Устройство формирования выходного напряжения автономного инвертора для управления асинхронным двигателем

 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления автономными инверторами напряжения в частотно-регулируемых электроприводах переменного тока. Техническим результатом является улучшение качества выходного напряжения автономного инвертора путем улучшения его гармонического состава, надежности и технологичности устройства управления инвертором. Устройство формирования выходного напряжения автономного инвертора для управления асинхронным двигателем содержит блок начальной установки и тактовый генератор, генератор несущей частоты, генератор управления напряжением, блок выборки значений, блок реализации состояния и блок выдержки времени. Блок выборки значений содержит счетчик точек внутри сектора и ПЗУ времени включения транзисторов инвертора. Блок реализации состояния содержит счетчик интервалов, счетчик секторов и ПЗУ состояний инвертора. Выход блока начальной установки подключен к счетчику секторов, к счетчику интервалов, счетчику точек внутри сектора, к ПЗУ времен включения транзисторов инвертора. Выход тактового генератора подключен ко счетчику точек внутри сектора, выход которого соединен с ПЗУ времен включения транзисторов инвертора. Выход генератора несущей частоты подключен к счетчику интервалов, а выход генератора управления напряжением к блоку выдержки времени. ПЗУ состояний инвертора соединен с блоком выдержки времени, выход которого подключен к счетчику интервалов. Выход счетчика секторов подключен к ПЗУ состояний инвертора, который соединен с выходом счетчика интервалов с автономным инвертором напряжения. 5 ил., 1 табл.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления автономными инверторами напряжения в частотно-регулируемых электроприводах переменного тока.

Известен способ управления, основанный на формировании шести последовательностей управляющих сигналов, сдвинутых между собой на 60 электрических градусов (АС СССР №1798878, кл. Н 02 М 7/48, 09.04.90, БИ №8), реализуемый в устройстве, содержащем повышающий широтно-импульсный преобразователь, автономный инвертор напряжения, выходной LC-фильтр, систему управления автономным инвертором напряжения, систему управления повышающим широтно-импульсным преобразователем, источник постоянного тока и нагрузку.

Недостатком известного способа, реализованного цифровым устройством управления, является то, что при данной дискретности между последовательностями управляющих сигналов, неизбежно искажение формы выходного напряжения, повышенное содержание в нем высших гармоник.

Наиболее близким к предлагаемому, является способ, реализуемый с помощью модифицированной пространственно-векторной модуляции, при которой переключение вектора напряжения производят с дискретностью 30° . При этом амплитуды смежных векторов, расположенных через 30° , чередуют и они равны ²/₃· U_d при трех открытых и - при двух открытых ключах АИН (Горячев О.В., Ерошкин Е.А. Векторное управление асинхронными трехфазными двигателями. - Электроника: НТБ, 1999, №4, с.32).

Устройство для управления автономным инвертором, реализующее модифицированную пространственно-векторную модуляцию, содержит тактовый генератор, программируемый таймер, генератор “цифрового треугольника”, содержащий три счетчика и постоянное запоминающее устройство, регистр управления, блок регистров ШИМ и цифровых компараторов по числу фаз, блок коммутаторов ШИМ-сигнала по числу фаз.

Недостатком известного способа, выбранного в качестве прототипа, являются пульсации амплитуды при позиционировании вектора выходного напряжения, приводящие к снижению его качества, ухудшению гармонического состава. К недостаткам устройства, реализующего известный способ, следует отнести наличие управляющего регистра, а также наличие схемной реализации управления по фазам, что увеличивает громоздкость устройства, усложняет схему управления, уменьшая его быстродействие.

Техническим результатом предлагаемого способа является улучшение качества выходного напряжения автономного инвертора путем улучшения его гармонического состава, надежности и технологичности устройства управления инвертором, реализующего предлагаемый способ.

Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что формируют последовательности управляющих сигналов, подаваемых на ключи автономного инвертора, и образующих вращающийся в пространстве изображающий вектор выходного напряжения, причем изображающий вектор выходного напряжения формируют путем геометрического суммирования двух базовых векторов, сдвинутых между собой на 30° , в отличие от прототипа амплитуду второго базового вектора уменьшают до величины первого базового вектора, а также тем, что изображающие векторы сдвигают друг относительно друга на сколь угодно малый угол, например, 1° .

