Способ управления инвертором на полностью управляемых вентилях с широтно-импульсной модуляцией
Способ управления инвертором с ШИМ с помощью микропроцессора, при котором в основном режиме по сигналам задания вычисляют длительности интервалов нахождения вентилей в рабочих комбинациях и соответствующие им коды комбинаций, а в режиме прерываний отрабатывают эти интервалы , обеспечивая при этом выбор оптимального способа широтно-импульсного управления, переход границ частотных диапазонов без скачка фазы и с минимальной задержкой, вычисления производятся при помощи простейших арифметических операций 2 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (я)з Н 02 М 7/48
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
4 (()( 4 «, с (о
М (21) 4728447/07 (22) 11.08.89 (46) 07.10.92. Бюл. N 37 (71) Научно-исследовательский электротехнический институт Научно-производственного объединения "ХЭМЗ" (72) С.O,Êðèâèöêèé, E.Н,Кричевский, Б,Е.Калашников, Е,А.Педан и И.И.Эпштейн (56) 1. Патент США ¹ 4635177, кл, Н 02 М
7/48, 1980, 2. Патент США ¹ 4615000, кл, H 02 M
7/48, 1980. (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИНВЕРТОРОМ
НА ПОЛНОСТЬЮ УПРАВЛЯЕМЫХ ВЕНТИИзобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления инверторами напряжения с полностью управляемыми силовыми вентилями, Известна система управления с парой пере кл ючателей, соедлнен н ых последовательно-параллельно источнику питания постоянного тока. В рабочем режиме в точке соединения переключателей вы рабатывается выходной сигнал, С помощью третьего переключателя общая точка двух переключателей соединена с нейтралью, В схеме имеется устройство, вырабатывающее сигнал, глубина модуляции которого характеризует отклонение выходного сигнала от требуемого уровня. Микропроцессор схемы вычисляет параметры точек коммутации переключателей инвертора во время рабочего Ы„, 1767665 А1
ЛЯХ С ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ (57) Способ управления инвертором с LUNM с помощью микропроцессора, при котором в основном режиме по сигналам задания вычисля ют дл ител ьн ости интервалов нахождения вентилей в рабочих комбинациях и соответствующие им коды комбинаций, а в режиме прерываний отрабатывают зти интервалы, обеспечивая при этом выбор оптимального способа широтно-импульсного управления, переход границ частотных диапазонов без скачка фазы и с минимальной задержкой, вычисления производятся при помощи простейших арифметических операций. 2 ил. режима. Вычисление параметров точек переключателя образуется на глубине модулирующего сигнала для данного числа импульсов. Микропроцессор вырабатывает информацию E(o время каждого полупериода выходного сигнала. Микропроцессор имеет центральное устройство обработки информации, которое вычисляет результат
92(р(2 2-t(9О „,,>
kIt рр (22.91 -=„р D J
>2(2 2I
Р
-р-(22)
90, 120 г Рр(2 " t(ВРВМ J 2 пВВВ
_#_(2tt tI
Р где aF((9(— передний фронт импульса К в переключающем управляющем сигнале; ар(ч — задний фронт импульса N в переключающем управляющем сигнале;
F — требуемая частота выходного сигнала инвертора;
1767665
P — число импульсов, которые вырабатывает инвертор во время полупериода;
DM — глубина модуляции.
Устройство, соединенное с микропроцессором, вырабатывает управляющие переключающие сигналы, используемые для отпирания переключателей, Недостатком такой схемы являются большие затраты программного времени при непрерывном изменении частоты выходного напряжения, что делэВт ее малоэффективной для использования в частотнорегулируемых электроприводах.
Наиболее близким к предлагаемому способу является инверторная система для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока, содержащая цепь у тановки выходного напряжения для генерации сигнала значения выходного напряжения, соответствующего величине задания скорости, генератор последовательности импульсов с частотой, пропорциональной сигналууправления скоростью, цепь деления частоты последовательности импульсов, вырабатываемых генератором для выработки разьединенных импульсов, цепь измерения временных интервалов между упомянутыми разъединенными импульсами йодаваемых из цепи деления частоты, арифметическое устройство, При поступлении импульсов со схемы деления на вход арифметического устройства, последнее формирует хронирующий сигнал, в соответствии с которым вводится указанный разьединенный импульс, и дополнительные данные, связанные с рабочей фазой тока относительно основной волны.
