Устройство для управления инвертором напряжения

 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления инверторами напряжения с широтно-импульсной модуляцией и регулируемой частотой. Целью изобретения является повышение качества выходного напряжения, линеаризация регулировочной характеристики и упрощение устройства. При изменении напряжения питания на входе инвертора выходной сигнал интегратора 2, пропорциональньй отклонению этого напряжения, от номинальной величины , имеет знак, противоположный знаку сигнала задания амплитуды при повьшении напряжения питания, и ту же полярность, что и сигнал задания амплитуды при уменьшении напряжения питания. Это приводит к пропорциональному изменению выходного напряжения задающего генератора 4 трехфазного синусоидального напряжения. В результате первая гармоника выходного напряжения инвертора не изменяется , несмотря на изменения напряжения питания. Таким образом, обеспечивается линеаризация регулировочной характеристики инвертора. Для повышения качества выходного напряжения величину сигнала задания амплитуды устанавливают больше некоторого значения , соответствующего глубине модуляции , равной единице при номинальном входном напряжении инвертора, при этом величина выходного напряжения функционального преобразователя 3 резко увеличивается. Линейность регулировочной характеристики в этом режиме сохраняется. 7 ил. (О (Л со со ГС

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU„„1319207 А1

< 11.1 Н 02 M 7/48

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ к и с

Фиг 1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

fl0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3820030/24-07 (22) 05.12.84 (46) 23.06.87. Бюл. № 23 (71) Новосибирский электротехнический институт (72) Г.С. Зиновьев, В.И. Попов и Э.Л. Петров (53) 621.316.727(088.8) (56) Bowes S.R. New sinusoidal pulsewidth odulated inverter Proc. — IEE, 1975, v. 122, ¹ 11, р. 1279-1285.

Сандлер А.С., Гусяцкий 10.M. Тиристорные инверторы с широтно-импульсной модуляцией. — M.: Энергия, 1968, с. 73. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ИНВЕРТ0Р0М НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления инверторами напряжения с широтно-импульсной модуляцией и регулируемой частотой.

Целью изобретения является повышение качества выходного напряжения, линеаризация регулировочной характеристики и упрощение устройства. При изменении напряжения питания на входе инвертора выходной сигнал интегратора 2, пропорциональный отклонению этого напряжения от номинальной величины, имеет знак, противоположный знаку сигнала задания амплитуды при повышении напряжения питания, и ту же полярность, что и сигнал задания амплитуды при уменьшении напряжения питания. Это приводит к пропорциональному изменению выходного напряжения задающего генератора 4 трехфазного синусоидального напряжения.

В результате первая гармоника выходного напряжения инвертора не изменяется, несмотря на изменения напряжения питания. Таким образом, обеспечивается линеаризация регулировочной характеристики инвертора. Для повышения качества выходного напряжения величину сигнала задания амплитуды устанавливают больше некоторого значения, соответствующего глубине модуляции, равной единице при номинальном входном напряжении инвертора, при этом величина выходного напряжения функционального преобразователя

3 резко увеличивается. Линейность регулировочной характеристики в этом режиме сохраняется. 7 ил.

1 131

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления инверторами. напряжения с регулируемым широтно-импульсным способом значением выходного напряжения и регулируемой частотой, используемых,в частности,в частотном электроприводе.

Целью изобретения является повышение качества выходного напряжения, линеаризация регулировочной характеристики и упрощение устройства.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для управления одной фазой инвертора; на фиг. 2 — схема одной фазы инвертора; на фиг. 3 структура блока распределения импульсов; на фиг. 4 — кривые зависимости выходного напряжения функционального преобразователя и первой гармоники выходного напряжения инвертора от входного напряжения функционального преобразователя (в относительных единицах); на фиг. 5 — эпюры напряжений, поясняющие принцип работы устройства в режиме неполной модуляции; на фиг. 6 — эпюры напряжений в режиме перемодуляции; на фиг. 7 — функциональный преобразователь.

Устройство для управления одной фазой инвертора (фиг. 1) содержит сумматор 1, один вход которого является входом задания амплитуды выходного напряжения, второй вход соединен с выходом интегратора 2,на вход которого подается напряжение питания инвертора; функциональный преобразователь 3, вход которого соединен с выходом сумматора 1, а выход — с входом задающего генератора 4 трехфазного синусоидального напряжения, соответствующий выход которого соединен с одним из входов блока 5, запоминания данной фазы, второй вход которого соединен с выходом формируемых в моменты максимумов треугольного напряжения коротких импульсов генератора 6 треугольного напряжения, вход которого является входом задания частоты, а выход треугольного напряжения связан с одним из входов широтно-импульсного модулятора 7, второй вход модулятора соединен с выходом блока

5 запоминания; блок 8 распределения импульсов, одна пара входов которого подключена к выходам, модулятора 7, а другая пара входов — к выходам дат9207 2

50

5

30 чика 9 направления тока, на который подается ток нагрузки инвертора.

