Устройство для управления преобразователем с многоуровневым выходным напряжением для электропривода

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при разработке систем частотно-регулируемого электропривода. Цель изобретения - улучшение гармонического состава выходного напряжения преобразователя . Генератор 1 тактовых импульсов связан с генератором 2 развертьтающего напряжения и с регистром 3, который подключен к распределителю 4 управляющих импульсов. Входы распределителя 4 управляющих импульсов подключены через элемент ИЛИ 16 к компараторам 11-15. Введение сумматоров 21 и 27, источников 22 и 30 постоянного напряжения и ключей 29, 28 и 32 позволяет обеспечить в процессе регулирования частоты преобразователя с миогоуровневым выходным напряжением сравнительно небольшую продолжительность пауз нулевого уровня между импульсами кривой выходного напряжения. За счет этого достигается улучшение спектрального состава выходного сигнала преобразователя в процессе связанного регулирования величины и частоты выходного напряжения . 2 ил. (Л

СООЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (504 Н02M 7 48

П, 13

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

Н А BTOPCKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4074101/24-07 (22) 06.05.86 (46) 23.01 .88. Бюл. У 3 (71) Отдел энергетической кибернетики АН МССР и Московский энергетический институт (72) О.Г.Булатов, С.В.Одынь, В.И.Олещук и Е.Е.Чаплыгин (53) 621.316.727 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

HI 1181097, кл. Н 02 М 7/48, 1985.

Авторское свидетельство СССР

В 1272430, кл. Н 02 М 7/48, 1985. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ С МНОГОУРОВНЕВЫМ ВЫХОДНЫМ

НАПРЯЖЕНИЕМ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА (57) Изобретение относится к элекчротехнике и может быть использовано при разработке систем частотно-регулируемого электропривода. Цель изобретения — улучшение гармонического состава выходного напряжения преобЛ0» 1368948 А1 разователя. Генератор 1 тактовых импульсов связан с генератором 2 pasвертивающего напряжения и с регистром 3, который подключен к распределителю 4 управляющих импульсов. Входы распределителя 4 управляющих импульсов подключены через элемент ИЛИ

16 к компараторам 11-15. Введение сумматоров 21 и 27, источников 22 и 30 постоянного напряжения и ключей

29, 28 и 32 позволяет обеспечить в процессе регулирования частоты преобразователя с многоуровневым выходным напряжением сравнительно небольшую продолжительность пауз нулевого уровня между импульсами кривой выходного напряжения. За счет этого достигается улучшение спектрального состава выходного сигнала преобразователя в процессе связанного регулирования величины и частоты выходного напряжения. 2 ип.

1 %8948

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и может быть использовано при разработке систем частотно-регулируемого электропривода на базе вентильных преобразователей.

Цель изобретения — улучшение гармонического состава выходного напряжения преобразователя в процессе свя- 10 занного регулирования частоты и величины его выходного напряжения.

На фиг.1 показана функциональная схема устройства управления; на фиг.2 — временные диаграммы, поясняю- 1< щие принцип его работы.

На нижнем частотном диапазоне на полупериоде кривой выходного сигнала преобразователя формируются пять импульсов. Соответственно амплитуда им- 20 пульсов кривой выходного напряжения могут принимать три фиксированных значения А,, А, А . Количество нормированных усилителей в схеме в этом случае равно трем (и 3).

25 Генератор 1 тактовых импульсов, частота следования которых определяет выходную частоту преобразователя, связан с генератотом развертывающего пилообразного напряжения 2 и с ре- ЗО гистром 3. Выход регистра 3 подключен к первому входу логического распределителя 4 управляющих импульсов. Выход генератора 2 соединен с датчиком

5 амплитуды пилообразного напряжения, сигнал с выхода которого поступает на входы усилителей 6-8 с нормированными и разными коэффициентами передачи, а также на плюсовый вход су матора 9. 11инусовый вход сумматор. 9 свя- 40 эан с вспомогательным источником 10 постоянного напряжения .

Выход генератора 2 пилообразного напряжения соединен также с входами компараторов 11 — 15, включающих вы- 46 ходные формирователи коротких однополярных импульсов, которые через элемент ИЛИ 16 связаны с распределителем 4. Вторые входы компараторов

12-15 соединены через ключи 17-20 со- 80 ответственно с сумматором 21, основным источником 22 постоянного напрякения, с выходами усилителя 6 и сумматора 9. Сумматор 21 связан также с одним из входов сумматора 23, а источник 22 присоединен к сумматору

24. Вторые входы сумматоров 23 и 24 связаны с вспомогательным источником 10, выходы сумматоров 23 и 24 трисоединены к первым входам блоков

25 и 26 сравнения. На второй вход блока 25 сравнения поступает выходной сигнал сумматора 9, второй вход блока 26 связан с выходом усилителя 6.

