Трехфазный регулируемый инвертор Советский патент 1980 года по МПК H02M7/537 

Настоящее изобротсние относится к области преобразовательной техники и может быть использовано для построения вторичных трехфазных источников питания, а также схем управления такими источниками, предназначенных для частотного запуска и управления электроприводом переменного тока. Существуют различные возможности регулир вания (стабилизации) выходного напряжения трехфазны мостовых инверторов. К числу наиболее эффективных для подавляющего числа случаев применения следует отнести различные способы, основанные на принципе широтно импульсного регулировання (ШИР). В этих случаях в течение периода выходной частоты осуществляют дополнительные регулировочные переключения ключей стойки инвертора. При этом различают две основные группы алгорнт МОЕ переключения ключей: алгоритмы с однополярным ШИР-ОШИР и алгоритмы с двухпо лярным ШИР-ДШИР. Число допотштельных переключений зависит от требований потребите ля к величине искажений (качеству) выход- ного тока. Если высокое качество выходного тока не требуется или глубина регулирования невелика (например, при процессах стабилизации) используют алгоритмы только с одним регулировочным переключением на проводящем полупериоде управляющего сигнала каждого из ключей инвертора (II, 2} и 3 .Однако в большинстве инверторов, реализующих алгоритмы с СШ1ИР, кривая выходного напряжения при определенных значениях угла регулирования и угла нагрузки значительно искажается от коммутационной составляющей спектра, вызванной реакцией активно-индуктивной нагрузки. Инверторы, реализующие алгоритмы с ДШИР, свободны от этого недостатка, однако увеличенное число дополнительных переключении и возникающие при атом в инверторах сквозные токи ухудшают их массо-габаритные н энергетическне показатели. Особенно это проявляется в тех случаях, когда.нз-за повышенных требований потребителя к качеству выходного напряжения число регулировочных переключений N приходится увеличивать (обычно оно не превышает 3-4). 37 Наиболее близким по технической сущности к Данному изобретению является инвертор, реализующий алгоритм с ОШИР, в котором отсутствуют дополнительные искажения, обусловленные реакцией нагрузк.и во всей области изменения угла регулирования. Данный инвертор содержит мост управляемых ключей, мост диодов обратного тока и блок управления. В состав блока управления входят последовательно связанные между собой задающий генератор, распределитель импульсов и логический узел, а также модулятор ширины импульсов, включенный между задаюищм генератором и логическим узлом. Логический узел выполнен в виде шести каналов, каждый из которых содержит последовательно включенные трехвходовой и двухвходовой логические элементы И-КБ и логический элемент НЕ, выход которого является выходом логического узла. Кривая выходного напряжения данного инвертора не зависит от характера нагрузки, однако он позволяет осуществлять только одно допол нительное регул1фовочное переключение в зоне 2-31/3-3 3 угла проводимости каждого из его ключей Обусловленное этим невысокое качест во выходного тока в процессе регулирования является недостатком инвертора с таким блоком управления. Для улучшения качества выходного тока инвертора, трехфазный регулируемый инвертор содержаидай мост ключей, управляющий вход Каждого Из которых связан с выходом соответствующего логического элемента НЕ, связан ного своим входом через последовательно соединенные двух- и трехвходовые логические злементь И-НЕ с выходом распределителя импульсов, и задающий генератор, связанный одшш своим выходом с распределителем импульсов, и подключенного другим выходом через модулятор ширины импульсов к одному нз входов каждого из трехвходовых логических злементов И-НЕ, снабжен делителем частоты, четырехвходовыми логическими элементами И-НЕ. и дополнительными двухвходовыми логическими элементами И,по числу ключе Инвертора узлом измерения тока нагрузки, вы ход которого подсоединен к одному из входо всех четырехвходовых логических элементов И-НЕ, другие два входа каждого из которых соединены с распределителем импульсов, четве тый- с выходом модулятора ширины импульсов, входы дополнительного двухвходового логического элемента И подключены соответственно к выходам двухвходового и четырехвходового логически элементов И-НЕ, а их выходы подключень ко входам .