Устройство для управления трехфазным вентильным инвертором

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления преобразователями, входящими в состав систем асинхронного электропривода. Цель изобретения является улучшение энергетических показателей преобразователя за счет уменьшения числа переключений силовых вентилей и повышения точности процесса связанного регулирования частоты и величины выходного напряжения. Введение в состав устройства интегратора 21 с двумя входами, на которые поступают сигналы блока 1 задания частоты и датчика 20 среднего на полупериоде значения выходного напряжения, обеспечивает астатический характер процесса связанного регулирования частоты и величины выходного напряжения инвертора с учетом искажения формы выходного напряжения, возникающего в ходе инвертирования. Добавление дополнительного сумматора 8, формирующего сигнал, пропорциональный разности амплитуд напряжений блоков 14 и 6, и ключа 32, включенного между сумматором 8 и входом сумматора 13 и управляемого командами с инверсного выхода блока сравнения 29, приводит к форсированному перемещению фронтов выходных импульсов в диапазоне повышенных, близких к номинальной, выходных частот инвертора и уменьшает тем самым количество коммутаций силовых вентилей преобразователя. 4 ил.

СО03 СОВЕ ТСНИХ

СОЦИА ЛИСТИК ЕСН ИХ

РЕСПУБ ЛИК ((((4 f(((2,(7 8

ОПИСАНИЕ ИЗ(:)БРЕ7ЕНМР

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

И АВТОРСКОМУ СВИДЕ ГЕЛЬ "7HV (21 ) 4369620/2ч(— 07 (22) 01.02.88 (46) 30.11.89. 1 юл. S 4ч (71) Отдел энергетической кибернетики АН МССР (72) В.И.Олещук (53) 621.316,727(088.8) (56) Авторское свидетельства СССР н 118 1097, Kz . Н 02 M 7/48, 1985.

Авторское свидетельство СССР

1432699, хл, Н 02 M 7j48, 1986. (54) УСТРОЙСТВО ДП1 У11РЛВ:!ЕНИЯ ТРЕХФАЗНЬПЧ BL ÍÒÈËÜ11ÜÏ . ИНЗЕРТОРОИ (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления преобразователями, входящими в сосTRB систем асинхронного электропривода. 1(елью изобретения является улучшение энерге— тических показа гелей преобра эователя за счет уменыпения исла п(ереключений силовых вентилей и повыыения точности процесса связанного регулирования частоты и величины выходного напряжения, Введение в состав устройства интегратора 2 1 с двумя входами, на ко-,орые поступают сигналы блока 1 задан я частоты и датчика 20 среднего нл полупериоде значения выходного напряжения, обеспе- . чивает астатичес.ки 1 характер процесса связанного регулирогания чаСтоты и величины выходного напряження инвертора с учетом искажения Формы вьг.:одного напряг:ения, возникающего в ходе инвертирования. Добавление

1525845

30

40

50 дополнительного сумматора 8, формирующего сигнал, пропорциональный разности амплитуд напряжений блоков

14 и 6, и ключа 32, включенного между сумматором 8 и входом сумматора

13 и управляемого командами с инверсного выхода блока сравнения 29,приИзобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления автономными мостовыми инверторами напряжения, входящими в состав систем асинхронного электропривода.

Целью изобретения является улучшение энергетических показателей преобразователя за счет уменьшения количества переключений силовых вентилей и повышение точности процесса связанного регулирования частоты и величины выходного напряжения.

На фиг.1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 и 3 — временные диаграммы его работы; на фиг.4 — функциональная схема блока формирования длительностей импульсов.

Для определенности принято, что количество основных источников схемы равно двум (n=2) . Диапазон связанного регулирования частоты и величины напряжения преобразователя при этом определяется по соотношению N = 2n + 1.

Таким образом для приведенного варианта структуры, когда n = 2, устройство обеспечивает постоянство отношения величины напряжения инвертора к частоте при пятикратном изменении частоты вьжодного сигнала.

