Устройство для управления преобразователем частоты с непосредственной связью и широтно-импульсным регулированием

(51)5 Н 02 М 5 ЕН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИПРИ ГКНТ СССР А,ВТОРСНОМУ СВИДЕ(71) Институт электродинамики АН УССР и Специальное конструкторско- технологическое бюро Института электродинамики АН УССР(56) Авторское свидетельство СССР У 1164839, кл. Н 02 М 5/27, 1985,Авторское свидетельство ГСГР В 1356149., кн. Н 02 М 5/ 11, 1987.Авторское свидетельство СССР 9 1140212, кл. Н 02 М 5/27, 1986,Авторское свидетельство СССР У 1246282, кл, Н 02 М 5/27, 1986.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ "АСТОТН С НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ СВЯЗНО И ПОРОТНО-ИМПУЛЬСНЫМИ РЕГУЛИРОВАНИЕМ (57) Изобретение относится к электротехнике и. может быть использовано для управления преобразователями частоты с непосредственной связью. Целью изобретения является улучшение качества выходного напряжения и расширение функциональных возможностей. Введение в устройство датчика 20 напряжения, П-триггера 27, логического блока 24, компаратора 14 и источника 16 опорного сигнала с их связями позволяет управлять преобразователем в а нижнем и верхнем диапазонах частот по двум различным алгоритмам с переменными коэдициентами кратности, обеспечивая при этом улучшенную форму напряжения в широком диапазоне1624629 1101 0010110101101 РРи. 7. Редактор А.Маковска рректор М.Шароши аказ 199 Тираж НИИПИ Государственного комитета по 113035, Москва, Жроизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужг ул. Гагарина, 10 82 23 Состав Техре ль В,Гордее,Дидык Подписноеобретениям и открытиям при ГКНТ ССРаушская наб д. 4/5Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано впреобразователях частотыс непосред"ственной связью (НПЧ), предназначен".ных, например, для частотного управления электроприводами, работающимив широком диапазоне частот вращения.Пель изобретения - улучшение качества выходного напряжения и расширение Функциональных возможностейпутем расширения диапазона рабочихчастот и напряжений, а также независимости режима работы преобразователя от порядка подключения входныхзажимов силовой части к фазам питающей сети,На Фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройствауправления на Фиг. 2 - схема НПЧна полностью управляемых ключах сдвусторонней проводимостью ф нафиг.3 и. 4 - эпюры выходного Фазногонапряжения НПЧ с циклическим алгоритмом управления и НПЧ с неявнымзвеном постоянного тока соответственно, на Фиг. 5 и 6 - варианты реализации узлов устройства управления,на фиг. 7 - эпюры выходных сигналовдатчика напряжения сети и соответствующие их состояниям трехзначные двоичные коды.Устройство (фиг.1) содержит задатчик 1 частоты, выход 2 кода кратности которого соединен с входом регистра 3, Код с выхода 4 регистра 3поступает на информационные входыреверсивного счетчика 5, выход которого соединен со счетным входом бадресного счетчика 7. Выходы 8 счет 40чика 7 подключены к старшим адреснымвходам распределителяуправляющихимпульсов на базе ПЗУ 9. Выход 10 уп-.равления частотой задатчика 1 частоты соединен с входом 11 задающегогенератора 12 и с входом 13 компаратора 14, вход 15 которого подключенк источнику 16 опорного сигнала. Управляемый переключатель 17 подключает к управляющим входам 18, 19 задающего генератора 12 различные резисторы в зависимости от кода, поступающего с выхода 4 регистра 3,Датчик 20 напряжения подключен сво"ими входами к фазам А,В,С питающейсети, а выходами - к второму, третьему и четвертому входам 21-23 логического блока 24, к счетному и информационному входам 25, 26 Л-триггера 27, выход которого подключен к пятому входу 28 логического блока 24. Выход 29 компаратора 14 соединен с дополнительным управляющим входом 30 задающего генератора 12, с входом 31 адресного счетчика 7, управляющим коэффициентом его счета, и с входом 32 управления коэффициентом