Способ управления трехфазным мостовым преобразователем с широтно-кодовым регулированием

 

Сущность изобретения способ управления заключается в периодическом включении с взаимным фазовым сдвигом в 60 эл. град основных вентилей трехфазного мостового преобразователя при этом зоны проводимости и закрытого состояния каждого вентиля составляют по 180 эл. град, Регулирование выходного напряжения осуществляется при этом изменением продолжительности модулирующих сигналов, формируемых внутри крайних 60-градусных тактовых интервалов упомянутых зон проводимости i закрытого состояния вентилей Связанное регулирование выходной частоты и величины выходного напряжения предложено производить зэ счет непрерывной плавной вариации длительностей основных и модулирующих сигналов управления, формируемых у границ упомянутых крайнихтактовых интервалов Продолжительность тактовых подинтервалов,внутри и посередине которых формируются модулирующие сигналы управления, на всем диапазоне регулирования изменяется по нелинейной зависимости , обеспечивающей рациональное количество выходных импульсов в полуволне выходной кривой на каждом частотном поддиапазоне. 2 з.п. ф-лы, 4 ил СП С

(.(?Y?:) i.(?ÐÃ ТСYMX (:ОЦИА))ИС1ИЧЕ C:КИХ

РЕ(:11УБЛИК... SU ÄÄ 1757064 А1

- ° . ъ.7 г 2@- (si)s Н 02 М 7/48

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕ Г

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОГКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4897389/07 рование выходного напряжения осуществ(22) 29.12.90 ляется при этом изменением продолжитель(46) 23.08.92, Бюл. N. 31 . ности модулирующих сигналов, (71) Отдел энергетической кибернетики АН формируемых внутри крайних 60-градусных

CCP Молдова тактовых интервалов упомянутых зон про(72) В.И. Олещук водимости 1закрытого.состояния вентилей; (56) Забродин Ю.С, Автономные тиристор- Связанное регулирование выходной частоные инверторы с широтно-импульсным ре- ты и величины выходного напряжения предгулированием,-М.: Энергия, 1977, гл, 2, ложено производить зэ счет непрерывной

Авторское свидетельство СССР M плавной вариации длительностей основных

1361692, кл. Н 02 М 7/48, 1987. и модулирующихсигналовуправления, фор(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТРЕХФАЗЙЫМ мируемыхуграницупомянутых крайнихтакМОСТОВЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ С ШИ- товых интервалов, Продолжительность

РОТН0-КОДОВЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ вЂ” тактовых подинтервалов; внутри и посере(57) Сущность изобретения: способ управле- дине которых формируются модулирующие ния заключается в периодическом включе- сигналы управления, нэ всем диапазоне рении с взаимным фазовым сдвигом в 60 эл, . гулирования изменяется:по нелинейной заград основных вентилей трехфазного моста- . висимости, обеспечивающей рациональное

coro преобразователя, при этом зоны про- количество выходных импульсов в полуволводимости и закрытого состояния каждого йе выходной кривой на каждом частотном вентиля составляют по 180 эл. град, Регули- . поддиапазоне. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к электротехнике (подкласс силовой преобразовательной техники и электропривода) и может быть использовано при управлении преобразователями для частотно-регулируемого электропривода переменного тока на базе автономных инверторов напряжения, Однако спектральный состав выходного напряжения п реобразователей с подобными законами управления является. не совсем хорошим и часто нуждается в специальном улучшении, Известен также способ управления преобразователемм, обеспечивающий улучшенную форму выходного напряжения, характерной особенностью которого является формирование модулирующих управляющих сигналов внутри крайних тактовых интервалов полупериодов проводимости и закрытого состояния вентилей.

Однако широкодиапазонное регулирование выходной частоты преобразователей. сопровождаемое изменением количества (Ql ч

О о ф

Известны несимметричные алгоритмы управления ключами трехфазных мостовых преобразователей с 180-градусным управлением, при которых управляющие модулирующие сигналы формируются на крайних участках тактовых подинтервалов, на которые разбиваются тактовые интервалы 60градусных продолжительностеи.

