Способ управления непосредственным преобразователем частоты для регулируемого электропривода с широтно-импульсным регулированием (шир) выходного напряжения и непосредственный преобразователь частоты для регулируемого электропривода

Авторы патента:

КОЗЛЯЕВ ЮРИЙ ДМИТРИЕВИЧ

ЗАГОРСКИЙ ВИКТОР ТЕОДОРОВИЧ

АГАФОНОВ МИХАИЛ ПАВЛОВИЧ

Союз Советския

Социалистических

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ИТИЛЬСТВУ по858200 (61) Дополнительное к авт. свмд-ву рцм. к.з

Н 02 Р 13/16//

Н 02 М 5/27 (22) Заявлено 131178 (21) 2685398/24-07 с присоединением заявки HP (23) ПриоритетвЂ”

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 621. 314. .27(088.8) Опубликовано 230881. Бюллетень Н9 31

Дата опубликования описания 2 108.81 (72) Авторы изобретения

Ю. Д. Козляев, В. Т. Загорский и М. П. Ara (7! ) Заявитель

Новосибирский электротехнический институт связи им. Н.Д. Турцева (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ

ЧАСТОТЫ ДЛЯ РЕГУЛИРУЕМОГО 3ЛЕКТРОПРИВОДА С ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫМ

РЕГУЛИРОВАНИЕМ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ И НЕПОСРЕДСТВЕННЫИ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ ДЛЯ РЕГУЛИРУЕМОГО ЗЛЕКТРОПРИВОДА

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано, например, для управления непосредственными преобразователями частоты с широтно-импульсным регулированием (ШИР) выходного напряжения для частотного регулирования электроприводов переменного тока.

Известны способы управления преобразователями с ШИР выходного напряжения с несимметричной формой сигналов управляющих генераторов (1) и (2).

Однако при таких способах управления,цля ограничения пусковых и динамических токов двигателя при его пуске 15 увеличивают частоту импульсов управляющего генератора, что усложняет схему управления и производит к росту потерь в элементах силовой цепи преобразователя. 20

Известны также способы управления непосредственным преобразователем часстоты (НПЧ), которые позволяют ограничить напряжение преобразователя при пуске двигателя на сколь угодно низких частотах (3) и (4).

Наиболее близким к предлагаемому является способ управления непосредственным преобразователем частоты, который заключается в том, что сигналы 30

Управления (1 „-Г ) в выпрямительном и .инверторном режимах суммарной длительностью, равной углу управления, подают на управление тиристорными группами в последовательности: инверторный, выпрямнтельный, инверторный (фиг. 2), причем длительность первого инверторного импульса берут травной, а длительность следующего выпрямительного импульса вЂ” не более одной шестой части периода выходного напряжения (4).

При таком способе управления преобразователем волна выходного напряжения состоит из двух последовательностей импульсов: стационарной и нестационарной; Стационарная последовательность импульсов задается тактовыми сигналами управляющего генератора и состоит из отрезков синусоидального напряжения питающей сети, ширина которых определяется тактовыми сигналами ШИР. Формирование стационарной последовательности импульсов выходного. напряжения на интервале времени 0-1 (фиг. 2) поясняется при помощи схемы замещения тиристорно1о коммутатора (фиг. 1б) .

В .соответствии с наличием сигналов управления(ГаГу и Го) в си858200

20 следовательности импульсов зависят от фазовых соотношений сети и сигналов ловой цепи тиристорнoro коммутатора включены три тиристора: два в катодных группах выходных фаз Л и С и один в анодной группе выходной фазы

Е. При таком включении тиристоров фа» зы нагрузки оказываются подключенными к двум линиям сети переменного то5 ка. При этом входное линейное напряжение может быть представлено как мгновенное значение выпрямленного напряжения Щ в трехфаэной схеме Ларионова (фиг. 2) . Выходное напряжение на рассматриваемом интервале образуется как доля напряжения U . Аналогично описанному формируются импульсы стационарной последовательности на других интервалах времени.

