Способ управления вентильным преобразователем с широтно- кодовым регулированием

 

Сущность изобретения: способ управления базируется на 180-градусном алгоритме управления ключами трехфазной мостовой схемы преобразователя , обеспечивающем инвариантность формы выходного сигнала к параметрам нагрузки. Регулирование величины вы- , ходного напряжения преобразователя при этом осуществляется при помощи модулирующих сигналов управления, формируемых внутри крайних тактовых 60-градусных интервалов полупериодов проводимости, и закрытого состояния вентилей. Процесс широкодиапазонного связанного регулирования выходной частоты и напряжения преобразователя выполняется за счет постоянной поэтапной вариации длительностей крайних на тактовых интервалах основных и модулирующих сигналов управления , которые, как и продолжительность основного массива управляющих сигналов , находятся в соответствующих функциональных зависимостях с текущим и начальным значениями выходной частоты, величиной диапазона регулирования , амплитудой питающего напряжения и количеством формируемых внутри тактовых интервалов сигналов управления . Средняя частота коммутации вентилей при этом близка к постоянной величине. 2 з.п.ф-лы, 5 ил. сл с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5i)5 Н 02 М 7/43

) -3

1

1 I

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К Д ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ при этом осуществляется при помощи модулирующих сигналов управления, формируемых внутри крайних тактовых

60-градусных интервалов полупериодов проводимости, и закрытого состояния вентилей. Процесс широкодиапазонного связанного регулирования выходной частоты и напряжения преобразователя выполняется за счет постоянной поэтапной вариации длительностей крайних на тактовых интервалах основных и модулирующих сигналов управле". ния,. которые, как и продолжительность основного массива управляющих сигналов, находятся в соответствующих

- функциональных зависимостях с текущим и начальным значениями выходной частоты, величиной диапазона регулирования, амплитудой питающего напряжения и количеством формируемых внутри тактовых интервалов сигналов управления. Средняя частота коммутации вентилей при этом близка к постоянной величине. 2 з.п.ф-лы, 5 ил.

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) (21) 4910685/07 (22) 29.12.90 (46) 23. 11. 92. Бюл. Г 43 (71) Отдел энергетической кибернетики АН Молдовы (72) В,И.Олещук ,(56) Забродин Ю,С.Автономные тиристорные инверторы с широтно-импульсным регулированием.М.: Энергия, 1977, гл.2.

Авторское свидетельство СССР

N 1361692, л, Í 02 и 7/38, 1987. (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫМ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ С ШИРОТНО-КОДОВЫМ

РЕГУЛИРОВАНИЕМ (57) Сущность изобретения: способ управления базируется на 180-градусном алгоритме управления ключами трехфазной мостовой схемы преобразователя, обеспечивающем инвариантность формы выходного сигнала к параметрам нагрузки. Регулирование величины выходного напряжения преобразователя

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при управлении преобразователями частоты на базе автономных инверторов напряжения, входящих в состав систем частотно-регулируемого электроприво" да переменного тока.

Известны способа так называемого несимметричного управления трехфазными преобразователями (инверторами) напряжения, при которых полуволна линейного выходного напряжения. Ж 1777219 А1 формируется из четного количества импульсов на полупериоде. Однако спектральный состав выходных кривых при таких законах управления уступа-, ет аналогичным характеристикам преобразователя с симметричными законами управления.

Известен также способ симметричного управления преобразователями с симметричным относительно середины полупериодов формированием управляю щих сигналов, характерной особен-.

1777219 ностью которого является то, что мо дулирующие сигналы управления, продолжительность которых определяет величину выходного напряжения преобразователя, формируются внутри крайних тактовых интервалов каждой зоны управления. Однако изменение количества выходных импульсов в полуволне выходной кривой инвертора при управлении по данному способу осуществляется дискретным путем, что вызывает в эти моменты броски тока в силовых цепях преобразователя и нагрузки и является нежелательным.

