Устройство для управления трехфазным мостовым инвертором
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления преобразователями с широтно-импульсной модуляцией. Целью изобретения является улучшение гармонического состава при регулировании. Устройство содержит генератор тактовых импульсов, генератор пилообразного напряжения, источник управляющего сигнала, счетчик, первый и второй компараторы, переключатель кратности модуляции, формирователь модулирующих сигналов, блок управления генератором тактовых импульсов, блок формирования импульсов управления и источники управляющих сигналов по напряжению, частоте и реверсу фаз. Устройство осуществляет формирование и распределение импульсов управления, обеспечивающих широтно-импульсную модуляцию выходного напряжения. Улучшение гармонического состава обеспечивается за счет двухполярной модуляции управляющих сигналов, при которой последовательность импульсов управления состоит из модулированных и немодулированных участков. 2 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ.
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИН (19) (II) А1 (51) 4 Н 02 М 7/48
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ
flQ ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР (2 I) 4125410/24-07 (22) 24.06.86 (46) 15.08.89. Вюл, Р 30 (71) Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики при
Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники (72) В.Т.. 1олчанов и А.Ю,Рождественский (53) 621.314 ° 27 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
М 1026282, кл, Н 02 М 7/48, 1983, (54) УСТРОЙСТВО ПЛЯ УПРАВЛЕНИЯ
ТРЕХФАЗН1П(МОСТОВИИ ИНREPTOPOM (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления преобразователями с широтно-импульсной модуляцией. Цепью изобретения является улучшение гармонического состава при регулировании, Изобретение относится к электротехнике и предназначено для управления инвертором и широтно-импульсной модуляцией, работающими в системе преобразователь частоты — электродвигатель с широким диапазоном регулирования, Цель изобретения — улучшение гармонического свойства.
На фиг. 1 представлено устройство управления трехфазным мостовым инвертором; на фиг. 2 — временные диаграммы, поясняющие работу устройства.
Устройство для управления трехфазным мостовым инвертором содержит генератор 1 тактовых импульсов, генераУстройство содержит генератор тактовых импульсов, генератор пилообразного напряжения, источник управляющего сигнала, счетчик, первый и второй компараторы, переключатель кратности модуляции, формирователь модулирующих сигналов, блок управления генератором тактовых импульсов, блок формирования импульсов управления и источники управляющих сигналов по напряжению, частоте и реверсу фаз.
Устройство осуществляет формирование и распределение имп;льсов управления, обеспечивающих широтно-импульсную модуляцию выходного напряжения. Улучшение гармонического состава обеспечивается за счет двухполярной модуляции управляющих сигналов, при Ко торой последов:(тельность импульсов управления состоит из модулированных и немодулированных участков. 2 ил. тор 2 пилообразного напряжения, подключенный к информационному входу первого компаратора 3, источник 4 управляющего сигнала, регистр 5, переключатель 6 кратности модуляции, второй компаратор 7, формирователь
8 модулирующих сигналов, счетчик 9 импульсов, блок 10 управления генератором тактовых импульсов, формирователь 11 импульсов управления, источник I? управляющего сигнала по частоте, источник 13 сигнала управления чередованием фаз, причем, переключатель 6 выполнен на основе тригrеров 14.1 — 14.m Имитта, число которых равно количеству m изменений
150123 числа импульсов в выходном напряжении инвертора, формирователь 8 модулирующих сигналов по двухканальной схеме на основе управляемых делителей напряжения, число делителей в каждом канале равно n = (1+1), где
«=о
k = 0,1,2...,m, счетчик 9 импульсов выполнен на основе регистра 15 Яжон10 сана с m-выходами и логического блока 16, построенного в соответствии с логическим уравнением