В устройство, реализующее предлагаемый способ, содержащее блок начальной установки и тактовый генератор, в отличие от прототипа дополнительно введены генератор несущей частоты, генератор управления напряжением, блок выборки значений, блок реализации состояния и блок выдержки времени. Причем блок выборки значений содержит счетчик точек внутри сектора и ПЗУ времен включения транзисторов инвертора, а блок реализации состояния содержит счетчик интервалов счетчик секторов и ПЗУ состояний инвертора, причем выход блока начальной установки подключен к первому входу счетчика секторов, к первому входу счетчика интервалов, первому входу счетчика точек внутри сектора, и первому входу ПЗУ времен включения транзисторов инвертора, выход тактового генератора подключен к второму входу счетчика точек внутри сектора, первый выход которого соединен с вторым входом ПЗУ времен включения транзисторов инвертора, а второй выход подключен к второму входу счетчика секторов, выход генератора несущей частоты подключен к второму входу счетчика интервалов, выход генератора управления напряжением подключен к первому входу блока выдержки времени, выход ПЗУ времен включения транзисторов инвертора соединен с вторым входом блока выдержки времени, выход которого подключен к третьему входу счетчика интервалов, выход счетчика секторов подключен к первому входу ПЗУ состояний инвертора, а второй вход ПЗУ состояний инвертора соединен с выходом счетчика интервалов, выход ПЗУ состояний инвертора подключен к автономному инвертору напряжения.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показан принцип суммирования базовых векторов; на фиг.2 - схемы, поясняющие формирование базовых векторов; на фиг.3 - расположение секторов; на фиг.4 - сумма базовых векторов; на фиг.5 - схема управления АИН.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит блок начальной установки 1 и тактовый генератор 2. Кроме того оно содержит генератор несущей частоты 3, генератор управления напряжением 4, блок выборки значений 5, блок реализации состояния 6 и блок выдержки времени 7, причем блок выборки значений 5 содержит счетчик точек внутри сектора 8 и ПЗУ времен включения транзисторов инвертора 9, а блок реализации состояния 6 содержит счетчик интервалов 10, счетчик секторов 11 и ПЗУ состояний инвертора 12, причем выход блока начальной установки 1 подключен к первому входу счетчика секторов 11, к первому входу счетчика интервалов 10, первому входу счетчика точек внутри сектора 8, и первому входу ПЗУ времен включения транзисторов инвертора 9, выход тактового генератора 2 подключен ко второму входу счетчика точек внутри сектора 8, первый выход которого соединен со вторым входом ПЗУ времен включения транзисторов инвертора 9, а второй выход подключен ко второму входу счетчика секторов 11, выход генератора несущей частоты 3 подключен к второму входу счетчика интервалов 10, выход генератора управления напряжением 4 подключен к первому входу блока выдержки времени 7, выход ПЗУ времен включения транзисторов инвертора 9 соединен с вторым входом блока выдержки времени 7, выход которого подключен к третьему входу счетчика интервалов 10, выход счетчика секторов 11 подключен к первому входу ПЗУ состояний инвертора 12, а второй вход ПЗУ состояний инвертора 12 соединен с выходом счетчика интервалов 10, выход ПЗУ состояний инвертора 12 подключен к автономному инвертору напряжения.

Сигнал с блока начальной установки 1, поступает на вход счетчика точек внутри сектора 8 и ПЗУ времен включения инвертора 9, блока выборки значений 5, а также на вход счетчика интервалов 10 и первый вход счетчика секторов 11, блока реализации состояний 6. Счетчик точек внутри сектора 8 блока выборки значений 5 подает сигнал на вход ПЗУ времен включения транзисторов инвертора 9, далее сигнал проходит на вход блока выдержки времени 7, с выхода блока выдержки времени 7, сигнал поступает на третий вход счетчика интервалов 10, блока реализации состояний 6, и затем на вход ПЗУ состояний инвертора 12. Счетчик точек внутри сектора 8 блока выборки значений 5 также подает сигнал на вход счетчика секторов 11 и после соответствующего анализа подается на ПЗУ состояний инвертора 12 блока реализации состояний 6.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом: сигнал с блока начальной установки 1 приводит счетчики 8, 10, 11 и ПЗУ 9 состояний инвертора в начальное положение, после чего счетчик 8 начинает отсчет положений позиционирующего вектора (отсчет точек внутри сектора) а счетчик 11, в свою очередь отсчет секторов.

ПЗУ 9 содержит информацию о временах включения транзисторов, которые располагаются внутри периода несущей частоты и составляют его, реализуя тем самым промежуточный вектор, который располагается между двумя базовыми. Сигнал с ПЗУ 9 поступает в блок выдержки времени, где происходит подсчет времени интервалов, после чего сигнал подают в счетчик интервалов 10. Генератор несущей частоты 3, задает частоту счетчику интервалов 10, который, в свою очередь, наряду с счетчиком секторов 11, выдает сигнал в ПЗУ 12, где после обработки полученной информации создается управляющий автономным инвертором сигнал.

Пример конкретной реализации способа

Сущность предлагаемого способа формирования выходного напряжения состоит в образовании вращающегося в пространстве изображающего вектора напряжения , как геометрической суммы двух базовых векторов и , угол между которыми составляет 30° (фиг.1). При этом один базовый вектор напряжения соответствует состоянию инвертора, когда открыты два транзистора, (фиг.2а) и имеет максимальную амплитуду, равную

где U_d - модуль изображающего вектора напряжения питания инвертора.

Второй базовый вектор напряжения соответствует состоянию инвертора, когда открыты три транзистора, и имеет максимальную амплитуду, равную U_d (фиг.2б).

