Способ управления двухфазным инвертороми устройство для его осуществления

 

Союз Советских

Социалистическик

Республик п)836753

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6l ) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 13. 07. 78 (21) 2641370/24-07 с присоединением заявки РЙ (23) Приоритет

Опубликовано 07. 06. 81. Бюллетень М 21

Дата опубликования описания 09. 06. 81 (51)М. Кл.

Н 02 P 13/16

Гввударстваииый комитет

СССР ло делам нзебретеннй и аткрытнй (53) УД К 621. 316, .727(088.8) (71) Заявитель

Московский ордена Ленина энергетический институт (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДВУХФАЗНЫМ ИНВЕРТОРОМ

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при построении преобразователей .постоянного напряжения в переменное двухфазное, предназначенных, в

5 частности, для устройств автоматики.

В качестве подобных преобразователей используются в основном двухфазные преобразователи (инверторы), содержащие три стойки ключей. Точка соединения ключей одной стойки образует нулевой выходной вывод, а точки соединения ключей двух других фазных стоек — фазные выходные выводы инвертора.

Ключи, которые в дальнейшем будут обозначены нечетными номерами, под1 ключены к одной, например плюсовой, шине питания, а четными — к другой, минусовой шине питания инвертора.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретений является способ управления двухфазным ин-. вертором, заключающийся в формировании шести периодических с частотой выходного напряжения последовательностей управляющих импульсов, типа меандр. В соответствии с этими последовательностями обеспечивают попеременно открытое длительностью Х состояние ключей в стойках инвертора, причем последовательности управляющих импульсов для ключей фазных стоек сдвинуты на угол Д /2 в сторону опережения H отставания но отношению к последовательностям, управляющим ключами средней нулевой стойки инвертора.

Напряжения на фазах нагрузки при этом имеют форму импульса длительностью

ll/2 т.1).

Устройство для осуществления данного способа содержит задающий генератор, распределитель импульсов, усилительно-развязывающий узел.

Недостатки способа управления двухфазным инвертором — невозможность обеспечения регулирования выходного напряжения широтно-импульсным способом, а также ухудшенные энергетичес8367

10!

45 по отношению к началу управляющих им- 50 пульсов первой последовательности, кие показатели, обусловленные дополнительными потерями в устройстве управления, вызванными нерационально увеличенной длительностью управляющих импульсов и потерями в силовой части инвертора в момент переключения клю- . чей.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за ечет обеспечения регулирования выФ ходного напряжения и улучшение энергетических показателей инвертора.

Это достигается тем, что согласно известному способу управления двухфазным .инвертором с шинами питания, выполненным на базе трехфазной мостовой ,схемы, включающей в себя три стойки, каждая из которых состоит из двух последовательно включенных ключей, причем нулевой выходной вывод подключен к точкам соединения ключей средней стойки, а другие выходные выводы подключены к точкам соединения ключей о фазных стоек, состоя@ему в том, что формируют шесть основных периодических 5 с частотой выходного напряжения последрвательностей управляющих импульсов, причем первую и вторую последовательности управляющих импульсов, обеспечивающих открытое длительностью Х состо30 якие ключей, подают соответственно на управляющие входы ключей средней стойки, третью и пятую последовательности с отставанием и опережением по отношению к началу отпирающих управляющих импульсов первой последователь- З5 ности подают на основных интервалах проводимости на управляющие входы ключей фазных стоек, подключенных к одной шине питания, четвертую и шестую последовательности импульсов, сдвинутых по фазе на угол 7 по отношению к третьей и пятой. последовательностям, соответственно подают на управляющие входы ключей фазных стоек, подключенных к другой шине питания, при этом ( пятая .и шестая последовательности уп/ равляющих импульсов обеспечивают открытое состояние ключей одной фазной стойки на интервалах 0-У/2 и У -ЗХ/2 формируют четыре дополнительные периодические последовательности импульсов, обеспечивающие открытое длительностью с /2 состояние ключей фазных стоек, сдвинутых по отношению к управляющим импульсам третьей, четвертой, пятой и шестой основных по53 4 следовательностей соответственно на угол У-зМ/2, упомянутое отставание и опережение третьей и пятой основных последовательностей импульсов обеспечивают соответственно на углы

7+Ы/2 и Л/2с6/2, длительность управляющих отпирающих импульсов третьей и четвертой основных последовательностей обеспечивают равной У/2, а пятой и шестой — равной 2l-d, гдеЫ— угол регулирования.

