Способ управления трехфазным мостовым инвертором и устройство для его осуществления Советский патент 1978 года по МПК H02P13/18 

1

Изобретение относится к области преобразовательной техники, а именно к классу преобразователей постоянного тока в переменный, и может быть использовано при построении трехфазных мостовых инверторов, предназначенных для частотного запуска и упраБления двигателями переменного тока, а также при построении автономных централизованных систем электроснабжения.

Известны способы управления инверторами, основанные на применении методов однополярной 2 з .

Недостатком данных способов являются большие искажения выходного тока.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является способ управления трехфазным инвертором, заключающийся в том, что на управляющие входы ключей инвертора, подсоединенные к одному выводу источника питания, подают сдвинутые относите.пьно друг друга на 2 U/3 сигналы с однополярной ШИМ по убывающему закону в интервале 2 Тс/3 т (Х (и в интервале ОтЛ/З) угла проводи.мости каждого ключа, т.е. подают управляющие сигна:)Ы с ШНМ по трапецеидальному закону.

Из известных устройств для управления инверторами с олнополярной ШИМ наиболее близким по технической сущности является устройство управления инвертором 2. Это устройство содержит задзощий генг ратор, два де.лителя частоты с разными коэффициентами деления, коммутатор в виде двух шестиячейковых регистров сдвига и диодной Матрицы, логический блок и формирователи импульсов.

Принцип работы этого устройства заключается в том,что оно формирует импульсы управления тиристорным однофазным инвертором так, что выходное напряжение его при этом имеет вид сигнала с однополярной ШИМ по трапецеидальному закону .

Недостатком данного способа при применении его в трехфазном мостовом инверторе являются большие искажения выходного тока в области 0,21:.COS4 1. Недостатком данного устройства являются большая масса и габариты.

Цель изобретения - уменьшение искажений выходного тока и улучшение энергетических показателей.

Поставленная цель достигается тем что в способе управления трехфазным мостовым инвертором, заключакнцемся в том, что на управляющие входы ключей инвертора, присоединенные к одному выводу источника питания , подают сдвинутые относительно друг друга на 2Tt/3 сигналы с широтно-импульсной модуляцией по убывающему закону в интервале 2 Jt /3 - It угла проводимости каждого ключа, в интервалах 0-2 it /3 углов проводимости каждого ключа инвертора на их управляющие входы подают неизменный по амплитуде сигнал ,

В устройстве, реализукяцем данный способ,-, содержащем задающий генера-тор, к выходу которого подключены два делителя частоты с разными коэффициентами деления, трехфазное пересчетное кольцо, своим входом соединенное через элемент И с выходами делителей частоты, логический блок и -блоки гальванической развязки и усиления, указанный логический блок выполнен в виде трехвходовык и двухвходовых элементов И и триггера, причем входы одного двухвходового элемента И, последовательно соединенного с триггером, подключены к выходам делителей частоты, выход триггера подключен к одному из входов шести трехвходовых элементов И, выход каждого из которых подсоединен к одному из входов шести двухвходовых элементов И,а остальные входы элементов И подключены к выходам трехфазного пересчетного кольца. Блок гальванической развязки выполнен в виде триггера с раздельными входами, двух блокинг-генераторов в управляемом автоколебательном режиме и :инвертора амплитуды , причем рездельные входы триггера связаны с одним лз выходов логического блока через упомянутые блокинг-генераторы, а один из блокинг-генераторов подключен к выходу логического блока через инвертор амплитуды.

На фиг. 1 показана схема трехфазного инвертора; на фиг. 2 представлены: а) законы управления ключами инвертора; б) выходные фазные напряжения О д, Ug ,Не j и в) линейные напряжения идв, UBC-.UCA активно-индуктивной нагрузки, соединенной в звезду. Схема трехфазного инвертора выполнена на ключах 1-6 и диодах 7-12.

