Способ управления трехфазным мостовым вентильным инвертором

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в автономных инверторах. Цель изобретения - расширение диапазона регулирования интертора по частоте при инвериантности формы кривой его выходного напряжения к параметрам нагрузки и улучшенном качестве процесса N - кратного связанного регулирования частоты и величины выходного напряжения. Регулирование частоты выходного напряжения инвертора осуществляют за счет непрерывной поэтапной вариации длительностей пауз между импульсами управления и самих управляющих импульсов на центральных участках тактовых интервалов. На поддиапазонах регулирования длительность и местоположение сигналов управления λ варьируют в зависимости от значений выходной частоты F и от количества формируемых сигналов N на каждой половине тактовых интервалов путем одностронней модуляции длительности. Одновременно на всем диапазоне регулирования на тактовых интервалах закрытого состояния вентилей от 240 до 300 эл. град. формируют сигналы включения вентилей, равные по длительности и симметричные аналогичным запирающим импульсам. 5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСОУБЛИН

„,80„„.1 552 (51)5 Н 02 М 7 48

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ гос дюстеенный комитет

ПО ИЗОБ1 ЕТЕНИЯМ И ОТН1ЫТИЯМ пеи п<нт сссе (21) 4371755/24-07 (22) 01.02.88 (46) 23.03.90. Бюл. 11р ll (71) Отдел энергетической кибернетики

АН МССР (72) В.И. Олещук, Ю.М. Мануковский и А.С. Сизов (53) 621.316.727(088.8) .(56) Заброднн Ю.С. Автономные тиристорные инверторы с широтно-импульсным регулированием. — М.: Энергия, 1977, с. 17-20.

Авторское свидетельство СССР

11 1236591, кл. Н 02 М 7/40р 1986, . (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТРЕХФАЗНЫМ

МОСТОВЫМ ВЕНТИДЬНЫИ ИНВЕРТОРОМ (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в автономных инверторах. Цель изобретения - расширение диапазона регулиро-. вания ннвертора по частоте при инвариантности формы кривой его выходного напряжения к параметрам нагрузки

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления автономными инверторами напряжения, входящими в состав питания установок частотно-регулируемого электропривода.

Цель изобретения — расширение диапазона регулирования инвертора при инвариантности формы кривой выходного напряжения к параметрам нагрузки и улучшенном качестве процесса связанного регулирования частоты и вели2 и улучшенном качестве процесса Nкратного связанного регулирования частоты и величины выходного напряжения. Регулирование частоты выходного напряжения инвертора.осуществляют за счет непрерывной поэтапной вариации длительностей пауз между импульсами управления и самих управляющих импульсов на центральных участках тактовых интервалов. На лоддиапазонах регулирования длительность и местоположение сигналов управления g варьируют в зависимости от значений выходной частоты F и от количества формируемых сигналов п на кащдой половине тактовых интервалов путем односторонней модуляции длительности. Одновременно на всем диапазоне регулирования на тактовых интервалах закрытого состояния вентевед от 140 до ЗОО вв. град. фор- (», мируют сигналы включения вентилей, равные по длительности и симмегричные аналогичным запирающим импульсам.

5 ил. Эрри чины выходного напряжения, осуществляемом sa счет плавного поэтапного изменения количества импульсов в полу,волне выходной кривой инвертора.

На фиг. 1 изображена упрощенная схема трехфазного мостового инвертора напряжения; на фиг, 2 - временные диаграммы, иллюстрирующие предлагаемый способ управления .преобразователем (для определенности принято, что на начальной (минимальной) выходной частоте инвертора на циклограмме уп1552316

Начальные формы линейного и фазного выходного напряжения инвертора

U и U 0, а также сигналов управления U, соответствующие начальной (минимальной) выходной частоте Р изображены на фиг.2а. Характерной особенностью опорной формы линейного выходного напряжения U<> является равенство между собой длительности выходных импульсов, формируемых внутри тактовых интервалов, и длительности импульсов, генерируемых на гра- 40 ницах тактовых интервалов. При этом длительность центрального на полупериоде импульса в полуволне линейного выходного напряжения инвертора в два раза превышает длительность 45 других выходных импульсов, продолжительность Ъ110 каждого из которых на начальной частоте E определяется как