1757064 соответствии ! F о с зависимостью

Ео импульсов в выходной полуволне, при уп- в равлении по алгоритму осуществляется дискретным путем и вызывает броски тока в силовых цепях в моменты перехода от одного поддиапаэона регулирования к другому, 5

Целью изобретения является повышение качества процесса регулирования за счет плавного безударного изменения формы выходного напряжения преобразователя.

При управлении по способу, обеспечивающему N-кратное связанное регулирование частоты и величины выходного напряжения преобразователя по закону постоянства отношения величины напряжения к частоте, при котором основные 15 вентили разных фаз и групп йреобрэзователя периодически включает и выключает с . взаимным фазовым сдвигом в 60 эл. град в последовательности +А, -С, +В, -А, +С, -В, при этом для каждого вентиля формируют 20 положительные полупериоды проводимо-. сти:и отрицательные полупериоды закрытого состояния, каждый из которых состоит из трех та кто вых интервалов 60-градус н ых продолжительностей, внутри крайнйх на 25 полупериодах тактовых интервалов формируют модулирующие сигналы (импульсы) управления, прадолЖительность которых определяет величину выходного напряжения преобразователя, формирование ука- 30, занных модулирующих сигналов управления на всем диапазоне регулирования; начиная с начальной частоты Fo. осуществляют в серединах тактовых подинтервалов с продолжительностью 35

Г 6 Е Е N + Е причем середины

Fo

РоИ + Го — Г) упомянутых тактовых интервалов синхрони- зируют с серединой соответствующего центральногг) тактового подинтервалэ (при 40 нечетном M) или с концом и началом соответствующих центральных тактовых подинтервалов (при четном N), при этом на частотных .поддиапазонах F > F > F !+2, а также, при

Fpn E 45 нечетном N, в диапазоне F з —, внутЕо ри тактовых интервалов формируют по i модулирующих сигналов управления с

1 1 Е длительностью Х =-.6--, (— . „), на частотных поддиапазонах F > F> F на крайних участках тактовых интервалов формируют сигналы управления с длительностьюю

Ео

-(-, . --ц, а пРодолжительность ос12 Ро Е тальных(!-2}- i си и : uв упрэвления определяют значения граничных частот F u F ), переходных от одного поддиапазона регулирования к другому, находят как

Е,(!!«) Е!!!!- )- (Е,(К 1) Ей(с-

2Е

Р о

F (и il - Е в Н - i1 (E .(и и1 - Е И Н - il) - 4 Г,E I - 1 (- в — il . F о

2Е где l=2,4,6...N при четном N и )=3,5„..N npu нечетном N, минимальная (базовая) и текущая амплитуды питающего преобразователь постоянного напряжения обозначены соответственно как Ео и Е.

На фиг, 1 представлена упрощенная схема силовых цепей трехфазного мостового преобразователя, выполненного на полностью управляемых вентилях; на фиг. 2— временные диаграммы, иллюстрирующие способ управления; на фиг. 3 — кривые, покэзываюшие изменение продолжительности тактовых подинтервалов и углов уйравления в процессе регулирования преобразователей; на фиг. 4 — функциональная схема системы управления преобразовате лем, реализующей сйособ.

На верхней временной диаграмме (фиг.

2а) показан управляющий сигнал Оу, поступающий на вентиль+А на интервале времени 0 — 60 эл. град в течение первого тактового интервала положительного полупериода проводящего состояния вентиля, нэ начальной(минимальной) выходной частоте преобразователя Fp. На интервале 120 — 180 эл. град управляющие сигналы формируются аналогично, а на полупериоде закрытого состояния вентиля 180-360 эл, град аналогично и симметрично указанным формируются инверсные сигналы управления. Ниже по строен соответствующий участок кривой линейного выходного напряжения преобразователя UAe. Построенные кривые соответствуют варианту пятикратного, при минимальном питающем напряжении, диапазона связанного регулирования частоты и величины напряжения (N=5). В этом случае тактовый интервал 0 — 60 эл. град (и 120 — 180 эл, град) на начальной частоте Fo разбит нэ

