Способ управления инвертором напряжения Советский патент 1977 года по МПК H02P13/16 

1

Изобретение относится к области вентильной преобразовательной техники и может быть использовано в преобразователях частоты (автономных инверторах напряжения) с широтно-импульсным формированием выходного напряжения.

Известен способ управления антономными инверторами путем широтно-импульсного регулирования ШИР 1. Недостатком этого способа является низкое качество выходного напряжения (тока) инвертора на низких частотах.

Известен также способ управления автономными инверторами путем широтно-импульсной модуляции (ШИМ) длительности последовательности прямоугольных импульсов по синусоидальному закону 2. По этому способу формируются три последовательности импульсов, следующих с определенной (тактовой) частотой, длительность которых промодулирована по закону модулирующего напряжения (синусоидальной формы). Недостатком является несимметрия напряжения по полуволнам и фазам в случае многофазного по выходу инвертора. Указанный недостаток становится особенно заметным при отношении тактовой частоты к частоте модулирующего напряжения меньшем десяти - двенадцати. Несимметрия может возникнуть и из-за неидентичности каналов модуляции, что приведет к

2

дополнительной несимметрии трех последовательностей импульсов.

Другой недостаток известного снособа - ограниченность верхнего значения частоты выходного напряжения, что связано с постоянством тактовой частоты, которая не может быть выбрана очень высокой из-за роста коммутационных потерь в вентилях.

Наиболее близким по технической слщпости к изобретению является способ управления инвертором напряжения, при котором формируют три последовательности импульса управления, длительность которых модулирована по синусоидальному закону 3. Недостатком этого способа является неснмметрия выходного напряження и ограниченность верхнего значения частоты выходного напряжения.

По предлагаемому способу для повыщення симметрии выходного напрялчения и увеличения верхнего значения его частоты носледовательности импульсов для управления вентилями инвертора формируют с периодом, равным /6 части перпода выходного напряжения,

в конце периода каждой последовательности вводят импульс одинаковой длительности, присутствующий на всех частотах, причем импульсы управления каждой фазы формируют путем циклической перестановки указанных

последовательностей импульсов с частотой,

равной шестикратному значению частоты выходного напряжения.

На фиг. 1 представлено устройство, реализующее предложенный способ; на фиг. 2-4 - диаграммы, поясняюпще предлагаемый способ. При этом на фиг. 2 изображены модулирующие напряжения для известного (фиг. 2, а) и предлагаемого (фиг. 2, б, в, г способов управления; фиг. 3, а-3 иллюстрирует получение импульсных последовательностей для унравлепия вентилями; фиг. 3, и, к, л - форму выходного нанряжения на низких частотах; на фиг. 4 изображена форма напряжения на высщих частотах.

Для удобства рассмотрения иллюстрация данного способа приведена применительно к трехфазному по выходу инвертору с явным звеном постоянного тока для случая односторонней синусоидальной широтно-импульсной модуляции.

Инвертор собран по мостовой схеме, состоящей из шести вентилей l-f-6 со свойствами полностью управляемых приборов, шести обратных диодов 74-12 и нагрузки 13-15, соответствующей трем фазам А, В, С трехфазной нагрузки.

Период модулирующего наиряжеиия (а значит и выходиого напряжения иивертора) разбивается на шесть равных частей, как показано на фиг. 2, а. Если задать форму модулирующего напряжения только на одной шестой части периода во всех трех фазах (кривые X, У, Z на первом участке фиг. 2,а), то напряжение на остальных участках периода (участки И-VI на фиг. 2) может быть получено путем пиклической перестановки через одну щестую часть периода кривых X, У, Z. Очередиость следования заданных кривых модулирующего напрял ения по участкам для всех фаз приведена на фиг. 2, а под диаграммой.

В действительности кривая модулирующего напряжения синусоидальной формы (фиг. 2, а) в явном виде не синтезируется из указанных участков, а форма модулирующего напряжения, используемого в системе, имеет вид, изображенный на фиг. 2,6 - 2, г. Таким образом, трехфазная система модулирующего напряжения синусоидальной формы заменена тремя (X, У, Z) модулирующего напряжения специальной формы. Ступенчатая аппроксимация этих кривых позволяет легко их генерировать методом суммировапия импульсов равной длительности.

Под действием трех модулирующих напряжений (фиг. 2, б-2, г) в трех каналах формируются модулированные по длительности три последовательности импульсов управления. Подключая в соответствии с таблицей фиг. 2, а вентили фазы А на одну шестую часть периода поочередно к каналам модуляции X-Y, Z-X, Y-Z, сформируем напряжение фазы А инвертора (знак минус в таблице говорит о том, что в вентильной группе фазы включаются вентили, обеспечивающие формирование отрицательного напряжения на выходе, а знак плюс - положительного напряжения). Соответствующим образом подключаются и вентильные группы фаз В и С.

Так как в формировании напряжения каждои фазы участвуют поочередно все три канала модуляции длительности импульсов управления для вентилей, то любое изменение характеристик одного канала (дрейф, искажение закона модуляции) приведет к одинаковому

изменению выходных напряжений всех трех фаз инвертора, т. е. не нарущит симметрии по полуволнам и фазам. В известной системе изменение характеристик одного канала, т. е. одной фазы модулирующего напряжения, приведет к искажению выходного напряжения этой фазы.