Цель изобретения — повышение качества процесса регулирования за счет плавного безударного изменения

Формы кривой выходного напряжения преобразователя. 20

Поставленная цель достигается тем, что при управлении по указанному способу, при котором основные вентили разных фаз и групп преобразователя. периодически включают и выключают с 25 взаимным фазовым сдвигом в 60 эл.град. в последовательности +А, -С, +В, -А, +С, -В, при этом для каждого вентиля формируют положительные полупериоды проводимости и отрица- З0 тельные полупериоды закрытого состояния, каждый из которых состоит из трех тактовых интервалов 60-градусных продолжительностей, на крайних на полупериодах тактовых интервалах формируют модулирующие сигналы управления, продолжительность которых определяет величину выходного напряжения преобразователя, в процессе N-xpaxeoro связанногО регули 40 рования частоты F и величины напряжения на начальной (минимальной) частоте Р- указанные кра" íèå тактовые интервалы разбивают на N подыни 1 тервалов продолжительностью ь = -- 45 о каждый, в середине каждого из которых формируют модулирующие сигналы (импульсы) управления с продолжительEN-Eо 50 ностью 9, = -------, в процессе peryО 6ЕРо% лирования преобразователя синхронизируют середины указанных тактовых интервалов с серединой соответствующего центрального тактового подынтервала (при нечетном N) или с концом и началом соответствующих центральных тактовых подынтервалов (при четном N), формирование каждого

i-го по направлению от середины тактового интервала к его границе модулирующего сигнала управления осуществляют при изменении выходной часто Fbl (n-1) тоты от Г до Г (и — 1 Ы-2 Е+Ео где n = 2i для четных N и n=2i-1 для нечетных N, причем при измене( нии выходной частоты от Ео(Г;„ ) до

РоЕИ(п-1) <,и

F — %

/р (F ), n(n-1) Е F î

NEI о а также в диапазоне F (м1 Е внутри каждого тактового подынтервала Формируют сигналы управления с

1 1 Ео длительностью 9 — р--(-- ), в диапазонах частот Р 0 F > F." no

1 краям тактовых интервалов формируют сигналы управления с продолжительностью

9, 1 (n-1) — (n-2) Е+Е о

12F 12Е1 N(n-2$ а длительность остальных сигналов управления определяют как

Е (и-1) -Š— 2

6Го En(n-1) 4 при этом минимальная и текущая ампли- туды питающего преобразователь напряжения определены соответственно как Ео E °

На Фиг.l представлена упрощенная силовая схема трехфазного мостового преобразователя на полностью управляемых вентилях; на фиг.2 - временные диаграммы, иллюстрирующие процесс формирования управляющих сигналов на соответствующие вентили преобразователя, и кривые линейного выходного напряжения (в верхней части Фиг.2), а также временные диаграммы, поясняющие процесс функционирования системы управления (в нижней части фиг.2); на фиг.3,4 - корреляционные кривые, связывающие значения коэффициента К с относительной величиной выходного напряжения (частоты) соответственно для четных и нечетных N; на фиг.517772 функциональная схема системы управления.

На временных диаграммах, построенных на фиг.2, показаны сигналы (импульсы) управления, поступающие на вентили +А, +В, +С катодной группы мостовой схемы преобразователя в течение полупериода выходной частоты.

Ниже приведены кривые линейного выход-10 ного напряжения преобразователя. Построенные кривые соответствуют при этом значению выходной частоты, близкому к начальной частоте F . Величина диапазона N связанного регулирова- 15 ния частоты F и выходного напряжения при этом выбрана равной пяти (И=5).

В рассматриваемом случае положительный полупериод проводимости каждого вентиля и отрицательный полупериод 20 закрытого состояния разбивают на три тактовых интервала продолжительностью 60 эл.град. каждый. Внутри крайних тактовых подынтервалов (в зонах 0-60, 120-180, 180-240 и 300- 25

360 эл.град. применительно к вентилю +А) формируют модулирующие сигналы управления, разноименные с соответствующим полупериодом.