Там формируются данные о длительности импульсов
KT Т, — период повторения импульсов, определяемый схемой измеревременного интервала между импульсами; (D t — рабочая фаза относительно основНОЙ BO!1НЫ, К вЂ” коэффициент пропорциональности. Однако, известная схема, принятая за прототип имеет следующие недостатки. При необходимости изменения коэффициента деления частоты в цепи деления частоты выходного напряжения, переход к новому значению коэффициента деления может произойти только при достижении 5 40 нуля фазы выходного напряже; ия, что ухудшает динамические свойства и регулировочные характеристики при работе системы в составе частотнорегулируемого электропривода. Расчет длительностей интервалов производится раздельно для каждой из 3 фаз выходного напряжения, что увеличивает время их расчета арифметическим устройством. Целью данного изобретения является улучшение динамических свойств и регулировочных характеристик, и гармонического состава выходного напряжения. Поставленная цель достигается тем, что при формировании сигналов управления полностью управляемыми вентилями инвертора определенной длительности и определенного сочетания включения вентилей в зависимости от заданной частоты, согласно изобретению производим анализ частоты и фазы выходного напряжения, выбираем способ широтно-импульсного управления, вычисляем с использованием имеющейся информации о длительности временных интервалов синусоидальной LUNM äëÿ различных диапазонов выходной частоты длительности временных интервалов нахождения вентилей инвертора B рабочих комбинациях и коды этих комбинаций, запоминаем их, с началом нового цикла в режиме прерываний 8 интервальный таймер поочередно загружаем занесенные в память в течение предыдущего цикла длительности интервалов нового цикла, в формирователь импульсов — соответствующие им коды комбинаций, а в основном режиме ведем расчет параметров следующего цикла, при этом длительности нахождения вентилей в основной, дополнительной и нулевой комбинациях определяем из выражений Л; P — sin ! - вых !-4ном осн UBblx,ном 0бдатч Я! sin— 3 Т одоп ! -!вых.ном 0ддатч sin л 3 Тнул = Тц тосн одоп, где! = 0,1„„Р— 1 — номер цикла на периоде J7 повторяемости UD.lx — требуемая величина выходного напряжения; Овых.ном. — номинальная величина выходного напряжения; О,!ном — номинальная величина входного напряжения; 1767665 0ддатч. — величина напряжения снимаемого с датчика входного напряжения; Тц — время цикла, реализуя при этом векторное управление выходным напряжением, кроме того, в области низких частот время нахождения результирующего вектора в некотором фиксированном положении на фазовой плоскости, именуемое временем цикла Тц — величина постоянная, не зависящая от частоты, а фазу фиксированного положения результирующего вектора на фазовой плоскости, определения по формуле pA = 2 x f Тч + г„опр, где фпр — величина фазы вектора для предыдущего цикла; f — частота выходного напряжения, количество циклов P за период повторяемости л/3 — величина переменная, а в области средних частот величина углового шага гр перемещения вектора на фазой плоскости — величина постоянная, определяемая из выражения = л У"ц.с — 3 Р а время цикла определяем из выражения 6Pf причем количество циклов Р на периоде поЛ вторяемости — величина постоянная, кроме того, результирующий вектор занимает на периоде повторяемости P — 2, где г к К = 0,1,2...; фиксированных положений в зависимости от диапазона частот, и если при изменении частоты происходит переход границы частотного диапазона так, что число фиксированных положений P результирующего вектора на периоде повторяемости л!3 предыдущего частотного диапазона больше числа фиксированных положений P текущего частотного диапазона и номер цикла нечетный, то отрабатывают еще один цикл с предыдущим заданием частоты и значением величины входного напряжения без скачка фазы выходного напряжения, во всех остальных случаях отрабатывают новое задание частоты без задержки и без скачка фазы, кроме того для каждого частотного диапазона записы-. вают значения коэффициен-а ШИМ, имеющие вид Гг(Р - Г Г ВГГГ— нГ = — -Еа- — — ЦГГмои 7мо — тГГ.ГГГан.нижн. Uxxxx.r ам.нижн. Оных мои оГП Л73 ГГ I Вих.Г Вм.нижн К2 Оимон ГГ тм.арам.нижн. 8Ux.ном ГГ «и 5 где 0вых.гран. нижн. — величина выходного напряжения на нижней границе частотного диапазо на; Тцикл.