Выход усилителя 8 подсоединен к минусовому входу сумматора 27. Qpyrue минусовые входы сумматора 27 соединены через ключи 28 и 29 соответственно с источниками 30 и 31 напряжения. Плюсовой вход сумматора 27 связан с источником 22, а выход сумматора 27 подключен к первому входу компаратора ll. На входы сумматора

21 поступают сигналы с выхода усилителя 7 и через ключ 32 от источника 30. Управляющая цепь ключа 29 связана с инверсным выходом блока 25 сравнения, управляющие каналы ключей 28 и 32 соединены с инверсным выходом блока 26. Прямой выход блока 25 сравнения присоединен к управляющим цепям ключей 17 и 20, а также к распределителю 4. Прямой выход узла 26 сравнения связан с входом распределителя 4 и с управляющими цепями ключей 18 и 19.

В основе работы схемы лежит вертикальный принцип управления. Тактовые импульсы генератора 1, задающего частоту выходного напряжения преобразователя, поступают на вход генератора 2 пилообразного напряжения, выходной развертывающий сигнал U которого имеет постоянную крутизну и изменяющуюся в. зависимости от частоты амплитуды (фиг,2). Период сигнала U соответствует при этом полупериоду выходного напряжения инвертора. Амплитуда напряжения U постоянно фиксируется датчиком 5 амплитуды, выходной сигнал U< которого поступает на плюсовой вход сумматора 9 и из вели— чины которого в сумматоре 9 производится вычитание небольшого по амплитуде сигнала вспомогательного источника 10 (напряжения блоков 9 и 10 обозначены соответственно как U и 1О

Сигнал датчика 5 поступает также на входы усилителей 6-8 с нормированными и разными коэффициентами передачи абсолютная величина которых меньше единицы. Соответственно с изменением амплитуды выходного напряжения блока 5 изменяет величина выходных сигналов усилителей 6-8 U6, U, 1368948

25

30 (фиг. 2). При этом на всем диапазоне регулирования U > U . Напряжения усилителей 6 (через ключ 19) и 7 (через сумматор 21 и ключ 17), источника 22 (через ключ 18) и сумматор 9 (через ключ 20) подаются соответственно на входы компараторов 14, 12, 13 и 15 и постоянно сопоставляются в них с развертывающим пилообразным напряжением

U генератора 2.

На второй вход компаратора ll поступает сигнал U< с выхода сумматора 27, который на нижнем частотном диапазоне равен разности напряжений

U< источника 22 и Us усилителя 8.

При этом на нижнем частотном диапазоне (фиг.2а) U> 7 Uz r Uzz w U Uzr

-U . Ключи 17-20 в соответствии с командами блоков 25 и 26 сравнения находятся в замкнутом состоянии.Компараторами 11-15 в моменты равенства напряжений на их входах вырабатыва-. ются короткие однополярные импульсы, поступающие через элемент ИЛИ 16 на логический распределитель 4, который в моменты поступления от компараторов укаэанных импульсов вырабатывает команды на формирование фронтов соответствующих импульсов кривой выходного напряжения преобразователя U „„, которая синтезируется в этом случае из пяти импульсов на полупериоде (фиг.2а). Единичные сигналы на прямых выходах блоков 25 и 26 сравнения через замыкающие ключи 17-20 передают— ся также на соответствующие входы логического распределителя 4, в соответствии с чем на нижнем частотном поддиапазоне амплитуды выходных импульсов имеют минимальное значение

) равное А,.

Повышение частоты выходного сигнала преобразователя, вызываемое соответствующим изменением частоты следования тактовых импульсов генератора

1, сопровождается пропорциональным изменением (уменьшением) амплитуды сигнала U генератора 2 развертывающего напряжения и соответственно уменьшением выходных сигналов усилителей 6-8. При.этом в определенный момент времени, когда длительности крайних на полупериоде импульсов близки к минимальной величине, выходной сигнал U усилителя 6 уменьшается до такой степени, что сравнивается с сигналов сумматора 24, равного сумме напряжения источников 10 и 22. В этот

55 момент (фнг.2б) по команде блока 26 сравнения размыкаются ключи 18 и 19 и замыкаются ключи 28 и 32. В кривой выходного напряжения преобразователя начинает формироваться по три импульса на полупериоде, причем иэ-з, и: менившегося c0cтояния прямого виконт блока 26 сравнения распределителем 4 на данном поддиапазоне регулирования вырабатываются команды на синтезирование выходных импульсов с амплитудой A„, большей, чем на предыдущем поддиапазоне ° С целью исключения броска в величине напряжения в момент перехода от одного поддиапазона регулирования к другому длительности выходных импульсов одновременно уменьшаются на одинаковую величину, определяемую величиной напряжения источника 30, подключаемого к входам сумматоров 21 и 27.