Устройство для осуществления предложенного способа, содержащее задающий генератор, распределитель импульсов, два выхода которого через усилительно-развязывающий узел подключены к управляющим входам ключей средней стойки, снабжено модулятором ширины импульсов, делителем частоты и четырехканальным логическим узлом, к входам которого подключены выходы распределителя импульсов, модулятора ширины импульсов и делителя частоты. а, его выходы через усилительно-развязывающий узел соединены с выводами для подключения к управляющим входам ключей фазовых стоек.

На фиг. 1 изображен двухфазный инвертор, выполненный на базе трехфазной мостовой схемы; на фиг. 2 — алгоритм управления ключами инвертора и выходное напряжение инвертора, сформированные по данному способу управления, для случая активно-индуктивной (а) и активной нагрузки (б); на. фиг, 3 — принципиальная схема управления инвертором для реализации способа управления; на фиг. 4 — временные диаграммы, поясняющие работу схемы управления.

Принцип формирования последовательностей управляющих импульсов ключами 1-6 двухфазного инверторов (фиг.1) по предложенному способу поясняется временными диаграммами на фиг. 2 а, где Ц -Об — алгоритмы управления.ключами 1-6 инвертора; Up, Us i< i> фазные напряжения и токи инвертора.

Устройство для осуществления способа управления двухфазным инвертором содержит задающий генератор 7, делитель 8 частоты, распределитель 9 импульсов, модулятор 10 ширины импульсов, логический узел 11 и усилительноразвязывающий узел 12. Логический узел 11 выполнен четырехканальным.

В состав каждого из каналов входят

-четырехвходовые логические элементы И-НЕ 13-16, трехвходовые логические

8367

S элементы И-НЕ 17-22 и двухвходовые логические элементы И-НЕ 23-26. Зада; ющий генератор 7 подключен к делителю 8 частоты и модулятору 10 ширины импульсов. Выход делителя 8 частоты подключен к счетному входу распределителя 9 .импульсов. Выходы модулятора 10 ширины импульсов, делителя 8 частоты, распределителя 9 импульсов подключены к входным выводам логичес- щ ких элементов И-НЕ 13-20 и 25, 26 ло-. гического узла, а выходы. логических элементов И-НЕ 21, 22 и 23, 24 подключены к усилительно-развязывающему . узлу 12, выходные выводы которого под- 1 о ключены к управляющим входам ключей 1-6 инвертора.

Все временные интервалы задают по отношению к началу отпирающего имО пульса первой последовательности. На интервале проводимости 0-7/2 в соответствии с основными последовательностями управляющих импульсов формируют отпирающие сигналы для ключей 1 и 5 и запирающие сигналы для ключей 2 и 6. Для ключей 3 и 4 на этом же интервале формируют изменяющийся широтно регулируемый сигнал. Так на интервале 0-Jf/2 в соответствии с третьей дополнительной последовательностью .открывают ключ 3 (импульс на фиг.2 а заштрихован) и закрывают ключ 4. На интервале сЬ/2 †(T1/2-о1/2) в соответствии с основной последовательностью управляющих импульсов формируют отпирающий сигнал для ключа 4 и,запирающий сигнал для ключа 3, а на интервале (Х/2-с4/2) -Х/2 формируют запирающие сигналы для обоих ключей 3 и 4. На интервале проводимости Т/2-Х формируют отпирающий сигнал для ключа 1 и запи4О рающие сигналы для ключей 2, 3 и. 4.

Для управления ключами 5, 6 формируют сигналы управления, аналогичные описанным сигналам ключей 3 и 4. Фазовый сдвиг последовательностей управляющих, 45 сигналов ключей 2, 4 и б относительно ключей 1, 3 и 5 равен Л, и дальнейшее формирование управляющих сигналов производится аналогично.

Максимальная величина угла регулирования 4. равна 7l /2 (при этом 0, =138 = О). В этом. случае длительность закрытого состояния ключа 4 на интервале 0-7/2 и ключа б на интервале

Л/2-Л также равна У/2. Так как фаз- 5$ ный угол нагрузки V не превышает знан чения Г/2 (при чисто индуктивной нагрузке), то для избежания искажающего

53 6 воздействия нагрузки на форму вьйодного напряжения на основном интервале

О-У/2 формируют сигнал, отпирающий .ключ 3 инвертора, длительностью не болеес6/2, и отпирающий сигнал такой же длительности для ключа 5 на основном интервале У/2-Х. При режиме прерывистых токов нагрузки, т.е. когда .фазный ток, например ih, спадает до нуля на участке проводимости Х/2-(7+ 2), длительность отпирающего сигнала дополнительной последовательности импульсов может быть задана меньше с /2 или даже равной нулю. Кро" ме того, на участках 0-У/2 и У-ЗУ/2 длительность сигналов опирающих ключей 6 и 5 инвертора может быть также уменьшена пропорционально углу, при котором фазный ток принимает нулевое значение. Это может быть сделано заранее программным способбм, когда параметры нагрузки известны, либо по сигналу обратной связи по току.