Согласно способу в интервале

0- 2 ft /3 на управляющий вход ключа

1инвертора (фиг.2) подают постоянный по амплитуде сигнал, а в интервале 2(l/3-r(l подают сигнал с ШИМ по убыванвдему закону, например, линейному. В данном случае сигнал с DJHM состоит из четырех импульсов. При увеличении числа импульсов в сигнале с ШИМ улучшается качество выходного тока инвертора, но вместе с этим

значительно возрастают динамические потери в ключах инвертора, которые прямо пропорциональны числу переключений. При четырех импульсах качество выходного тока достаточно приемлемое, а динамические потери еще незначительны. Аналогичные сигналы,, но с 1соответствукщим1 Фазовым сдвигом (см.фиг.За)подают на входы остальных ключей. При данном способе управления в инверторе чередуются два состояния ключей: замкнуты три ключа, затем два, снова три, затем два и т.д. Например, (см.фиг.За) на интервале i проводят ключи 1,4,5, на интервале tg ключи 1,4, на интервале 1 - 1,4,5. При чисто а,ктивной нагрузке фазное напряжение (iTg) имеет вид, показанный штриховкой на фиг.36 Фо|рма напряжения характеризуется четырьмя значениями потенциалов :0,1|5Е,, l/2Ef, ,2/йЕ ,. При изменении угла нагрузки форма напряжения несколько изменяется из-за влияния э.д.с. самоиндукции нагруэки, однако :уже при С05ф21-0,&7 приобретает вид, показанный на фиг.36 сплошными линиями, и характеризуется двумя значениями потенциалов 1/ЗНу, и 2/3 Е . Основные гармоники напряжения II д и тока Д1 показаны для фазы А штрих-пунктирной и пунктирной линиями соответственно.

Блок-схема устройства, реализующего данный способ, показана на фиг.З На фиг. 4 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие его работу.

Устройство для управления инвертором содержит: задающий генератор 13, к выходу которого подключены два делителя частоты 14 и 15 с разными коэффициентами деления m и TJ (причемгя-п- элемент И 16, трехфазное пересчетное кольцо 17, логический блок 18, блок 19 гальванической развязки и блок усиления 20.

Принцип работы схемы заключается с следующем.

Импульсы задающего генератора 13 частоты РО преобразуют с помощью делителей частоты 14,15 на 4 и 5 в две последовательности импульсов частот

ff Р

& и , КОТО

i и , которые снимают с формироватеЛей 21 и 22.