Для устранения ограниченности верхнего значения частоты выходного напряжения в каждой щестой части периода выходного напряжения, помимо щиротно-модулированных по сипусоидальному закону импульсов (условно ниже называемых «импульсами ШИМ), вводится один широтно-регулируемый импульс одинаковой длительности для всех трех каналов, т. е. для всех фаз (условно называемый ниже «импульсом ШИР). Соответствующие диаграммы приведены на фиг. 3.

Импульсы задающего генератора (фиг. 3, а), пересчитанные на восемь (фиг. 3, б циклоимпульсы), задают длительность шестой части периода выходного напряжения инвертора (коэффициент пересчета равен выбранному числу стуценек при аппроксимации кривой модулирующего напряжения). Из циклоимпульсов (фиг. 3, б) путем задержки (управляемой) на (1+К.)Тт, где Тт - период тактовой частоты, а К выбирается между нулем и единицей, получаются последовательности основных циклоимпульсоБ (фиг. 3,б). Между

основными циклоимпульсами формируются модулирующие напряжения каналов X, У, Z (фиг. 3, г. Циклоимпульсы синхронизируют и тактовое пилообразное напряжение, имеющее длительность Гт («пила ШИМ - фиг. 3,г),

причем это напряжение вырабатывается до тех пор, пока момент окончания пилообразного напряжепия не попадет во временный интервал ti ti, между циклоимпульсом и основным циклоимпульсом. в момент окончания (2) пилы ШИМ в указанном ингервале запускается пилообразное напряжение («пила ШИР - фиг. 3,г), по которому определяется длительность «импульса ШИР. Наклон пилообразного напряжения задается таким образом,

чтобы оно окончилось в момент времени t когда вновь запускается пила ШИМ. Затем пила ШИМ в трех каналах сравнивается с тремя модулирующими напряжениями Х, У, Z, в результате чего в этих каналах вырабатываются промодулированные по длительности последовательности импульсов управления (фиг. 3, д, е, ж) - «импульсы ШИМ. Пила. ШИР сравпивается с постоянным напряжением, равным амплитуде модулирующего напряжения, и здесь вырабатывается «импульс

ШИР (фиг. 3,5, е, ж. Импульсы управления на вентили фазы А получаются путем последовательного считывания их в течение интервала между основными циклоимпульсами с выходов каналов X, У, Z (фиг. 3, с). Кривые фазных напряжений инвертора изображены на фиг. 3, и, к, л (в течение половины периода).

При регулировании частоты выходного напряжения вниз растет число импульсов ШИМ, укладывающихся в интервале цикла и закон изменения их длительности определяет форму выходного напряжения, в данном случае близкую к синусоиде. В результате и форма тока в нагрузке, например асинхронном двигателе, близка к синусоиде, поэтому двигатель вращается равномерно и при низких скоростях.

При регулировании частоты выходного напряжения вверх число импульсов ШИМ в интервале цикла уменьшается, но зато растет «доля импульса ШИР в выходном напряжении. При длительности цикла, равной (1-f К )Гт выходное напряжение состоит только из импульсов ШИР, так как пила ШИМ не вырабатывается. Частота выходного напряжения, при которой происходит переход от системы ШИМ-ШИР к системе ШИР, равна

--- , и при тактовой частоте 300 Гц,

что достаточно для сглаживания высокочастотных пульсаций в токе, равна 33,3 Гц при /С 0,5 и 40 Гц при ,25, что тоже приемлемо. Кривая фазного напряжения инвертора в этом случае (и на более высоких частотах) будет иметь вид, как на фиг. 4. В точке перехода циклоимпульс совпадает по времени с основным циклоимпульсом, что и является сигналом перехода. При дальнейщем увеличении частоты длительность цикла уменьщается и соотвегственио уменьшается длительность пилы ШИР, генерируемой теперь между циклоимпульсами. Верхнее значение частоты выходного напряжения может быть сделано достаточно большим, ограничиваясь только частотными свойствами вентилей.

Таким образом предлагаемый способ управления позволяет расширить частотный диапазон изменения выходного напряжения за счет смены закона модуляции с синусоидального на низких частотах на прямоугольный на высших частотах. Кроме того, во всем частотном диапазоне повышена симметрия выходного напряжения за счет цикличного характера его формирования.

Формула изобретения

Способ управления инвертором напряжения, состоящий в том, что формируют три последовательности импульсов управления вентилями инвертора, длительность которых модулирована по сииусоидальному закону, отличающ и и с я тем, что, с целью повышения симметрии выходного напряжения и увеличения верхнего значения его частоты, указанные последовательности импульсов формируют с периодом, равным /6 части периода выходного напряжения, в конце периода каждой последовательности вводят импульс одинаковой длительности, присутствующий на всех частотах, причем импульсы управления каждой фазы формируют нутем циклической перестановки

указанных последовательностей импульсов с частотой, равной шестикратному значению частоты выходного напряжения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Хасаев О. И. Транзисторные преобразователи напрял ения и частоты. «Иаука, 1966, стр. 147.

2.Бедфорд Б., Хофт Р. Теория автономных инверторов. «Энергия, 1969, стр. 195.

3.Сандлер Л. С., Гусяцкий Ю. М. Тиристорные инверторы с широтно-импульсной модуляцией для управления асинхронными двигателями. «Энергия, 1968, стр. 18-20.

WJP

/1

l

с /5

a

s у

КЧ

а, Ь

Тг

VA

nf-cfVg

J

чгч

1г гч

и гЛ

J

ПТУ