счета логического блока 24, первый, второй и третий выходы 33 которого подсоединены к дополнительным адресным входам распределителя 9 импульсов управления. Выход 34 задающего генератора 12 подключен к вычитающему входу 35 реверсивного счетчика 5 и к младшему адресному входу 36 распределителя 9 импульсов управления, выходы которого предназначены для подключения к управляющим электродам полностью управляемых ключей 37-45 через блок 46 Формирователей импульсов (Фиг.2), Фазное напряжение на выходе которого показано на Фиг.3, 4 для двух алгоритмов управления, реализуемых данным устройством.Кроме того, на фиг. 5 обозначены задатчик 47 интенсивности, аналогоцифровой преобразователь (АНП) 48, дешифратор 49, аналоговые ключи 50- 53, операционные усилители 54, 55 и компараторы 56, 57,.Устройство работает следующим образом.Задатчик 1 выходной частоты управляет работой задающего. генератора 12 (фиг.1). Если задатчик - цифровой то возможно использование цифрового генератора, как описано в прототипе, Компаратор 14, подсоединяемый своим входом 13 к выходу 10 задатчика 1 частоты, и источник 16 опорного сигнала могут быть также цифровыми. Рассмотрим приведенный на фиг.5 вариант аналогового исполнения задатчика вы-. ходной частоты, задающего генератора и упомянутого компаратора. Задатчик 1 частоты (фиг.5)состоит иэ задатчика 47 интенсивности, который осуществляет, предположим, в разомкнутой по частоте системе управления независимую развертку во времени аналогового сигнала задания частоты Н и, аналого-циФрового преобразователя 48. Диапазон выходной частоты разбит на ряд поддиапазонов по количеству значений переменного коэФФИциента кратности ШИР 1, каждому из которых соответствует двоичный код, устанавли24629 5 16 ваемый на выходе АЦП 48. Так как разрядность кода невелика (2-4), то АЦП может быть построен не на интегральной микросхеме, а на дискретных компараторах. Код кратности с выхода 2 задатчика 1 частоты поступает в регистр 3 и далее с его выхода 4 на вход управляемого переключателя 17, который состоит из дешифратора 49 и набора аналоговых ключей 50, 51, подсоединяющих сопротивления К-К к входам 18, 19 задающего генератора 12. Аналоговый сигнал Б с выхода 10 задатчика 1 частоты поступает на вход 11 задающего генератора 12 и на вход 13 компаратора 14, на другой вход 15 которого подается напряжение от источника 16 опорного сигнала.Задающий генератор 12 содержитмасштабирующий усилитель 54, генератор пилообразного напряжения наоперационном усилителе (интеграторе) 55, компараторе 56 и аналоговом ключе 53 и компаратор 57. Постоянная времени генератора пилообразного напряжения определяетсяКС-цепочкой интегратора 55, а частота прямо пропорциональна напряжению на его входе. Компаратор 56и аналоговый ключ 53 служат длябыстрого перезаряда емкости С от источника питания Еи формированиятем самым обратного хода пилы, Пилообразное напряжение с выхода усилителя 55 сравнивается на компараторе 57 с управляющим напряжениемБ , в результате чего на выходекомпаратора 57 формируются прямолугольные импульсы длительностьюзадающей величину выходного напряжения преобразователя,Масштабирующий усилитель 54, имеющий переменный коэффициент передачи,предназначен для согласования напряжения на входе генератора пилообразного напряжения с сигналом задания частоты на входе 11 задающегогенератора 12 в зависимости от алгоритма управления НПЧ и коэффициентакратности ШИР 1. В нижней частидиапазона выходной частоты НПЧ применяется циклиЧеский алгоритм формирования, выходного напряжения (фиг.