В процессе дальнейшего повышения частоты выходного напряжения преобразователя, как и на предыдущем поддиапазоне, формирование крайних на полупериоде фронтов выходных импульсов производится устройством в моменты равенства сигналов Uz u U . Выходное напряжение усилителя 7, складываясь в сумматоре 21 с сигналом источника 30 и поступая на второй вход компаратора 12, определяет моменты формирования вторых фронтов крайних на полупериоде импульсов выходной кривой. С увеличением частоты указанные фронты синхронно и симметрично сдвигаются к центру, одновременно пропорционально увеличивается длительность центрального на полупериоде импульса, благодаря чему прн росте частоты наблюдается близкое к пропорциональному увеличение величины выходноro напряжения преобразователя.

Работа преобразователя на указанном поддиапазоне продолжается до тех пор, пока выходной сигнал сумматора

9, поступающий на вход блока 25 сравнения, не сравняется по величине с напряжением сумматора 23, равного сумме сигналов источника 10 и сумматора 21. После этого момента сигналы с прямого выхода блока 25 размыкают ключи 17 и 20, а командное напряжение с инверсного выхода блока 25 замыкает ключ 29, подключая напряжение источника 31 к минусовому входу сумматора 27 и уменьшая тем самим длительность центрального на полуперио1 368948 де импульса. Амплитуда центрального выходного импульса в соответствии с командой распределителя 4, при этом увеличивается и достигает максимального значения Аэ ° Указанному поддиапазону повышенных выходных частот преобразователя соответствуют временные диаграммы, приведенные на фиг.2в.

Дальнейшее повышение выходной частоты производится путем пропорционального изменения (увеличения) длительности выходного импульса, сопровождаемого соответствующим увеличением

15 величины выходного напряжения вплоть до момента достижения выходным напряжением максимального значения, близкого по абсолютной величине к значению 4 A . При уменьшении частоты выВеличина напряжений источников 22, 30 и 31 постоянного напряжения и коэффициентов передачи усилителей 6-8, а также количество источников и усилителей выбираются исходя из комплексного рассмотрения требований к качеству гармонического состава выходного сигнала преобразователя и к линейности его регулировочной харак25

30 теристики в процессе связанного peryлирования частоты и напряжения с учетом параметров силовой схемы преобразователя, определяющих амплитуду импульсОв кривой выходного напряжения.

Интервалы нулевого уровня между импульсами кривой выходного напряжения на всех поддиапазонах регулирова» ия

35 имеют небольшую продолжительног ь по сравнению с длительностями выходных импульсов, благодаря чему достигается заметное улучшение спектрального

40 состава выходного напряжения преобразователя на большей части диапазона

45 регулирования.

Продолжительность паузы нулевого уровня на границах полупериода выходной кривой преобразователя ограничивается ня уровне значения 2F», величина о „„ц при этом является минимально допустимыМ интервалом с позиции обеспечения времени, необходимого для восстановления коммутационными узлами силовой схемы своих запирающих свойств (фиг, 2) . Величина b„„„ зависит в первую очередь от частотных свойств силовых цепей преобразователя, требуемое значение F „„„(для

55 ходного сигнала такие процессы повто- 20 ряются в обратной последовательности.

4 ху 25 U16 э

1"16 ху 46 U«1

Д <5 26 э

Таким образом, ройство позволяет

1 4 xyUas 26 э

ЖД ху1.116 46 ° предлагаемое устзначительно улучмощнь»х тиристорных схем это время составляет обычно сто-двести микросекунд) обеспечивается соответствующим выбором величины постоянного напряжения U источника 10.

Распределение командных сигналов на управляемые силовые вентили преобразователя осуществляет логический распределитель 4 устройства управления. Наиболее распространенными структурами преобразователей с многоуровневым выходным напряжением, формируемым из импульсов неодинаковых амплитуд, являются схемы, содержащие присоединенное к нерегулируемому источнику питания мостовое инверторное звено, нагрузкой которого является трансформатор с секционированной вторичной обмоткой, к выводам секций которого присоединены встречно-параллельно включенные силовые ключи. Вентили мостового инвертора звена первичной стороны попеременно и попарно переключаются из одного состояния в другое, а формирование соответствующих амплитуд импульсов на нагрузке производится соответствующим синхронным и последовательным переключением вентилей вторичной стороны. В соответствии со структурой силовой схемы распределитель 4 имеет в своем составе триггерное звено, связанное по счетному входу с элементом ИЛИ 16, а по выходу — с комбинационным логическим устройством распределителя 4, соединенного также с выходами регистра 3 и блоков 25 и 26 сравнения. Выходные сигналы регистра 3 (триггерного звена со счетным входом) определяют полярность импульсов кривой выходного напряжения преобразователя. Обозначая сигнал на выходе триггерного звена распределителя 4 через х, сигнал регистра 3 через у, сигналы с выходов блоков 25 и 26 сравне75 76 вторичной стороны преобразователя, осуществляющие формирование амплитуд