гран. нижн. — величина длительности цикла на нижней границе частотного диапа10 зона, длительности интервалов определяем по формулам К1 ВОСН = U бдатч. 0däàò÷. тпул = Тц 1осн одоп. Обеспечивая при этом выполнение соЧ отношения — = сопзт. На фиг,1 приведена векторная диаграмма выходного напряжения инвертора на фазовой плоскости. На фиг.2 приведена фазовая диаграмма X на периоде повторяемости, иллюстрируГ Р ющая организацию переходов при изменеHии частоты. Изобретение осуществляется следую+vII обоазом. 30 Сигнал задания частоты через задатчик интенсивности поступает на вход аналогоцифрового преобразователя, Величина входного напряжения автономного инвертора снимается при помощи датчика и также 35 подаются на вход АЦП. АЦП подает цифровую информацию о выходной частоте и входном напряжении на центральный процессор. ЦП в начале каждого цикла, т.е. интервала времени, в тече40 ние которого отрабатывается одно фиксированное положение результирующего вектора выходного напряжения на фазовой плоскости, запрашивает с АЦП новые значения частоты и напряжения. Произво45 дится анализ частоты и фазы выходного напряжения, Интервал рабочих частот 0 — 100 Гц разбит йа ряд диапазонов, для каждого из которых характерен свой способ широтно-импульсного управления. Так, в области 50 низких частот применяется асинхронная ШИМ, в области средних частот — синхронная LUNM, в области частот несколько ниже номинальной (50 Гц) — широтно-импульсное регулирование (ШИР), в области частот вы55 ше номинальной — поочередное управление вентилей без регулирования величины выходного напряжения. Причем для синхронной LU NM в зависимости от частоты результирующий вектор занимает на пери1767665 у оде повторяемости различное число фиксированных положений P. Как известно, результируюший вектор может занимать 6 устойчивых положений на фазовой плоскости, каждому из которых соответствует определенная комбинации вентилей (фиг,1). Кроме того, инвертор может сформировать две нулевых комбинации (включаются 1, 3, 5 или 2, 4, 6 вентили), при которых выходное напряжение инвертора устанавливается в нол ь. Для формирования промежуточных поло>кений вектора на фазовой плоскости необходимо поочередно устанавливать основну)о для данного интервала комбинацио вентилей, дополнительную (формующую вектор, отстоящий от основного на « ) ,гт и нулевую комбинацию вентилей. В Общем случае длительность нахождения вентилей в основной, дополнительной и нулевой комбинацияк определяется по формулам л Р— i} sin живых О(гном 5 Госн — г г U вых,ном г.годатч Я" 3 7г I S l i"— Usbix UdI-IobI ЗР, (2 доп— (-)вых.ном Бддатч sin гог 3 нул = Тц Сосн Тдоп ° (3) где i = 0,1,г...P — 1 — номер цикла на периоде 7г повторяемости UsbIX — Требуемая ВВЛИчИНа ВЫХОДНОГО напряжения; ).4ых gpss — номинальная величина выходного напряжения; Ud prn — номинальнаЯ величина входного напряжения; Бс(датч — величина снижаемая с датчика входного напряжения; Тц — время цикла.. г В большйнстве случаев, когда требуется О регулирование — = const эта формула моf жет быть упрощена. Для синхронного способа длительность цикла определяется по формуле Тц = = 6 Р т. (4). Так как нам необходимо выполUsbix НЕНИЕ СООТНОШЕНИЯ Т = KUsbix.ном, ТОДЛЯ этого предварительно рассчитывают для любой частоты данного диапазона (например нижней границы) величину ri P-1) SIIi— Щном — Тц.гран.н. (.г) 0ама.гp8H.í. о ама. сип Л(U llhIX.à ан.н. sin— Зр Кг = — Ог- — — Оггном т тц«Ран.н. (В) SlAю ГдЕ Usblx.ãðàí,H. ВЕЛИЧИНа ВЫХОДНОГО НаПряжения на нижней границе частотногодиапазона; Тцикл,гран.н. ВЕЛИЧИНа ДЛИТЕЛЬНОСТИ 10 цикла на нижней границе частотного диапазона, Рассчитанные заранее величины К1 и К2 для различных частотных диапазонов заносятся в память, и затем вычисляются по фор15 мулам. Кг Тосн = Обдатч. К2 одоп = г бдатч. тнул = Тц Сосн одоп (7) (8) Вычисления по этим формулам требуют минимальных затрат программного времени и обеспечивают выполнение соотношения U — = const В соответствии ячейки памяти записыВают рассчитанные по формулам (7), (8), (3) длительности интервалов и соответствующгие им комбинации вентилей. Так для вектора с окончанием в точке А на фазовой плоскости ссновной комбинацией будет 1, 4, 6 (включения 1, 4, 6 вентили), дополнительной — 1, 3, 6, нулевой — 1, 3, 