Способ широтно-импульсного регулирования выходного напряжения трехфазного мостового инвертора Советский патент 1980 года по МПК G05F1/44 H02P13/18 

те ЧИСЛО рреключений ключей инвертора уменьшается, а его энергетические показатели улучшаются. Однако не все алгоритмы с ОШИР яш15потсй в равной мере эффективными с точки зрения диапазона регулирования выходного напряжения и его искажений. Эти свойства определяются параметрами нагрузки и алгорит-. ма управления, а именно местополоясение регулировочных пауз в алгоритмах переключения ключей и даже напра злением изменения угла регулирования Одним из возможных способов регулирования является алгоритм, гфи котором регулировочная пауза вводится симметрично, на всем интервале проводимости одной из Групп инвертора ключей верх ней или нижней fl . Такому способу свойственны следующие недостатки : ухуд шенные энергетические показатели из-за большого числа переключений, а также значительныеискажения выходного напря жения, обусловленные ЭДС самоиндукции активно-индуктивной нагрузки. Этот алгоритм относится к алгоритмам с ОШИР. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ широтноимпульсного регулирования, заключающий ся в N -кратном переключении ключей инвертора в основном длительностьк) .-ci. дополнительном , 1- /ЗМ-Л- З интервалах проводимост 1шючей и изменении углов регулирования ci- от О до /5Н , где N J 2, S, ... - любое целое число. Уменьшение величины выходного напряжения обеспечивают за счет более раннего момента пе-. реключения ключей в указанных интервалах, сохраняя момент возврата в исходное состояние неизменным. При этом в любой момент времени замкнут один из ключей каждой из стоек инвертора. Ал:горитм . относится к алгоритмам с ДШИР f 2. К недостаткам такого способа регулирования моишо отнести нерационально увеличенное число переключений ключей, вызывающее рост динамических и дополнительных потерь от сквозных токов (при транзисторном варианте выполнения силовой части инвертора) ведущих к снижению значения КПД инвертора. Цель изобретения - увеличение КГЩ инвертора путем уменьшения числа переключений ключей. Это достигается тем, что в известном способе широтнс-импульсного регул1 фова-ния выходного напряжения трехфазного мостового инвертора путем N - кратного переключения ключей на основном интервале регулирования TyjpvJ - .Г/ измеряют угол перехода Ц и мгновенного значения фазного выходноготока инвертора через нулевое значение в выделенном из дополнительного интервала подинтервале длительностью A / /jt -U /T-i- f - . производят n переключений, где VI 0, 1, 2, ... определяют из условияЭНСЧп+оСД- Уз). N Угол регулирования сХ. изменяют от О до /Ъ , где N 1, 2, 3 ... - любое целое число, которое выбирается в зависимости от требований к качеству вькод- ,ного напряжения ИЕ1вертора. Дру1Х1е отличие состоит в том, что определение фазового угла тока нагрузки { М) ) может быть произведено не только при непосредственном измерении угла в фазах нагрузки, но и на основании измерения длительности протекания инверсного тока в цепи питания инвертора. При определении указанных временных интервалов регулирования имеется в виду, что отсчет производится от начала проводимости данного ключа. Как известно, угол может изменяться от 0 до 17Г/2 по отношению к выходному фазному напряжению. Кроме того, в данном случае используется несимметричный алгоритм регулирования, приводящий к фазовому, уходу выходного напряжения в сторону опережения на угол . Этифакты учитываются в вьдэажениях, определяющих значение Ч На фиг. 1, а изображен трехфазный мострвой инвертор; на фиг. 1 б, в, г график кривых выходного фазного напряжения и ал1чэритмы переключения ключей инвертора по предложенному способу при различном числе регулировочных пауз ( N 2, 3, 4); на фиг. 2 - график кривых выходного напряжения инвертора при N 3, сформированного по предложенному способу при измерении тока, потребляемого инвертором и алгоритмы управления; на фиг, 3 - структурная схема устройства для управления трехфазным мостовым инвертором, позволяющего реализовать предложенный способ регулирования. На фиг. 1 приняты следующие буквенные обобначения: U| 1 Ug, - сигналы .управления ключамц одного на плеч инвертора по фиг. 1, а; ,а - фазное напряжение и фазный ток инвертора ,-в - разрешающий сигнал на пропускание импульсов на дополнительном подин- тервале. Для пояснения предложенного способа используем полуструктурную схему инвертора на фиг,.1, а, выполненного на ключах 1-6 и на диодах 7-12 обратного тока. Рассмотрим принцип формирования управляющих сигналов при N равном, например, треМо На интервале проводимости GQ -Qjj (см. фиг. 2) формируют отпира юшие сигналы для ключей 1 и 5, запирающие сигналы для ключей 2 и 6 и сигна с широтно импульсной модуляцией, подаваемый на вход ключа 4, который в результате этого многократно (в данном случае трехкратно) переключается. При формировании управляющего сигнала для ключа 3 может возникнуть несколько различных ситуаций, зависящих от параметров нагрузки и от угла регулирования Для принятия однозначного решения по формированию управляющего сигнала измеряют фазовый угол перехода мгн венного значения тока фазы через ноль и сравнивают его с временным интервалом -оС-5 /-j, Если окажется, что угол Мц не пересекается с указан- ным интервалом, т.е. вьшолняется условие Чу s; (ток LY на фиг. 2 то в этом случае на всем интервале Q(, формируют запирающий сигнал для ключа 3. Если же угол у окажется равным или больше /д -v oC/g , то на дополнительном интервале регулирования (, ) ключа 3 формируют отпирающий сигнал на интервале . конец, если фазовый угол окажется в пре делах 4Ф(9-с(г.Чп 11/9+.|2. то отпирающий исигнал ключа 3 формируют с учетом угла регулирования . Длительность сформированного сигнала для отпирания ключа 3 при этом равна 4j -4 r/g-t-o На интервале проводимости формируют отпирающие сигналы для ключей 4 и 6, запирающие сигналы для ключей 3 и 5, широтно-модулированный сиг- нал Для ключа 1. При формировании управляющего сигнала для ключа 2 еле- Дует рассматривать ситуации, аналогичные выще изложенным. Принцип дальней- его формирования управляющих сигналов сен из последующего рассмотрения вреенных диаграмм на фиг. 2 и аналогичен уже рассмотренным ситуациям. фазовый угол перехода тока через нуевое значение может быть определен на сновании измерения длительности прот&кания инверсного тока в цепи питания (инвертора. На фиг.. 2 приняты следующие буквенные обозначения: UQ о - фазное напряжение и фазный ток инвертора; (J.