5 тактовых подинтервалов одинаковой длительности ro, равной 12 эл. град каждый, внутри и посередине каждого из которых формируются модулирующие сигналы управления, разноименные с соответствующим полупериодом, имеющие в общем виде продолжительность

1 Ео

4 = — (1 — — ), где Ео и Š— соот6NFo E N

1757064 . ветственно минимальная (номинальная) и текущая величины питаю1цего преобразователь напряжения. В случае Е=ЕО при N=5 „= — (1 — — )-=9,6 эл. град.

60 1

5 5

Увеличение выходной частоты преобразователя сопровождается изменением продолжительности г тактовых подинтервалов, осуществляемой по зависимости о

F г 6F ðF N + Е F ) . При этом характерной особенностью рассматриваемого алгоритма управления является то, что в данном случае при нечетном N на всем диапазоне регулирования середины каждого из тактовых интервалов (т.е, точки с ординатами 30, 150, 210, 330 эл, град) синхронизируются с серединами соответствующих центральных тактовых подинтервалов, В случае четной величины N середины тактовых интервалов синхронизируют с концом и началом соот ветствующих двух центральных тактовых подинтервалов, Процесс регулирования частоты выходного напряжения преобразователя сопровождается при этом постоянной попеременной вариацией, как показано стрелками (фиг. 2). длител ностей основных и модулирующих сигналов управления, формируемых по краям тактовых интервалов.

При этом для поддержания постоянства отношения величины выходного напряжения преобразователя к частоте на поддиапазонах регулирования, на которых по краям тактовых интервалов формируются основные сигналы управления, длительности модулирующих сигналов управления варьируют в зависимости от текущих значе-. ний выходной частоты F и от количества i: формируемых внутри тактовых интервалов модулирующих сигналов управления.в соответствии с выражением

А 1 1 F

61 Т FpÅN

Внутри поддиапазонов регулирования, на которых по краям тактовых интервалов синтезируются модулирующие сигналы управления, их (крайних на тактовых интервалах модулирующих сигналов) продолжительность А определяется как

II тС х Л, т

12 F Fp N + Fp — F

Ео

I, э длительность Аостальных (i-2)-и модулирующих сигналов управления определяется как

Л1 —.

Е, 6 сттИс N И. сц — Р) Значения граничных частот, переходных от одного поддиапазона к другому, при этом находятся соответственно как

Fill ° ° .СИЛ-С ИСЕДИ С-ЕИС.С1-4F: ЕИС- И -И-С г; г.RE

F..(FFFF1i ЕЙ(1- с) (1 . (1i- .11

I: ° F о

2Е, Для всех рассматриваемых вариантов управления нэ первом, начиная с частоты

Fp, поддиапазоне регулирования выходной часготы преобразователя вверх от начального значения процесс регулирования осуществляется путем последовательного изменения (уменьшения, как показано стрелками на фиг, 2а) продолжительности крайних на тактовых интервалах основных сигналов управления, Продолжительность

il модулирующих сигналов. управление на

20 этом поддиапазоне при N=5 и 1=5 изменяет1., и ри этом А и А определяется из

1. 1l выражений подстановкой соответствующих

N=5 и 1=-5. Верхней границей этого поддиапазона (п ри Е= Ео) является частота Е g=

2,56Ер, на каждой продолжительности Х снижаются до близких к нулю значений, Следующий поддиапазон управления лежит в зоне выходных частот F 5 >- F>

>F э=3,830, и характеризуется уменьшенным на две единицы количеством модулирующих сигналов управления внутри тактовых интервалов (1=3) (фиг, 2в), В этой зоне, как

55 следует из кривых (фиг. 3), наблюдается, начиная с частоты F=ÇFp, постепенное увеличение абсолютной продолжительности тактовых подинтервалов. В диапазоне выся по зависимости А = О (-(— — = ) .