На фиг.2 pëÿ вентиля +А модулирую-i. ЗО щие сигналы соответствуют нулевому. уровню временной диаграммы,а основные сигналы управления — положительному уровню. При этом формирование каждого модулирующего сигнала осуществляют в середине соответствующего тактового подынтервала продоккительностью л 1 с = ----, на которые разбивается ьг,и каждый из у ка за нных та ктовых интерва- 4О лов, причем середина каждого иэ этих тактовых интервалов на всем диапазоне регулирования синхронизируется с серединой соответствующего центрального тактового подынтервала (при 4 нечетном N) или с концом и началом соответствующих центральных тактовых подынтервалов (при четном N).

При начальной частоте Е продолжительность 9О каждого из указан- 5 ных модулирующих сигналов управления

ЕХ-Eî равна 3 = ----,-.-- где Е .и Е о 6F Щг о а соответственно текущая и минимальная (опорная) амплитуды питающего преобразователь напряжения.

Регулирование частоты выходного напряжения преобразователя при рассматриваемом алгоритме управления осу19 6 ществляется эа счет постоянной Ilo этапной вариации продолжительностей, формируемых по краям указанных тактовых интервалов импульсов управления, в качестве которых попеременно выступают основные и модулирующие сигналы.

Указанные продолжительности последовательно уменьшаются с ростом выходной частоты, что показано стрелками на верхних временных диаграммах фиг.2е

При этом для поддержания постоянства отношения величины выходного напряжения преобразователя к частоте на поддиапазонах регулирования, на которых регулирование осуществляется эа счет изменения продолжительности крайних на тактовых интервалах основных сигналов управления (этому поддиапазону соответствуют кривые на фиг.2), длительности 9, модулирующих сигналов управления определяют как

9 — ---(-—

1 1 Ео

), бп F F EN где n = 2i для четных N и n=2i-1 для нечетных N; i — количество формируемых внутри половины каждого ука- занного тактового интервала модулирующих сигналов управления (включая центральный модулирующий сигнал управления при нечетных

N). Граница укаэанных поддиапазонов регулирования наблюдается при и F EN(n-1) этом на частотах F и (и-1 (Е-E о при которых длительности крайних на тактовых интервалах основных сигналов управления уменьшаются до нуля..

На поддиапазонах регулирования, на которых по краям тактовых интер-. валов формируются модулирующие сигналы управлейия, длительности указанных крайних модулирующих сигналов определяются как (и-1) (и-2) Е+Е а . 12ЕРо N(n-2) а продолжительность ф остальных . модулирующих сигналов управления при этом равна

Е (и-1) -Е о е «еЕее ре!

6P+ иЕ(и-1)

Верхние границы подобных поддиапа" эонов наблюдаются на частотах

1777219

Р ЕИ(и-1) (и-1) (и-2$E+E о

1 1 Ео а= ---(— — — — — )

6 F FEN для E - =E>

54 .при i=2 F = Ро ° F< = 2,5Ро й

35 для Е = 1,2ЕО

1,О4F,Р =156F

F н

F = 1«94 о«F = 261Го, 40 для Е 1«5Ео

1, ОЗР„, F = 1,58Fg, 45

F = 1,87F, F = 2,73Fq °

Как для четных,. так и для нечетных величин N до указанной граничной частоты F регулирование производит2, ся по описанному выше алгоритму, в диапазоне же повышенных выходных частот, при F 7 Г, внутри половин так" товых интервалов формируется по одному (при нечетных N) и по два (при четных N) модулирующих сигнала управления с продолжительностью соответст- венно на которых величины уменьшаются до близких к нулю значений.

Продолжительность крайних на указанных тактовых интервалах основных и.модулирующих сигналов управления в процессе регулирования по описанно- 10 му алгоритму непрерывно позонно отождествляется (кодируется) с длительностью основного массива управляюц их сигналов, которая, в свою очередь, зависит от текуц|их значений выхоцной частоты преобразователя, в связи с чем рассматриваемый способ управления может быть определен как широтно-кодовый.

