Способ управления матричным преобразователем частоты

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления матричным преобразователем частоты (МПЧ), работающим в составе частотно-регулируемого электропривода. Технический результат - увеличение коэффициента передачи напряжения матричного преобразователя частоты до 0,95. Этот технический результат достигается следующим. Способ управления матричным преобразователем частоты, выполненным в виде матрицы с установленными в узлах девятью двунаправленными полупроводниковыми ключами, обладающими двухсторонней проводимостью тока, состоит в том, что с помощью широтно-импульсного модулятора формируют импульсы управления двунаправленными ключами, модулированные по ширине путем сравнения периодически изменяющегося опорного сигнала тактовой частоты и девяти модулирующих гармонических сигналов, изменяющихся во времени с угловой частотой, равной желаемой угловой частоте выходного напряжения, и рассчитанных таким образом, чтобы при любой заданной выходной частоте матричного преобразователя частоты в нагрузке отсутствовала постоянная составляющая напряжения и субгармоники, кратные частоте напряжения питающей сети, при этом реализуют возможность организации режима линейной модуляции и перемодуляции выходного напряжения преобразователя. 5 ил.

 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления матричным преобразователем частоты (МПЧ), работающим в составе частотно-регулируемого электропривода.

Известен способ управления матричным преобразователем частоты, при использовании которого формирование выходного напряжения осуществляется с помощью высокочастотной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) аналогично автономным инверторам напряжения [1]. Недостатком данного способа является низкий коэффициент передачи напряжения (до 0,866), приводящий к неполному использованию электродвигателя при применении последнего в качестве нагрузки МПЧ.

В этой связи целью изобретения является разработка способа управления МПЧ на основе высокочастотной ШИМ, обеспечивающего коэффициент передачи напряжения более 0,866 при безопасной коммутации двунаправленных ключей.

Для решения указанных задач предлагается:

- использовать в качестве модулирующих сигналов гармонические функции, угловая частота которых совпадает с желаемой угловой частотой выходного напряжения МПЧ;

- при генерации импульсов управления силовыми ключами МПЧ использовать сигналы, длительность которых определяется сравнением значений опорного сигнала со значениями модулирующих гармонических сигналов;

- реализация в алгоритме управления режима перемодуляции выходного напряжения МПЧ.

Силовая часть МПЧ представляет собой силовую матрицу из девяти двунаправленных ключей, установленных в узлах решетки, образованной пересечением трех подключенных к фазам питающей сети А, В, С горизонтальных шин с номерами i=1, 2, 3 (вход) и подключенных к фазам а, b, с нагрузки вертикальных шин с порядковыми номерами j =1,2,3 (выход) [2].

Технический результат изобретения - увеличение коэффициента передачи напряжения матричного преобразователя частоты до 0,95.

Технический результат достигается тем, что в способе управления матричным преобразователем частоты, выполненным в виде матрицы с установленными в узлах девятью двунаправленными полупроводниковыми ключами, обладающими двухсторонней проводимостью тока, состоящем в том, что с помощью широтно-импульсного модулятора формируются импульсы управления двунаправленными ключами, модулированные по ширине путем сравнения периодически изменяющегося опорного сигнала тактовой частоты и девяти модулирующих гармонических сигналов, изменяющихся во времени с угловой частотой, равной желаемой угловой частоте выходного напряжения и рассчитанных таким образом, чтобы при любой заданной выходной частоте матричного преобразователя частоты в нагрузке отсутствовала постоянная составляющая напряжения и субгармоники, кратные частоте напряжения питающей сети, при этом реализована возможность организации режима линейной модуляции и перемодуляции выходного напряжения преобразователя, в которых мгновенные значения модулирующих сигналов формируются согласно зависимости

,

где

;;

;

;

;

;

,

km – амплитуда вектора модуляционного сигнала,

kj – вектор модуляционного сигнала,

βi – начальные фазы напряжений питания МПЧ,

ωвх – угловая частота напряжения питания,

ωвых – желаемая угловая частота выходного напряжения.

