Трехфазный регулируемый инвертор

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Соцналнстнческнк

Республик

< 758442 (5 l ) M. Кл.

Н 02 М 7/537 (53) УДК621314. .58 (088.8) (6l ) Дополнительное к авт. свил-ву (22) Заявлено 30.09,77 (21) 2527916/24 — 07

1 с присоединением заявки М (23)Приоритет

Опубликовано 23 08 80 Бюллетень J6 31

Дата опубликования онисания 23.08.80

Гееудерстеенньй кемнтет

CCCP ее ленам нзверетеккк

II еткрнтнк (72) Авторы изобретения

Г, С. Мыцык, A. В. Чесноков, И. В. Балюс и А. И. Чернышев

Московский ордена Ленина энергетический институт (71) Заявитель (54) ТРЕХФАЗНЫЙ РЕГУЛИРУЕМЫЙ ИНВЕРТОР

Настоящее изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано для построения вторичных трехфазных источников питания, а также схем управления такими источниками, предназначенных для частотного запуска и управления электроприводом переменного тока.

Существуют различные возможности регулирования (стабилизации) выходного напряжения

1Ъ трехфазных мостовых инверторов. К числу наиболее эффективных для подавляющего числа случаев применения следует отнести различные способы, основанные на принципе широтноимпульсного регулирования (ШИР). В этих случаях в течение периода выходной частоты осуществляют дополнительные регулировочные переключения ключей стойки инвертора. При этом различают две основные группы алгорпт мов переключения ключей: алгоритмы с однополярным ШИР— ОШИР и алгоритмы с двухполярньтм ШИР— ДШИР. Число дополнительных переключений зависит от требований потребителя к величине искажений (качеству) выход2 ного тока. Если высокое качество выходного тока нс требуется или глубина регулирования невелика (например, при процессах стабилизации) используют алгоритмы только с одним регулировочным переключением на проводящем полупериоде управляющего сигнала каждого из ключей инвертора (1J, (2) и (3).Однако в большинстве инверторов, реализующих алгоритмы с ОШИР, кривая выходного напряжения нри определенных значениях угла регулирования и угла нагрузки значительно искажается от коммутационной составляющей спектра, вызванной реакцией активно-индуктивной нагрузки. Инверторы, реализующие алгоритмы с ДШИР, свободны от этого недостатка, однако увеличенное число дополнительных переключении и возникающие при заом в инверторах сквозные токи ухудшают их массо-габаритные и энергетические показатели. Особенно это проявляется в тех случаях, когда из-за повышенных требований потребителя к качеству выходного напряжения число регулировочных переключений N приходится увеличивать (обычно оно не превышает, 3 — 4).

3 758

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является инвертор, реализующий алгоритм с ОШИР, в котором отсутствуют дополнительные искажения, обусловленные реакцией нагрузки во всей области изменения угла регулирования. Данный инвертор содержит мост управляемых ключей, мост диодов обратного тока и блок управления. В состав блока управления входят последовательно связанные между собой задающий генератор, распределитель импульсов и логический узел, а также модулятор ширины импульсов, включенный между задающим генератором и логическим узлом. Логическии узел выполнен в виде шести каналов, каждый из которых содержит последовательно включенные трехвходовой и двухвходовой логические элементы И вЂ” НЕ и логический элемент НЕ, выход которого является выходом логического узла.

Кривая выходного напряжения данного инвертора не зависит от характера нагрузки, однако он позволяет осуществлять только одно дополнительное регупировочное переключение в зоне

2 1Г/3 — М/3 угла проводимости каждого из его ключейЦОбусловпенное этим невысокое качество выходного тока в процессе регулирования является недостатком инвертора с таким блоком управления.

Для улучшения качества выходного тока инвертора, трехфазный регулируемый инвертор, содержащий мост ключей, управляющий вход каждого из которых связан с выходом соответствующего логического элемента НЕ, связанного своим входом через последовательно соединенные двух- и трехвходовые логические элементы И вЂ” НЕ с выходом распределителя импульсов, и задающий генератор, связанный одним своим выходом с распределителем импульсов, и подключенного другим выходом через модулятор ширины импульсов к одному из входов каждого из трехвходовых логических элементов И вЂ” НЕ, снабжен делителем частоты, четырехвходовыми логическими элементами И вЂ” HE.è дополнительными двухвходовыми логическими элементами И„по числу ключей инвертора узлом измерения тока нагрузки, выход которого подсоединен к одному из входов всех четырехвходовых логических элементов

И-НЕ, другие два входа каждого из которых соединены с распределителем импульсов, четвертый- с выходом модуг.ятора ширины импульсов, входы дополнительного двухвходового логического элемента И подключены соответственно к выходам двухвходового и четырехвходового логическим элементов И вЂ” HE, а нх выходы подключены ко входам. соответствующих логических элементов HE.