1 ф .= - у — 1 - . Соответственно продолжительность 9 сигналов (импульсов) управления, попеременно со сдвигом в 60 эл. град. поступающих на каждый из основных вентилей трехфазной мостовой схемы инвертора, на наN-1 чальной частоте равна ф = —, 6F N

Отмеченные импульсы управления Б поступающие, на вентиль +А фазы А

50 равляющих импульсов внутри тактовых интервалов 60-градусных продолжительностей формируется по несть импульсов управления (М=б) ° соответственно в данном случае алгоритм управления обеспечивает шестикратное связанное регулирование частоты и величины среднего на полупериоде значения выходного напряжения преобразователя, принято также, что основные вентили силовой схемы инвертора являются полНостью управляемыми); на фиг. 3— функциональная схема системы управления вертикального типа, при помощи которой может быть практически реализован предлагаемый способ управления; на фиг, 4 — временные диаграммы, поясняющие работу системы на 1/6 части периода начальной выходной частоты 20 о (интервал 60-120 ); на фиг. 5 — диаграммы, иллюстрирующие работу системы

В процессе шестикратного изменения выходной частоты (обозначения кривых на фиг. 4 и 5 соответствуют нумерации 25 узлов устройства управления, приведенной на фиг.3). катодной группы трехфазной структуры преобразователя и вызывающие его периодическое выключение на момент времени, равный длительности упомянутых импульсов управления, представлены на фиг.2 на верхних временных диаграммах. Наличие указанных управляющих импульсов соответствует, таким образом, закрытому состоянию ключа, нулевое значение сигналов управления — его открытому состоянию. На начальной выходной частоте местоположения середин i-x управляющих сигналов определяются в общем случае как С; (2i-l ) (N-1) 31

-60 1+ +

N(1+1) 2Я

1 эл.град, На второй половине тактовых интервалов формирование управляющих сигналов осуществляется симметрично. Кроме того, для обеспечения постоянства структуры силовой схемы трехфазного инвертора при любых значениях параметров (коэффициента мощности) нагрузки на всем диапазоне регулирования аналогичные симметричные включающие вентили сигналы управления формируются в зонах закрытого состояния на тактовых интервалах от 240 до 300 эл.град, Расширение диапазона регулирования частоты выходного сигнала трехфазного инвертора при предлагаемом способе управления обеспечивается за счет непрерывной поэтапной вариации дли" тельностей пауз между импульсами управления и самих управляющих импульсов на центральных участках тактовых интервалов 60-градусных продолжительностей, находящихся в серединах зон проводимости и закрытого состояния вентилей длительностью в 180 эл,град.

При этом для поддержания постоянства отношения величины выходного напряжения инвертора к частоте на поддиапазонах регулирования, на которых регулирование осуществляется за счет изменения продолжительности центральных пауз, длительности сигналов управления Ъ варьируют в зависимости от значений выходной частоты F.и от количества формируемых сигналов п на каждой половине тактовых интервалов в соответствии с выражением

1 1

Ъ=

12n F Р Н (- — — ), Одновременно на указанных поддиапазонах регулирования осуществляют симметричный синхронный сдвиг одного из фронтов (переднего или заднего) указанных им5 !55231 пульсов управления по направлению к центрам тактовых интервалов. Местоположения середин i-x, считая от начала тактовых интервалов, сигналов выключения и включения вентилей оп-. ределяется в этом случае соответственно из функциональных зависимостей!

-Ь) 1 и С.=60

) эл. град.!

1 — эл.град. и ) Абсолютная величина расстояний между фронтами импульсов управления внутри каждой половины тактовых интервалов также остается неизменной, На вторых половинах тактовых интервалов управляющие сигналы формируются симметрично. Регулирование частоты выходного напряжения инвертора при этом npons-. водится путем последовательного изменения длительности Ъ центрального на тактовом интервале управляющего сигнала, осуществляемого в соответ1 ствии с зависимостью !), у—

Я

2п(п-1) (N +N-1)+Я(И+1) ,n К+ указанного режима достигается при величине выходной частоты инввртора

j и Н (Я+1)

2п и-1 N +N-1 +N N+1 которой длительность центрального уп1 1 F

C =-60 !+(i+ ——

4п N(N+! ) NF .