5. Отработка этих интервалов происходит 40 в режиме прерываний с началом следующего цикла, В интервальный таймер загружается число из памяти, соответствующее длительности первого интервала, а в формирователь — код комбинации вентилей для 45 данного интервала, открывая тем самым соответствующие вентили инвертора. По окончании счета таймером до нуля в него загружается величина длительности следующего интервала, а в формирователь — со50 ответствующий ему код комбинации вентилей, В начале этого цикла по основной программе процессор запрашивает новые значения выходной частоты и выходного напряжения и вычисляет параметры следующего интервала цикла, которые заносятся в память. Таким образом, в каждом цикле отрабатываются сигналы задания запрошенные и вычисленные в предыдущем цикле, и запрашиваются и Вычисляются параметры следующего цикла. 1767665 На низких частотах (менее 6 — 4 Гц) незначительное изменение частоты, вызывает согласно формуле: 6Pf о ень большое изменение времени цикла при постоянном Р, либо требует разбиения низко частотного участка на ряд поддиапазонов с различным числом Р, а отработка частот близкой к нулевой и нулевой (результирующий вектор не изменяет своего положения на фазовой плоскости по формуле (4) представляется невозможной. Поэтому задаем постоянное время цикла Тц, а фазу цикла определяем по формуле: рА = 2 Kf Tq+ pnp (9) где p
f — частота выходного напряжения. Для того, чтобы можно было пользоваться записанными величинами К1 и К2 и переходить к синхронному режиму, полученную величину округляют {отбрасывают дробную часть) до вида xI ЗР (10) где i = 0,1,2„.„P — 1 P = 2, где К = 0,1,2,3„, Для асинхронного метода обычно выбираем P = 32, что обеспечивает высокую точность отработки при относительно небольшом массиве коэффициентов К1 и К2, Однако, при высоких частотах применение асинхронного способа LLIMM может вызвать появление субгармоник, поэтому применяем синхронный способ, при котором величина углового шага постоянная, = 2 ЗР а время цикла равно 6Рf При синхронном способе производят разбивку на частотные диапазоны со значениями Р=2, При изменении задания частоты происходит переход границы частотных диапазонов, при которых изменяется число P. При любых переходах необходимо; чтобы на инат тервале укладывалось целое число циклов, и не происходило скачка фазы выходного напряжения. Для этого частотные диапазоны для всех способов широтно-импульсного регулирования построены таким образом, чтобы число P частотного диапазона, примыкающего к верхней границе данного диапазона было в 2 раза меньше, а число P частотного диапазона, примыкающего к нижней границе было в 2 раза больше числа P для данного частотного диапазона, т,е. число P имеет вид 5 Р=2к, К=0,1,2,..., Кроме того, задатчик интенсивности настраивают таким образом, чтобы при изменении частоты за время цикла пересекалось не более одной границы между частотными 10 диапа"-îíàìè,,т.е, не было их пропуска. При уменьшении частоты с переходом границы частотных диапазонов не возникает проблем с переводом номеров циклов, так, например 15 i = 3 при P = 4 соответствует i = 6, при Р = 8 (фиг.2) При увеличении частоты с переходом границы частотных диапазонов при четном номере цикла также легко происходит 20 перевод номера цикла, например i = 6 при Р = 8 соответствует i = 3 при P = 4. Во всех указанных выше случаях в следующем цикле отрабатывается заданная величина частоты без задержки и скачка фазы, 25 При увеличении частоты с переходом границы частотных диапазонов при нечетном номере цикла прямой перегд номера цикла невозможен, BK как при этом на инЛ тервале g будет уклады ваться нецелое число циклов, Чтобы избежать скачка фазы, при старой величине задания частоты отрабатывается еще один цикл с предыдущим значением Р, а затем переходим к новому 35 значению Р с новым заданием частоты, Например I< =5 при Р =8 iz = i1+1 = 6 при P =8 i2 = 3 при Р =4 40 Таким образом, происходит переход к новому значению P с задержкой на один цикл, но без скачка фазы. указанный выше способ позволяет быстро осуществлять переходы от одной часто45 ты к другой, что необходимо при работе в системе частотнорегулируемого электропривода, Экспериментальные исследования заявляемого способа управления инвертором на полностью управляемых вентилях с LLIMIVI