1 Е, .И (5FpÅ

Продолжительность г тактовых подинтервалов, как показано нэ кривой изменеи

25 ния г (фиг. 3), на этом поддиапазоне регулирования резко уменьшается при повышении частоты, чем обеспечивается увеличение числа выходных импульсов в полуволне и улучшение гармонического состава выходного напряжения.

Верхняя граница отмеченного первого частотного поддиэпазона наблюдается на частоте F = 1,31 Fp, рассчитанной из условия Е=Ео, на которой продолжительность крайних на тактовых интервалах основных сигналов управления уменьшилась до близких к нулю значений.

На следующем поддиапазоне регулирования (фиг. 2б) по краям тактовых интерва40 лов формируются модулирующие сигналы с продолжительностью il а длительность

11 остальных модулирующих сигналов равна

1757064 ходных частот преобразователя F з — F з =

4,26FO (при Е=-Ер), которому соответствуют временные диаграммы линейного выходно,го напряжения (фиг. 2). формируются два крайних модулирующих сигнала с продолжительностью il и один центральный с

II длительностью А, а с часто-ы F s и до !! верхней (номинальной) частоты преобразоЫ Ер Е вателя F = (фиг, 2д) в центрах такЕр товых интервалов формируется по одному модулирующему сигналу управления с продолжительностьюю

1 1 Ер 1 1 Ер

5 Р ЕРрй 5(F FoN) случая Е=Ер, При варианте четной величины индекса N указанная величина совпадает с рассчитываемыми по указанным зависимостям граничными значениями частот F г и

Ег.

Для улучшения гармонического состава выходного напряжения преобразователя целесообразно модифицировать алгоритм управления таким образом, чтобы в кривой выходного сигнала на всем диапазоне регулирования формировалась, как показано пунктиром (фиг, 2), дополнительная последовательность выходйых импульсов, гармонические составляющие которой, суммируясь в противофазе с гармониками основного массива выходных импульсов, способствовали бь! тем самым устранению (уменьшению) а!амплитуд наиболее нежелательных паразитных гармоник результирующей кривой, Для этого должна соответствующим образом измениться продолжительность модулирующих сигналов управления, формируемых в ближних к границам соот ветствукгщих полупериодов половинах тактовых интервалов. При этом внутри положительных полупериодов проводимости продолжительности модулирующих сигналов должны быть увеличены на определенную величину 1, а внутри отрицательных полупериодов закрытого состояния длительности требуемых модулирующих сигналов догжны уменьшаться на ту же величину. Процесс отмеченного изменения продолжительности модулирующих сигналов управления осуществляется в этом случае соответствующим сдвигом дальних по отношению к границам полупериодов фронтов модулирующих сигналов управления.

Для обеспечения полноценной компенсации амплитуд параэитных !армоник на верхнем д. апаэоне регулйрования целесообразно, начиная с частоты (N-1)F0 и до максимальной выходной частоты преобразоваFo N E теля Е = - Е, продолжительность такЕо товых подинтервалов поддерживать равной

5 1 т =-12- . Задаваясь, в частности, номером к подлежащей полному исключению из спектра выходной кривой гармонической составляющей, величина у на всем диапа10 зоне регулирования может быть определена как

y=

15 где

ka . kz m тп !, " д

3 4 4 2 6 5

1сл. kr m tn А

B =2 sin — 3 sin cos k (— — — — — )

3 4 4 2 6 для чзстотных поддиапазонов F! >F7r

> F;;

25 !с,тг k il k г(! — 21

С = — cos — (sin sin

6 2

-sink(— -Я )j

II

6 > для частотных поддиапазонов F > F >F !+г, 30 а также при F>. (N-1)Гр.

ka k (r — Я), kт1

С =. — cos — sin sin

6 2 2

m=l-1, n=l+1 для нечетных N и m=n=l для четных N.