) ° —1 1 F

4+ (i+ —. о

) ——

Верхняя частотная граница указанного режима достигается при частоте 20

Н (И+1}

II

В диапазонах частот F

N (N+1) и о 2п п-1) (N-1 +N N-1 тактовых интервалов формируются управляющие импульсы изменяемых длительностей, а продолжительность остальных сигналов управления не зави" сит от текущих значений выходной час- gp тоты инвертора и определяется из соотношения

Ъ

2п (N +N-! ) -М (N+ 1 ) Местоположения середин сигналов выключения и включения вентилей на та35 ких поддиапазонах регулирования определяют иэ функциональных зависимостей С ;-60 (I+(+ — — ) х .

2i-1 1 2i-1

2 4п, 2N N+1) у 1 Г 2i-1 х ) эл,град. и С =60 4+(. +

1 2i-1 F

4п 2М(Я+1) NF, J

При анализируемом варианте связан- 45 ного регулирования частоты и величины напряжения инвертора в диапазоне четного количества раз (И=6) на первом подциапазоне регулирования изменение частоты (длительности периода) выходного сигнала производят за счет изменения продолжительности паузы между управляющими импульсами, формируемой в центрах тактовых интервалов.

Соответственно при нечетных N на пер- 55 вом поддиапазоне регулирования производят последовательное плавное изме-. нение продолжительности центрально-. го сигнала управления при неизменной

6 о длительности остальHbIx импульсов управления. Дпительности импульсов управления на первом поддиапазоне регулирования анализируемого алгоритма управления изменяются (уменьшаются) при росте выходной частоты в соответствии с sa1 г ! висимостью (- — †)= †(-—

12п F F©N 36 F

1 — †). Отмеченное изменение длительо ности сигналов управления производится путем соответствующего одинакового и симметричного смещения передних относительно начала тактовых интервалов фронтов управляющих импульсов на первых половинах тактовых интервалов и задних фронтов сигналов управления во вторых частях тактовых интервалов.

Координаты середин i-х выключающих импульсов управления на первых половинах тактовых интервалов при этом смещаются к центрам тактовых интервалов

Указанный процесс продолжается до момента достижения выходной частотой преобразователя значения F, при котором продолжительность центральной паузы между импульсами управления принимает нулевое значение..

На следующем подынтервале регулирования (фиг. 2б) длительность Я всех сигналов управления, за исключением центрального, остается неизмен2n(N +N-1)-N(N+1) 1552316 равляющего импульса уменьшается до нуля .

На очередном поддиапазоне работы преобразователя, наблюдаемом в диапа((! 5 зоне частот F, -F и характеризующемся уменьшенным на единицу по сравнению с предыдущим режимом количеством вырабатываемых сигналов управления (при этом n=2), осуществляется, как и на первом поддиапазоне, последовательное изменение продолжительностей импульсов управления, производимое смещением передних фронтов управляющих сигналов на первых половинах так- 15 товых интервалов и задних фронтов импуьсов управления на вторых полови" нах тактовых интервалов. Такой же алгоритм формирования управляющих импульсов имеет место в диапазоне час(1 тот от F до Р, при этом на каждом тактовом интервале формируется по два сигнала управления (n=l), а полуволна линейного выходного напряжения инвертора синтезируется из пяти им- 25 пульсов (фиг ° 2г).

В диапазонах частот от Р до Р ( (фиг.2в) и от F> до Р> (фиг.2д) регулирование выходной частоты производится .путем соответствующего измене- 3g ния продолжительности {смещения фронтов) сигналов управления, расположен" ных в центрах тактовых интервалов.

Стрелки, изображенные на фиг.2 у со- ответствующих фронтов импульсов управления, иллюстрируют описанный характер изменения их временного положения внутри каждого иэ поддиапазонов регулирования.

После уменьшения длительности последнего управляющего сигнала до нуля,наблюдаемого при номинальной выходной частоте преобразователя Рц м.= (Р =6Р, выходное напряжение инвер- 45 тора достигает своего максимального значения (фиг.2е). Последующее увеличение выходной частоты производится при неизменной величине выходного напряжения, что соответствует режиму постоянства мощности применительно к использованию преобразователя в системах частотно-регулируемого электропривода переменного тока. Переход от одного поддиапазона регулирова55 ния к другому во всей регулировочной зоне инвартора осуществляется плавна, без скачков в величинах среднего и действующего значений напряжения г и амплитуд гармоник спектра выходной кривой, Способ реализуется устройством, представленным на фиг.3.