Таким образом, изображающий вектор напряжения , располагаемый между базовыми векторами, получают их соответствующей комбинацией, то есть путем изменения времени включения базовых векторов (фиг.1), что в инверторе будет соответствовать поочередному включению двух или трех транзисторов. Максимальное значение такого промежуточного вектора не может быть больше, чем 0,866U_d . Это необходимо для того, чтобы уменьшить пульсации модуля изображающего вектора , т.е. повысить качество выходного напряжения инвертора и улучшить форму кривой тока в нагрузке. С этой целью амплитуду второго базового вектора уменьшают до уровня амплитуды первого базового вектора , т.е. уменьшают время включения трех транзисторов.

Базовые векторы и делят период на 12 секторов. Поэтому для расчета длительности времени включения базовых векторов можно рассмотреть один из секторов, например первый (фиг.3). При включении только 12-ти базовых векторов (без промежуточных векторов в секторе) число импульсов напряжения несущей частоты на полупериоде модулирующего напряжения равно одному, i=1. Это приводит к ухудшению спектрального состава выходного напряжения инвертора. Расчет гармонического состава показывает что число импульсов несущей частоты в полупериоде модулирующей частоты должно быть больше 10, например i=12, при этом также улучшается точность позиционирования изображающего вектора напряжения . Такое число импульсов i, в полупериоде модулирующего напряжения, можно получить, сформировав дополнительно в секторе, образованном смежными базовыми векторами и , тридцать промежуточных значений фазы изображающего вектора. Тогда в периоде модулирующего напряжения (то есть в 12-ти секторах) уместится 360 положений фазы изображающего вектора .

Таким образом, фаза изображающего вектора напряжения , в одном секторе поочередно принимает 30 фиксированных положений с дискретностью 1° .

Для определения длительности времени включенного состояния соответствующих базовых векторов и необходимо построить геометрическую схему их суммы (фиг.4). Из рисунка можно записать

где U_S, V2, V3 - модули изображающих векторов;

α - фаза изображающего вектора , принимает значения α =0° -30° ;

β =150° - угол между базовыми векторами.

Преобразовав это выражение с учетом уменьшения максимальной амплитуды базового вектора V3 получим

уравнения (1) можно записать в виде

где t_V2, t_V3 - длительности времени включения базовых векторов и соответственно;

V2, V3 - текущие значения модулей базовых векторов;

V2_max, V3_max - максимальные значения модулей базовых векторов и соответственно.

Т - период напряжения несущей частоты, равный

где Т₀ - время, соответствующее нулевым значениям векторов.

Для формирования кругового годографа вектора результирующего напряжения необходимо переключать сектора по порядку их следования. Переключение секторов производится путем поочередного перебора всех возможных комбинаций состояния силовых ключей инвертора (фиг.3). Предложенный способ управления позволяет получить не только максимально возможное значение величины вектора напряжения инвертора, но и повысить точность формирования вектора напряжения благодаря тому, что позиционирование вектора происходит в сколь угодно малом угле, снизить амплитуду пульсаций тока в обмотках, исключить сквозные токи согласно принципу работы устройства, реализующего предлагаемый способ управления.

Анализ гармонического состава выходного напряжения инвертора показывает улучшение качества за счет уменьшения амплитуд высших гармоник. В таблице приведены значения относительных амплитуд гармоник для различного числа m промежуточных векторов в секторе.

Итак, заявляемый способ позволяет улучшить качество выходного напряжения автономного инвертора путем улучшения его гармонического состава, а также повысить надежность и технологичность устройства управления инвертором, реализующего предлагаемый способ благодаря включению в его состав меньшего количества элементов.

Формула изобретения

Устройство формирования выходного напряжения автономного инвертора напряжения, содержащее блок начальной установки и тактовый генератор, отличающееся тем, что дополнительно содержит генератор несущей частоты, генератор управления напряжением, блок выборки значений, блок реализации состояния и блок выдержки времени, причем блок выборки значений содержит счетчик точек внутри сектора и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) времен включения транзисторов инвертора, а блок реализации состояния содержит счетчик интервалов, счетчик секторов и ПЗУ состояний инвертора, причем выход блока начальной установки подключен к первому входу счетчика секторов, к первому входу счетчика интервалов, первому входу счетчика точек внутри сектора, и первому входу ПЗУ времен включения транзисторов инвертора, выход тактового генератора подключен ко второму входу счетчика точек внутри сектора, который подает сигнал на вход ПЗУ времен включения транзисторов инвертора, а также на вход счетчика секторов, выход генератора несущей частоты подключен ко второму входу счетчика интервалов, выход генератора управления напряжением подключен к первому входу блока выдержки времени, выход ПЗУ времен включения транзисторов инвертора соединен со вторым входом блока выдержки времени, выход которого подключен к третьему входу счетчика интервалов, выход счетчика секторов подключен к первому входу ПЗУ состояний инвертора, а второй вход ПЗУ состояний инвертора соединен с выходом счетчика интервалов, выход ПЗУ состояний инвертора подключен к автономному инвертору напряжения.

РИСУНКИ