показали, что по сравнению с прототипом, предложенный способ обеспечивает высокое быстродействие и обеспечивает хо55 рошие регулир вочные характеристики. По сравнению с применяемыми в настоящее время системами управления на логических элементах, предлагаемое решение обеспечивает улучшенный гармонический состав выходного напряжения, лучшие ди1767665 12 намические и регулировочные характеристики, Формула изобретения 1. Способ управления инвертором на полностью управляемых вентилях с широт- 5 но-импульсной модуляцией, заключающийся в том, что каждый период повторяемости раб ты инвертора, равный n/3, делится на Р циклов, в каждом из которых осуществляется чередование комбинаций включенных 10 вентилей в следующем порядке; основная, пртл которой включены вентили, формирую щие-выходные напряжения, соответствующие данному интервалу повторяемости, нулевая, при которой включены вентили 15 анодной (катодной) группы, дополнительная, которая является основной для следующего интервала повторяемости, и нулевая, при которой включены вентили катодной (анодной) группы, так что результирующий 20 вектор выходного напряжения перемещается по фазовой плоскости по квазигармоническому закону, от л и ч а ю шийся тем, что, с целью улучшения динамичесКих свойств и регулировочных характеристик и 25 гармонического состава выходного напряжения, разбивают область регулирования выходной частоты инвертора на области низких и средних частот, область средних частот разбивают на диапазоны, в каждом 30 цикле фиксируют значения частоты и фазы выходного напряжения инвертора и его значение, определяют частотную область и диапазон, в области низких частот время цикла устанавливают постоянным Тц = 35 =const) фазу результирующего вектора выходного напряжения на фазовой плоскости определяют по формуле рн = 2 тг 1 Тц + rpnp, где р, > — фаза вектора для предыдущего 40 цикла, f — частота выходного напряжения, количество циклов на периоде повторяемости устанавливают в зависимости от частоты, в области средних частот число циклов устанавливают постоянным в каждом диа- 45 пазоне, время цикла определяют из выра>кения Тц = 1/6Pf, величину углового шага перемещения вектора на фазовой плоскости определяют как yacc =л/3 Р, при переходе в диапазон с более низкими частотами 50 число циклов P скачкообразно увеличивается, при переходе в диапазон с более высокими частотами — уменьшается, вычисляют ДЛИТЕЛЬНОСТИ toop, tppn, зануд BPBMeHHblX ИНтервалов нахождения вентилей в основной, дополнительной и нулевой комбинациях по формулам >тР tleeex.нон Udq» sin тт73 Онат. $1п— R I ЗР Кт т„= Sl и . А3двт. Uesx пон тт —— ттвыа.нон Овноы иопвт sing P — i sIn л ! К =К Гп к7з вТп л7з где К вЂ” постоянный для данного частотного диапазона коэффициент, обеспечивая при этом выполнение соотношения U/f = const. тнул = Тц восн одоп, где i = 0,1,...,P — 1 — номер цикла на периоде повторяемости; Uatlx требуемая величина выходного напряжения; 0 нов — номинальная величина выходного напряжения; 14лат — измеренная величина выходного напряжения, запоминают комбинации и их длительности и с началом нового поочередно воспроизводят их, одновременно с этим ведут расчет параметров для следующего цикла, если очередное i = P, то задают I = О, и производят изменение комбинаций вентилей, вызывающее сдвиг на зт /3 против часовой стрелки вектора выходного напряжения, обеспечивая тем самым векторное управление выходным напряжением... 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что результирующий вектор выходного напряжения занимает на периоде повторяемости P = 2, где К = 0,1,2... фиксированных к положений в зависимости от диапазона частот, если при изменении частоты происходит переход границы частотного диапазона так, что число P в предыдущем диапазоне больше, чем в текущем, и номер i нечетный, то отрабатывают один цикл с предыдущим заданием частоты и значением величины выходного напряжения, во всех остальных случаях отрабатывают новое значение частоты без задержки, 3, Способ по п.1, отл и ч а ю щи и с я тЕМ, Чта ПРИ РаСЧЕтЕ tools И Доп КОЭффИЦИЕНты К1 и К2 задают равными 1767665 -a(23,5) c(Эи1 Составитель Е.Педан Техред М,Моргентал Редактор Корректор M.Максимишинец Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 3557 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
