Устройство для управления трехфазным мостовым инвертором

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„80„„1469533 А1 (51)4 Н 02 М 7/48

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И О 1НРЦТИЯМ

flPH ГННТ СССР

- ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4078163/24-07

j(22) 11.05.87 (46) 30.03.89. Бюл. В 12 (71) Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики при

Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники (?2) В.H.×åðåìañaí, А.Ю.Рождественский, Н.А.Михневич и А.Вефедоров (53) 621.316.727(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1102013, кл. Н 02 М 7/48, 1984.

Авторское свидетельство СССР

Р 534843, кл. Н 02 М 5/257, 1976.

-(54) УСТРОЯСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ТРКХФАЗНЬЩ МОСТОВЫМ ИНВЕРТОРОМо

;(57) Изобретение относится к эЛектро1 технике и может быть использовано при создании регулируемых полупро.водниковых электроприводов с авто, номными инверторами напряжения с ши

:ротно-импульсной модуляцией. Целью изобретения является улучшение гарИзобретение относится к преобразовательной технике и предназначено для управления трехфазным мостовым инвертором с широтно-импульсной мо дуляцией выходного напряжения, работающим в системе преобразователь частоты — асинхронный двигатель.

Целью изобретения является улучшение гармонического состава и обеспечение независимости формы выходного напряжения от параметров нагрузки в широком диапазоне регулироваз ния. монического состава и обеспечение независимости формы выходного напряжения от параметров нагрузки в широ" ком диапазоне регулирования. Устройство содержит задающий генератор 1, делитель частоты 2, кольцевую пересчетную схему 3, формирователи 4, 5 несущих и модулирующих сигналов соответственно, распределитель 6 выходных сигналов, схему 7 переключения несущих сигналов, переключатель

8 кратности модуляции, блок 9 компараторов частоты, источник 10 задающего сигнала напряжения. Устройство осуществляет формирование, обработку и распределение импульсов управления с; по управлнющнм входам трехфазного мостового инвертора. Цель достигается путем модуляции управляющих сигналов силовых вентилей трехфазного мостового инвертора, прн которой последовательность импульсов управления состоит из модулированных и немодулированных участков. 4 ил.

4ь

Данное устройство не обеспечивает в выходном напряжении малое содержание низших гармонических составляющих, что связано с выбранным способом задания модулирующих сигналов.

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства для управления трехфазным мостовым инвертором;на фиг.2 и 3 — временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства;на фиг.4зависимости показателя эффективности от угла регулирования.

1469533

Устройство для управления трехфазным мостовым инвертором (фиг.1) сосодержит последовательно соединенные задающий генератор 1 и делитель 2 частоты, кольцевую пересчетную схему

3, формирователь 4 несущих сигналов, формирователь 5 модулирующих сигналов, распределитель 6 выходных сигналов, схему 7 переключения несущих сигналов, переключатель 8 кратности модуляции, блок 9 компараторов частоты и источник 10 задающего сигнала напряжения, при этом формирователь 4 несущих сигналов содержит последовательно соединенные генератор

11 пилообразного напряжения и инвертирующий усилитель 12, выходы которых подключены к управляющим входам двух компараторов 13 и 14 напряжения соответственно, а задающие входы компараторов 13 и 14 объединены и подключены к источнику 10 задающего сигнала напряжения, формирователь 5 модулирующих сигналов содержит шесть элементов 2И 15.1...15.6, схема 7 переклю чения несущих сигналов содержит два элемента 2И 16.1 и 16.2, переключатель 8 кратности модуляции содержит первый 17.1, второй 17.2, третий

17.3 элементы 2И, соединенные выхода30 ми через дифференцирующие схемы

18.1...18.6 с входами элемента бИЛИ

19, элемент 4И 20, подключенный первым входом к . первому входу первого элемента 2И 17.1, вторым и третьим 35 входами к выходам второго элемента

2И 17.2 и четвертым входом к второ му входу второго элемента 2И 17.2, элемент ЗИ 21 первый вход которого связан с первым входом элемента 4И

20, вторбй вход с прямым выходом третьего элемента 2И 17.3 и третий подключен к второму входу третьего элемента 2И 17,3, четвертый элемент 2И.

