно-регулируемый электропривод с широтно-импульсной модуляцией, содержащий трехфазный мостовой инвертор, задатчики частоты вращения и напряжения инвертора, трехфазный узел высокой опорной частоты с генератором 6-ти кратной частоты, три фазных стробоскопических узла, три фазных логических узла и общий для всех фаз щиротноимпульсный модулятор, отличающийся тем, что, с целью улучшения регулировочных характеристик электропривода, в него дополнительно введены фазовый дискриминатор, перемножитель с фильтром и второй общий для всех фаз щиротно-импульсный модулятор, причем входы фазового дискриминатора включены между задатчиком частоты и генератором 6-ти кратной частоты, входы перемножителя подключены к выходу фазового дискриминатора и задатчика напряжения, а второй модулятор подключен входом к выходу перемножителя, а выходом - ко всем фазным логическим узлам.

Источники информации, принятые

во внимание при экспертизе:

1.А. с. Сандлер, Ю. М. Гусяцкий. «Тиристорные инверторы с щиротно-импульсной модуляцией для управления асинхронными двигателями. Энергия, М., 1968, стр. 72-92.

2.Е. И. Усыщкин, В. Ш. Зельдин. «Типовая структура синхронного электропривода профессионального съемочного аппарата. Журнал Техника кино и телевидения, № 12, 1972 (прототип).

IB21

-ЛAAЛЛЛЛЛЛ A7 A7V Л7V Л,

ППППППППППППППППП

2J -

АЛЛАА7 ЛАЛЛЛЛААЛААЛ ,,

л in ППП ППП ППП ППП ППП ПГ.,

5

ПППП

гь

ПППП

П 0 П

27

П П П П П

гзмшппши

29

П П П 0 П

.-f

П П ,,

пппппп

тгоппитт