Еи F%< F J) где общее число первых выходов z равно и-1
F%< x < x2 ° х< < X< X<+< ° x Ч! У< 2 У1- < У(У)-<< Блок 10 управления генератором такто- З5 вых импульсов выполнен на основе управляемых ключей 17.1...17.m, которые включены в ключи делителя напряжения с числом ступеней равным m структура формирователя 11 импульсов . 40 управления соответствует уравнениям: Х< Х2хьЧ Х2Х5 Ч х< Х Х4 Ч Х< Х Х4 f<= f,; Е Х < Х 2 Х. Ч Х < х < х 4 Ч Х < Х Х4 х ь Ч Х2ХЯ 5Х6 V <ХЗ 4 Ь" Ч хДх4х5хЬ Ч Ч х < хзх х, 4 3 ° f 5 х<х2х х<х хЯ ч х< к хЯхЬ Ч 55 Ч Х, ХЭХ ХЬ Ч Xgx4XgX<, V ХдХЯХЗХЬУ Чх<х хяхвэ при этом для j = О, Рщ = у< у2... 25 у, у, сигналы х поступают на входы блока 16 с переключателя 6, сигналы у — с выходов 15.1...15.m регистра 15; i u j — индексы первого сигнала с инверсией в последовательном ряду входных сигналов массивов х и у уравнения второго выхода где f< -Гб соответствуют шести выходам формирователя; х< -ХЬ соответствуют шести входам формирователя импульсов управления, при этом, вход 18 переключателя 6 и первый вход 19 блока 10 подключены к источнику 12, а вьжоды 20,1...20.тп переключателя 6 связаны с соответствующими входами блока 16 счетчика 9 импульсов и с соответствующими управляемыми ключами 17,1...17.m блока 10, вход генератора 1 соединен с выходом блока 10, а выход 21 — с входом регистра 15 счетчика 9 и с входом генератора 2, выходы блока 16 счетчика 9 соедиHeHbL с соответствующими входами управляемых ключей формирователя 8, а второй выход 22 блока 16 связан с входом регистра 5 и с установочным входом регистра 15, m-выходов которого подключены к соответствующим входам блока 16, первый вход 23 формирователя 8 связан с источником 4, а два выхода 24 и 25 — с управляющими входами соответствующих двух компараторов 7 и 3, информационный вход второго компаратора 7 соединен с выходом генератора 2, выходы 26 и 27, соответственно второго 7 и первого 3 компараторов, подключены, соответственно, к первому и второму входам формирователя 11, три других входа которого связаны с выходами 28,29,30 регистра 5, при этом, выходы 31-36 формирователя 11 предназначены для подключения к управляющим входам трехфазного мостового инвертора. Шестой вход формирователя 11 подключен к источнику 13, выполненному на основе компаратора. Переключатель 6 состоит из триггеров 14.1...14.m, на управляющие входы которых подаются напряжения от источника 12, а на информационные входы — опорные напряжения с потенциометров, которые подклю и ны к стабилизированному источнику. На Лиг. 2 диаграммы 37-43 поясняют работу устройства при m > = б (где ш — кратность модуляции — отношение несущей частоты к выходной частоте инвертора), а диаграммы 44-51 — работу устройства при тп г = 18). Иоменты времени 0,60, 120, 180, 240, 300 и 360 эл.град, обозначены, соответственно точками S2-58. На фиг. 2 показан c"è,ãL<ал 37 на выходе генератора 1, сигиа.t 38 — на выется сигнал кода Джонсона, который задает кратноеть модуляции в функции управляющего сигнала по частоте, Уровни опорных сигналов определяют уровни переключения кратности модуляции. Сигналы с выходов 20.1...20.m коммутируя ключи 17. 1... 17.m блока 10 управления генератором тактовых импульсов, определяют коэффициент деления резисторного делителя, тем самым дискретно изменяя частоту генератора 1. Плавное изменение частоты генератора 1 происходит при плавном изменении напряжения на входе 19 в диапазоне межцу уровнями опорных напряжений переключателя 6. Сигнал 37 с выхода генератора 1 тактовых импульсов тактирует частоту генератора 2 пилообразного напряжения, с выхода которого пилообразное напряжение постоянной независимой от частоты амплитуды поступает (сигнал 38,фиг.2) на информационные входы компараторов 3 и 7. Сигнал 37 с выхода генератора 1 тактовых импульсов синхронизирует работу регистра 15 счетчика 9 импульсов, предварительно по установочному входу, приведенного в исходное состояние, соответствующее F IJQ gg УЯ ° ° С каждым тактом, поступающим на вход регистра 15, изменяется в соответствии с кодом Джонсона шифр на выходах 15, 1... 