Один из возможных вариантов узла измерения тока содержит датчик тока, выпопненнын

442 4 в виде резистора, включенного в цепь питания инвертора, и последовательно связанные межд> собой усилитель, входом подключенный к резистору, эмиттерный повторитель и триггер.

Сущность предложения поясняется чертежами.

5 на которых представлены: на фиг. 1 — блоксх ма предлагаемого инвертора; на фиг. 2— временные диаграммы, -поясняющие принцип

eto работы, на фиг. 3 — зависимость коэффн1О цнента гармоник выходного тока инвертора

Ф от параметров углов регулирования А и нагрузки Ч ц для двух случаев: и = 1(а) н.

1ч = 3(б); на фиг. 4 — расчетная регулировочная характеристика инвертора.

Трехфазный регулируемый инвертор (см.фиг.l) содержит мост управляемых ключей 1 — 6, мост диодов обратного тока 7 — 12, блок управления и узел измерения тока 13, для определения угла перехода мгновенного значения фазного тока инвертора через нулевое значение, В состав блока управления входят задающий генератор (З.Г) 14, делитель частоты (Д) 15, распределитель импульсов (РИ) 16, модулятор ширины импульсов (МШИ) 17 и логический узел

25 (ЛУ) 18, выходы которого связаны, в общем случае, через усилительно-развязывающее устройство (на блок-схеме фиг. 1 оно не показано) с управляющими входами ключей ннвертора 1 — 6. Задающий генератор 14 связан с модулятором ширины импульсов 17 и делителем частоты 15, выход которого связан с тактовым входом распределителя импульсов 16.

Выходы распределителя импульсов 19 — 24 подсоединены ко входам логического узла 18, 35 к другим входам которого подсоединены выходы модулятора ширины импульсов 17 и измерительного узла 13. Логический узел 18

BbttloJtBeH Ha двух-, трех- и четырехвходовых логических элементах И вЂ” НЕ. Так как логический узел 18 содержит шесть идентичных каналов для формирования управляющих сигналов шестью ключевыми элементами инвертора

1 — 6, то ограничимся рассмотрением только двух из них, формирующих управляющие сиг45 калы двумя ключами стойки инвертора, например 1 и 2, К двум входам каждого из трехвходовых логических элементов И вЂ” НЕ 25, 26 подключены выходы 22„24 распределителя импульсов 16 — ко входам элемента 25, а выходы 21, 23 — ко входам элемента 26.

К оставшимся входам каждого из этих элемен. тов (25, 26) подключен выход модулятора ширины импульсов 17. Выходы трехвходовых логических элементов И вЂ” НЕ 25, 26. подключены к одному из входов двухвходовых логи55 ческих элементов И вЂ” НЕ 27, 28, к другому входу которого подключены соответствующие выходы распределителя импульсов 16, например выход 19 — ко входу элемента 27, а вы5 758442 Ь ход 20 - Ko входу элсмснтд 28. Для формировдния доп<>лнитсльных импульсов В сигнале упрдвлсния л<>гический узел сн;>бжсн четырехвходовыми логическими элемснтдми И вЂ” НЕ

29, 30, Ко входдм KoTopblx подключены вь>холы модуляторд ширины имп>льсов 17, измерительного узла 13, д к их оставшимся входдм — выходы рдспрсделитсля импульсов 16; выхоцы 21 и 23 — ко входам элсментд 29, д выходы 2 и 24 — ко входам элсмснтд 30.

Входы чстырехвходовых логических элементов

29, 30 подключены к одному из входов дополнительных двухвходовых логических элементов И вЂ” НЕ 31, 32, к другим входдм которых

ЛОДКЛЮЧСНЫ ВЫХОДЫ ДВУХВХОДОВЫХ ЛОГИЧССКИХ элементов И вЂ” НЕ 27, 28. Выходы логических элементов И вЂ” НЕ 31, 3 являются выходдми логического узлд 18.