Нестационарная последовательность импульсов выходного напряжения обусловлена >>орядком чередования режимов работы преобразователя (выпрямительного или инверторного) и наличием угла упреждения подачи управляющих сигналов в инверторном режиме.

В момент времени 1 (фиг. 2) тиристоры катодных групп переводятся в так называемый режим инвертирования тока, причем характер протекания процессов в этом режиме зависит от фазовых соотношений между сигналами управления и напряжением питающей сети. В связи с тем, что в режиме инвертирования сигналы управления подаются на тиристоры с некоторым углом упреждения Р по отношению к моменту равенства фазных

ЭДС сет и, в пау з ах между регулируемыми по длительности тактовыми сигналами управления ШИР возможны два режима работы силовой цепи: режим закорачивания нагрузки, при котором вне зоны углов на нагрузке формируется нулевой уровень напря>кения (фиг. 16) и режим работы, при котором на нагрузке фор- 40 мируются импульсное напря>кение под действием разности потенциалов линий сети в зоне действия угла р (фиг. 1в)

Этот режим также поясняется при помощи схемы замещения коммутатора, приведенной на фиг. 16. В момент времени 1 в анодной группе коммутатора включен тиристор, связывающий нагрузку с фазой сети наинизшего потенциала (t>C), а коммутируемые тиристоры катодных групп V 1 и V 2 переключаются на линию низкого потенциала, но так как этот момент приходится на интервал действия угла р, то ревЂ” жим закорачивания нагрузки не образуется и в фазах нагрузки формируются Ы импульсы напряжения под действием разности потенциалов фаз сети Сс и Ьс (на фиг. 2 зта разность отмечена >триховкой) . В момент времени 2 разность потенциалов обращается в нуль и схема О переходит в режим закорачивания нагрузки (фиг. 1в)

Величина и фаза нестационарной поуправления, а также от их частотных соотношений.

Наличие нестационарной последовательности импульсов выходного напряжения, которое может регулироваться при изменении угла Р, позволяет осуществлять плавный пуск асинхронного двигателя беэ дополнительного усложнения схемы.

Недостаток известного способа заключается в том, что наличие двух последовательностей импульсов, одна из которых зависит от частотных соотношений входного и выходного напряжений, может быть причиной низкочастотных биений выходного напряжения и, как следствие, колебаний момента и скорости двигателя. Даже при скачкообразном уменьшении угла упреждения при введении ШИР до минимальной величины, допустимой по условиям коммутации тока в преобразователях частоты с токоограничивающими реакторами на входе или при питании от источников с соизмеримой с нагрузкой мощностью, величина угла упреждения оказывается достаточно большой (13 -20 ), что привоцит к биениям напря><ения и момента. На частотах, кратных значению вЂ” где f< вЂ” частота, в„- число фаэ сети, амплитуды биений напряжения достигают 20Ъ от номинального значения напря>кения.

Цель изобретения вЂ” подавление биений выходного напряжения, устранение колебаний момента и скорости вращения двигателя.

Поставленная цель достигается тем, что при использовании известного способа длительность тактовых сигналов управления ШИР изменяют по сигналу коррекции, величина которого определяется величиной напряжения нестационарной последовательности импульсов в паузах между тактовыми сигналами управления ШИР.

Сигнал коррекции получают путем выделения интервалов времени, соответствующих углам упре;кдения подачи управляющих сигналов инверторного ре>кима, и преобразования их в две серии прямоугольных. сигналов с последующим интегрированием тех импульсов серии, которые прихЬдят в паузы между тактовыми сигналами ШИР.

На фиг. 1а представлена принципиальная схема вентильного коммутатора НПЧ; на фиг. 1в и 16 вЂ” схемы замещения НПЧ для двух моментов времени его работы; на фиг. 2 и 3 вЂ” временные диаграммы, поясняющие известный и предлагаемый способы управления НПЧ соответственно; на фиг. 4 и 5 вЂ” принципиальная схема, реализующая предлагаемый способ управления НПЧ.

