Способ преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное с широтно-импульсной модуляцией (варианты)

Способ преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное с широтно-импульсной модуляцией может быть использовано в системах управления преобразователями частоты. Достигаемый технический результат - повышение качества работы электропривода в установившемся режиме и переходных режимах за счет исключения постоянных составляющих в выходном напряжении автономного инвертора на субгармонических частотах. Способ преобразования заключается в сравнении положительной полуволны задающего (синусоидального) сигнала с опорным пилообразным сигналом, а отрицательной полуволны с сигналом пилообразного напряжения, который формируется путем смещения опорного пилообразного сигнала по времени на величину, вычисляемую каждый цикл задающего сигнала. 3 н.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах управления преобразователями частоты.

Известны способы преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), в основе которых лежит принцип наложения синусоидального сигнала задания на пилообразный сигнал несущей частоты ШИМ, реализованные по принципу двуполярной широтно-импульсной модуляции (Н02М 7/527, Н02Р 5/175, RU 2012989 C1, 20.06.2004). Указанный способ имеет недостаток - большое искажение напряжения по сравнению с инверторами с однополярной широтно-импульсной модуляцией (ОШИМ).

Наиболее близким, взятым за прототип, является способ управления преобразователем напряжения с ОШИМ (Н02М 7/527, RU 2071634 C1, 01.10.1997 и фиг.1). Квазисинусоидальное напряжение формируется путем однополярной широтно-импульсной модуляции, при сравнении пилообразного сигнала несущей частоты с синусоидальным сигналом задания, с инвертированной отрицательной полуволной, что отображено на фиг.1, где

U - напряжение;

t - время;

U_З - сигнал задания;

U_П.О - опорный пилообразный сигнал;

F - коммутационная функция управления силовыми ключами.

Данный способ преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное с широтно-импульсной модуляцией реализуется путем сравнения по модулю задающего синусоидального сигнала с опорным пилообразным сигналом, по результату сравнения формируется сигнал управления силовыми ключами.

Недостатком данного способа является ухудшение качества работы электропривода в установившемся режиме и переходных режимах за счет появления, при определенных соотношениях частоты пилообразного сигнала и частоты сигнала задания, постоянных составляющих в выходном напряжении автономного инвертора напряжения (АИН), ухудшающих работу электроприводов в установившемся режиме и в переходных процессах за счет возникновения постоянных составляющих в токах фаз (до 20% от номинала) и, как следствие, дополнительных пульсаций вращающегося момента.

Постоянные составляющие появляются в том случае, если в периоде управляющего напряжения (T_З) на входе АИН укладывается целое (четное или нечетное в зависимости от способа организации ШИМ) число периодов опорного пилообразного напряжения (Т_П), вольт-секундная площадь работы верхних и нижних силовых ключей (см. фиг.1) неодинакова. Если же в периоде управляющего напряжения укладывается дробное число периодов пилообразного напряжения, то возможно появление биений (постоянная составляющая изменяется по уровню и знаку с некоторой частотой, зависящей от соотношения частот управляющего и пилообразного напряжений), среднее значение постоянной составляющей при этом равно нулю. Критические (субгармонические) частоты (f_КР), на которых возникают наибольшие постоянные составляющие, можно определить как

,

где - целые числа;

f_П - частота пилы широтно-импульсной модуляции.

Чем меньше n, тем больше постоянные составляющие.

Технический результат предлагаемого способа - повышение качества работы электропривода в установившемся режиме и переходных режимах за счет исключения постоянных составляющих в выходном напряжении автономного инвертора на субгармонических частотах, что позволит исключить постоянные составляющие в токах фаз и вызванные ими колебания вращающего момента.

Технический результат достигается тремя вариантами способа.

По первому варианту способ осуществляется следующим образом: преобразование постоянного напряжения в квазисинусоидальное реализуется путем сравнения положительной полуволны задающего (синусоидального) сигнала с опорным пилообразным сигналом, а инвертированной отрицательной полуволны с дополнительным пилообразным сигналом, формируемым относительно опорного пилообразного сигнала путем смещения его по времени на величину, вычисляемую в каждый цикл задающего сигнала.