Одна фаза инвертора (фиг. 2) содержит вентильный полумост на основных тиристорах 10 и 11 и обратных диодах 12 и 13, узел 14 искусственной коммутации, фазу нагрузки 15, последовательно с которой включен датчик 16 тока нагрузки; датчик 17 напряжения питания инвертора, выходы датчиков 16 и 17 связаны с входами датчика 9 и интегратора 2 соответствен— но, а управляющие входы основных тиристоров 10 и 11 и узла 14 искусственной коммутации соединены с соответствующими выходами блока распределения импульсов.

Блок распределения импульсов (фиг. 3) состоит из двух элементов

И 18 и 19, первые входы которых соединены с выходами модулятора, а вторые входы — с выходами датчика направления тока. Прямые выходы элементов И соединены с управляющими элект— родами основных тиристоров непосредственно, а инверсные с управляющими входами узла 14 — через дифференцирующие конденсаторы 20 и 21.

Задающий генератор трехфазного синусоидального напряжения имеет нерегулируемую частоту и регулируемую амплитуду. Такой генератор может быть выполнен, например, на базе автогенератора с RC-ñâÿçÿìè и множительными устройствами на выходе для регулирования амплитуды выходного напряжения в функции напряжения задания. Однофазный генератор треугольного напряжения имеет постоянную амплитуду напряжения и регулируемую частоту. Подобный генератор получается при соединении в кольцо интегратора и релей-. ного элемента с симметричной двухпозиционной характеристикой (например, на основе триггера Шмидта). Причем

его частота регулируется вверх и вниз относительно частоты задающего генератора синусоидального напряжения, разность этих частот определяет частоту и порядок следования фаз выходного напряжения инвертора.

Блоки I 4 и 6 являются общими для всех трех каналов устройства для управления трехфазным инвертором напряжения, на фиг. I изображен только один канал для управления одной фазой инвертора.

1 !1920/ 4

Функ!(ион»льный преобр».3ов»тель 13hfполне« в виде диод«о-рез«стив«ой цепи, в которой положение движков потенциоме гров 22 и величина сопротивлений резисторов 23-25 определяют соответствующие точки излома при кусочно-линейной аппроксимации зависимости .(фиг. 4), а величина сопротивлений резисторов 26-31, определяет угол наклона участков аппроксимации lp указанной зависимости. Диоды 32-34 нелинейные элементы, изменяющие конфигурацию цепи в зависимости от величины напряжения задания. На операционном усилителе 35 выполнен сумми- 15 рующий усилитель, а на операционном усилителе 36 и резисторах 37-39 инвертор.

Работу устройства для управления

20 рассмотрим с помощью временных диаграмм напряжений и токов (фиг. 5), где а — напряжение одной фазы задающего генератора 4, — строб-сигналы первого выхода генератора 6, предназ- 25 наченные для управления ключом блока

5 запоминания. На короткое время действия строб-сигнала ключ замыкается и конденсатор блока запоминания заряжается до напряжения, равного напря- gp жению генератора 4 в этот момент.

Таким образом, стробируя синусоиду, получаем ступенчато-аппроксимированное синусоидальное напряжение (фиг. 5 в), амплитуда которого равна амплитуде синусоиды генератора 4,а частота — разности частот синусоиды и стробирования. Это ступенчатое напряжение подается на один вход широтно-импульсного модулятора, на второй 40 вход которого поступает напряжение треугольной формы (фиг. 5 в) с генератора 6. На двух выходах модулятора

7 получаются при этом две широтно-модулированные последовательности им- 45 пульсов (фиг. 5 r,д). Импульсное напряжение на нагрузке, соответствующее этим импульсам модулятора, имеет вид, изображенный на фиг. 5 е, где одновременно показана кривая тока при gp предположении активно индуктивного характера нагрузки. От тока нагрузки в датчике 9 направления тока формируются два единичных сигнала (фиг.5 ж,з), соответствующие положительной и отрицательной полуволнам тока. Под действием первого единичного сигнала (фиг. 5 ж) селектируются импульсы " первого выхода модулятора (фиг. 5 г), B ре 3 v, (1 т 3 те ((оу!уч !ютс !1 I(>!!I v !1Å. (. ы "1! рав:(eI«133 фи! . 5 и u«I((.нны тиристорОм 10 ф» 31! инвертор». 110 задним фронт!1."! 3 1 I!х импульсОв у с()ОТ!3етствую ших момент»м выключения основного тиристора 10, в блоке 8 путем дифференцирования формируются (фиг. 5 к) короткие импульсы упр»вле«ия тиристором той части узла 1(! искусственной коммутации, которая обеспечивает выключение основного тиристора 10. Аналогично под действием второго единичного сигнала г!»тчик» 9 (фиг. 5 з) селектируются импульсы второго ныхо— да модулятора (фиг. 5 д), в результа— те получаются импульсы (фиг. 5 .л) управления вторым основным тиристором