соответствующих логических элементов НЕ. Один из возможных вариантов узла измере ния тока содержит датчик тока, выполненный в виде резистора, включенного в цепь питания инвертора, и последовательно связанные между собой усилитель, входом подключенный к резистору, эмиттерный повторитель и триггер. Сущность предложения поясняется чертежами, на которых представлены: на фиг. 1 - блоксхема предлагаемого инвертора; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие принцип его работы; на фиг. 3 - зависимость коэффициента гармоник выходного тока инвертора от параметров углов регулирования сА и нагрузки ДЛЯ двух случаев: N 1(а) и N 3(6); на фиг. 4 - расчетная регулировочная характеристика инвертора. Трехфазный регулируемый инвертор (см. фиг.1) содержит мост управляемых ключей 1-6, мост диодов обратного тока 7-12, блок управления и узел измерения тока 13, для определения угла перехода мгновенного значения фазного тока инвертора через нулевое значение. В состав блока управления входят задающий генератор (З.Г) 14, делитель частоты (Д) 15, распределитель импульсов (РИ) 16, модулятор ширины импульсов (МШИ) 17 и логический узел (ЛУ) 18, выходы которого связаны, в общем случае, через усилительно-развязывающее устройство (на блок-схеме фиг. 1 оно не показано) с управляющими входами ключей инвертора 1-6. Задающий генератор 14 связан с модулятором ширины импульсов 17 и делителем частоты 15, выход которого связан с тактовым входом распределителя импульсов 16. Выходы распределителя импульсов 19-24 подсоединены ко входам логического узла 18, к другим входам которого подсоединены выходы модулятора ширины импульсов 17 и измерительного узла 13. Логический узел 18 выполнен на двух-, трех- и четырехвходовых логических элементах И-НЕ. Так как логический узел 18 содержит щесть идентичных каналов для формирования управляющих сигналов шестью ключевыми элементами инвертора 1-6, То ограничимся рассмотрением только двух из них, формирующих управляющие сигналы двумя ключами стойки инвертора, например 1 и 2. К двум входам каждого нз трехвходовых логических элементов И-НЕ 25, 26 подключены выходы 22, 24 распределителя импульсов 16 - ко входам элемента 25, а выходы 21, 23 - ко входам элемента 26. К оставшимся входам каждого из этих элементов (25, 26) подключен выход модулятора ширины импульсов 17. Выходы трехвходовых логических элементов И-НЕ 25, 26. подключены к одному из входов двухвходовых логических элементов И-НЕ 27, 28, к другому входу которого подключены соответствующие выходы распределителя импульсов 16, например выход 19 - ко входу элемента 27, а выход 20 - ко входу элемент; 28. Для формирования дополнительных импульсов в сигнале управления логнчеекий узел снабжен четырехвходовыми логическими элементами И-НЕ 29, 30, ко входам которых подключены выходы модулятора ширины импульсов 17, измерительного узла 13, а к их оставшимся входам - выходы распределителя импульсов 16; выходы 21 и 23 - ко входам элемента 29, а выходы 22 и 24 - ко входам элемента 30. Входы четырехвходовь1Х логических элементов 29, 30 подключены к одному из входов дополнительных двухвходовых логических элемен тов И-НЕ 31, 32, к др)тим входам которых подключены выходы двухвходовых логических элементов И-НЕ 27, 28. Выходы логических элементов И-НЕ 31, 32 являются выходами логического узла 18. , Измерительный узел 13 служит определе ния угла перехода мгновенного значения фазного тока инвертора через нулевое значение (tf ). В одном из возможных вариантов его выполнения он содержит датчик тока в виде резистора 33, включённого в цепь питания инвертора и последовательно связанные между со бой усилитель (У) 34, эмиттерный повторитель (ЭГ1) 35 и пороговое устройство - триггер (Т) 36. Формирование других выходных сигналов логического узла 18 производится аналогичным образом - при подаче на входы элементов логического узла 18 соответствующих сигналов с выходов распределителя импул сов 