Устройство, выполненное по вертикальному принципу, содержит блок

1 задания частоты, аналоговый сигнал, с выхода которого определяет частоту следования импульсов задающего генератора 2. Последний соединен с трехразрядным регистром 3 и генератором 4 пилообразного напряжения. Вьжоды регистра 3 подключены к тактовым входам логического распределителя 5 управляющих импульсов. Сигнал генератора 4 пилообразного напряжения поступает на датчик 6 амплитуды пилообразного напряжения, связанный сBoHM выходом с плюсовым входом <.Умматора 7 и с миводит к форсированному перемещению фронтов выходных импульсов в диапа" зоне повышенных, близких к номинальной, выходных частот инвертора и уменьшает тем самым количество коммутаций силовых вентилей преобразователя. 4 ил. нусовым входом сумматора 8. Основной источник 9 постоянного напряжения присоединен к первым входам сумматоров 10 и 11,а основной источник 12 подключен к первым входам сумматоров 13 и 14. Выходы указанных сумматоров через ключи 15-18 присоединены к сооТветствующим входам блока 19 формирования длительностей импульсов, выход которого присоединен к основному входу распре1 делителя 5 управляющих импульсов.

Выходное напряжение преобразователя U 20 среднего на полупериоде значения выходного напряжения. Нормированный сигнал с выхода датчика 20 поступает на минусовой вход двухвходового интегратора 21, плюсовой вход которого связан с блоком 1 задания частоты. Выход интегратора 21 присоединен к плюсовым входам сумматора 11, 14 и 22 и к минусовым входам сумматоров 10 и 13. Выход сумматора

22 через ключ 23, а выход генератора 4 непосредственно связаны с соответствующими входами блока 19.

Минусовой вход сумматора 7 связан с выходом вспомогательного источника 24 постоянного напряжения, подключенным также к входам вспомогательных сумматоров 25 и 26. Выход сумматора 7 присоединен к входам блоков 27-31 сравнения. Вьмод сумматора !4 присоединен к плюсовому входу сумматора 8.

Другие входы вспомогательных сумматоров 25 и 26 подключены соответственно к выходам сумматоров 10 и

13, другие входы блоков 27-31 сравнения связаны соответственно с выходами сумматоров 11, 25, 14, 26 и

22. Выходы блоков 27-30 присоединены соответственно к управляющим цепям ключей 15-18, выход блока 31 сравneния соединен с управляющей цепью ключа 23. Инверсный выход блока 29

5 1 сравнения с вя за н с управляющей цепь ключа 32, включенного между выходом сумматора 8 и плюсовым входом сумматора 13.

На фиг.2 приведены временные диаграммы (циклограммы), иллюстрирующие принцип работы устройства в течение одного полупериода выходного напряжения. Сигналы на выходах узлов и блоков системы обозначены на фиг.2 индексами, соответствующими их цифровым обозначениям на фиг.1.

Аналоговый выходной сигнал блока

1 задания частоты, пропорциональный выходной частоте преобразователя, on ределяет частоту следования импульсов задающего генератора 2, которая на всем диапазоне регулирования в 12 раз превышает выхоДную частоту инвертора. Генератор 2 периодически запускает генератор 4 развертывающего пилообразного напряжения, выходной сигнал U4 которого имеет постоянную в обе стороны крутизну и пе ременную в зависимости от частоты сигналов генератора 2 амплитуду, которая постоянно фиксируется датчиком 6 амплитуды пилообразного напряжения.

Временные диаграммы, »остроенные на фиг.2, соответствуют пониженной выходной частоте преобразователя, близкой к начальной (минимальной) выходной частоте ° Величина напряжения источников 9 и 12 опорного напряжения определяет при этом временное положение середин выходных импульсов, величина сигналов U9 и U{2 находится при этом в общем случае из соотношения

525845 ю чине сигналов, поступающих на другие входы сумматоров 10, 11, 13 и

14„ позво яет получить на выходе

5 указ анньгх сумматopo«c«z H bi V „ ю

U „, U и (1 y BI ."Инл KOTopblx Определяет временное положение фронтов импульсов кривой выходного напряжения преобразователя. Соответственно на выходе сумматора 22 формируется напряжение Uq, величина которого задает длительность центрального íà полу»epиoпe импульса выходной кривой, а также крайньгх выходных импульсов. Сигнал на выходе интегратора 21 на начальной частоте равен нулю. Упомянутые суммарные сигналы через ключи 15-18 и 23 поступают на соответствующге входы блока

19 формирования длительностей имгульсов, в котором сопоставляются с сигналом U4 генератора 4 развертывающего ва»ряжения.