З)а в верхней - алгоритм формированиянапряжения в НПЧ с неявным звеномпостоянного тока (фиг.4). В первомслучае задающий генератор должен вы 1 О 15 20 25 30 35 40 45 50 55 6рабатывать частоту Г= 31(Е + а), где Г - частота сети, Г - выходная частота НПЧ, во втором случае - 5 г 612Переход от одного алгоритма к другому происходит при изменении состояния компаратора 14, воздействующего своим выходом 29 через вход 30 задающего генератора 12 на аналоговый ключ 52, который подключает к входу операционного усилителя 54 резисторы Кили К 5 (фиг. 5) . Предположим, состояние логического нуля компаратора 14 соответствует низкой выходной частоте НПЧ и первому алгоритму управления. В этом положении через нормально замкнутые контакты аналогового ключа 52 и резистор К з на вход операционного усилителя 54 подается подается опорное напряжение Бо, которое суммируется с напряжением задания частоты Бпоступающим на вход усилителя 54 через вход 11 задающего генератора 12 и резистор Р Коэффициенты передачи по каждому из слагаемых выбраны такими, чтобы при 1 = 1 они соответствовали частотам генератора ЗГ, и 3 Г, давая при суммировании частоту Г = 3(г. + Г). В обратную связь усилителя 54 с помощью управляемого переключателя 17 через.входы 18, 19 задающего генератора 12 включается один из резисторов К - Кп которые пропорциональны соответствующим им коэффициентам кратности ШИР. Так, если при 1 = 1 подключается резистор К, то для других значений 1 с величина подключаемого резистора составляетК, При этом коэффициент передачи и выходное напряжение усилителя 54 изменяются в 1 раз, что соответствует изменению в раз частоты генератора пилообразного напряжения в длительности импульсов на выходе 34 компаратора 57.С увеличением выходной частоты НПЧ сигнал задания на выходе 10 задатчика 1, поступающий на вход 13 компаратора 14, достигает уровня устанки по входу 15 компаратора 14, переводя компаратор в состояние логической единицы, что соответствует второму алгоритму управления НПЧ. Срабатывает аналоговый ключ 52, отключая от входа усилителя 54 опорное напряжение Б и подключая параллельно резистору К равный ему по величине резистор К.Из выходного напряжения усилителя 54 устраняется постоянная составляющая, обусловленная действием Б , а коэффициент передачи сигнала задания частоты увеличивается в два раза, в результате чего на выходе задающего генератора вместо частоты Г = 31 с Х(Е+ Г )устанавливается частота Е=6 И при сохранении прежней скнажности импульсон.Импульсы с выхода 34 генератора 12 поступают на младший разряд АО адресного входа ЗЬ распределителя 9 импульсон управления (н дальнейшем ВЗУ как15 пример конкретного выполнения) и на вычитающий счетный вход 35 реверсивного счетчика 5 (Фиг.6), выполняющего Функцию управляемого делителя частоты, коэффициент деления которого записыва 20 ется с выхода 4 регистра 3 кода кратности по сигналу переноса на вход предварительной записи счетчика 5. Сигнал с выхода счетчика 5 частотой Е/1 поступает на счетный вход адресного счетчика 7 (Фиг.6), Сброс адресного счетчика 7 осуществляется по седьмому или десятому счетному импуль-су в зависимости от состояния компаратора 14, выход 29 которого соединен с входом 31 счетчика 7, управляющим коэффициентом его счета. Код с адресного сцетцика 7 поступает на разряды А 1-А 4 адресных входов ПЗУ 9.Датчик 20 напряжения сети (Фиг.6) состоит из трех компараторов, на входы5 которых с резистиниых делителей подаются линейные напряжения трехфазной системы напряжений. Выходные сигналы 21-23 датчика 20 представляют собой прямоугольные импульсы типа меандр,40 сдвинутые один относительно другого на 120 эл.град. На Фиг. 7 приведены эти сигналы при прямом порядке чередования Фаз, а также трехразрядные45 двоичные коды, образуемые ими, на каждых 60 эл.град.сетеной частоты. Выходные сигналы датчика напряжения сети не могут нсе одновременно равняться нулю или единице, т.е. отсутствуют двоичные коды 000 и 111.Один из выходов датчика 20 (Фиг.6) соединен со счетным входом 25, а другой - с информационным входом 26 0- . триггера 27. Предположим, триггер срабатывает от положительного Фронта (перепад из нуля н единицу) импульсов на счетном входе, передавая в эти моменты .