11 фазы инвертора. По заданным фронтам этих импульсов, соответствующих моментам выключения основного тиристора ll,в блоке 8 формируются (фиг. 5 м) короткие импульсы управления тиристором той части узла 14 искусственной коммутации, которая обеспечивает выкл!очение основного тиристора Il.

Регулирование величины первой гармоники выходного напряжения инвертора осуществляется сигналом задания амплитуды U>, который через сумматор 1 и функциональный преобразователь 3 задает амплитуду выходного напряжения генератора 4 (фиг.5 а), а значит и амплитуду ступенчато-аппроксимированной синусоиды (фиг. 5 в), поступающей на модулятор 7. Этим самым регулируется ее относительная (по отношению к нерегулируемой амплитуде пилообразного напряжения генератора 6) величина, т.е. изменяется глубина модуляции, а значит и величина первой гармоники выходного напряжения инвертора. Последняя зависит и от величины среднего значения напряжения питания инвертора. Если это напряжение равно номинальной величине, то сигнал на второй вход сумматора

I от интегратора 2, следующего за средним значением напряжения питания инвертора, не поступает. При повьппении напряжения питания на выходе инвертора выходной сигнал интегратора 2, пропорциональный приросту этого напряжения над номинальной величиной, имеет знак, противоположный сигналу задания U на втором входе сумматора, что приводит к пропорциональному уменьшению вьгходного напряжения гене5 13192 ратора 4, а значит и глубины модуляции. В результате первая гармоника выходного напряжения инвертора не увеличивается несмотря на увеличение напряжения питания. При уменьшении напряжения питания инвертора выходнои сигнал интегратора 2 имеет уже иную полярность и через сумматор l воздействует в направлении увеличения глубины модуляции, что не позволяет пер†f0 вой гармонике выходного напряжения инвертора уменьшиться в этой ситуации. Таким образом, обеспечивается линеаризация регулировочной характевыходного напряжения инвертора от колебаний его напряжейия питания. Функциональный преобразователь 3 при этом

1 ведет себя как пропорциональное .звено, пока величина сигнала задания U> не превышает некоторой величины U (фиг.4), соответствует глубине моду20 ляции, равной единице при номинальном входном напряжении инвертора.

Частота выходного напряжения инвертора регулируется сигналом зада25 ния частоты, воздействующим на частоту треугольного напряжения генератора 6. При ее изменении меняется и частота строб-импульсов (фиг. 5 б), 30 а значит и частота ступенчато-аппроксимированной синусоиды (фиг. 5 в) на входе модулятора 7. При линейной зависимости частоты генератора 6 от напряжения на его входе выходная час- 35 ристики инвертора, т.е. независимость f5

О7 6 увеличивается (фиг. 4, кривая U . ), а значит также увеличивается и амплитуда синусоиды генератора 4 до такой величины, чтобы сохранилась линейная зависимость первой гармоники выходного напряжения инвертора от напряжения U (фиг. 4, кривая U ).

Возникает режим перемодуляции, эпюры напряжений для этого режима показаны на фиг. 6, причем развертки а-м последней идентичны соответствующим разверткам а-м фиг. 5.

Для обеспечения и в этом режиме линейной регулировочной характеристики (зависимости величины первой гармоники выходного напряжения от напряжения U>) характеристика функционального преобразователя при U > U

Ф

1 (фиг. 4) должна определяться следующим образом.

Сначала находим зависимость первой гармоники выходного напряжения инвертора U(,i (при допущении бесконечной большой кратности-частоты коммутации и выходной частоты) от величины перемодуляции, численно Равной относительной величине выходного напряжения У „„ функционального преобразователя

4 1

U „= -„sin(arccos )+1— (11 Г Ue,ь|х

2 1 — arccos

П sstx

1 1 — sin(2arccos ).

Пвь х

50

55 тота инвертора также является линейной функцией сигнала задания.