35 Характер изменения относительной, выраженной в зл, град, величины yдля конKpPTHoIo анализируемого режима (И=5) для

Е=-Ер (сплошные линии) и Е=1,2Е, (пунктирные линии) показан на фиг. 3, 40 Обобщенная функциональная схема системы управления преобразователем выполнена по вертикальному принципу и реализует способ управления (фиг, 4). На выходе блока 1 задания частоты формирует45 ся сигнал UI, прямо пропорциональный значению выходной частоты преобразователя, который поступает на входы тактового генератора 2 и функционального N-канального по выходу преобразователя 3. Частота сле50 дования импульсов генератора 2 определяет частоту выходного сигнала блока (генератора) развертывающего пилообразного напряжения 4, которая при атом на всем диапазоне регулирования в 6 раз выше, 55 выходной частоты преобразователя.

Сигнал генератора 4 непрерывно сопоставляется в блоке 5 формирования управляющих импульсов с выходными сигналами ! !з функционального преобразователя 3, величина которых пропорциональна текущим

1757064 значениям пОложений фронтов выходных импульсов а внутри тактовых интервалов (фиг, 2а), При этом работа блока 4 и трехфазного регистра 6 синхронизируется путем начальной уставки таким образом, чтобы нулевые (минимальные) значения сигнала

04 соответствовали серединам тактовых интервалов.

Значения углов регулирования а предварительно оп ределя ются расчетным: 10 путем из указанных соотношений, характеризующих режим осуществления способа управления, относительные, выраженные в эл, град.:величииы углОв тх1- а 5 для варианта N=5 при E=E<> (сплошные линии) и 15

Е=1;2ЕС, (пунктирные линии) построены .на фиг. 3, B моменты равенства текущих значения сигналов блоков 3 и 4 блоком 5 вырабатываются команды на формирование фронтов уп р авляю щих (и выходных) им пуль- 2:0

СОВ, которые распределяются по соответст-. вующйм вентилям и ри помощи логического распределителя 7 управляющих импульсов, Задавая состОяния выходов 03 Qz Q1 регистра 6 на периоде выходной частоты как 100, 25

001, 000. 101. 110, 111, 100 ..., логические уравнения, реализуемые распределителем

7 и поступающие в форме управляющих сйгнаттов на вентили соответствующих фаз пре30 образователя, имеют следующий вйд.

+A=.Q103+Q1Q2U5+0103U5;

+В=010203+0103U5+0102U5+010g U5+

+010365:

+C=Q1Q2+Q103U5+Q102U5

Для формирования дополнительной по- 35 следовательности импульсов при необходимости улучшения гармонического состава выходного напряжения соответствующим образом увеличивается количество выход- ных каналов функционального преобразо- 40 вателя 3, регистр 6 должен выполняться четырехразрядным с соответствующей модификацией логических функций, выполняемых распределителем 7. Ввиду существенно нелинейного характера реали- 45 зуемых закономерностей в качестве аппа- ратурной основы рассмотреннсгй функциональной схемы системы управления должна быть использована цифровая микроэлектроника. 50

Таким образом, способ управления позволяет заметно улучшить качество процесса связанного широкодиапазонного регулирования величины и частоты выходного напряжения преобразователей для 55 электропривода за счет устранения бросков тока в силовых цепях преобразователя и нагрузки, возникающих в моменты изменения количества импульсов в полуволне выходной кривой.

Гармонический состав выходного напряжения при этом в диапазоне низких и средних выходных частот является достаточно удовлетворительным из-за увеличенного количества сигналов в выходной полуволне; обеспечиваемого за счет специальной нелинейной модуляции продолжительности тактовых подинтервалов.