Предлагаемый способ управления НПЧ, как и известный, обеспечивает формирование выходного, напряжения U, равного сумме напряжения стационарной по858200 . следовательности Use„P и напряжения нестационарной последовательности

Х >.

Величина напряжения 02, в каждый отдельный момент времени работы преобразователя определяется величиной угла упреждения и количеством импуль5 сов нес гационарной последовательности, приходящихся на моменты пауз между тактовыми сигналами управления ШИР, которые, в свою очередь, определяются фазовыми и частотными соотношения- 10 ми между входным и выходным напряжениями, Для поддержания постоянства величины выходного напряжения 0 > при любых изменениях напряжения И>р, измеря- 1 ют величину этого напряжения, преобразуют его в сигнал коррекции и в зависимости от величины этого сигнала изменяют ширину тактовых сигналов управления fdHP, что приводит к соответ- 20 ствующему изменению составляющей напряжения 02„,„, а следовательно, и к стабилизаций напряжения U2 .

Способ формирования сигнала коррек" ции, поясняющийся временными диаграм- д мами на фиг. 3, состоит в том, что из трехфазного входного напряжения О,< выделяют интервалы времени, соответствующие углу упреждения f5, и преобразуют их в две серии прямоугольных импульсов: для положительных С „1, и отрицательных Ск< полуволн входйого напряжения. С помощью логических преобразований сигналов Сс< >, Ск,>г и сигналов Управляющего генератора Гц

Г выделяют те сигналы Q u Q соотZ 4 2. ветственно для положительной и отрицательной полуволн напряжения U, которые участвуют в формировании нестационарной последовательности импульсов выходного напряжения. После сум- 40 мирования сигналов серий g< и Q и логического преобразования с тактовым сигналом управления ШИР М выделяют ñåрию сигналов Q, которые попадают в паузы между сигналами М, Иэ полученной 4 серии сигналов Q выделяют постоянную составляющую сигнала коррекции, которым воздействуют на ширину тактового сигнала управления М .

Наиболее близким по технической сущности является преобразователь с блоком управления )5)

Однако такой преобразователь не может подавлять биения выходного напряжения.

Непосредственный преобразователь частоты для осуществления предлагаемого способа, содержащий группы управляемых вентилей и блок управления, включающий управляющий генератор с модулированной и немодулированной после;Я) довательностью импульсов, который содержит регулятор длительности тактовых импульсов ШИР, трансформаторный индикатор полярности напряжения сети, формирующий две системы трехфаэных напряжений сс взаимным фазовым сдвигом, равным необходимому углу упреждения Р, последовательно с обмотками которого включены первичные обмотки импульсных трансформаторов и диоды, образующие совместно с резисторами трехимпульсные схемы выпрямления, снаб ;<ен шестью трехвходовыми логическими элементами ИЛИ, тремя двухвходовыми логическими элементами И, двумя триггерами, интегратором, инвертором и двухвходовым логическим элементом

ИЛИ, причем вторичные обмотки упомянутых импульсных трансформаторов соецинены с одними четырьмя трехвходовыми логическими злеглентами ИЛИ, выходы которых подсоединены ко входам двух симметричных триггеров, нормальные выходы которых связаны со входами двух двухвходовых логических элементов И, вторые входы которых через два других трехвходовых логических элемента ИЛИ связаны с немодулированными выходами управляющего генератора, их выходы через двухвходовый логический элемент

ИЛИ соединены с одним из входов третьего двухвходового логического эле" мента И, второй вход когорого через инве<>тор связан с выходом генератора тактовых сигналов управления ШИР, а выход через интегратор подключен к выходу регулятора длительности тактовых импульсов ШИР.

Узел Управления (фиг. 4) содержит трансформаторный индикатор 1 полярнос . ти напряжения сети (ИПН) с двумя груп. пами вторичных обмоток 2 и 3, образу-. ющих шестилучевую звезду, причем группа обмоток 3 соединена по схеме зигзаг. Последовательно с обмотками

ИПН включены первичные обмотки маломощных импульсных трансформаторов 4"

15, вторые концы которых соединены с диодами 1б-27, образующих с резисторами 28-31 четыре трехфазных выпрямителя с нулевыми выводами.