22., первый вход которого связан с 45 первым входом элемента ЗИ 21, второй вход с вторым входом первого элемента 2И 17.1, выходы элементов 4И.20, ЗИ 21 и четвертого элемента 2И 22 связаны с входами элемента ЗИЛИ 23, 50 задающий. генератор 1 соединен с бло-L ком 9 компараторов частоты, выходы которого подключены к первым входам элементов 2И 17.1...17.3, 22 переключателя 8 кратности модуляции, к 55 вторым их входам подключены выходы

24.;.26 промежуточных разрядов делителя 2 частоты, выходом старшего разряда подключенного к входу кольцевой пересчетной схемы 3, выход элемента

6ИЛИ 19 переключателя 8 кратности модуляции подключен к тактовому входу генератора 11 пилообразного напряжения формирователя 4 несущих сигналов, при этом выходы компараторов !3 и

14 формирователя 4 несущих сигналов соединены с первыми входами элементов 2Й 16.1 и 16,2 соответственно схемы 7 переключения несущих сигналов, вторые входы которых подключены к выходам элемента ИЛИ 23 переключателя 8 кратности модуляции, выходы элементов 2И 16,1 и 16.2 схемы 7 переключения несущих сигналов подключены к первой группе входов распределителя 6 выходных сигналов, вторая группа его входов соединена с выходами шести элементов 2И 15.1... 15.6 формирователя 5 модулирующих сигналов,подключенных входами к выходам кольцевой пересчетной схемы 3, при этом выходы 27. ° .32 распределителя 6 выходных сигналов предназначены для подключения к управляющим входам трехфазного мостового инвертора.

На фиг.2 обозначены: 33 — сигнал на выходе задающего генератора 1, 34...36 - сигналы на выходах 26, 25, 24 промежуточных разрядов делителя

2 частоты, 37 - тактовые сигналы на выходе элемента 6ИЛИ 19 переключателя 8 кратности модуляции, 38 — сигнал на выходе инвертирующего усилителя 12 формирователя 4 несущих сигналов,39 — сигцал на выходе генератора 11 пилообразного напряжения формирователя 4 несущих сигналов, 40сигнал на выходе источника 10 задающего напряжения, 41 — сигнал на прямом выходе элемента ЗИЛИ 23 переключателя 8 кратности модуляции, 42сигнал на выходе компаратора 14 напряжения формирователя 4 несущих сигналов, 43 -. сигнал на выходе компаратора 13 напряжения формирователя

4 несущих сигналов, 44 — сигнал на выходе элемента 2И 16.2 схемы 7 переключения несущих сигналов, 45 — сигнал на выходе элемента 2И 16.1 схемы

7 переключения несущих сигналов, 46...51 — сигналы на выходах элементов

2И f5.1... 15.6 формирователя 5 мо-, дулирующих сигналов, 52...59 - моменты времени, соответствующие

О, 60, 120, 180, 240, 300, 360, 420 эл.град, фазного напряжения ин14695

5 вертора. 60...64 — моменты времени, соответствующие переключению силовых вентилей на интервале 0120 эл.град., 65 — момент переключения кратности модуляции.

На фиг.3 обозначены: 65...68сигналы на выходах 27...29 соответственно распределителя 6 для подключения к управляющим входам силовых вентилей анодной группы трехфазного мостового инвертора, 69.. ° 71 сигналы на выходах 30...32 соответственно распределителя 6 для подключения к управляющим входам силовых 15 вентилей катодной группы трехфазного мостового инвертора, 72 и 73. — диаграммы фазного и линейного напряжения трехфазного мостового инвертора с предлагаемым устройством уп- 2п равления.