16, имеющих 120-градусный фазовый сдвиг 1Ю отношению к ранее рассмотренным. Принцип формирования сигналов логического узла 18, выходных напряжений и токов инвертора поясняется временными диаграммами, приведенными на фиг. 2, где U,- формафазных выходных напряжения и тока инвертора при числе регулировочных пауз N 4; цифры - вид сигналов, снимаемых с соответствующих элементов схемы по фиг. 1, обозначенных теми же номерами. Рассмотрим работу трехфазного мостового инвертора при регулировании выходного напряжения. Задающим генератором 14 задают выход ную Частоту инвертора и осуществляют синхронизацию работы отдельных его узлов. Делитель частоты 15 с соответствующим коэффициентом деления задает число регулировочных пауз N, выбираемое в зависимости от требований потре бителя к качеству выходного тока инвертора в процессе регулирования (или стабилизащт) выходного напряжения. Распределитель импульсов 16 обеспечивает 120-градусный фазовый сдвиг между управляющими сигналами ключей инвертора (см. 19-24 на фиг. 2) и может . быть выполнен, например, по трехфазной схеме пересчетного кольца на триггерах 13 К-типа Величина выходного напряжения определяется величиной угла регулирования о1 , задаваемого модулятором щирины импульсов 17 (ем.фиг.2). Как указывалось, при управлении ключами инвертора сигналом с ОШИР могут возникать искажения выходного напряжения. Они возникают при работе инвертора на активно-индуктивную нагрузку в момент регулировочных пауз, когда фазный ток, определяемый углом нагрузки или углом перехода фазного тока инвертора через нулевое значение ;j , пересекается с временной осью в зоне регулировочных пауз. Во избежание искажающего воздействия реакш1и активно-индуктивной нагрузки, т.е. ее ЭДС самоиндукции, в момент регулировочной паузы согласно предложенному решению включают ранее выключенный ключ стойки Ш1вертора. Это включение производят только по сигналу измерительного -зла 13. Выходным сигналом датчика тока 33 измерительного узла 13 является сигнал аналогишый пптребляемом инвертором Т(жа. В этом случае, когда фазовый уг(1Л перехода мгновенного значения ГОКа через ноль .стансчвнтся больше ЗГ /3 ( 60), потребляемый инвертором ток становится знакопеременным и на выходе измерительного узла 13 формируют сигнал, фиксирующий длительность захода угла i/,j зону at/3 - 23Г/3 (см. 33 и 13 на фиг. 2). Процесс регулирования осуществляется за счет ШИР на интервалах углов проводимости каждого из ключей 3t/3-27t/3 (основные регулировочные паузы) и на интервалах 4CJt/3-53t/3 (называемые дополнительные регулировочные импульсы), подаваемыми по сигналу разрешения от измерительного узла 13. Максимально необходимое число дополнительных импульсов не превышает половины основных регулировочных пауз, причем формируют их лишь при чисто индуктивной нагрузке, в моменты, когда фазный реактивный ток инвертора возвращается обратно в источник питания (или шунтирующий выпрямитель-конденсатор) . При других значениях угла нагрузки число дополнительных регулировочных импульсов уменьшают, причем оно зависит как от характера нагрузки, так и от величины угла регулирования oL . Возможны ситуации, при которых дополнительных импульсов на иктервале 4ЗС/ - 5Х/3 вообще не формируют, что определяется выходным сигналом с логических элементов И-НЕ 29, 30. Включение ключа инвертора На время регулирювочной паузы за счет дополнительного импульса обеспечивает замыкание всех фаз нагрузки инвертора на ширину питания, обеспечивая возможность апериодического затухания токов; прн этом фазные напряжения нагрузки равны нулю н не искажаются коммутационными импульсами от реакции активно-индуктивной нагрузки. Увеличение числа регулировочных импульсов N обеспечивает уменьшение качества выходного тока инвертора. Как видно из сравнения зависимостей, приведенных на фиг. 3, а и 3 б искажения, тока нагрузки (при 0) уменьшаются с увеличением числа N. На графиках используется относительный угол регулирова,oL ЗП Так, например, при 10° и угле регул рования (, 4, коэффициент гармоник фазного тока инвертора уменьшается на 25%, а при t) и том же угле регулирования на 7,5% при увеличении числа N от 1 до 3.