Отмеченные преимущества делают перспективным использованйе способа при управлении преобразователями, питающими системы как общепромьндленного, так и высоковольтного и прецизйонного частотнорегулируемого электропривода переменного тока.

cDормула изобретения

1. Способ управления трехфазным мостовым преобразователем с широтно-кодовым регулированием, заключающийся в

1 том, что основные вентили разных фаз и групп преобразователя периодически включают и выключают с взаимным фазовым сдвигом в 60 эл. град e ïîñJ1åäosàòåf1üíoñòè

1-А. -С, iB, -А, +С, -В, при этом для каждого вентиля формируют положительные полупериоды проводимоотИ и отрицательные полупериоды закрытого состояния, каждый из которых состоит из трех тактовых ийтерва.лов градусных длительностей, внутри крайних на полупериодах тактовых интервалов формируют модулирующие сигналы управления. отличающийся тем, что, с целью повышения качества процесса регулирования 3а счет плавного безударного .изменения формй выходного напряжения преобразователя в ходе N-кратного связанного регулирования частоТы Р и величины напряжения по закону постоянства отношения величины напряжения к частоте, формирование указанных модули рующих сигналов управления на всем диапазоне регулирования, начиная с йачальной частоты

Fo, осуществляют в серединах тактовых подинтервалов с длительностью о

F (= 1 """" ны упомянутых тактовых интервалов синхронизируют с серединой соответствующего центрального тактового подинтервала при .нечетном N или с концом и началом соответ- . ствующих центральных тактовых подинтервалов при четном N, при этом на частотных поддиапазонах F; >F> Г+2 внутри тактовых интервалов формируют по l модулирующих сигналов управления длительностью

1 1 Ее

А = — (.р . „), На частотных под

ЕоЕИ

1757П64

12 диапазонах F i.. Г =. F на крайних участках тактовых интервалов формируют сигналы управления длительностью, 1 .:1 гоN +го — r- 12 i-о Е(1 — 1)М 5 а длительность остальных ((-2)-и сигналов управления определяют в соответствии с зависимостью

Л =-—

Ео

6 F (Fo N + Fo — Е ) 6,Fo Е() — 1 1Ч значения граничных частот F iu F ь переходных от одного поддиапазона регулирования . к другому, опоеделяют и ь(й+!)-Ей(- ) 4(Е.(кн)-Eg(i-l)) -ФГ,Ей((- )(у- н)

2Е

4(«) " ()-ч (Е„(М ем6- )) - (Е Ен(- )(к-),>)

2E„

У где i== 2,4,6.. N при четном N и (=-3,5.. (ч при нечетном, Ео и Е -минимальная (базовая) и текущая амплитуды питающего преобразователь постоянного напряжения.

2. Способ по и. 1, отличающийся тем, что в диапазоне выходных частот преЕ образователя (К-1) F„- NF<> -- длительно ность тактовых подинтервалов определяют

1 соответственно K 3 K T = - г

3. Способ по п. 2, о т л и ч а.ю шийся тем, что, с целью улучшения гармонического состава выходного напряжения преобразователя, на всем диапазоне регулирования изменя от на величину 1 длительность расположенных в ближних к границам полупериодов половинах модулированных тактовых интервалов модулирующих сигналов управления, причем увеличивают длительность указанных сигналов управления в полупериодах проводимости и уменьшают указанную длительность на полупериодах закрытого состояния путем соответствующего сдвига дальних к упомянутым границам полупериодов фронтов соответствующих модулирующих сигналов управления, а величину ) определяют в соответствии с функциональной зависимостью

2 А — vÃÀ — 4 С (В+с) где к — номер исключаемой из спектра выходного напряжения паразитной гармоники (л (г.; г.. Л() г

А = 2 sin — — sin — sin k (— — — ——

3 4 4 2 6 ()

В =2 зГп — sin cosk(— — — — — )д

3 4 4, 2 6

n" с ных поддиапазонов F i > Е >- Е (1л., kil . kr! — 2

С = — cos — (sin sin

6 2

-sink(— — il ) J

Л

6 I для частотных поддиапазонов F > F >-F н2, а также при F > (N-1)Го (д k (ã — Л) k r I

С = — cos — sin — sin

6 2 2

m=i-1, n=(+1 для нечетных N, m=n=i для четных N.

1757064 г

1757064

Фиг.З

Составитель В.Олещук

Техред M.Ìîðãåíòàë

Корректор Н.Король

Редактор И.Шулла

Заказ 3097 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государсгвенного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ CCCP

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

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