-Uf, - сигналы управления ключами инвертора; д Р - потребляемый инвертором ток; U-J - разрешающий сигнал на пропускание импульсов на дополнительном подинтервале прюводимости. В некоторых случаях, когда инвертор используется в качестве автономного источника питания, а параметры нагрузки известны до начала проектирования, число и длительность регулировочных пауз на дополнительном подинтервале прхэводимостн могут быть определены, заранее на основании аналитического расчета. Благодаря этому реализаш1я предлагаемо- . го способа значительно упрощается за счет ликвидации измерительно-согласующего узла, однако при этом число переключений ключей инвертора не будет минимальным во всех возможных режимах работы. Все вьшзеприведенные рассуждения проделаны для случая статической активно-индуктивной нагрузки. Для случая двигательной активно-индуктивной нагрузки (например, работы преобразователя, на асинхронный двигатель) форма тока нагрузки имеет вид, отличный от показанного на фиг. 1 и 2, однако способ регулирования выходного напряжения сохраняется и в этом случае. . Устройство для формирования сигналов ущэавления ключевыми элементами инвертора, позволяющего осуществить предложенный способ регулирования 1, содержит задающий генератор 13 регулируемой частоты, делитель 14 частоты на N , распределитель 15 импульсов, модулятор 16 ширины регулировочной иаузы, функциональный блок 17 управления ключами инвертора и измерительно-согласующий узел (датчик тока) 18, Задающий генератор 13 предназначен для строгой фазовой синхронизации управляющ11химпульсов регулировочных пауз,Делитель 14 частоты служит, для обеспечения N -кратного регулирования вькодного напряжения. Модулятор 16 обеспечивает изменение длительности регулировочной паузы оС по сигналу D Распределитель 15 импульсов обеспечивает фазовый сдвиг между управляющими сигналами ключей инвертора. Функционалы ный блок 17 служит для формирования сигналов управления ключевыми элемента ми 1-6 инвертора. На вход его поступаю сигналы с выходов распределителя 15, модулятора 16 и датчика 18, В функциональном блоке 17, представляюшим собой набор логических элементов и содерж щим два канала 19 и 20, на каждый ключ производится врезание регулировочных пауз на основном интервале проводимости сигналов управления по каналу 19,а по сигналу - на дополнитель ном интервале проводимости по каналу 20,Функциональный блок 17 содержит шесть идентичных двухканальных узлов, аналогичных вышеописанному, предназначеннь1х для форм5фования управляющих сигналов каждого из ключей 1-6 инвертора, выходы которых соединены со входами соответствующих ключей. Проанализируем работу трехфазного мостового инвертора, выполненного на диодах и полностью угфавляемых ключах (см, фиг. 1, а). Управляемые ключи 1-6 в любой момент времени могут находиться в открытом или закрытом состоянии в зависимости от сигналов управления. Они спужат для пропускания активной мощности от первичного источника к нагрузке. Неуправляемые вентили 8-12 служат для пропускания реактивной энер- .гни. Работа 1шючей инвертора характеризуется тремя чередующимися состояния ми: открыты два 1шюча одной груп11:ы (верхний или нижний) и один- ключ другой группы, затем открыты все ключи одной группы, и, наконед, открыты только два ключа одной группы. Второе состояние возникает только по сигналу разрешения от датчика фазного тока в тот момент, когда фазный ток имеет обратное направ- ленйе по отношению к направлению прямо проводимости переключаемого ключа в плече инвертора. Условием возникновения второго состояния, т.е. появления проводяших импульсов на дополнительном подинтервале -является 7 38 Из этого условия вытекает, что максимальное число дополнительных импульсов при статической активно-индуктивной нагрузке равно половине импульсов на основном интервале. Из этого же условия следует, что при одном регулировочном импульсе ( N 1) необходимость в дополнительном импульсе возникает лишь при Чг, /0. {при d /г Ь т-е. даже при чисто шшуктивной статической на грузкв такие условия недостижимы. Таким образом, случай с N 1 можно выделить особо в связи с отсутствием импульсов на дополнительном интервале регулирования. Кратко поясним необходимость во включении ключей инвертора на дополнительном подинтервале. В том случае, если фазовый угол перехода тока через нулевое значение | }rl2i- Ji/iW-- /й , ( например, с фиг, 1, б), создаются условия для о периодического затухания токов нагрузки через обратный диод соответствующей фазы и выходное напряжение инвертора не искажается. В том случае, если данное условие по фазовому углу не выполняется (например, q на фиг. 1,б), производ5ТГ включение ключа на дополнительном подинтервале. В этот момент все три фазы инвертора оказываются подключенным и, к одной шине питания инвертора, т.е. зажимы нагрузки закорочены. Токи в фазах начинают апериодически затухать, ЭДС самоиндукции уравновешивается падением напряжения, в результате чего фазные напряжения нагрузки Ь этот момент равны нулю и не искажаются коммутационными импульсами, Как уже указьшалось выше, определение угла может быть произведено при измерении длительности протекания инверсного тока в иепи питания инвертора (см. фиг. 2). В том случае если фазовый угол перехода мгновенного значения тока через ноль становится больше 60(Ц 7 /l, ) то потребляемый инвертором ток становится знакопеременным, причем угол протекания потребляемого тока в отрицательной области равен Ц --у - , т.е. равен дополнительному подинтерва- лу, на котором должны возникать импульсы и .На фиг. 2 показан фазный которому соответствует потребляемый ток ,Q и разрешающий сигнал и t Очевидно, что в этом случае на дополнительном интервале проводимости возникает только один импульс в алгоритме управления (на фиг. 2 на диаграммах ,- показаныпзт1ктиром). Таким образом, предложенный способ регулирования сочетает в себе лучшие