на выход триггера информацию с информационного входа. При прямом порядке чередования Фаз сети (фиг,7) Р-триггер будет находиться н состоянии логического нуля, а при изменении порядка чередования на обратный перейдет н состояние логической единицы.Выходные сигналы датчика 20 напряжения сети, триггера 27 и компаратора 14 поступают н логический блок 24, который Формирует на своих выходах трехразрядный двоичный код, подаваемый иа адресные разряды А 5-А 7 ПЗУ 9 (Фиг.б). Если на вход 32 блока 24 с выхода 29 компаратора 14 поступает логицеский нуль, задающий циклический алгоритм управления НПЧ с пооцередным подключением нагрузки к фазам питающей сети, то десятичное .значение кода на выходе логического блока 24 равно "О" при прямом и "7" при обратном порядке чередования фаз сети. При алгоритме управления НПЧ с неявным знаком постоянного тока на входе 32 блока 24 устанавливается логическая единица, и тогда выходной код блока 24 принимает десятичные значения от "1" до "6", повторяя выходной код датчика 20 напряжения сети (Фиг,7).Каждому из двоичных кодов на адресных ПЗУ 9 соответствует выходной код ПЗУ 9, определяющий комбинацию включенных силовых ключей НПЧ, Величина выходного напряжения НПЧ, регулируемого широтно-импульсным способом, определяется скнажностью импульсов задающего генератора, поступающих на младший адресньп разряд ПЗУ 9. Например, при четных значениях кода на адресных входах ПЗУ 9 силовые ключи формирют импульсы напряжения, при нечетных - паузы, но время которых все фазы нагрузки подсоединяются к одному и тому же проводу питающей сети.В табл.1 приведен выходной код ПЗУ 9 для циклического алгоритма управления НПЧ. С целью усреднения динамических потерь силовых ключей при многократном ШИР использован циклический сдвиг. н чередовании Фаз сети, к которым для организации пауз в выходном напряжении одновременно подключаются все Фазы нагрузки. Алгоритм подключения может быть следующим:Фаза А (ключи 37, 40, 43) - Фаза В39, 42, 45), зятем В-С-А-С-А-В ит.д. Повторлюгшсл цикл этого алгоритма включает в себя девять состояний, в связи с ем адресный счетчик7 считает от "0" до "8". На каждоесостояние счетчика приходится количество пауз, равное кратности ГЯР 1.По адресам 0-17 в ПЗУ 9 (табл.1,) записан алгоритм управления НПЧ припрямом, .я по адресам 224-24 1 - приобратном порядке чередования фяз питающей сети. Значение "1" на выходах00 - 08 ПЗУ 9 соответствует сигналамна включение, я "0" - на выключениесиловых ключей 37-45 преобразователя46. Длл получения обратного порядкачередования импульсов управления использована перестановка информациипо выходам ПЗУ 9, которые относятсяк силовым ключам, подсоединенным кфазам А и В сети.В табл. 2 приведен выходной кодПЗУ 9 для алгоритма управления .НПЧ снеявным звеном постоянного тока. Адресный счетчик 7 в этом режиме считает от"0" до "5" как при управлении клю,чами автономного инвертора напряжения. Режим ШИР реализуется чередованиемимпульсов напряжения и пауз,информация о которых считывается по четными нечетным адресам ПЗУ 9. С помощьюкода на выходе логического блока 24,поступающего ня старшие адресные разряды А 5-А 7 ПЗУ 9, из девяти силовых35ключей НПЧ выбиряютсл для работышесть ключей, которые подсоединенык фазам сети с наибольшим и наименьшим на текущее время напряжениями.1Та к , например , десятичному коду 1на выходе блока 24 соответствуетсостояние , при к отор ом в фя з е А н яибольшее напряжение Н ПЧ формируетсяиз линейного напр лже нил сети +Ц( С );десятичному к оду 2 - линейное ня 45пряжение +П (г.) и т.