Кривые выходных фазных напряжений МПЧ желаемой частоты и амплитуды в предлагаемом способе управления формируются подключением фаз питания к нагрузке в течение изменяющихся во времени интервалов проводимости tij, . Длительность интервалов проводимости зависит от значений модулирующих гармонических сигналов (коэффициентов модуляционной матрицы) mij. Таким образом, вектор выходных напряжений МПЧ формируется посредством умножения вектора напряжений питания на модуляционную матрицу:

. (1)

Аналогично, потребляемый преобразователем ток равен произведению вектора токов нагрузки на модуляционную матрицу:

(2)

Значения коэффициентов модуляционной матрицы и, следовательно, интервалов проводимости t11 – t33 двунаправленных ключей определены таким образом, чтобы обеспечить безопасную коммутацию, исключающую возникновение коротких замыканий по цепи питания преобразователя и обрыв тока по цепи нагрузки. Применительно к предлагаемому способу управления, принципы безопасной коммутации могут быть сформулированы следующим образом:

- относительные значения коэффициентов модуляционной матрицы должны находиться в диапазоне 0 ≤ m ≤ 1. При m = 0 ключ закрыт на протяжении всего периода переключения TS, и наоборот, при m=1 ключ проводит ток на протяжении всего периода переключения TS. Значение m>1 физически нереализуемо. На основании сказанного, значения коэффициентов m ключей МПЧ, подключенных к фазе a нагрузки, могут быть описаны выражением

, ;, (3)

- сумма коэффициентов модуляционной матрицы для трех ключей, подключенных к одной фазе нагрузки, на интервале времени переключения TS должна быть равна единице. Если сумма меньше 1, это означает, что на интервале TS возникает интервал времени, когда отсутствует путь протекания тока между источником питания и нагрузкой (все ключи закрыты). Если сумма больше 1, то, очевидно, на интервале переключения присутствует промежуток времени, когда два ключа, подключенных к разным фазам питания, открыты одновременно. Следовательно, в течение периода переключения сумма коэффициентов должна быть равна единице:

(4)

Значения модулирующих коэффициентов mij должны быть выбраны так, чтобы при любой заданной выходной частоте МПЧ в нагрузке отсутствовала постоянная составляющая напряжения и субгармоники, кратные частоте напряжения питающей сети. Если напряжения питания определены в неподвижной системе координат, то напряжение нагрузки должно быть определено в системе координат, вращающейся с угловой частотой питающей сети ωвх, что позволит исключить появление в нагрузке высших гармонических составляющих напряжения, частота которых кратна частоте напряжения питания. В связи с этим, коэффициенты модуляционной матрицы должны содержать в своем составе гармонический сигнал, изменяющийся с частотой, равной желаемой частоте выходного напряжения преобразователя.

Решением, удовлетворяющим условиям (1-4) является следующее выражение:

, (5)

где для соответственно;

- вектор модуляционного сигнала, имеющий амплитуду km и изменяющийся с частотой выходного напряжения ωвых:

, (6)

δ – коэффициент смещения, обеспечивающий соответствие рабочего диапазона коэффициентов модуляционной матрицы выражению (3):

, (7)

λ – коэффициент смещения, обеспечивающий равенство суммы модуляционных коэффициентов выражению (4):

(8)

ξ – коэффициент, обеспечивающий максимальный коэффициент передачи напряжения при линейной модуляции:

. (9)

Регулирование амплитуды и частоты выходного напряжения в предлагаемом способе управления осуществляется изменением значения амплитуды km вектора модуляционного сигнала kj и изменением угловой частоты ωвых этого вектора соответственно. Значение 0≤km≤0,577 соответствует области линейной модуляции, т.е. области, в которой модулирующий сигнал имеет гармоническую форму. При этом среднее значение выходного фазного напряжения согласно (1) будет равно

, (10)

что соответствует максимальному коэффициенту передачи напряжения в режиме линейной модуляции, равному 0,866. Кроме того, как видно из (10), среднее значение выходного напряжения зависит от мгновенного значения модулирующей функции kj (t) и амплитуды Um фазного напряжения питания и не зависит от частоты напряжения питания.

Значение km>0,577 соответствует области перемодуляции, в которой модулирующий сигнал преимущественно имеет форму, близкую к трапециевидной. При этом максимальное выходное напряжение можно получить при форме трапеции, близкой к меандру. При этом среднее значение выходного фазного напряжения будет равно

,

что при значении =1 позволяет повысить коэффициент передачи напряжения МПЧ до значения 0,95.

Предлагаемый способ управления может быть реализован с помощью МПЧ, обобщенная схема управляющей и силовой частей которого изображены на фиг.1. На фиг.2, 3 представлен принцип формирования управляющих импульсов в режиме линейной модуляции и перемодуляции соответственно. На фиг.4, 5 представлены результаты проверки предлагаемых решений методом компьютерного моделирования.