Существуют наиболее целесообразные соотношения коэффициентов деления делителей. Они определяют число переключений ключей за период, в данном случае взяты 4 и 5 и, близки к оптимальным. Две последовательности импульсов частот с инверсных выходов формирователей подают на двухвходовой логический элемент И 23, ас его выхода снимают сумму импульсов этих последовательностей и с помощью триггера 24 преобразуют их в широтно-модулированный сигнал, частота повторения которого в 6 раз выше выходной частоты инвертора. Две последовательности импульсов частот т и с нормальных выходов формирователей 21,22 подают также на элемент И 16. а результирующий сигнал частоты FO/ZO с его выхода подают на вход пересчетного кольца 17, которое с помощью триггеров 25,26,27 формирует три серии прямоугольных импульсов со скважностью 2, сдвинутых относительно друг друга . Частота импульсов на выходе пересчетного кольца 17 является выходной частотой инвертора и равна F(j/120 . С помощью шести трехвходовых логических элементов И 28-33, на входы которых подают сигналы с триггеров 25,26,27, пересчетного кольца 17 и сигнал с ШИМ с триггера 24, формируют шесть последовательностей сигналов с ШИМ (см. нaпpимep J,,y 3i фиг. со скважностью 6, сдвинутых относительно друг друга на угол в масштабе выходной частоты инвертора. С помощью двухвходовых логических элементов И 34-39, на входы которых подают сигналы с выходов трехвходовых логических элементов И 28-33 и с триггеров 25,26,27 пересчетного коль ца 17, осуществляют пристыковку полученных сигналов с ШИМ к сигналам прямоугольной формы с выхода пересчетного кольца 17. Часть полученных сигналов (с выходов логических элементов 34,36,38) подают через усилители 20 на управляющие входы транзис торов 2,4,6 инвертора. Другую часть сигналов (с выходов логических элементов 35,37,39) подают через блок 19гальванической развязки, усилител 20на управляющие входы транзисторов 1,3,5 инвертора Блок гальванической развязки 19 работает следующим образом, Сигналы- с логических элементов 35,37,39 подают на блокинг-генераторы 40,41,42, а на блокинг-генераторы 43,44,45 подают сигнал с инверторов амплитуды 46,47,48. И с выходов блокинг-генераторов сигналы подают на раздельные входы триггеров 49,50,51. Выходы триггеров 49,50,51 присоедине ны ко входам усилителей 53,54,55,56, 57. Предложенная схема гальванической развязки обладает высокой помехоусто чивостью, обеспечиваемой тем, что на раздельные входы триггера поочередно подают не отдельные импульсы, а пакеты импульсов с высокой частотой з полнения (в макетном образце, наприм 400кГц), так что при случайном ложно опрокидывании триггера происходит лишь микросекундной длительности иск жение управляющего сигнала, поскольк ближайший следующий импульс пакета востановит триггер вновь в прежнее состояние. Блокинг-генераторы работают в так называемом управляемом автоколебательном режиме. Генерация 86 имеет место лишь при наличии на его входе управляющего импульса . Длительность .генерируемых блокинг-генераторами импульсов составляет десятые доли микросекунды, поэтому размеры импульсного трансформатора блокинг-генераторов незначительны. Блок 20 усилителей 52-57 осуществляет усиление и инвертирование сигналов с логического блока 18 и схемы гальванической развязки. Выходы усилителей 20 присоединены ко входам транзисторов инвертора. Таким образом, предложенный способ позволяет: 1.Существенно уменьшить искажения выходного тока инвертора как в сравнении со способами управления с однополярной ШИМ, так и в сравнении с широко распространенными 180 и 120 законами управления. 2.Улучшить использование напряжения питания инвертора, т.е. снизить напряжение на его ключевых элементах (амплитуда основной гармоники фазного напряжения для предлагаемого способа в долях от напряжения питания равна 0,607). 3.Значительно раси ирить диапазон изменения созФ21 нагрузки (отсо5ф2| 0,21г0досозфа1 - 0,87-;-0),в котором спектр ее напряжения остается неизменным и отсутствует фазовый уход основной гармоники напряжения. ПocJieднее важно для уменьшения качаний двигателей переменного тока, питающихся от инвертора. Формула изобретения 1. Способ управления трехфазным мостовым инвертором, заключающийся в том, что на управляющие входы ключей инвертора, присоединенные к одному выводу источника питания, подают сдвинутые относительно друг друга на 2ft/3 сигналы с широтно-импульсной модуляцией по убывающему закону в интервале 2Я/3 7(7 угла проводимости каждого ключа, отличающийс я тем, что, с целью уменьшения искажений выходного тока и улучшения энергетических показателей, в интервалах О- 2«/3 углов проводимости кажого ключа инвертора на их управляющие входы подают неизменный по амплитуде сигнал. 2. Устройство для осуществления способа по П.1, содержащее задающий генератор , к выходу которого подклюены два делителя частоты с разными оэффициентами даления, трехфазное ересчетноекольцо, своим входом оединенное через элемент И с выхоами делителей частоты, логический лок, блок гальванической развязки и блок усиления, отлича-ющее с я тем, что указанный логический

блок выполнен в виде трехвходовых и двухвходовых элементов И и триггера, причем входы одного двухвходового элемента И, последовательно соединенного с триггером, подключены к выходам делителей частоты, выход триггера подключен к одному из входов шести трехвходовых элементов И, выход каждого из которых подсоединен к одному из входов шести двухвходовых элементов И, а остальные входы элементов подключены к выходам трехфазного пересчетного кольца,

3. Устройство по п.2, о т л а ю щ е е с я тем, что, с целью уменьшения массы и габаритов, блок гальванической развязки выполнен в виде триггера с раздельными входами, двух блокинг-генераторов в управляемом автоколебательном режиме и инвертора амплитуды, причем раздельные входы триггера связаны с одним из вьлходов

логического блока через упомянутые блокинг-генераторы, а один из блокинг-генераторов подключен к выходу логического блока через инвертор амплитуды..

Источники информации принятые во внимание при экспертизе:

1.Патент США № 3573601, кл.Н 02 М 7/52, 1973.

2.Мельничук П. П.,Гречко Э,К. Система управления тиристорным инвертором с однополярным широтно-импульсным напряжением. Сб. Проблемы технической электродинамики , вып.24 Наукова думка , Киев, 1972,с.111.

3.Щеголев А.И., Мыцык Г.С. Система управления трехфазным инвертором с однополярной ШИМ по трапецеидальному закону, Сб, Преобразовательная техника XXI конференция по радиоэлектронике, Т.1, Томского университета, 1974.