В соответствии с вышеизложенным для рассматриваемого алгоритма управления преобразователем с пятикратным диапазоном связанного регулирова.:ия величины и частоты напряжения (N=5) отмеченные границы переходов от 25 одного поддиапазона регулирования к другому последовательно наблюдаются на частотах

1 1 Ео

12 F FqEN

Этот этап продолжается до частоты

FoEN

F = — — — — на которой продолжительЕ

О ность 9 упомянутых сигналов управления уменьшается до нуля, чему соответствует максимальное значение выходного напряжения преобразователя.

В соответствии с вышеизложенным верхнее значение предельной частоты Г„„ существенно зависит от текущего значения амплитуды Е питающего преобразователь напряжения. Так, при E = 1,5Е

Fm = 1,5Г,И, т.е. в 1,5 раза превышает значение Р„„ при Е = Е, что имеет место в случае номинальной (минимальной) величины амплитуды питающего напряжения. Соответственно пропорционально E увеличивается диапазон связанного регулирования частоты и величины напряжения преобразователя.

Для улучшения гармонического состава выходного напряжения описанный алгоритм управления может быть несколько модифицирован. Для этого в

N диапазонах выходных частот ---Р, NEFo М вЂ” — продолжительность тактоЕ вых йодынтервалов принимают равной соответственно -- ----. Далее

A 1

12F как показано пунктиром на временных диаграммах на фиг.2, увеличивают на величину / продолжительность модулирующих сигналов управления,расположенных в ближних к границам указанного полупериода проводимости половинах тактовых интервалов. Одновременно уменьшают на величину длительность симметричных модулирующих сигналов, формируемых на половинах тактовых интервалов полупериода закрытого состояния. Благодаря подобной модификации алгоритма в крайних тридцатиградусных зонах полуволны линейного выходного напряжения формируются дополнительные выходные импульсы, количество которых плавно уменьшается с ростом выходной частоты. Наличие дополнительных импульсов позволяет скомпенсировать

2i-1

U и

3

Use

U (6

9 17772 амплитуду нежелательных паразитных гармоник спектра опорной выходной кривой и улучшить тем самым на всем диапазоне регулирования гармонический . 5 состав выходного сигнала. Продолжительность (при этом в данном случае в каждой точке диапазона регулирования определяется в соответствии с зависимостью (= К(с -9), где чис- 10 л ленное значение коэффициента К выбирают для конкретного Е в соответствии с кривыми, построенными на фиг.3 для четных N и на фиг.4 для нечетных N. При этом в спектре выход- 15 ного сигнала преобразователя на всем диапазоне регулирования полностью отсутствует наиболее нежелательная пятая гармоническая составляющая, а амплитуда седьмой гармоники заметно 20 уменьшается.

Функциональная схема системы управления вертикального типа, реализующей предлагаемый способ управления для варианта N=5, приведена на фиг.5.

Генератор тактовых импульсов 1, задающий выходную частоту преобразователя, связан с трехразрядным регистром

2 и с генератором линейно изменяющегося напряжения 3, выходной сигнал 39 которого (см.фиг.2) характеризуется двусторонней симметрией, постоянной крутизной и изменяющейся в процессе регулирования частоты амплитудой. Источники постоянного напряжения 4-6 соединены с сумматорами