д. согласнодиаграмме ия фиг. 7. Поэтому записанная в ПЗУ 9 по адресам 32-43 информация перераспределяетсл по другимадресам в соответствии с состолни 50ями датчика 20 напряжения сети засчет перестановок определенных разрядов в выходном коде ПЗУ 9, как показано в табл,2,Таким образом, предлагаемое устройство позволяет ня высоких часто 55тах переходить к алгоритму управления преобразователем с неявным звеном постоянного тока и обеспечитьтем самым лучшую форму напряжения в широком диапазоне частот. Кроме того, независимость порядка подключения входных зажимов преобразователя к фазам питающей сети существенно упрощает эксплуатацию устройства. РА+ РТ=А.; РВ+РТ=А,;РС+ГТ=А где Г сигнал на первом входе логического блока;сигналы ня втором, третьем и четвертом входах логического блока,А,В,С Формула изобретенияУстройство для управления преобразователем частоты с непосредственной связью и широтно-импульсным регулированием выходного напряжения, состоящим из полностью управляемых ключей с двусторонней проводимостью, включенных по нулевой схеме,. содержащее задатчик выходной частоты, соединенный выходом кода кратности с входом регистра, реверсивный счетчик, информационные входы которого соединены с выходом регистра, адресный счетчик, счетный вход которого соединен с выходом обратного переноса реверсивного счетчика, распределитель импульсов управления, выходы которого предназняены длл связи с управляющими электродами полностью управляемых ключей с двусторонней проводимостью, а старшие адресные входы соединены с выходами адресного счетчика, задающий генератор, входы управления частотой которого соединены с выходом задания частоты эадатчика частоты, управляющие входы задающего генератора соединены через управляемый переключатель с выходами регистра, выход задающего генератора соединен с вычитяющим входом реверсивного счетчика и связан с младшим адресным входом распределителя импульсов управления, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью улучшения качества выходного напряжения при одновременном расширении функциональных возможностей, в него введены компаратор, источник опорного сигнала, датчик напряжения, Л-триггер и логический блок, реализующий логические операции в соответствии с формулами1624629 2 блока, выход компаратора соединенс входом управления коэффициента счета адресного счетчика и первым входом логического блока, выход задания частоты задатчика частоты соединенс первым входом компаратора, второйвход которого соединен с выходом источника опорного сигнала, причем распределитель импульсов управления снабжен дополнительными адресными входами, которые соединены соответственнос выходами логического блока, а задающий,генератор снабжен дополнительнымуправляющим входом, соединенным с выходом компаратора. Т - сигнал на пятом входе логического блока,А, А,Ат - сигналы на первом, второми третьем выходах логического блока соответственно,при этом входы датчика по числу фазпитающей сети предназначены для подключения к питающей сети, а выходысоединены с вторым, третьим и четвер 10тым входами логического блока соответственно, второй вход логическогоблока соединен со счетным входомП-триггера а третий - с информационФ15ным входом П-триггера, выход которогосоединен с пятым входом логического Таблица 1Десятичньп код на входе ПЗУ 9 Код на выходе ПЗУ 9 П 2 ПЗП 2 П 4 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 О 0 0 . 0 0 0 1 1 О 1 О 0 1 0 О 1 0 О 1 0 1 1 0 0 О 017 2242410 1 2 3 4 5 6 7 8 910 11 12 13 14 15 16 17 ПО П 1 П 1 ПО1 0 1 0 0 1 0 1 О О 0 0 1 О 0 1 0 1 0 0 О 0 .1 01 0 О 0 О .1 1 0 О 0 0 1 П 4 П 5 П 3 П 5 0 1 0 0 0 0 1 О 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 О О 0 0 1 0 1 О 0 0 0 1 0 1 0 П 6 П 7 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 О 0 0 1 1 П 7 П 8 П 6 П 8 1 0 0 0 0 1 1 0 О 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 01624629 4 13 Таблица 2 Код на выходе ПЗУ 9Десятичный код на входе ПЗУ 9 3243 6475 96,.107 128139 160171 19220332 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 ПО 01 02 03 04 01 02 ПО 04 03 00 02 П 03 05 02 00 01 05 03 02 01 00 05 04 01 00 02 04 03 1 О О О 1 1 О .О 1 О 1 О О О 1 О 1 О О1 О О 1 О 1 О О 1 О О 1 О 1 0 О 1 О, О 1 ОО 1 О 1 О О 1 О О 1 О О 1 О 1 О О 1 05 Пб 07 07 08 08 04 06 08 04 08 06 ПЗ 08 07 05 07 06 О 1 О О 1 О О О 1 О О 1 О О 1 О 1 О О О 1 О О 1 О 1 О О 1 О О 1 О О О 1 08 06 07 07 06 08 О О О О О О О О О О О О