Измерительный узел 13 служиг для определения угла псрсходд мгновснног<> з><дчсния фдзного токд инвсрторд через нулсвос зн:>чснис (К ). В одн<>м из во>можных вдри;цггов его выл< лнсния он содержит ддтчик токд в виде рсзисторд 33, включенного в цепь пит;>ния инвсртор;> H последов;>тель«» cBII:33HHblc мсжд> собой усилитель (У) 34, эмиттсрный повторитель (ЭП) 35 и I>op<>loBnc устройство — триггер (Т) 36. Формиров»нис других выходных сигналов логического узла 18 произвоцится дндлогичным обр;>зом — при поддчс нд входы элементов логического узлJ 18 соотвстствуюших сигндлов с выходов рдспрсдслитсля импульсов 16, имсюших 120-градусный фдзовый сдвиг по отношению к ранее рдссмотрснным.

Принцип формирования сигналов логического узла 18, выходных напряжений и токов инвсртора поясняется временными дидгрдммдми, приведенными нд фиг. 2, где 0 .1, — форма ° фазных выходных напряжения и тока инверторд при числе регулировочных пауз N = 4: цифры— вид сигналов, снимдсмых с соотвстствуюших элементов схемы по фиг. 1, обозначенных теми же номерами.

Рассмотрим работу трсхфдзного мостового инверторд при регулировании выходного напряжения. Здддющим генератором 14 здддют выход ную частоту инверторд и осуществляют синхронизацию работы отдельных его узлов. Делитель частоты 15 с соответствующим коэффициентом деления задает число регулировочных пауз N, выбираемое в зависимости от требований потребителя к качеству выходного тока инвертора в процессе регулирования (или стабилизации) выходного напряжения. Распределитель импульсов 16 обеспечивает 120-градусный фазовый сдвиг между управляюшими сигналами ключей инвсртора (см. 19 — 24 на фиг. 2) и может . быть выполнен, например, по трехфдзной схеме пересчетного кольца нд триггерах з =К-типа.

sO

Величина выходного ндпряжсния определяется величиной угла рсгулирования сА, здддвдемого модулятором ширины импульсов 17 (см.фиг.2).

Кдк укдзывдлось, при упрдвлснии ключами инвсрторд сигналом с ОШИР могут возникать искджения выхоцного ндпряжсния. Они возникают при рдботс инвсрторд нд активно-индуктивную нагрузку в момент регулировочных пауз, когдд фдзный ток, опрсдслясмый углом ндгрузки или углом псрсходд фдзного тока инвсрторд через нулсвос зндчснис .1, пересекается с временной осью в зоне регулировочных

Il1> .>. В» H áC>K;>HHC NCK l>K >IO1IICI O Воздействия рсдкции дктивно-индуктивной ндгрузки, т.с. сс ЭДС сдмоиндукции, в момент регулировочной паузы соглдсно предложенному pclllcHHlo включают рднес выключенный ключ cl< йки инвсрторд. Это включение производят только по сш ндлу измерительного уэлд !3. Выходным сигндлом цдтчик;> тока 33 измсритсльн<>го узлд !3 является сиг><д» дндл<н ичный потребляем< му HHBcplopo»I тока. В этом случдс, когда

$;»<>BI»H уl< л пер x<>II;> мгновенного зндчсния г<>к;> через ноль М эсг<>новится больше

:!<. /3 (Ч > 60 ), потребляемый инВсртором ток становится зн<>копсрс»>снным и H;l выходе измерительного узл;> 3 формируют сигнал. фиксирующий длигсльность з;>ходд уг»<> <.(, в зону Л,/3 — 2:з

Процесс рсгулировдния осуществляется зд счет ШИР нд интсрвдлдх углов проводимости кджд<>го из ключей X /3 — Ъ/3 (основныс рсгулйровочныс паузы ) и нд интсрвдлдх

4:!!,/3 — 5 /3 (ндзывдемыс цополнитсльныс регулировочныс импульсы), поддвдсмыми Ilo сигналу рдзрсшсния от измерительного уэлд 13.

Мдксимдльно необходимое число дополнительных импульсов нс прсвышдст половины основных регулировочных пауз, причем формируют их лишь при чисто инд>ктивной ндгрузкс, в моменты, когда фдзный реактивный ток инвсрторд возврдщастся обратно в источник пио тания (или шунтируюший выпрямитель-кондснсдтор) . При других значениях угла нагрузки число дополнительных регулировочных импульсов умсньшдют, причем оно здвисит кдк от характера нагрузки, тдк и от величины угла регулирования .. Возможны .ситуации, при которых дополнительных импульсов нд интервале 4 . - 5Х/3 вообще не формируют, что определяется выходным сигналом с логических элементов И вЂ” НЕ 29, 30. Включение ключа инверторд на время регулнровочной паузы зд счет дополнительного импульса обеспечивает замыкание всех фаз нагрузки инверторд нд ширину питания, обеспечивая воэможность дпериодического затухания токов; при этом фдзные напряжения нагрузки равны нулю и нс

844 8 о

P«c«cIbI и»кззывзюг, чт» ири N -6 и 404 $10 (11>и люГ2ь)х знз«синях у«лз glñ к»эффицнснч гарм»ник тока Кг(I ) 4 0,31.