Дополнительный узел состоит из четырех логических трехвходовых элементов ИЛИ 32-35, входы которых соединены с соответствующими выходами вторич. ных маломощных импульсных трансформаторов 4-15 (фиг. 4 и S), а выходы вЂ” с соответствующими входами двух симметричных триггеров 36 и 37. Нормальные выходы этих триггеров соединены с одним из входов двух двухвходовых логических элементов И 38 и 39, вторые входы которых соединены с выходами логических трехвходовых элементов ИЛИ 40 и 41, на входы которых подают сигналы

I < 1

ГО, rb rc и. Гу, Г7 с выхода управляющего гене ратора. Выходы ,логических элементов 38 и 39 через логический элемент ИЛИ 42 связаны с логическим элементом И 43, второй вход которого связан через инвертор

44 с эадатчиком 45 тактовых модулирующих сигналов, а выход вЂ” со входом

858200 интегратора 46, выход которого подсоединен к регулятору ШИР.

При подключении ИПН к трехфазовой сети фиг. 3) с выходов вторичных обмоток импульсных трансформаторов 415, соединенных в звезду, в моменты равенства фазных напряжений при переключении тока через диоды 16-27 снимаются узкие импульсы напряжения.

Импульсы 0, Ь, с (фиг. 4) соответствуют равенству положительных фазных напряжений сети, а импульсы Х, у,Z .отрицательных фазных напряжений. Аналогично импульсы a Ъ сс и X ó, z соответствуют равенству положительных . и отрицательных фазных напряжений, но с углом упреждения Р по отношению к 15 соответствующим сигналам a- z, С выходов трансформаторов сигналы поступают на входы логических элементов ИЛИ 32-35, которые выполняют роль сумматоров сигналов по сериям 2О

О, Ь;с,oÜ è Х,у, ; Х,у ! с с

Z . С выхода логического элемента 32 серия сигналов o, Ь, с поступает на записывающий вход триггера 36, а серия сигналов Х, у, вЂ” на считывающий вход того же триггера, выполняющего роль формирователя серии прямоугольных сигналов отображения С © выделенных интервалон времени, соответствующих углам упреждения t>> . Ана- gQ логичную роль выполняет триггер 37, формирующий серию сигналов отображения Сх у z°.

Логические блоки И 38 и 39 перемножают серии сигналов С и СХу с со- 35 ответствующими немодулированными блоками сигналов управляющего генератора

I с с

Гд, Г, Г с Г„, Гу, 1, которые на временной диаграмме фиг. 3 отмечены штриховкой, и формируют две серии сиг; налов Q(и Qg, соответствующих стаци- 4О онарной последовательности импульсон .положительной и отрицательной волны выходного напряжения. После сложения этих двух серий сигналов с помощью логического элемента ИЛИ 42 и перем- Д5 ножением этой суммы с тактовым сигналом модулятора N 45, поступающим через инвертор 44 на вход элемента И 43, с выхода последнего снимается серия сигналон Q.„ cooòâåòñòâóþùàÿ тем сигналам нестационарной последовательности, которые попадают в паузы между тактовыми сигналами управления ШИР.

Интегратор 4б, на вход которого поступает серия сигналов Q выделяет среднее значение сигнала коррекции, поступающего на управляющие входы регуляторон ШИР.

Испытания для сравнения известного и предлагаемых способа и устройстна управления проводились на.маке- 6О те непосредственного преобразователя частоты при частотном управлении асинхронным и синхронным электропринодами мощностью до 75 кВА при питании как от ссросьпаленной сети с токоограничи- 65 вающими реакторами на нходе, так и от дизель-электрической станции мощностью 100 кВА, т. е. в условиях, при которых угол упреждения ) не может быть ниже 15-20 эл.град.