Структурная схема АИН по предложенному способу показана на фиг.2. Временные диаграммы, поясняющие предложенный способ, представлены на фиг.3, где приняты следующие обозначения:

1 - блок вычисления смещения;

2 - блок формирования пилы со смещением;

3, 4 - сумматор;

5, 6 - нуль-орган;

7 - блок силовой части АИН;

f_З - частота задающего сигнала;

U_П.СМ - пилообразный сигнал со смещением;

F₁, F₂ - коммутационная функция управления силовыми ключами верхнего и нижнего плеча АИН соответственно;

U_АИН - выходное напряжение АИН.

Время, на которое сигнал U_П.СМ смещается относительно U_П.О, определяют по следующей формуле:

где k - целая часть отношения f_П/f_З.

Приведенный на фиг.2 АИН работает следующим образом.

Сигналы f_П и f_З поступают на блок вычисления смещения 1, реализуемый по формуле (1), выходом которого является величина временного смещения t_СМ, поступающего вместе с опорным пилообразным сигналом U_П.О на блок формирования пилы со смещением 2, представляющий собой набор логических и математических операций, осуществляющих смещение раз в период задающего сигнала, опорного пилообразного сигнала путем временной задержки на величину t_CM. На выходе блока 2 формируется пилообразный сигнал со смещением U_П.CM. Далее синусоидальный сигнал задания U_З вычитается в сумматоре 3 из опорного пилообразного сигнала и складывается в сумматоре 4 со смещенным пилообразным сигналом. Результирующие сигналы с сумматоров 3 и 4 поступают на два независимых нуль-органа 5 и 6 соответственно, выходом которых являются коммутационные функции F₁ и F₂ для управления верхними и нижними ключами соответственно, находящимися в блоке силовой части АИН 7, выходом которого является квазисинусоидальное напряжение требуемой частоты U_АИН.

По второму варианту способ осуществляется следующим образом: преобразование постоянного напряжения в квазисинусоидальное реализуется путем сравнения положительной полуволны задающего (синусоидального) сигнала с опорным пилообразным сигналом, а отрицательной полуволны с дополнительным пилообразным сигналом, формируемым относительно опорного пилообразного сигнала путем смещения его по времени на величину, вычисляемую в каждый цикл задающего сигнала, с последующим его инвертированием.

Структурная схема АИН по предложенному способу аналогична первому варианту и показана на фиг.4. Временные диаграммы, поясняющие предложенный способ, представлены на фиг.5.

Работа способа по предложенному варианту отличается от работы по первому варианту тем, что на сумматор (4) синусоидальный сигнал задания U_З и сигнал смещенного пилообразного сигнала U_П.СМ поступают с противоположным знаком.

По третьему варианту способ осуществляется следующим образом: преобразование постоянного напряжения в квазисинусоидальное реализуется путем сравнения положительной полуволны задающего (синусоидального) сигнала с опорным пилообразным сигналом, а отрицательной полуволны с дополнительным пилообразным сигналом, формируемым относительно опорного пилообразного сигнала путем смещения его по времени на величину, вычисляемую в каждый цикл задающего сигнала, с последующим смещением его по уровню в отрицательную сторону на амплитудное значение пилы.

Структурная схема АИН по предложенному способу аналогична первому варианту и показана на фиг.6. Временные диаграммы, поясняющие предложенный способ, представлены на фиг.7, где: U_m - амплитудное напряжение пилы.

Работа способа по предложенному варианту отличается от работы по первому варианту тем, что в сумматор (4) добавлен сигнал амплитудного напряжения пилы U_m, вычитающийся из суммы синусоидального сигнала задания U_З и смещенного пилообразного сигнала U_П.СМ.