Силовая часть преобразователя состоит из девяти двунаправленных ключей Sij, объединенных в виде матрицы размерностью 3х3, горизонтальные шины которой подключены к трехфазному источнику питания, а вертикальные – к фазам нагрузки.

Напряжения питания МПЧ поступают на блок синхронизации 1. Блок синхронизации 1 формирует три синусоидальных сигнала, пропорциональных фазным напряжениям питания МПЧ и совпадающих с ними по фазе. Эти напряжения поступают на блок 2 формирователя коэффициента смещения δ и блок 3 формирователя коэффициента смещения λ.

Частота выходного напряжения ωвых МПЧ определяется задатчиком 4, выходной сигнал которого подается на вход формирователя вектора модуляционного сигнала 5, на выходе которого генерируется трехфазный модуляционный сигнал заданной частоты и амплитуды, таким образом, чтобы выходное напряжение МПЧ изменялось по закону скалярного управления U/f=const. На этот же блок приходит сигнал разрешения перемодуляции ПМ. Выходные сигналы формирователя вектора модуляционного сигнала 5 подаются на компараторы 6, 7, 8 которые определяют векторы модуляционных сигналов максимальной и минимальной амплитуды. Сигналы с выходов компараторов подаются на блок 9 формирователя коэффициента ξ. Выходные сигналы блоков 1, 2, 3, 5, 9 поступают в вычислительное устройство 10, которое формирует модулирующие коэффициенты mij согласно уравнению (5), которые затем поступают на усилитель с ограничением уровня 11, который устанавливает предел изменения величин модулирующих коэффициентов в диапазоне 0 ≤ mij ≤ 1 в режиме перемодуляции выходного напряжения МПЧ. В режиме линейной модуляции выходного напряжения усилитель 11 не оказывает влияния на значение модулирующих коэффициентов ввиду единичного коэффициента усиления. С выхода усилителя 11 модуляционные сигналы поступают на вход модулятора-распределителя 12, в котором происходит их сравнение с высокочастотным опорным сигналом, поступающим с генератора 13, и формирование импульсов управления двунаправленными ключами S11… S33.

Принцип формирования импульсов управления двунаправленными ключами в режиме линейной модуляции представлен на фиг.2, в режиме перемодуляции – на фиг.3 (на примере ключа S11 преобразователя). Формирование импульса управления Sу11 и происходит по классическому принципу путем сравнения опорного напряжения UОП с модулирующим сигналом m11. Формирование импульсов управления остальными двунаправленными ключами происходит аналогично.

Работоспособность предложенного способа управления подтверждается диаграммами фиг.4, 5, полученными в ходе компьютерного моделирования. Из диаграмм следует, что сравнение модулирующих импульсов mij(t) и опорного сигнала Uon (t) позволяет получить последовательность импульсов управления, что при последующем распределении этих импульсов по двунаправленным ключам приводит к появлению в цепях нагрузки 3-фазного напряжения Uab, Ubc, Uca как в режиме линейной модуляции (фиг.4), так и в режиме перемодуляции (фиг.5).

По данным научно-технической и патентной литературы авторам неизвестна заявляемая совокупность признаков, направленная на достижение поставленной задачи, и это решение не вытекает с очевидностью из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения уровню изобретения.

Литература

1. Сидоров С.Н., Поляков А.Е. Способ скалярного управления (3×3)-фазным матричным преобразователем частоты. Патент РФ 2414800, опубл. 20.03.2011, бюл. № 8.

2. Сидоров С.Н. Матричный преобразователь частоты – объект скалярного управления. Силовая электроника № 3, 2009 г., с.31-35.