Результирующее напряжение U,9 с выхода блока 19, определяющее длительность импульсов кривой выходного напряжения, поступает на основнои вход логического распределителя 19 управляющих импульсов, на тактовые входы которого поступают сигналы U q с выхода трехразрядного регистра 3 (обозначенные соответственно. начиная с младшегс разряда

У как U,z О гг и V,»>. Кривые линейного выходного напряжения инверто35 ра U„p, U, и U,4 формируются при этом из максимального количества импульсов (из 11 импульсов на полупериоде).

U — U 7

2п+ 1

ГДЕ "4 .

n = 2, максимальная амплитуда сигнала генератора 4, наблюдаемая на начальной выходной частоте инвертора.

Так для рассматриваемого случая

2 2 — — U = 0 8 U

9 2.2 + 1 ом 4м

2 1

U = ------- = 0 4 U

< 2 2 + 1 4м

Суммирование и вьвгитание из указанных сигналов одинаковых по велирР Увеличение амплитуды вьгходного сигнала блока 1 задания частоты сопровождается пропорциональным ростом частоты следования импульсов генератора 2. Растет также длитель45 ность выходньгх имггульсов, определяемая величиной разностных сигналов

U „— V ю, U 4 — U» и амплитудой сигнала U, что приводит к пропорциональному увеличению величины

5р среднего на полупериоде значения выходного напряжения, выделяемой датчиком 20. Интегрируемь и разностный сигнал U(— U,, (на рассматриваемом начальном этапе процесса реT улирования 1 Ог ) поступает на входы сумматоров 10, 11, 13, 14 и 22 и способствует поддержанию постоянства отношения между величиной среднего на полупер»оде выходного

1525845 напряжения и выходной частотой инвертора на всем диапазоне регулиро вания.

Количество импульсов в кривой вы5 ходного напряжения инвертора с ростом частоты последовательно уменьшается, причем переход от одного поддиапаэона регулирования к другому осуществляется плавным, практически беэудар- 10 ным способом при сохранении коммутационной устойчивости инвертора за счет работы логической части системы, включающей опорный и вспомогательные сумматоры 7, 25 и 26, источ-, ник 24, блоки 27-31 сравнения и ключи 15-18 и 23.

При равенстве амплитуд сигналов

U <,и Нт (этому соответствует мини- 20 мальная продолжительность межкоммутационной паузы между выходными импульсами на центральных участках тактовых интервалов) блок 27 сравнения размыкает ключ 15, и на указан- 25 ных центральных участках тактовых импульсов будет формироваться по одному выходному импульсу удвоенной длительности, передний и задний фронты которого определяются величиной 30 сигнала U . Дальнейшее повышение выходной частоты инвертора сопровождается последовательным уменьшением длительности укаэанного выходного импульса, при минимально допустимой продолжительности которого, наблюдаемой в момент равенства сигналов на входе блока 28 сравнения, осущест/ вляется размыкание ключа 16, после чего в кривой выходного напряжения 40 в центрах тактовых интервалов снова формируется пауза.

Описанный алгоритм функционирования системы несколько видоизменяется в диапазоне повышенных выходных частот преобразователя после срабатывания блока 29 сравнения, фиксирующего момент равенства сигналов сумматора 7 и сумматора 14, формирующего фронты вторых по счету от начала и конца тактовых интервалов выходных импульсов. На этом этапе регулирования по команде с инверсного выхода схемы 29 сравнения ключ

32 оказывается замкнутым и на IL no

55 совой вход сумматора 13 поступает дополнительный разностный сигнал

U, величина которого близка к нулю в момент залл»кания ключа 32 и затем постепенно увеличивается вместе с ростом выходной частоты преобразователя.