На фиг.4 обозначены: 74 — зависимость показателя эффективности К .от угла регулирования о трехфазно. го мостового инвертора с новым уст» 25 ройством управления, 75 — аналогичная зависимость для инвертора с. известным устройством. . Задающий генератор 1 (фиг.1) выполнен на основе генератора переменной частоты, управляемого напряжени», ем или кодом, .делитель 2 частотына основе двоичных счетчиков импульсов, кольцевая пересчетная схема

3 - на основе JK-триггеров распреS

35 делитель 6 выходных сигналов — иа основе шести многофункциональных логических элементов 3-2И-1-3И-ИЛИ-НЕ, блок 9 компараторов частоты — на основе двухвходовых компараторов часто", 4О ты,выполненных, например, на реверсивных счетчиках, источник 10 задающего сигнала напряжения представляет собой. любой регулируемый источник постоянного напряжения.

Устройство работает следующим образом.

При работе устройства (фиг.1) на выходе задающего генератора 1 формируется последовательность 33 импульсов (фиг.2), определяющая частоту

50 ,работы силовых вентилей инвертора.

Указанная последовательность 33 импульсов поступает на вход делителя

2 частоты и вход блока 9 компараторов частоты (фиг.1),при этом на. выходах 24...26 делителя 2 частоты формируются последовательности импульсов 36, 35, 34 (фиг.2), которые оп33 6 ределяют число тактовых интервалов в полупериоде выходного напряжения трехфазного мостового инвертора, равное

fdvi

К ° = — - — — — N

Эг где i = 1, 2, 3... — номер выхода промежуточного разряда делителя 2 частоты; — частота на одном из выходов промежуточных разрядов делителя 2 частоты;

Йз„ вЂ” частота на выходе задающего генератора 1;

М вЂ” наименьшее общее кратное числа импульсов в полупериоде выходного линейного напряжения.

Последовательности 36, 35, 34 импульсов с выходов 24, 25, 26 делителя 2 частоты поступают на первые входы элементов 2И 17.1 17.3

{фиг.1), на вторые их входы поступают сигналы с выходов блока 9 компараторов частоты, причем один из них, соответствующий рабочему диапазону для данной кратности модуляции, принимает значение лог."1", а остальные — лог."О". На фиг.2 до момента

65 сигнал "1" с выхода блока 9 компараторов частоты поступает на вход. элемента 2И 17.2, на другой его вход поступает последовательность 35 кмпульсов с выхода 25 делителя 2 частоты, при этом на выходах элемента

2И 17.2 формируется прямая и инверсная последовательности импульсов, соответствующие последовательности 35.

Далее обе указанные последовательности проходят через дифференцирующие схемы 18 ° 3 и 18.4, где по их переднему фронту формируются короткие импульсы, объединяемые с помощью элемента бИЛИ 19 в последовательность 37, которая поступает на тактовый вход генератора 11 пилообразного напряжения, при этом на его выходе формируется пилообразное напряжение 39 (фиг.2). °

Обратное пилообразное напряжение

38 формируется с помощью инвертирующего усилителя 12 (фиг. 1) при поступлении на его вход пилообразного напряжения 39 {фиг.2) с выхода генератора 11 пилообразного напряжения.

Прямое 39 и обратное 38 пилообразные напряжения (фиг.2) поступают на

1469533 управляющие входы компараторов 13 и

14, а на их задающие входы поступает сигнал 40 в виде регулируемого постоянного напряжения от источника

10 задающего напряжения. На выходах ,компараторов 13 и 14, которые работают как широтно-импульсные модуляторы, формируются две регулируемые

rto длительности последовательности

43, 42 несущих сигналов.