15.m, При этом, каждому сочетанию кода на выходах 20. 1...20.m и кода, на выходах 15. 1... 15.m на одном из выходов блока 16 возникает сигнал управления, замыкающий соответствующую пару ключей формирователя 8 модулирующих сигналов, при этом, на его выходах 24 и 25, при неизменных сигналах 23 и 18, возникают напряжения ступенчатой формы (сигнал 46, фиг.2), число ступеней в которых равно шг/6, а величина напряжений ступеней определена коэффициентом деления подключаемых резистивных делителей и сигналом 23 управления по напряжению, При минимальной кратности модуляции (mT = 6) ступенчатая кривая вырождается в прямую, На выходах 24 и 25 формирователя 8 образуются модулирующие сигналы, поступающие на управляющие входы компараторов 7 и 3. На информационные входы компараторов 5 1501233 6 ходе генератора 2, сигналы 39 и 40— на выходах 26 и 27 компараторов 3 и 7, сигналы 41,42 — на выходах 31 и 32 соответственно, формирователя 11, линейное напряжение 43 11 ь трехфазного мостового инвертора при управлении с помощью устройства при m, = 6, сигнал 44 — на выходе генератора 1, сигнал 45 — на выходе генерато-10 ра 2, сигнал 46 — на выходе 25 формирователя 8, сигналы 47 и 48 — на выходах 26 и 27, соответственно, компараторов 3 и 7, сигналы 49 и 50 — на выходах 31 и 32 формирователя 11, )5 линейное напряжение 5 1 БА б трехфазного мостового инвертора при управлении с помощью предлагаемого устройства, при ш = 18, Устройство работает следующим об- 20 разом. Импульсы управления инвертором f< — fg на выходах 31-36 формируются формирователем 11. На первый и второй входы формирователя 11 с вы- 25 ходов 26 и 27 компараторов 3 и 7 подаются сигналы 39, 40 при гп = 6 (или 47, 48 при m = 18). При этом, выходные линейные напряжения инвертора имеют вид напряжения 43 при m< = 30 6 (или напряжение 51 при mr = 18). Сигналы на третий, четвертый и пятый входы формирователя 11 поступают с выходов регистра 5 в виде числовой последовательности от 0 до 5 в двоичном коде, при этом, задаются равные между собой интервалы между точками 52 53з 53 54з 54 55ю 55 56ю 56 57в 57-58 ° При необходимости изменения последовательности чередование фаэ 4р (например, для реверсирования асинXPOHHCrI O H T r H eM0 Ot трехфазного мостового инвертора) необходимо изменить сигнал на шестом входе формирователя 11 от источника 45 13, Таким образом, управление устройством сводится к формированию сигналов, по выходам 26, 27 компараторов 3 и 7 и по выходам 28-30 реГистра 5, на входах формирователя 11 импульсов управления. Рассмотрим формирование сигналов по выходам 26-30. Аналоговый сигнал от источника 12 управляющего сигнала по частоте поступает на вход 18 переключателя 6, при этом, в результате сравнения сигнала управления с опорными сигналами на выходах 20.1...20,m формиру1501233 3 и 7 поступает сигнал 38 с выхода генератора 2 пилообразного напряжения, В результате сравнения указанных сигналов на выходах 26 и 27 компараторов 3 и 7 образуются сигналы 39 и 40, модуляция которых осуществляется перемещением фронта импульса. При этом, соотношение весовых резисторов в рассматриваемой паре управляемых ключей формирователя 8 модулирующих сигналов выбирается из условия Ti а = sin — — (2n — 1) И 2N э 15 где а„ вЂ” напряжение на выходе управляемого ключа, приведенное к напряжению источника 4 управляющего сигнала для n-ro импульса выходного напряжения, причем, для канала с выходом 25 n = 1,2,3... 1/ÇN, а для канала с выходом 24 и 25 =(1/ÇN-1), (1/ÇN-2)... 2/ÇN; N — число импульсов в полупериоде выходного линейного напряжения N = 3,6,9. Сигнал 39 соответствует длительности импульса .n npu n = 1, N = 3, а сигнал 40 — длительности импульса при п = 2, N = 3. При этом 35 0 п = (u sin — — — (2п — 1), 2N где ц — глубина модуляции 0 (M 4 1, ( с.