7-11, выходы которых подключены к блоку формирования импульсов управления 12, связанному выходом с логическим распределителем управляющих 4р импульсов 13, тактовые входы которого соединены с выходом регистра 2. 8 блоке 12 осуществляется непрерывное сопоставление сигнала развертки Uq с напр жен я и U - U<1 . При этом 4Q блок формирования импульсов управления 12 включает, как показано на фиг.5 для одного канала, N компараторов с выходными формирователями коротких импульсов, выходы которых че- ср рез дизьюнктор связаны с входом счетного триггера. Длительность импульсов на выходе этого триггера соответствует длительности выходных импульсов преобразователя, после- у; довательность которых поступает. на вход блока 14 определения суммарной длительности выходных импульсов с включенным на его вхо;а 10 де конденсатором, выделяющим постоянную составляющую последовательности импульсных сигналов блока 12. Напряжение с последнего поступает далее на делитель, в котором осуществляется его деление на аналоговый сигнал задания выходной частоты преобразователя U в результате чего на выходе блока, 14 на всем диапазоне регулирования формируется напряжение, пропорциональное суммарной на полупериоде длительности выходных импульсов. Выход блока 14 связан с минусовым входом двухвходового интегратора 15.

Источник опорного напряжения 16 через усилитель с переменным коэффициентом передачи 17 подключен к плюсовому входу интегратора 15. Управляющая цепь усилителя 17 соединена с выходом датчика амплитуды питающего напряжения 13. Выход интегратора 15 связан с входами сумматоров 7-11.Величина напряжений i-х источников постоянного напряжения 4 и 5, определяющих середины модулирующих сигналов, а также источников б и 16, находятся из соотношений

2i-1 1

1-1 4 — U

N 5

Uqд 1

U — U

6 11 25 3 где U>> — максимальная амплитуда сигнала развертки, наблюдаемая на начальной выходной частоте преобразователя.

Внутренние параметры .усилителя

17 и датчика 18 выбираются таким образом, чтобы при номинальном питающем напряжении Е = Е коэффициент передачи усилителя 17 был равен еди« нице, а при увеличении Е наблюдалось пропорциональное уменьшение коэффициента передачи усилителя 17.

Алгоритм работы данного устройства управления в процессе регулирования частоты базируется на принципе поддержания постоянства абсолютной величины суммарной вольтсенундной площади выходных импульсов в полу1777219

12 волне линейного выходного напряжения преобра зова теля.

Это обеспечивается, в первую очередь, функционированием контура внутренней обратной câÿçè системы, включающей блок 14, узлы 16 и 18 и интегратор i5. Повышение частоты следования тактовых импульсов гснератора 1 гопровождается соответствующим пропорциональным изменением (уменьшением} амплитуды сигнала Ug генератора 3, что сопровождается плавным безударным изменением формы кривой выходного напряжения на всем диа- 15 пазоне регулирования. При этом наблюдается последовательное периодическое изменение продолжительностей импульсов и пауз, формируемых на крайних участках выходной полуволны, а также ее середине. Логические функции, реализуемые распределителем

13 и поступающие в форме управляющих сигналов на вентили соответст-. вующих Фаз, имеют соедующий вид: 25

+ =Q

+В 01QgQЗ+ Я1QyU

30 где Я Я Ц< — выходные сигналы соответствующих разрядов 35 регистра 2, которые на периоде выходной частоты, как показано на фиг.2, принимают последовательно значения 40

100, 001, 000, 101 110, 111, 100...

Для формирования дополнительных сигналов, улучшающих спектр выходного напряжения преобразователя, в сис- 45 тему, как показано на фиг.5 пунктиром, может быть введен Функциональный преобразователь 19, реализующий одну из требуемых функциональ.ных,зависимостей, представленных . 5О на фиг.3 или 4. Далее сигнал с выхода блока 19, пропорциональный продолжительности | дополнительных импульсон, суммируется в сумматорах 20 и 21 с сигналами соответствующих основных сумматорон и далее поступает через формирующие цепи, включающие компараторы 22 и 23 и триггеры 24 и .

25,,на дополнительные входы логического распределителя 13. Регистр 2 в этом случае должен выполняться четырехразрядным.