качества алгоритмов с ОШИР и ДШИР. Ключи инвертора переключаются минимальное количество раз с тем, чтобы избежать искаь ений выходного напряжения от коммутационной со.ставляюшей и получить при этом максимально возмож ные энергетические показатели инвертора. В случае,, если . динамические потери в инверторе снижаются от. (при Н 1) до 50% (при числе переключений N стрем1.а1имся к бесконечности), а потери от сквозных токов в транзисторном, варианте инвертор практически устраняются по сравнению с аналогичными вариантами алгоритмов с , ДШИР. В предельном случае, когда Ч 90 , динамические потери в инверторе снижаются на величину от 25% (при N ОО) до 33% (при N 1), а потери от сквозных токов снижаются вдвое.

Формула изобретения

1. Способ широтно-импульсного регу-. лирования выходного напряжения трехфазного мостового инвертора путем N кратного переключения ключей, инвертора в основном длительностью Л/З .-А) и в дополнительном длительностью (4 /3t /3M-ok).иичервалах изменения

углов их проводимости за счет изменения углаоСот О до где- 1, 2, 3, ... любое целое число, а оС - угол регулирования, причем уменьшение величины выходного напряжения обеспечивают за счет более раннего момента переключения ключей в указаннь;х интервалах, сохраняя момент возврата их. в исходное состояние неизменным, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД инверторап тгем .уменьшения числа переключений ключей, измеряют угол перехода Ц, мгновенного значения фазного выходного тока инвертора через нулевое значение и в вьзделенном из дополнительного интервала подинт рвалё длительностьк Г/5 Я/ЬЫ -(-(.jr-v p-eC/a) производят п переключений, где VI 0, 1, 2, ... определяют из условия

SNC4n /2.) ,N

И$

-- -- -- -- -

2. Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что для определения .упомянутого угла Ч.у, изменяют длительность протекания инверсного тока в цепи питания инвертора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Сб. Устройства преобразовательной техники. Вып. 1. Киев.Наукова Думка , 1969, с. 151-158.

2.Труды МЭИ. Вып. 275. - М., 1975, с. 27-35.

1 3 5 1 9 n

-f

iL.iL5

-0г 6 8 Ю 12

О wh h . Wj % /

И

к

УГ

л//

V4 V/

.5