В предельном случае активной нагрузки или когда фазный ток спадает до нуля за время, меньшее длительностью половины регулировочной паузы с сигнал управления кпючами 5 и 6 инвертора принимает вид, аналогичный сигналам третьей и четвертой основных последовательностей (фиг. 2 б), а необходимость в формировании дополнительных последовательностей импульсов пропадает. Уменьшение длительности управляющих импульсов основных последовательностей сигналов управления ключами инвертора позволит улучшить его энергетические показатели, а также упростить устройство для его реализации.

Б том случае, когда качество выходного тока инвертора не удовлетворяет потребителя, регулировочная пауза может быть сформирована на том же интервале проводимости, но состоящей из нескольких пауз, соответственно меньшей длительности каждая. Однако и в этом случае при формировании последовательностей управляющих импульсов для ключей 3-6 на соответствующих интервалах в соответствии с дополнительными последовательностями импульсов формируют отпирающие. сигналы толь« ко на интервале, длительностью не больше < /2, что является целесообразным с энергетической точки, зрения и достаточным для сохранения постоянства формы фазного напряжения при

7 83675 изменении параметров нагрузки и углов регулирования во всем диапазоне.

Рассмотрим работу устройства для осуществления способа управления двух-. фазным инвертором. Задающий генератор 7 определяет выходную частоту инвертора и осуществляет синхронизацию работы отдельных узлов. Делитель 8 частоты, выполненный, например, в виде триггера, определяет зону возмож- IO ного существования импульсов дополнительных последовательностей управляющих сигналов, равную Л /4. Прямой выход триггера делителя 8 частоты подключен к счетному входу распредели- 1з теля 9.импульсов, выполненного по пересчетной кольцевой схеме на триггерах 1К-типа. Модулятор 10 ширины импульсов по сигналу U> осуществляет изменение длительности регулируемой паузы d . Он может быть выполнен, например, в виде генератора 27 пилообразного напряжения, компаратора 28 и логического элемента НЕ 29. Собственно задающий генератор 7 и модулятор 10 ширины импульсов могут быть выполнены совмещенными в виде одного узла, выполняющего обе функции.

Выходы 30-33 распределителя 9 импульсов, инверсный выход тригге39 ра делителя 8 частоты, а также выходы компаратора 28 и логического элемента НЕ 29 модулятора 10 ширины им-. пульсов подключены к входньач выводам логического узла 11.

Рассмотрим формирование последо35 вательности управляющих импульсов по двум каналам (например ключами 4 и 5) логического узла 11. К входным выводам логического элемента И-НЕ 1 7 подключены выходы 30,. 32 раснределите40 ля 9 импульсов и выходы комнаратора модулятора 10 ширины импульсов. На выходе нри этом формируют сигнал вида.

О,, (фиг. 4). К входным выводам логического элемента И-НЕ 13 подключены выходы 31, 33 распределителя 9 импульсов, инверсный выход триггера, делителя 8 частоты и выход логического элемента НЕ 29 модулятора 10 ширины импульсов. На выходе логического элемента 13 при этом формируют сигнал вида Ц . Сигналы 61 и Ц поступают на вход логического элемента И-НЕ 23, на выходе которого при этом получают управляющий сигнал U4, который после э усиления поступает на управляющий вход ключа 4 инвертора. Нри формировании управляющего сигнала Ugr на вход логцческого элемента И-НЕ 19 поступают сигналы с выходов 30 и 33 распределителя 9 импульсов и сигнал с выхода компаратора 28 модулятора 10 ширины импульсов.

На выход логического элемента И-НЕ 15 поступают сигналы с выходов 31,32 распределителя 9 импульсов, сигнал с инверсного цыхода три гера делителя 8 частоты и с выхода логического элемента НЕ 29 модулятора IO ширины импульсов. На вход логического элемента И-НЕ 25 поступают сигналы с выходов 30 и 32 распределителя 9 импульсов. Сигны 0 О и И2 с выходов соответствующих логических элементов И-НЕ поступают на вход логического элемента И-НЕ 21, на выходе которого формируют сигнал для управления ключом 5 инвертора вида U5 (фиг.4). Сиги ы U3 и U6 в логическом узле 11 формируют аналогично (см. временные диаграммы на фиг. 4).