Таким образом, предложенный способ управления позволяет существенно улучшить качество связанного регулирования частоты и величины выходного напряжения трехфазных мостовых преобразователей за счет плавного безударного изменения формы кривой выходного напряжения, позволяющего исключить броски тока в силовых цепях преобразователя и нагрузки при переходе от одного поддиапазона регулирования к другому, что приводит также к повышению надежности

Функционирования преобразовательных систем.

Формула изобретения

1. Способ управления вентильным преобразователем с широтно-кодовым регулированием, заключающийся в том, что основные вентили разных фаз и групп преобразователя периодически включают и выключают с взаимным фазовым сдвигом в 60 эл. град. в последовательности+А, -С, +В, -А, +С, -В, при этом для каждого вентиля Формируют положительные полупериоды проводимости и отрицательные полупериоды закрытого состояния, каждый из которых состоит из трех тактовых интервалов 60-градусных продолжительностей, на крайних на полупериодах тактовых интервалах формируют модулирующие сигналы управления, продолжительность которых определяет величину выходного напряжения преобразователя, отличающийся тем, что, с целью обеспечения плавного безударного изменения формы кривой выходного напряжения преобразователя в процессе N-кратного связанного регулирования частоты F и величины напряжения, на начальной (минимальной) частоте Г указанные крайние тактовые интервалы разбивают на

N подынтервалов длительностью

= 1./6Fo N каждый, в середине каждого из которых Формируют модулирующие сигналы управления длительностью

EN-Eo

9, = -------- в процессе регули6EF N о рования преобразователя синхронизируют середины упомянутых тактовых интервалов с серединой соответствую13 17772 щего центрального тактового подынтервала при нечетном Б или с концом и началом соответствующих центральных тактовых подынтервалов при четном N, формирование каждого i-го по направлению от середины тактового интервала к его границе модулирующего сигнала управления осуществляют при изменении выходной частоты от F до

Ро EN (и-1)

gn-1 (п-2 Е+Ео для четных N и n=2i-1 для нечетных

N, причем при изменении выходной частоты от Р (Р;, ) до Ро

FoEN(n-1) г и (F с F ) внутри и (и-17Е-Š—, о

1 каждого тактового подынтервала формируют сигналы управления длитель- 2О

11 1 Ео ) ностью Я = --- (— — — — — — 1, l 6п F ЕРоИ I

lI в диапазонах частот F p F a F no краям тактовых интервалов формируют сигналы управления длительностью

1 (n-1) (n-2)Е+Ео . 12F 12ЕР И(п-2 тельность остальных сигналов управле-.

Е (n-1 ) -E о ния определяют как % 6F Е (-1) ЗО

6Р Еп(п-1 при этом Ео и Е - минимальная и текущая амплитуды питающего преобразователь напряжения.

19 1lI

2. Способ по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что в диапазоне выходных частот преобразователя

EN Е r

S â€, NS — — длительность

2Ео о о Е тактовых подынтервалов принимают равной 1/12S.

3. Способ по п.2, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью улучшения гармонического состава выходного напряжения преобразователя, на всем диапазоне регулирования увеличивают и уменьшают на величину 1 длительности расположенных в ближних к границам упомянутых полупериодов соответственно проводимости и закрытого состояния половинах тактовых интервалов моделирующих сигналов управления путем соответствующего сдвига дальних к границам полупериодов фронтов упомянутых модулирующих сигналов управления, а величину / в каждой точке диапазона регулирования определяют в соответствии с функциональной зависимостью f = K(1 -Я), где численное значение коэффициента К выбирают в соответствии с кривыми, построенными на фиг.3 описания для четных и и на фиг.4 - для нечетных N.

Фиг.I

l777219

1 777219

I(0,1 ор.

О)

О, 0,4

0.3

О, 1777219

r — -1

/Я

Составитель О.Парфенова

Редактор Г.Бельская Техред М.Моргентал Корректор М,Максиь ин ине 4

Ю

Заказ 4!26 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по иэобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Проиэводственно-издательский комбинат "Патент", r.Óæãîðoä, ул. Гагарина,!01