А,-А, соответствующими индексами, получаем основные логические уравнения, описывающие комбинационное устройство распределителя 4

1368948 шить гармонический состав выходного многоуровневого напряжения преобразователя в процессе связанного широкодиапазонного регулирования величины и частоты выходного сигнала.

На всем диапазоне регулирования при этом поддерживается близкая к постоянной величина отношения величины выходного напряжения к частоте, что делает особенно перспективным использование предложенного устройства для управления преобразователями, входящими в состав систем частотно-регулируемого электропривода.

Формула изобретения

Устройство для управления преобразователем с многоуровневым выходным напряжением для электропривода, содержащее и нормированных усилителей, вспомогательный и (n-1) основноых источников постоянного напряжения, и. сумматоров, (n-1) блоков сравнения, (2n-1) ключей, генератор тактовых импульсов, связанный с генератором пи-. лообразного напряжения и с регистром, присоединенным к первому входу логического распределителя управляющих импульсов, выход генератора пилообразного напряжения связан с датчиком амплитуды пилообразного напряжения и с первыми входами (2n-1) компараторов с выходными формирователями коротких однополярных импульсов, к вторым вхо-.. дам всех компараторов, кроме первого, подсоединены ключи, а выходы компараторов через элемент ИЛИ присоединены к второму входу распределителя управляющих импульсов, выход датчика амплитуды пилообразного напряжения связан с плюсовым входом первого сумматора, к минусовому входу которого подключен вспомогательный источник постоянного напряжения, связанный. также с первыми входами остальных сумматоров, выходы которых присоединены к первым входам блоков сравнения, выходы первого усилителя, первого сумматора и основных источников постоянного напряжения связаны с соответствующими ключами, основные источники постоянного напряжения, за исключением (n-1)-го, связаны с вторыми входами соответствующих сумматоров, начиная с второго, вторые входы. всех блоков сравнения, кроме первого, связаны с выходом первого сумматора, прямые выходы всех блоков сравнения.

55 кроме (n-1)-ro, соединены с управляющими цепями ключей, включенных между соответствующими основными источниками постоянного напряжения и вторыми входами соответствующих компараторов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью улучшения гармонического состава выходного напряжения преобразователя, оно снабжено дополнительньяи (n-1) сумматорами, (и-2) источниками постоянного напряжения и с

n(n-1)

1 ключами, причем выход датчика амплитуды пилообразного напряжения связан с входами всех усилителей, выход первого усилителя подсоединен к второму входу первого блока сравнения, выход и-го усилителя связан с первым минусовым входом первого дополнительного сумматора, дополнительные источники постоянного напряжения через соответствующие . группы дополнительных ключей подсоединены к другим соответствующим минусовым входам первого дополнительного сумматора и к входам. остальных дополнительных сумматоров, выходы всех усилителей, sa исключением первого и п-го, подключены к другим входам соответствующих дополнительных сумматоров, выходы всех дополнительных сумматоров, кроме пepBoro, связаны с соответствующими основными ключами и с вторыми входами всех основных сумматоров, кроме первого и второго, (n-2)-й основной источник постоянно— го напряжения соединен с полюсовым входом первого дополнительного сумматора, и-й минусовый вход которого через соответствующий основной ключ, управляющая цепь которого подсоединена к инверсному выходу (n-1)-го блока сравнения, связан с (n-1)-м основным.источником постоянного напряжения, инверсные выходы остальных блоков сравнения связаны с управляющими цепями соответствующих групп дополнительных ключей, прямые выходы всех блоков сравнения связаны с соответствующими дополнительными входами распределителя, кроме того, прямой выход первого блока сравнения соединен суправляющей цепью основного ключа, включенного между первым усилителем и соответствующим компаратором, прямые выходы остальных блоков сравнения связаны с управляющими цепями основных ключей, включенных между до9 П6 8948 полнительньии сумматорами, а прямой выход (n-I)-ro блока сравнения подсоединен также к управляющей цепи основного ключа, связанного с первым сумматором и соответствующим компаратором.

uf ui иу us-uN

Фиа 2

Составитель О.Парфенова

Техред Л.Олийнык Корректор Л.Патай

Редактор А.Козориз

Заказ 312/54 Тираж 665 Подписно е

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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