Импульсы управления тиристорами узла 14 искусственной коммутации инвертора разделены не менее, чем полупериодом треугольного напряжения генератора 6, независимо от глубины модуляции частоты выходного напряжения инвертора (фиг. 5 к,м). Это означает, что в предлагаемом устройстве нет ограничений на глубину модуляции, присущих известным системам, что позволяет увеличить выход первой гармоники в напряжении инвертора и этим самым повысить использование напряжения источника питания инвертора вплоть до теоретически предельно возможного.

Для дос-.ижения этого напряжение задания амплитуды Uq устанавливается больше, чем U (фиг.4). При этом величина выходного напряжения функционального преобразователя 3 резко

Если потребовать линейной зависимости U(,1 от напряжения U>, то в этой формуле вместо U(„ надо подставить напряжение U>. Кривая U<, связи напряжения U>, являющегося входным напряжением функционального преобразователя (при номинальном напряжении на входе инвертора), с выходным напряжением функционального преобразователя построена на фиг. 4.

В предельном случае, т.е. при U =.

У вЂ” 1 27 выходное напряжение одноУ фазного инвертора становится прямоугольным, а трехфазного инвертора прямоугольно-ступенчатым (фиг. 6 н)..

Первая гармоника выходного напряжения инвертора при этом увеличивается также в 1,27 раза по сравнению со случаем полной модуляции (при U =1).

Практически уже при глубине модуляции равной трем, что соответствует

Uy=l,215, выход первой гармоники бли7 )3) зок к пре-пе (иному (отличается на

0,055 от предельного значения 1,27).

Таким образом, введение функционального преобразователя 3 и блока 8 распределения импульсов 8, управляемого указанным образом от датчика 9 направления тока, позволяет увеличить глубину модуляции, а значит и величину первой гармоники выходного напряжения и этим улучшить качество выходного напряжения и обеспечить практически полное использование напрггжения источника питания инвертора. Добавление в систему управления сумматора 1 и интегратора 2 линеаризует регулировочную характеристику и в режиме нормальной модуляции, и в режиме перемодуляции. Выполнение задающего генератора высокочастотным нерегулируемым по частоте существенно упрощает систему управления, упрощается и блок логики за счет исключения из него элементов задержки на время коммутации.

Дополнительные преимущества предлагаемой системы управления связаны с уменьшением в цва раза частоты следования импульсов управления узлом 14 (фиг. 5 к,м), что снижает в два раза частоту коммутации в инверторе, а значит уменьшает потери активной мощности на коммутацию, что повышает КПД. формула и э о б р е т е н и я ,устройство для управления инвертором напряжения, содержащее общие для всех фаз задающий генератор трехфазного синусоидального напряжения, генератор треугольного напряжения с входом задания частоты, выходы задающего генератора трехфазного синусоидального напряжения соединены с первыми входами блоков запоминания для соответствующих фаз, к вторым входам которых подключен выход формируемых в моменты максимумов треугольного напряжения коротких импульсов генератора треугольного напряжения, выход блока запоминания в каждой фазе

9207 Я подключен к первому входу широтноимпульсного модулятора, второй вход которого соединен с выход м треугольного напряжения генератора треугольного напряжения, и распределитель импульсов в каждой фазе, о т и и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения качества выходного напряжения, линеаризации регулировочной ха)0 рактеристики и упрощения устройства, оно снабжено последовательно соединенными интегратором, сумматором и функциональным преобразователем, у которого

15 U. =Us„„, при U - U

U = = sin(arccos )+ 1—

7 Ц °

2 ) — = arccos

7(Ue, х

= sin (2arccos ), npn U> U ., +

ЯРч где U„„,„ — выходное напряжение функционального преобразова25 теля;

Uy — сигнал задания амплитуды;

U — величина Uz, соответствую— щая глубине модуляции, равной единице при номинальном входном напряжении

30 инвертора, вход интегратора соединен с выходом датчика напряжения питания инвертора, второй вход сумматора является входом задания амплитуды выходного напряже35 н« инвертора, а выход функционального преобразователя соединен с входом задающего генератора трехфазного синусоидального напряжения, задающий генератор трехфазного синусоидального

40 напряжения выполнен высокочастотным с регулируемой амплитудой выходного напряжения, а блок распределения импульсов содержит два элемента И, первые входы которых соединены с прямым

45 и инверсным выходами широтно-импульсного модулятора, вторые входы подключены к выходу датчика направления тока нагрузки, выходы элементов И предназначены для подключения к вентилям

50 инвертора, прямые — непосредственно, а инвертирующие — через дифференцирующие конденсаторы.

1319207

К системе у правления

0m сисп емы упраЬения

Фиг. Я

1319207!

319207

S л фиаЕ

Фи@ 7

Составитель А. Меркулова

Редактор И. Шулла Техред Н.Глущенко Корректор Л. Патай

Заказ 2525/52 Тираж 660 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4