Сигнал пилообразного напряжения со смещением относительно опорного пилообразного сигнала должен формироваться независимо для каждой фазы. Вычисление нового значения t_см должно происходить в то время, пока сигнал задания находится положительной фазе. Необходимое смещение сигнала U_П.СМ относительно U_П.О формируется путем задержки, которая должна включаться в положительной фазе сигнала задания, но не позднее 1/f_П до ее окончания.

В силу того, что величина постоянных составляющих пропорциональна частоте задания, наибольший эффект от предложенного способа достигается на частотах, близких к максимальным.

Таким образом, предложенный способ преобразования в сравнении с прототипом позволяет при сохранении всех достоинств ОШИМ значительно снизить колебания токов двигателя в переходных процессах, полностью исключить несимметрию фазных токов в установившихся режимах, связанную с соотношением частот задания и опорной пилы ШИМ, и тем самым улучшить качество переходных процессов в электроприводе за счет исключения постоянных составляющих в выходном напряжении автономного инвертора на субгармонических частотах.

Реализация заявленного способа в опытном образце дала положительные результаты и предполагается к использованию с 2008 года.

1. Способ преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное с широтно-импульсной модуляцией, заключающийся в сравнении положительной полуволны задающего (синусоидального) сигнала с опорным пилообразным сигналом, результирующий сигнал поступает на первый нуль-орган, отличающийся тем, что формируют дополнительный сигнал пилообразного напряжения путем смещения по времени на величину, вычисляемую в каждый цикл задающего сигнала, и сравнивающийся с инвертированной отрицательной полуволной сигнала задания, полученный в результате сравнения сигнал поступает на второй нуль-орган, выходы первого и второго нуль-органов являются коммутирующими функциями для управления верхними и нижними ключами соответственно в блоке силовой части автономного инвертора напряжения, причем время (t_СМ), на которое смещается пилообразный сигнал относительно опорного, определяют в соответствии с математическим выражением

,

где k - целая часть отношения f_п/f_з,

f_п - частота пилы широтно-импульсной модуляции;

f_з - частота задающего сигнала.

2. Способ преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное с широтно-импульсной модуляцией, заключающийся в сравнении положительной полуволны задающего (синусоидального) сигнала с опорным пилообразным сигналом, результирующий сигнал поступает на первый нуль-орган, отличающийся тем, что формируют дополнительный сигнал пилообразного напряжения путем смещения по времени на величину, вычисляемую в каждый цикл задающего сигнала, который инвертируется и сравнивается с отрицательной полуволной сигнала задания, полученный в результате сравнения сигнал поступает на второй нуль-орган, выходы первого и второго нуль-органов являются коммутирующими функциями для управления верхними и нижними ключами соответственно в блоке силовой части автономного инвертора напряжения, причем время (t_СМ), на которое смещается пилообразный сигнал относительно опорного, определяют в соответствии с математическим выражением

,

где k - целая часть отношения f_п/f_з;

f_п - частота пилы широтно-импульсной модуляции;

f_з - частота задающего сигнала.

3. Способ преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное с широтно-импульсной модуляцией, заключающийся в сравнении положительной полуволны задающего (синусоидального) сигнала с опорным пилообразным сигналом, результирующий сигнал поступает на первый нуль-орган, отличающийся тем, что формируют дополнительный сигнал пилообразного напряжения путем смещения по времени на величину, вычисляемую в каждый цикл задающего сигнала, который смещают по уровню в отрицательную сторону на амплитудное значение пилы и сравнивают с отрицательной полуволной сигнала задания, полученный в результате сравнения сигнал поступает на второй нуль-орган, выходы первого и второго нуль-органов являются коммутирующими функциями для управления верхними и нижними ключами соответственно в блоке силовой части автономного инвертора напряжения, причем время (t_СМ), на которое смещается пилообразный сигнал относительно опорного, определяют в соответствии с математическим выражением

,

где k - целая часть отношения f_п/f_з;

f_п - частота пилы широтно-импульсной модуляции;

f_з - частота задающего сигнала.