и = а„, при p = 1, 40 л с — длительность n-ro импульса выходного линейного напряжения, приведенное к длительности тактового интерва- 45 ла, равного 7 /N эл,град, Тактовые импульсы с выхода 21 изменяют код на выходах 15.1.. ° 15.m до тех пор, пока он не станет равным коду на выходах 20.1...20.m. При этом, на выходе 22, возникает импульс, который тактирует кольцевой регистр 5 и устанавливает в исходное состояние регистр 15. После этого цикл повторяется, 55 При минимальной кратности модуляции (mT = 6) первый после установки в исходное состояние тактовый импульс на входе регистра 15 приводит к равенству кодов на выходах 15.1...15.m и 20.1.. ° 20,m, т.е, к новой установке в исходное состояние, Поэтому, частота сигнала на входе регистра 5 равна частоте сигнала 37 на выходе генератора 1 тактовых импульсов, При этом, на выходах 28-30 регистра 5 формируется цифровая последовательность от 0 до 5 в двоичном коде, которая определяет шесть 60 эл.град. интервалов в периоде выходной частоты. При поступлении сигналов с выходов 26-30 на входы формирователя 11 на его выходах 31-35 формируются импульсы управления силовыми ключами трехфазного мостового инвертора. На выходах 33, 34 и 35, 36 формируются последовательности импульсов управления, сдвинутые относительно сигналов 4 1, 42 соответственно на +120 эл.град, И таким образом, выходное линейное напряжение между фазами А и В трехфазного мостового инвертора при работе с предлагаемым устройством управления при гп = 6 имеет вид напряжения 43, фиг. 2. Два других линейных напряжения сдвинутьг. относительно напряжения 43 на +120 эл.град, Выше была рассмотрена работа устройства управления при минимальной величине кратности модуляции mT = 6, При ее увеличении (например, при тт = 18) работа устройства осуществляется следующим образом. Код на выходах 20.1 20,m переключателя 5 определяется двумя ключевыми триггерами 14.1.. ° 14 2 и выключенными триггерами 14.3...14.m. Следовательно, в общем случае выходные сигналы переключателя 6 соответствуют коду Джонсона. В соответствии с включенными триггерами 14.1 и 14.2 замыкаются ключи 17.1 и 17.? блока 10 управления генератором тактовых импульсов, что дискретно изменяет величину сигнала управления на входе генератора 1 тактовых импульсов. Код на выходах 20.1...20.m задает число ступеней в кривых 24 и 25 формирователя 8 (сигнал 46, фиг.2). После третьего такта происходит возврат в исходное состояние регистра 15 импульсом с выхода 22 и тактируется регистр 5. Кратность модуляции на выходе иннертора определяется кодом на выходах 20.1...20.m. 1501233 На выходах 26 и 27 кс мпараторов 3 и 7 при этом образуются сигналы 47 li 48, поступающие ца входы формирователя 11 на выходах 3 1 и 32 котоУ 5 рого формируются сигналы 49 и 50, а иа выхода:.. 33, 34 и 35, 36 формируются аналогичные сигналы, сдвинутые на +120 эл.град. Сигналы с выходов 31-36 формирователя 11 постУпают на упранляюцие входы трехфазного мостового иннертора, выходное линейное напряжение которого имеет вид напряжения 51, фиг. 2. Устройстно обеспечивает незаниси- 15 мость формы выходных напряжений иннертора от параметров нагрузки в диапазоне изменения ее коэффициента сдвига фазы от 1 до 0 при уменьшенном числе переключений силовых ненти- 2р лей иннертора. Независимость формы достигается за счет включения трех вентилей разных групп на интервале импул,еа выходного напряжения и трех нект лей одной группы на интервале 25 паузз:,выходного напряжения. Уменьшение чи». з переключений силовых вентилей дс ..тигается за счет испольэонии осуществляется по закону синусоидальной широтно-импульсной модуляции. Применение ППП 1 приводит к снижению амплитуд низших из высших гармо-. ник при регулировании выходного напряжения. 50 Кроме того, при снижении выходной частоты инвертора в устройстве применяется многоступенчатое изменение кратности модуляции, обеспечивающее формирование выходных напряжений инвертора по принятому закону но всем диан,.зоне из.1енения выходной частоты„ обеспечивающей улучшенный гармонания вентилей н качестве нулевых, каждые 60 зл.