Н-1 0,45 0363 0,278 0,187 0,94 О

и

0,45 0361 0,271 0,181 0,090 О

0,45 0,360 0,270 0,180 0,090 О

0.45 (

Основной областью применения предложенного инвертора является частотно-регулируемый электропривод. Инвертор может применяться Также во всех случаях, где требуется преобразование постоянного напряжения, в трехфазное переменное, стабилизированное или регулируемое по величине фиксированной или регулируемой частоты, с улучшенным качеством выходного тока.

Формула изобретения

1. Трехфазный регулируемый инвертор, содержащий мост ключей, управляющий вход Каждого из которых связан с выходом соответствующего логического элемента НЕ, связанного своим входом через последовательно соединенные двух- и трехвходовые логические элементы И-НЕ с выходом распределителя импульсов, и задающий ген.ератор, связанный одним своим выходом с распределителем импульсов, и подключенного другим выходом через модулятор ширины импульсов к одному из входов каждого из треквходйвых логических элементов И-ViE, отличающийс я тем, что, с целью улучшения качества выходной электроэнергии, за счет уменьшения нелинейных искажений тока, он снабжен делителем частоты, четырехвходовыми логическими элементами И-ЯГ; и дополнительными двух1,0

0,2 0,4 0,6 0,8

входовыми логическими элементами И, по числу ключей инвертора, узлом измерения тока нагрузки, выход которого подсоединен к одному из входов всех четырехвходовых логических элементов И-НЕ, другие два входа каждого из которых соединены с распределителем импульсов, а четвертый - с выходом модулятора ширины импульсов, входы дополнительного двухвходового логического элемента И подключены соответственно к выходам двухвходового и четырехвходового логического элементов И-НЕ, а их вцходы подключены ко входам соответствующих логических элементов

НЕ.

2. Трехфазный регулируемый инвертор по П. 1, отличающийся тем, что узел измерения тока нагрузки содержит датчик тока, выполненный в виде резистора, включенного

в цепь питания инвертора, и последовательно связанные между собой усилитель, входом Подключенный к резистору, эмиттерный повторитель и триггер.

Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе

1.Авторс1 ое свидетельство СССР N 47327Ц кл. Н 02 Р 13/18, 1972.

2.Авторское свидетельство СССР № 390639, кл. Н 02 Р 13/18, 1966.

3. Патент Великобррании № 1167566, H2F 1%7. 4. Авторское свидетельство СССР №2416674/07. Расче1ы показывают, что при N 6 и / V при любых значениях угла ok. коэффициент гармоник тока Кг(г| 4 0,31. На фиг. 4 приведена регулировочная характеристика инвертора по основной гармонике выХ1)дного напрях сния (действующее значение) , построенная в относительных единицах в функции угла регулирования Как видно, она имеет практически линейный характер, причем линейность увеличивается при увеличении числа N. В приведенной таблице даны . значения действующего значения основной гармоники трехфазного напряжения для двух значений числа регулировочных пауз N равного 1 и 3, а также, для сравнения, в 3-й Приведена в том же масштабе линейная характеристика.

Ю

Kflit)

0.1 ОЛ 0.6 0,6 1.0

KrUi}

0.2 OA 0.6 0.8 W