Способ управления матричным преобразователем частоты, выполненным в виде матрицы с установленными в узлах девятью двунаправленными полупроводниковыми ключами, обладающими двухсторонней проводимостью тока, состоящий в том, что с помощью широтно-импульсного модулятора формируются импульсы управления двунаправленными ключами, модулированные по ширине путем сравнения периодически изменяющегося опорного сигнала тактовой частоты и девяти модулирующих гармонических сигналов, изменяющихся во времени с угловой частотой, равной желаемой угловой частоте выходного напряжения, и рассчитанных таким образом, чтобы при любой заданной выходной частоте матричного преобразователя частоты в нагрузке отсутствовала постоянная составляющая напряжения и субгармоники, кратные частоте напряжения питающей сети, при этом реализована возможность организации режима линейной модуляции и перемодуляции выходного напряжения преобразователя, в которых мгновенные значения модулирующих сигналов формируются согласно зависимости

,

где

;;

;

;

;

;

,

km – амплитуда вектора модуляционного сигнала,

kj – вектор модуляционного сигнала,

βi – начальные фазы напряжений питания МПЧ,

ωвх – угловая частота напряжения питания,

ωвых – желаемая угловая частота выходного напряжения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании электропривода с трехфазным двигателем, питаемыми от многоуровневого инвертора на управляемых полупроводниковых приборах (УПП) (транзисторах или запираемых тиристорах), шунтированных «обратными» диодами.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления преобразователем электроэнергии трехфазного электродвигателя переменного тока.

Использование: в области электротехники. Технический результат – предотвращение протекания восстанавливающего тока и, как следствие, уменьшение вероятности возникновения нештатного нагревания или неисправности в устройстве передачи электрической энергии.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах преобразования мощности. Техническим результатом является осуществление преобразования мощности с помощью двухплечевого управления ШИМ-модуляцией с высокой универсальностью, которое может ослаблять ограничения на коэффициент мощности и может эффективно использовать свои возможности независимо от коэффициента мощности.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в полупроводниковых преобразователях энергии. Техническим результатом является повышение надежности функционирования за счет обеспечения требуемого значения тока.

Изобретение относится к области энергетики и электротехники и может быть использовано в устройствах для преобразования термодинамической энергии в электрическую, используемых в качестве источника электрической энергии в системах электропитания автономных электроэнергетических комплексов.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании электромеханических систем, например при создании систем генерирования переменного тока.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрических системах. Техническим результатом является обеспечение быстрой реакции на управляющее воздействие, в частности на вращающий момент, и малых искажений высшими гармониками.

Предложено устройство преобразования мощности, в котором напряжение смещения импульса отпирания и напряжение смещения нейтральной точки не создают помех друг для друга.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для формирования изменяемого по частоте выходного напряжения. Техническим результатом является снижение потерь выпрямителя тока.

Изобретение относится к области транспорта и может быть использовано в тяговом приводе трамваев, троллейбусов, электровозов, электромобилей. Техническим результатом является повышение эффективности процесса преобразования частоты, расширение функциональных возможностей, области использования и уменьшение массогабаритных показателей частотного привода.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрических системах. Техническим результатом является обеспечение быстрой реакции на управляющее воздействие, в частности на вращающий момент, и малых искажений высшими гармониками.

Предложено устройство преобразования мощности, в котором напряжение смещения импульса отпирания и напряжение смещения нейтральной точки не создают помех друг для друга.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления автономными инверторами с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для частотного регулирования скорости асинхронного двигателя.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для независимого регулирования частоты и напряжения многофазной нагрузки, например статорной обмотки асинхронного двигателя.

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение в преобразовательных устройствах с искусственной коммутацией силовых тиристоров. .

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах управления инверторами. .

Изобретение относится к электротехнике и силовой электронике и может быть использовано при построении систем генерирования трехфазного переменного напряжения частотой 50 Гц высокого качества в автономных установках.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления матричным преобразователем частоты, работающим в составе частотно-регулируемого электропривода. Технический результат - увеличение коэффициента передачи напряжения матричного преобразователя частоты до 0,95. Этот технический результат достигается следующим. Способ управления матричным преобразователем частоты, выполненным в виде матрицы с установленными в узлах девятью двунаправленными полупроводниковыми ключами, обладающими двухсторонней проводимостью тока, состоит в том, что с помощью широтно-импульсного модулятора формируют импульсы управления двунаправленными ключами, модулированные по ширине путем сравнения периодически изменяющегося опорного сигнала тактовой частоты и девяти модулирующих гармонических сигналов, изменяющихся во времени с угловой частотой, равной желаемой угловой частоте выходного напряжения, и рассчитанных таким образом, чтобы при любой заданной выходной частоте матричного преобразователя частоты в нагрузке отсутствовала постоянная составляющая напряжения и субгармоники, кратные частоте напряжения питающей сети, при этом реализуют возможность организации режима линейной модуляции и перемодуляции выходного напряжения преобразователя. 5 ил.

Наверх