град. — поочередно для 3О каждой фазы и при переходе из одного полупериода последовательности импульсов управления в другой — поочередно для каждого вентиля, В устройстве возможно реализовать любой эа- 35 кон ИПР1, который определяется требуемыми уровнями напряжений формирователя модулирующих сигналов, при этом величина кратности модуляции не влияет на работу формиронателя импуль- 4р сон управцения. Улучшение гармонического состава выходного напряжения при регулированический состав линейных напряжений трехфазного мостового иннертора. о р м у л а и з о б р е т е н и я Устройство для управления трехфазным мостовым иннертором, содержащее генератор тактовых импульсов, генератор пилообразного напряжения, выход которого подключен к первому входу первого компаратора, источник управляющего сигнала, счетчик, о т л и -ч а ю щ е .е с я тем, что, с целью улучшения гармонического состава при регулировании, оно снабжено переключателем кратности модуляции, вторым компаратором, формирователем модулирующих сигналов-, счетчиком импульсов, блоком управления генератором тактовых импульсов, блоком формирования импульсов управления, источником управляющего сигнала по частоте и источником сигнала реверса фаз, причем переключатель кратности выполнен на триггерах Шмитта, число m которых равно числу ступеней кратности модуляции выходного напряжения иннертора, входы триггеров Шмитта объединены и являются входом переключателя кратности модуляции, который соединен с выходом источника управляющего сигнала по частоте и входом блока управления генератором тактовых импульсов, который выполнен в виде управляемого делителя напряжения, выход которого подключен к входу генератора тактовых импульсов, управляющие входы управляемого делителя напряжения соединены с выходами переключателя кратности модуляции, в качестве которых использованы выходы триггеров Шмитта, выход источника управляемого сигнала соединен с входом формирователя модулирующих сигналов, который выполнен на двух включенных параллельно управляемых делителях напряжения, управляющие входы которых соединены с первыми выходами счетчика импульсов, который выполнен на регистре Джонсона с m вьгходами и логическом блоке, тактовый вход регистра Джонсона соединен с входом генератора пилообразного напряжения и выходом генератора тактовых импульсов, выходы регистра Джонсона соединены с первыми входами логического блока, вторые входы которого подключены к выходам переключателя кратнос1501233 1 Z ти модуляции, структура логического блока определяется логическими уравнениями первых п выходов к F„; 10 для j = 0 Ч Х Х4х хь Ч х дх xyxb Ч х х Х4хЬ Ч ЧХ4 х х х где х — сигналы с выходов переключателя кратности модуляции; у — с выходов регистра Джонсона; 20 1и j — индексы первых сигналов с инверсией в последовательном ряду сигналов х и у, и уравнением второго выхода Г„; — Г„, К = О, второй выход логическо25 го блока соединен с R-входом регистра Джонсона и входом счетчика, выход генератора пилообразного напряжения соединен с первым входом второго компаратора, вторые входы обоих компара- 30 торов соединены с соответствующими выходами Формирователя модулирующих сигналов, выходы первого и второго компараторов подключены соответственно к второму и первому входам блока формирования импульсов управления, f 5 где х< -х<,— Fgj = x F(0 У yq У4 ym VTl n = l (К+1), к-0 третий, четвертый и пятый входы которого соединены с первым, вторым и третьим выходами счетчика, шестой вход соединен с выходом источника сигнала реверса фаз, а структура блока формирования импульсов управления определена уравнениями х4х х ч х хсч х х4хр ч х<х х41 Х4хдХ V Х,XqX4 Ч X) XgXPXg V Х4 Х Х Ч Х 4Х Х Ч Х1 х Л4 Хь Ч Ч х 4х х хь Ч XgX) X5 X() Y X (4 XqX Ч х х хнах э сигналы на выходах блока Формирования импульсов управл )iHH KoTopblp являются выходами устройства; сигналы на соответствую"а щих входах блока. 1501 .3 ) 3Т ЧО Чб Ч1 Составитель В.Миронов Редактор М.Товтин Техред, 1,Ходанич Корректор И.Муска Заказ 4887/54 Тираж 646 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101