При этом у последовательности 42 регулируется задний фронт импульса, а у последовательности 43 - передний фронт. Регулируемая последовательность 42 с выхода компаратора ,14 поступает на первый вход элемен та 2И 16.2 схемы 7 переключения несущих сигналов,на второй вход которой поступает последовательность 41 с выхода элемента ЗИЛИ. 23. Формирование последовательности 41 опреде.. ляется состоянием сигналов на выходах блока 9. компараторов частоты. Так, в рассматриваемый момент времени . на разрешающие входы элементов ЗИ 21 и 2И 22 поступает уровень лог."0", а на разрешающий вход элемецта 4И 20 уровень лог."1" с соответствующих выходов блока 9 компараторов часто-. ты.Таким образом разрешается работа элемента 4И 20, на другие входы которого поступают последовательность

35 и инверсная ей, а также последовательность 36, что приводит к получению на выходе элемента 4И 20 последовательности 41,поступающей на один вход элемента ЗИЛИ 23. Эта последовательность 41 без искажений формируется на прямом выходе элемента ЗЕЛИ 23, так как на другие, входы указанного элемента ЗИЛИ 23 поступают лог."0" с выходов элементов ЗИ

21 и 2И 22.

На выходе элемента 2И 16.2 формируется последовательность 45 несущих импульсов с регулируемым задним фронтом. На выходе элемента 2И 16. 1 формируется последовательность 44 несущих импульсов с регулируемым передним фронтом, которая образуется при поступлении на его входы последовательности 43 с выхода компаратора 13 напряжения и последовательности инверсной 41 и инверсного выхода элемента ЗИЛИ 23. Полученные таким образом последовательно-. сти 44, 45 имеют период повторения

60 эл.град. Они поступают на пер45

55 на йх запирание. Управление работой одновибраторов осуществляется с -дополнительного выхода блока 9 компараторов частоты. При этом на заданном уровне выходной частоты происходит отключение одновибраторов и на первую группу входов распределителя

6 выходных сигналов поступает напряжение лог."1", что приводит к формированию на выходах распределителя

6 выходных сигналов соответствующих нерегулируемому инвертору со

iS0 эл.град. управлением.

Обеспечение независимости формы кривой выходного напряжения От павую гРуппу входов распределителя выходных импульсов, на вторую группу его входов поступает последовательный набор импульсов 46...51 длительностью каждый в 60 эл.грац. и с периодом повторения 360 эл.град.

Указанный набор формируется с помощью кольцевой пересчетной схемы 3 и логических элементов 2И 15. 1... 15.6 формирователя 5 модулирующих сигналов. Полученные, наборы несущих 44, 45 и модулирующих 46...51 сигналов позволяют получить на выходе распре15 делителя -6 выходных сигналов последовательности 66...71 (фиг.З) импульсов управления силовыми вентилями трехфазного мостового инвертора.

Изменение кратности модуляции, т.е. изменение числа импульсов в полунериоде.выходного напряжения происходит на фиг.2 в момент времени 65, когда число тактовых инвервалов и, следовательно, число импульсов в

25 полупериоде выходного напряжения на-. чинает определяться последовательностью 34.

Для тиристорных инверторов необходимо вводить ограничение минимальной длительности импульсов или пауз в выходном напряжении, что определяется временем, необходимым для восстановления запирающих свойств тиристора. В данном устройстве это можно реализовать с помОщью двух ОднО вибраторов, включаемых на выходах схемы 7 переключения несущих сигналов. В случае, когда минимальная пауза в несуших импульсах становится, 40 меньше допустимой, на входы распределителя б выходных сигналов поступают импульсы одновибраторов с нормированной для данного типа тиристоров паузой для предоставления времени

1469533 раметров нагрузки осуществляется в устройстве следующим образом. На интервале импульса выходного напряжения включают всегда три силовых вентиля разных групп (фиг.3, диаграммы 72, 5

66, 68, 70, моменты времени 52...60, 61 и 62, 63...53). На интервале паузы в выходном напряжении ..включают всегда три силовых вентиля одной группы (фиг.3, диаграммы 72, 66, 67, 68, моменты времени 60 и 61, 62 и 63). При этом пауза образуется за счет замыкания накоротко всех фаз нагрузки через открытые вентили в двух фазах и обратный диод в третьей фазе или открытый вентиль в одной фазе и обратные диоды в двух фазах в зависи- мости от коэффициента сдвига фазы (параметрбв активно.-индуктивной нагрузки) к одному из зажимов источника питания, Реализованный в уст.. ройстве принцип формирования паузы в выходном напряжении позволяет обеспечить независимость формы кри. вой выходного напряжения от параметров нагрузки в диапазоне изменения ее коэффициента сдвига фазы от единицы до нуля (О с соз ц„ (1).