Так как регулирование выходного напряжения может осуществляться при помощи различных алгоритмов широтноимпульсного регулирования в указанных временных интервалах и для указанных ключей инвертора, то могут изменяться и некоторые узлы блока управления инвертора (например логический). Интересным представляется устройство, в котором может осуществляться бесконтактное изменение числа регулировочных импульсов в процессе регулирования выходной частоты инвертора. Для этого генератор 27 пилообразного напряжения модулятора 10 ширины импульсов должен быть выполнен автономным, т.е. должна отсутствовать связь между . ним и задающим генератором 7, или синхронизированным от дополнительного задающего генератора.

Таким образом, данный способ управления двухфазным инвертором позволяет осуществить регулирование выходного напряжения при улучшении энергетических показателей системы управления и

:инвертора. Уменьшение длительности управляющих сигналов третьего и четвертого ключей инвертора Hà 3T/2 позволяет уменьшить статические потери в устройстве управления на 16Х.

Данный способ управления позволяет устранить несколько противотактных переключений ключей стойки инвертора.

Это позволяет уменьшить Hà 46Х дополнительные потери от сквозных токов. При выполнении ключей инвертора

9 836753 на тиристорах уменьшается величина по- к терь от коммутационных токов.

10

Формула изобретения

Данный способ управления двухфазным инвертором и устройство для его осуществления могут применяться в тех случаях, когда требуется преобразование постоянного напряжения в двухфазное с регулируемыми параметрами: частотой и величиной выходного напряжения.

IS

1. Способ управления двухфазным инвертором с шинами питания, выполненным на базе трехфазной мостовой схемы и включающим в себя три стойки, каждая из которых состоит из двух последовательно включенных ключей, причем нулевой выходной вывод подключен к точкам соединения ключей средней стойки, а другие выходные выводы подключены к точкам соединения ключей фазных стоек, состоящий в том, что формируют шесть основных периодических .с частотой выходного напряжения последовательностей управляющих импульсов, причем первую и вторую посюйдова30 тельности управляющих импульсов, обеспечивающих открытое длительностью Х состояние ключей, подают соответственно на управляющие входы ключей сред. ней стойки, третью и пятую последовательности с отставанием и опережением по отношению к началу управляющих от-. пирающих импульсов первой последовательности подают на основиых.интервалах проводимости на управляющие входы ключей фазных стоек, подключенных к одной шине питания, четвертую и шестую последовательности импульсов, сдвинутых по фазе на уголХ по отношениюк третьей и пятой последовательностям, соответственно подают на управляющие входы ключей фазных стоек, подключенных к другой шине питания, при этом пятая и шестая последовательности уп равляющих импульсов обеспечивают отрытое состояние ключей одной фазной стойки на интервалах 0-Jf/2 иХ-3372 по отношению .к началу управляющих импульсов первой последовательности, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения функциональных воз можностей за счет обеспечения воэмож ности регулирования выходного напряжения и улучшения энергетических показателей, формируют четыре дополнительные периодические последовательности импульсов, обеспечивающие открытое длительностью ot,/2 состояние ключей фаэных стоек, сдвинутых по отношению к управляющим импульсам третьей, четвертой, пятой и шестой основных последовательностей соответственно на угол Х-d/2, упомянутое отставание и опережение третьей и пятой основных последовательностей импульсов обеспечивают соответственно на углы .К+с /2 и T/2- 4/2, длительность управляющих отпирающих импульсов третьей и четвертой основных последовательностей обеспечивают равной 7/2- 4, а пятой и шестой — равной У-ot, где а — угол регулирования.

2. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее задающий генератор, распределитель импульсов, два ьыхода которого через усилительноразвазывающий узел подключены к управляющим входам ключей средней стойки, отличающееся тем, что, оно снабжено модулятором ширины импульсов, делителем частоты и четырехканальным логическим узлом, к входам которого подключены выходы распределителя импульсов, модулятора ширины импульсов и делителя частоты, а его выходы через усилительно-развязывающий узел соединены с выводами для подключения к управляющим входам ключей фазных стоек.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Коссов О.А., Хасаев О.И. Полностью управляемые тиристоры в устройствах автоматики. М.,- Энергия, 1970, с. 112.

836753

5о

ElgЬЬг

ЬЬ

llgg

lljg

6 0

Уу

Ууу фу

® фр ф

fly ф,фз

Ilg,ф

fly, gag

ВНИИПИ Заказ 3203/43 Тираж 730 Подписное

Фипиал ППП "Патент", r. Ужгород, уд. Проектная, 4