Блок 1 задания частоты системы управления, величина сигнала 11„ на выходе которого прямо пропорциональна выходной частоте инвертора, определяет частоту следования тактовых импульсов генератора 2 тактовых импульсов, которая на всем диапазоне регу" лирования в двенадцать раз превьппает выходную частоту преобразователя. Генератор 2 синхронизирует работу генератора 3 развертывающего линейно изменяющегося напряжения, выходной сигнал U которого характеризуется двусторонней симметрией и постоянной крутизной, амплитуда сигнала U> изменяется при этом (Лиг.5) с ростом выходной частоты по гиперболическому закону. Источники 4-6 опорных напряжений связаны с соответствующими входами блока 7 формирования длительностей импульсов, источники 4 и 5 кроме того соединены с входами сумматоров 8 и

9, на другие входы которых приходит сигнал с выхода функционального преобразователя 10.

Постоянные по амплитуде опорные напряжения U4,U,U(; источников 4-6, поступающие на вход блока 7, сопоставляются в нем, как следует из кривых, приведенных на фиг. 4, с развертывающим сигналом U генератора 3.

В моменты равенства указанных сигналов блоком 7 формирования вырабатываются команды на формирование фронтов выходных импульсов . передних фронтов на первой половине тактовых интер" валов и задних фронтов выходных импульсов на второй половине тактовых интервалов. В соответствии с принципом. работы схемы выбор амплитуд сигна" лов U<,4, U, выраженных на фиг.5 в долях от П м „с, производится иэ соотношений

Пз ма кс Fñ," Ug((((z((c

Fo 41 U+ Fo 41

=-р=, где

F 63 U «(((F> ыь

Ц® „, — максимальная амплитуда сигнала генератора 3 развертки, наблюдаемая на начальной выходной частоте инвертора Р . Выбранные таким образом амплитуды сигналов источников 4-6 обеспечивают при этом переход от одного поддиапазона регулирования к

1552316 другому на частотах, соответствующих упомянутым выше граничным значениям F; °

Регулирование величины выходного напряжения преобразователя в процессе

5 изменения частоты осуществляется путем односторонней модуляции фронтов выходных импульсов, производимой формированием соответствующего сигнала функционального преобразователя 10, связанного по входу с выходом блока 1 задания частоты. Каждому значению сигнала блока 1 при этом соответствует определенная амплитуда сигнала.U

Кривая изменения сигнала U в зависимости от значений напряжения U( (от выходной частоты инвертора}, выраженного в относительных единицах (U = ), изображена на фиг.5, .

11(о 20

"Э макс

При этом задаваемый ход изменения величины U((, определяется в соответствии с принципом управления преобразователем (функциональный преобразо- 25 ватель 10 реализует расчетную функциональную зависимость, связывающую длительность включающих вентили импульсов управления, (определяемую величиной сигнала U

Начальное значение U

U9 макс (она(цР+1

0,023 Uq(N ((c. Совокупность Указанных 35 значений выходных сигналов блоков

4-б и.10 обеспечивает соответствие граничных выходных частот инверто- . ра, переходных от одного поддиапазона регулирования к другому, приведенным 40 выше величинам F, ...

На поддиапазонах частот F -Р„, и (((Р,-Р,,Р -F s имеет место увеличение сигнала U(< по закону обращенной гиперболы. В диапазонах выходных час-:

И (И (.тот F(-Ft Fg-Ft амплитуда U,((постоянна и определяется в первом случае из соотношения U

1Има ко

Ктб

Нэ м(((кс — Зв — =0,028 0т „„, в во втором диапазоне U

Uя мако 119макс (о Ni 4 (0,041 U кмо((, B момент времени Р =6Ро амплитуда U достигает максимального значения, равного U( оК0 (((и(g рр1б7111мак0 °

Сигналы (импульсы, длительность которых соответствует продолжительности выходных импульсов инвертора) с выхода блока 7 формирования поступают на вход логического распределителя 11 управляющих импульсов системы управления, осуществляющего логическое преобразование сигналов, приходящих от блока 7 и от трехразрядного регистра 12, и формирование управляющих сигналов на вентили в соответствии с законом 180-градусного управления ключами трехфазной мостовой схемой преобразователя, Форма кривой выходного напряжения инвертора при этом на всем диапазоне регулирования не зависит от параметров нагрузки.