Улучшение гармонического состава выходного напряжения трехфазного мостового инвертора осуществляется в устройстве следующим образом. В моменты времени 52, 53, что соответ.ствует началу каждой шестой части периода выходного напряжения (фиг.2, диаграммы 46...51),модуль фазного напряжения изменяется в одной фазе от

1 2

E до + .— — Е, а в дРУгой - от

3 3 40, 2 1 — Е до - — — Е (Š— напряжение

3 3 питания инвертора). Линейное напряжение, образованное путем, векторно- 45 го сложения фазных напряжений, имеет в середине каждого полупериода импульс длительностью, превышающей в два раза длительность любого другого импульса линейного напряжения (фиг.3, 0 диаграммы 72, 73, интервал 63...64).

Особенность формирования линейного напряжения состоит также в том, что модуляция длительности среднего импульса линейного напряжений осуществляется перемещением переднего и заднего фронта импульса (фиг.3, диаграмма 73, моменты времени 6 и

64) .

Проведены расчеты гармонического состава выходного напряжения трехфазного мостового инвертора, реализующего в данном устройстве управления формирование импульсов управления силовыми вентилями в соответствии с диаграммами 66...71. Амплитуды высших гармоник выходного напряжения инвертора определяются выра" жением м

U ф -«>- i (cos Е 1 — cos kq) °, (I м..й+ Ж 1

К=5 (2) где КЭ

U = U„/E — показатель эффективности — амплитуда напряжения высшей гармоники в относительных единицах; — коэффициент использования напряжения источника питания; — амплитуда первой гармоники номинального

Кнл= U IE выходного напряжения; — номер наибольшей учитываемой гармоники, знаки - и "+ относятся соответственно к гармоникам прямой и обратной последовательности.

Показатель эффективности К хаЭ рактеризует влияние несинусоидальногде t „(с. ) — начало (конец) п-го ! импульса; — номер высшей гармоники;

m — число импульсов в полупериоде линейного напряжения.

Общая оценка влияния несинусоидальности напряжения на работу регулируемого асинхронного двигателя производится по формфактору потерь и

КПД.

Используется составляющая формфактора, оцениваяющая несинусоидальность напряжения питания асинхронного двигателя, которая с учетом коэффициента использования напряжения источника питания, конечного числа гармоник и отсутствия в выходном напряжении инвертора гармоник, кратных трем, имеет вид

1469533

ro напряжения на увеличение потерь и снижение КПД асинхронного двигателя, питаемого от трехфазного мостового инвертора с широтно-импульс5 ной.модуляцией.

Проведен расчет показателя эффективности для системы трехфазный мостовой инвертор — асинхронный двигатель, реализующий в данном устройстве управления ШИН в соответствии с диаграммами 66...73. На фиг.4 (кривая 74) приведена зависимость показателя эффективности К от угла регулирования Ы для f/$ 18, Ь = 41 (f - тактовая частота, F - выходная частота).

Для известного устройства, реализующего в трехфазном мостовом инверторе ШИМ по прямоугольному закону, произведен расчет показателя эффективности, при этом амплитуды высших

1 гармоник определяются по выражению

4Е . я п )се/3

sink c

sin ——

Е

На фиг.4 (кривая 75) приведена зависимость К (Z) при Е/F = 18, 1

= 41 для инвертора с известным устройством управления.

Из анализа результатов расчетов и зависимостей (кривые 74 и 75) сле"дует, что предлагаемое устройство управления позволяет улучшить гар- 35 монический состав выходного линейного напряжения трехфазного мостового инвертора за счет снижения амплитуд низших из высших -армоник при регулировании. Например, К снижа- 40 ется от 2,1 до 1,7% при с = О,8; от 4,2 до 3,07. при с = 0,6; от

24,8 до 6,07 при с = 0,2.