При управлении преобразователем по изнестному способу на частотах, кратных 150 Гц, в выходном напряжении наблюдались биения напряжения с амплитудой до 30% от минимальной величины.

Это вызвало насыщение машин, резкое возрастание тока статора, колебания момента машин вплоть до их опрокидывания.

Предлагаемым способом при соответ-. ,ствующем подборе постоянной времени интегрирующего устройства биения напряжения частотой выше 8 Гц подавляются полностью, а биения частотой

8 Гц снижаются до 1-2Ъ. При этом достигается снижение тока статора, повышение устойчивости и равномерности хода машин.

Формула изобретения

1. Способ управления непосредственным преобразователем частоты для регулируемого электропривода с широтноимпульсным регулированием (ШИР) выходного напряжения, формируемым н виде суммы стационарной последовательности импульсов, задаваемой тактовыми сигналами управления ШИР, и нестационарной последовательности импульсон, обусловленной чередованием выпрямительного и инверторного режимов работы преобразователя с углами упреждения подачи управляющих сигналов в инверторном режиме, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью подавления биений выходного напряжения, устранения колебаний момента и скорости вращения двигателя, длительность тактовых сигналов управления

ШИР изменяют по сигналу коррекции, величина которого определяется значением напряжения нестационарной последовательности импульсов в паузах между тактовыми сигналами управления ШИР.

2. Способ по и. 1, о т л и ч а ю шийся %ем, что сигнал коррекции получают путем ныделения интерва- . лов времени, соответствующих углам упреждения подачи управляющих сигналов инверторного режима преобразования их в две серии прямоугольных сигналон с последующим интегрированием тех импульсон серии, которые приходят н паузы между тактовыми сигналами ШИР.

3. Непосредственный преобразователь частоты для регулируемого электрспринода, содержащий группы управляемых вентилей и блок упранления, который включает в себя управляющий генератор с модулированной и немодулированнои последовательностью импульсонс включающий в себя регулятор дли858200

Ьс

Gc тельности тактовых импульсов ШИР, трансформаторный индикатор полярности напряжения сети, формирующий две системы трехфазных напряжений со взаимным фазовым сдвигом, равным необходимому углу упреждеНия P, последовательно с обмотками которого включены первичные обмотки импульсных трансформаторов и диоды, образующие совместно с резисторами четыре трехимпульсные схемы выпрямления, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью подавления биений выходного напряжения, устранения колебаний момента и скорости вращения двигателя, он снабжен шестью трехвходовыми логическими элементами

ИЛИ, тремя двухвходовыми логическими 15 элементами И, двумя триггерами, интегратором и инвертором и двухвходовым логическим элементом ИЛИ, причем вторичные обмотки упомянутых импульсных трансформаторов соединены с о ни- 20вЂ” ми четырьмя трехвходо ическими элементами ИЛИ, ньжоды которых подсоединены ко вЂ вход двух симметричных триггеров, нормальные выходы которых связаны со входами двух двухвходовых 75 логических элементов И, вторые входы которых через два других трехвходовых логических элемента ИЛИ связаны с немодулированными выходами управляю его генератора, их выходы с з двухвходовый логические элемент ИЛИ Соединены с олиим из входов третьеro двухвходового логического элемента И, второй вход которого через инвертор связан с выходом генератора тактовых сигналов управления ШИР, а выход через интегратор подключен к выходу регулятора длительности тактовых импульсов ШИР..

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

9 490238, кл. H 02 Р 13/30, 2. Авторское свидетельст

Р 505119, кл. Р 1Д. 4-а 971 ° дет

9 530411, кл. H 07 Р 13/06, 1971.

4. Авторсаое свидетельство СССР по заявке Р 2509577/24-07, 21.07.77.

5. Авторскбе свидетельство СССР

221146, кл. Н 02 N 7/515, 1968.

858200

Г Г

Составитель Г. Мыцык

Редактор Н. Егорова Техред Н.Ковалева КорректорН. Швыдкая