Нз фиг. 4 приведена рсгулир»вочная характс5 ристикз инвсрт»ра и» основной гармонике вых»ди»г» напряжения (действующее значение)

00„<, гг»строенная в относительных единицах в функции угла регулирования +. Как видно, онз имсе1 практически линейный характер, причем линейность увеличивается при увсли«снии числа N. В приведенной таблице даны знзчсния дсйствующсго значения основной гармоники трсхфззного напряжения для двух значений числа регулировочных пауз Й равного

15 1 и 3, атакже,,для сравнения,,в 3-й графе приведена в том жс масштабе линейная характеристика.

04 06 08 10

О 0,2

0,278 0,187 0,94 О

Я=1 045 0,363 м

Я g: 3 0,45 0,361

0,271 0,181 0,090 0

0.45 (1 — 3.) 045 0360 0270 0,180 0090 О

35

45

50 с я тем, что, с целью улучшения качества выходной электроэнергии за счет уменьшения нелинейных искажений тока, он снабжен дели- 55 телем частоты, четырехвходовыми логическими элементами И-НЕ и донолнитсльными двухискажаются коммутационными импульсами от реакции активно-индуктивной нагрузки.

Увеличение числа регулировочных импульсов

N обесисчивасг уменьшение качества выходного тока инвертора. Как видно из сравнения зависимостей, приведенных на фиг. 3, а н 3 б, искажения тока нагрузки (при гт,„> О) умсньшзются с увеличением числа N. Нз графиках используется относительный угол регулирования о1. 3 1 1 с/ ° с/- изет.

Так, например, ири Ф0„ » 10 и угле регулирования = О, 4, коэффициент гармоник фазного тока инвертора уменьшается на 25%, а при 4,з„-75 и том жс угле регулирования— на 7,5% ири увеличении числа N от 1 до 3.

Основной областью применения предложенного инвертора являстся частотно-регулируемый элсктроиривод. Инвсртор может применяться также во всех случаях, где требуется преобразование постоянного напряжсния, в трехфззное переменное, стабилизированное или рсгулирусмос Ilo величине фиксированной нли pcI óлирусмой частоты, с улучшенным качеством выходного тока.

Формула изобретения

1. Трехфазный регулируемый инвертор, содержащий мост ключей, управляющий вход каждого из которых связан с выходом соответствующего логического элемента НЕ, связанного своим входом через последовательно соединенные двух- и трехвходовые логические элементы И вЂ” НЕ с выходом распределителя импульеов, и задзющий генератор, связанный одним своим выходом с распределителем импульсов, и подключенного другим выходом через модулятор ширины импульсов к одному из входов каждого из трехвходгтвых логических элементов И вЂ” HE. о т и и ч а ю щ и йвходовыми логичсскими элементами И, по числу ключей ннвертора, узлом измсрсния тока нагрузки, выход которого подсоединен к одному нз входов всех четырсхвходовых логических элсмснтов И вЂ” HE, другие два входа каждого из которых соединены с распределителем импульсов, а четвертый — с выходом модулятора ширины импульсов, входы дополнительного двухвходового логического элемента И подключены соответственно к выходам двухвходового и четырехвходового логического элементов И вЂ” НЕ, а их выходы подключены ко входам соответствующих логических эисментов

НЕ.

2. Трехфазный регулипуемый инвертор и» п,1, отличающийся тем,чтоузел измерения тока нагрузки содержит датчик тока, BbIIlQJlHcHHblH в виде резистора, включенного в цепь питания инвертора, н последовательно связанныс между собой усилитель, входом подключенный к резистору, эмиттерный повторитель и триггер.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР N" 473271 кл. Н 02 P 13/18, 1972.

2. Авторское свидетельство СССР У 390639, кл. Н 02 Р13/18,,3966.

3. Пзтент Великобритании N 1167566, Н2 F

1967.

4. Авторское свидетельство СССР Н 2416674/07.

758442

1,0

0,9

0,7

0.6

ОЯ

0,2

ОЕ

01 а а

И 0.4 Cb 0,3 t.0 фигЗ

0,3

ОЛ

2 И 06 Oе 1, ФиаO

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

ЦНИИПИ Заказ 5649/47 Тираж 783 Подписное