Формула изобретения 45

Устройство для управления трехфазным мостовым инвертором, содержащее последовательно соедипенные задающий генератор частоты f,,- „„„.

f з . делитель частоты, кольцез" макс вую пересчетную схему, формирователи несущих и модулирующих сигналов, распределитель выходных сигналов, схему переключения несущих сигналов 55 и переключатель кратности модуляции, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что с целью улу шенин гармоническое

ro состава и обеспечения независимости формы выходного напряжения от параметров нагрузки в широком диапазоне регулирования, оно снабжено блоком компараторов частоты с тремя выходами и источником задающего сигнала напряжения, причем формирователь несущих сигналов содержит последовательно соединенные генератор пилообразного напряжения и инвертирующий усилитель, выходы которых подключены к управляющим входам двух компараторов напряжения, а задающие входы компараторов объединены и подключены к источнику задающего сигнала напряжения, формирователь модулирующих сигналов содержит шесть элементов 2И,схема переключения не- сущих сигналов содержит два элемента 2И, переключатель кратности модуляции содержит первый, второй, третий элементы 2И, соединенные выходами через дифференцирующие схемы с. входами элемента 6ИЛЙ, элемент 4И, подключенный первым входом к первому

1входу первого элемента 2И, вторым и третьим входами — к выходам второго элемента 2И и четвертым входом — к второму входу второго элемента 2И, элемент ЗИ, первый вход которого связан с первым входом элемента 4И, второй вход — с прямым выходом третьего элемента 2И и третий подключен к второму входу третьего элемента 2И,четвертый элемент 2И,первый вход которого связан с первым входом элемента ЗИ, второй вход — с вторым входом первого элемента 2И, выходы элементов 4И, ЗИ и четвертого элемента 2И связаны с входами элемента ЗИЛИ, делитель частоты имеет три промежуточных выхода с частотами, f ><; и коэффициентами деления d; и выход старшего разряда с коэффициентом деления d, причем отношение коэффициентов деления с1;/с1 « 1/2, где d; = f „ /f Л ч, N; N — наименьшее общее кратное коэффициентов деления делителя частоты, задающий генератор соединен с блоком компараторов частоты алгоритм у. выходов которого определен соотношением

З. макс / 1 f>,ã

У1 =

Оэ ЕЗ,с лс,„ñ /d; > fy при этом соответствующие указанному соотношению i-e выходы целителя частоты и блока компараторон частоты

l3 340 подключены соответственно к первым и вторым входам элементов 2И пере- ключателя кратности модуляции, выход старшего разряда делителя частоты подключен к входу кольцевой пересчетной схемы, выход элемента 6КПИ . переключателя кратности модуляции подключен к тактовому входу генера» тора пилообразного напрякения формирователя несущих сигналов, выходы компараторов формирователя несущих сигналов соединены с первыми входами элементов 2И схемы переключения несущих сигналов, вторые входы которых

9533 )4 подключены к выходам элемента 3ИЛИ переключателя кратности модуляции, выходы элементов 2И схемы переключения несущих сигналов подключены к первой группе входов распределите» ля выходных сигналов, вторая группа

его входов соединена -с выходами шести элементов 2И формирователя модулирующих сигналов,,подключенных входами к выходам кольцевой пересчетной схемы, а выходы распределителя выходных сигналов предназначены для подключения к управляющим входам трехфазного мостового инвертора. ф

7З

52 NEf82QH6$, . и

f tiff 1 гтщггтт а

1111111 1

1469533

ssss И

Фие. Р

55 8Е О

1469533 Ç

0/

Составитель В.Бунаков

Техред М.Ходанич Корректор В.Гирняк

Редактор Т.Лазоренко

Заказ 1363/56 Тираж 645 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР !

13035, Москва, Ж-35, Рауаская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. ужгород, ул. Гагарина, 101