На фиг.3 приведены временные диаграммы, поясняющие процесс формирования полуволны выходного напряжения на упомянутом подинтервале регулирования, соответствующем диапазону повышенных выходных частот инвертора. На этом этапе наблюдается отмеченный стрелками рост значений напряжений U,> и U, что приводит, как показано стрелками на кривой П4ь, к форсированному сдвигу к центру тактовых интервалов фронтов выходных импульсов, в результате чего длительность выходных импульсов, формируемых в центрах тактовых интервалов, достаточно быстро уменьшается до нуля с соо ветствующим увеличением продолжительности крайних и центрального на полупериоде импульсов. Количество коммутаций вентиля каждой фазы силовой схемы на полупериоде при этом уменьшается на четыре (исключается формироВАние двух выходных. импульсов с двумя фронтами) с соответствующим уменьшением величины потерь на коммутацию.

Дальнейшее повышение выходной ча стоты инвертора сопровождается последовательным уменьшением продолжительностей пауз между выходными импульсами при неизменной величине сигнала U с выхода сумматора 22, которая стабилизируется эа счет формирования сигнала отрицательной полярности на выходе интегратора 21, компенсирующего возрастание амплитуды напряжения на выходе блока 1.

Пбсле того, как длительность паузы между выходным импульсом уменьшится до минимально допустимой величины, что соответствует номинальной выходной частоте преобразователя, командный сигнал с выхода схемы 31 сравнения размыкает ключ 23, после чего на полупериоде кривой линейного выходного напряжения начинает формироваться по одному выходному импульсу протяженностью 120 эл.град., величина выходного напряжения инвертора при этом максимальна и при дальнейшем увеличении частоты остается на этом уровне.

Блок 19 формирования длительностей импульсов наиболее просто ре9 ализуется (фиг.4) при помощи системы компарирующих блоков 33-37 с выходными формирователями коротких импульсов, которые через элемент ИЛИ

38 связаны с входом счетного триггера 39, выход которого является выходом блока 19. На один иэ входов

I компарирующих блоков 33-37 поступает развертывающее пилообразное напря жение U генератора 4, другие входы компараторов связаны с выходными клеммами ключей 15-18 и 23 °

1525845 10 этом на всем диапазоне регулирования не зависит от параметров нагрузки.

Таким образом, дополнительное

5 включение и состав структуры устройства управления небол .шого числа элементарных узлов и блоков позволяет существенно уменьшить количество переключений силовых вентилей как на пониженных выходных частотах на

У поддиапазонах регулирования, на которых в серединах тактовых интервалов формируются выходные импульсы, так и в диапазоне повышенных выходных частот преобразователя, на котором за счет форсированного целенаправленного сдвига фронтов выходных импульсов, производимого при помощи устройства управления, исключается

20 формирование выходных импульсов в серединах тактовых интервалон. Это приводит к уменьшению количества дополнительных коммутаций вентиля каждой фазы на верхнем частотном

25 диапазоне на 40/ (шесть коммутаций каждого вентиля на полупериоде вместо десяти) с соответствующим снижением суммарной величины коммутационных потерь и улучшением энергетических показателей инвертора.

Введение в цепь канала регулирования величины выходного напряжения сигнала обратной связи с выхода преобразователя и включение в указанный канал интегратора позволяет по35 высить точность процесса связанного регулирования частоты и величины напряжения как путем обеспечения астатического характера процесса регулирования, так и за счет учета реальной величины выходного напряжения, выделяемой датчиком цепи обратной связи.

Импульсы управления силовыми ключами трехфазного иннертора в процессе регулирования величины и частоты напряжения вырабатываются логическим распределителем 5 управляющих импульсов в соответствии с сигналами

1 поступающими от блока 19 (напряжение U, ), и трехразрядного регистра

3. Выходные сигналы U> регистра 3 с выходами U» 1),11, V z пz, выполняющего функции пересчетной схемы, обозначены на фиг.2 в цифровой и в импульсной форме и последовательно принимают на периоде выходной частоты значения 100, 001, 000, 101, 110, 1t1, 100,.... Распределитель 5 осу- . щестнляет режим 180-градусного управления вентилями трехфазного инвертора с фазами А, В, С.с дополнительными коммутациями на средних

60-градусных участках и представляет собой логическую схему, в которой осуществляется логическое умножение входных сигналов с последующим логическим суммированием. Логические функции, реализуемые распределителем 5 и соответствующие управляющим импульсам вентилей соответствующих фаз, имеют следующий вид:

+ 0 4 Z З11 31 I 19

-A=VÏ+Á 9

U31 U I1z + U>z з11 + U з1 V 9 +

+С = U11Uzzz1 + «1,П + Пз11П(9 °

Импульсы управления другими ключами инвертора (+А, -В, -С) получаются логическим инвертированием соответствующих фаэных сигналов. Полная система линейных выходных напряжений инвертора U A U U

АВ> лс c4 изображена на фиг.2. Форма кривой выходного напряжения инвертора при

Формула изобретения

Устройство для управления трехфазным нентильным инвертором, содержащее блок задания частоты,соединенный с задающим генератором сняЭ

5р эанным выходом с входом трехраэрядного регистра, выходы которого присоединены к тактовым входам распределителя управляющих импульсов и

1 с генератором пилообразного напряжения, выход котоРого подключен к первому входу блока форьа рования длительностей импульсов, связанного своим выходом с входом распределителя управляющих импульсов, п ос15258«5

12 го регулирования частоты и величины выходного напряжения, оно снабжено датчиком среднего на полупериоде значения выходного напряжения, интегратором с двумя суммирующими входами, дополнительным блоком

40 новних источников постоянного вапряжения, подключенных к первым связанным попарно входам основных сумматоров выходы которых через уиУ

5 равляемые ключи присоединены к соответствующим входам блока формирования длительностей импульсон, при этом выходы нечетных основных сумматоров присоединены к первым входам блоков сравнения первой группы, выходы четных основных сумматоров подключены к первым входам вспомогательных сумматоров, выходы которых связаны с первыми входами блоков сравнения второй группь1, выходы блокон сравнения первой группы соединены с управляющими цепями четных управляемых ключей, выходы блоков сравнения второй группы присо- 2О единены к управляющим цепям нечетных упранляемых ключей, вторые.нходь| всех блоков сравнения связаны с выходом опорного сумматора, плюсовой вход которого соединен с выходом дат- g5 чика амплитуды пилообразного напряжения, минусовой вход опорного сумматора связан с источником опорного напряжения, который присоединен также к вторым входам вспомогательных сумматоров, о т л. и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью улучшения энергетических показателей преобразователя за счет уменьшения числа переключений силовых вентилей и повышения точности процесса связанносравнения, двумя дополнительными сумматорами и двумя дополнительными управляемыми ключами, причем выход блока задания частоты присоединен к нторым плюсовым входам нечетных основных сумматоров, к вторым минусовым входам четных основных сумматоров, к первому входу первого дополнительного сумматора и к плюсовому входу интегратора, второй минусовой вход которого свяэан с выходом датчика среднего значения выходного напряжения, выход интегратора подключен к третьим плюсовым входам нечетных основных сумматоров, к третьим минусовым входам четных основных сумматоров и к нторому входу первого дополнительного сумматора, выход которого через пер ый дополнительный ключ присоединен к (2п+2)-му входу блока формирования длительностей импульсов, выход последнего нечетного основного сумматора связан с плюсовым входом второго дополнительного сумматора, минусовой вход которого присоединен к выходу датчика амплитуды пилообразного напряжения,, выход нторого дополнительного сумматора через второй дополнительный ключ подключен к четнертому плюсовому входу последнего четного основного сумматора,входы дополнительного блока сравнения соединены с выходами опорного сумматора и первого дополнительного сумяатора, выход дополнительного блока сравнения связан с управляющей цепью первого дополнительного ключа, управляющая цепь второго дополнительного ключа присоединена к инверсному ныходу н- ro оснонного блока сравнения первой группы.

+B

Илв цвс

Цсд

1525845

О/П 2

0m 1

@УЯ. Ф

Составитель О. Па1?фе нова

Техред Л.Сердя?кона Корректор Э.3(ончакова

Редактор Е.Копна

Заказ 7239/52 Тираж 648 Подписное

ВНИИПИ Гссуд-.1 тв «нсг кормит та н и 3

11 30!? „."к?сква, Ж-З, Рау?яская иаб., д. 4/5

11роизводст нсн и, .: i.t <-.:т.,-.кий ком6и,r«т 1 iò и t, г. Ужгород, ул. Гагарина 11)1