Средняя частота коммутации вентилей силовой схемы преобразователя при предлагаемом способе управления на всем диапазоне регулирования близка к постоянному значению. Благодаря этой особенности, а также тому, что в процессе регулирования осуществляется последовательное плавное изменение количества выходных импульсов в полу волне выходного напряжения,обеспечивается заметное расширение диапазона регулирования преобразователя по частоте при улучшенном, происходящем без дискретного изменения формы напряжения, качестве процесса связанного линейного регулирования частоты и величины выходного напряжения. Действительно,в ходе управления преобразователем по известному способу число вырабатываемых импульсов управления, и, соответственно, выходных импульсов, остается неизменным,.При росте выходной частоты инвертора в этом случае наблюдается последовательное уменьшение временных интервалов между импульсами кривой выходного напряжения, в результате чего достаточно быстро достигается верхняя граница частотного диапазона, определяемая частотными свойствами вентилей и узлов коммутации схемы. Предлагаемый способ управ-. ления, устраняя указанный недостаток, позволяет осуществить качественное управление трехфазными мостовыми схемами инверторов в практически любом заданном диапазоне регулирования выходной частоты.

Формула изобретения

Способ управления трехфаэным мостовым вентильным инвертором, заклю15523)6

12 чающийся в том, что основные вентилиразных фаз инвертора периодически включают и выключают с взаимным фазовым сдвигом в 60 эл.град., при этом для каждого основного вентиля в течение одного полупериода от 0 до

180 эл.град. формируют зону проводимости, а в течение другого полупериода от 180 до 360 эл.град. формируют зону закрытого состояния, на тактовом интервале каждой эоны проводимости от 60 до )20 эл.град. формируют сигналы выключения вентилей, количество которых на начальной выходной частоте инвертора F равно N, а начальные местоположения середин i-х, считая от начала тактового интервала, упомянутых сигналов. управления С, опре- . деляют иэ функциональной зависимости (2i-1) (N-1)

С 60 1+ М Ы 1) + 2))а зл град., отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования инвертора по частоте при 25 инвариантности формы ) риной выходного напряжения к параметрам нагрузки и улучшенном качестве процесса N-кратного связанного регулирования частоты

F и величины среднего на полуперио- 30 де значения выходного напряжения инвертора, начальные длительности сигналов выключения вентилей опредеN-1 лают как аа = — —, внутри первой

О 35 половины тактового интервала каждой зоны проводимости формирование каждого n-ro от начала тактового интервала сигнала выключения вентилей осуществляют при изменении выходной 4О

I частоты инвертора от Р до F =

N (N+1)n на всем диапазоне регулирования на второй половине тактового интервала формирование сигналов упоавления

rf производят симметрично первой половине, задают тактовый интервал каждой зоны эакрытого состояния вентилей от 240 до 300 эл.град,, внутри которого формируют аналогичные сигналам выключения сигналы включения вентилей, при изменении выходной частоты а

N (Я+1) от F до F =F

О о внутри каждой половины тактового интервала эон открытого и закрытого состояния вентилей местоположения середин сигналов управления определяют соответственно как в С =60

1 Р 1 1 — эл, град. и

И(И+1) NF 4n J

Г, 1 F

С =60(4+(i+ — — )

И{И+1) NFo

4п) †) эл. град. и с длительностью )!

Ф определяемой из функциональной зави1 ) симости ф = †(- — †), а при

12n F F-N (F ) F F на каждой половине тактового интервала каждой зоны открытого и за" крытого состояния вентилей формируют по (n-1)-й сигналов выключения и включения вентилей с постоянной длительностью, определяемой из соотношения

2, 2n(N +N-!)-N(N-1)

„., ип и— местоположения середин которых определяются соответственно из функцио2i-1 нальных зависимостей С =60 1+(+

1

4п 2N(N+I)) ИР )

2i-1 1 2i-1 Р

2 4п 2N N+1) Щ град,, à и-й сигнал управления формируют в середине тактового интервала каждой зоны открытого и закрытого состояния вентиля с длительностью Я определяемой из функциональной зависимости

1 1 2п(п-1)(N +N-1)+N(N+1) l F 6 п N+

1552316

Ф .4

1552316

Заказ 337 Тираж 496 Подписное

3НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

Ц Ир

У 3NNJ М они

Составитель О, Парфенова Фиа Х

Редактор Е. Папп ТехредМ.Дидык Корректор 3. Лончакова ) ° (/ю и,,„