Способ управления регулируемым мостовым инвертором напряжения

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК Я)5 Н 02 М 7 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ВИДВТИЪСТВУ АВТОРСКОМУ О ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТГЮ ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Отдел энергетической кибернетики АН МССР(56) Авторское свидетельство СССР М 1492434, кл. Н 02 М 7/48, 1990. (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РЕГУЛИРУЕМЫМ МОСТОВЫМ ИНВЕРТОРОМ НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к электро. технике, может быть использовано при разработке систем управления трехфазными автономными инверторами напряжения для асинхронного частотно- регулируемого электропривода и являю/ется дополнительным к авторскому свидетельству М 1492434, Целью изобретения является улучшение гармонического состава выходного напряжения инвертора при И-кратном связанном регулировании напряжения и чаототы. Способ управления, базируется на униИзобретение относится к электро" технике, может быть использовано при управлении преобразователями частоты на базе трехфазных автономных инвер.торов напряжения, питающими системы асинхронного частотно-регулируемого электропривода, и является дополнительным к авт,св. " 1492434,Известен способ управления трех" фазным одномостовым иняертором, ба 50 1734180 2версальном 180"градусном алгоритме управления трехфазной мостовой схемой инвертора с Формированием основной последовательности управляющих сигналов на интервалах 60-120 эл,гра-. дусов, Одновременно на интервалах О, 150-180, 180-210 и 330-360 эл. градусов формируют дополнительные сигналы управления, местоположения ближних к границам полупериодов Фронтов которых определяют путем сдвига на +60 эл.градусов, ближних к середине полупериода Франтов соответствующих основных управляющих сигналов. Приведена нелинейная зависимость для определения длительности дополнительных сигналов управления. Благодаря нелинейной модуляции управляющихсигналов процесс совместного регулирования выходного напряжения и частоты инвертора характеризуется плавным безударным переходом от одного поддиапазона регулирования к другому при уменьшении количе- . ства импульсов в полуволне выходного напражения с ростом частоты. 5 ил, 4Ы зирующийся на 180-градусном законеуправления ключами, при которомсуммарная продолжительность сигналоввключения и выключения каждого изшести основных вентилей составляетполовину периода выходной частоты,И-кратный диапазон связанного регу-лирования. частоты и величины среднего на полупериоде значения выходногонапряжения иняеотооа реализуется. Гагарина, 10 оизводственно-иэдателъс в е е е е вЗаказ 2301ВНИИПИ Государственного коми113035, Моск Тираж та по иэобрет , Ж, Раущс Подписноеи и открытинм при ГЮЙ СССРнаб., д. 4 И3 д 4 при этом эа счет постоянной поэтапной вариации длительностей пауз между импульсами управления и самих импульсов управления на центральных участках тактовых интервалов 60.-гра 5 , дусных продолжительностей, расположенных в серединах 180-градусных зон проводимости и закрытого состояния вентилей. Для поддержания постоянст" ва отношения величины среднего значения выходного напряжения к цастоте продолжительность сигналов на полу-периоде управления и их временное положение в диапозоне частот Гь - И/2 Г варьируют ппо двум основным опорным алгоритмам. На повышенных выходных частотах при Р И/2 Г -ИГместополо" жения середин основных сигналов управления фиксируют на уровне 7505, 2 ъ 255 и 285 эл.град., а на краях каж дой зоны управления Формируют по одному дополнительному одноименному сигналу управления, ближний к границе, полупериода Фронт каждого из которых Формируют путем сдвига на +60 эл.град,.ближних к середине полу- периода фронтов соответствующих ос.новнык сигналов.Указанный способ управления спо 30 собствует снижению амплитуд, близких к основной параэитных гаомоник спектра выходной кривой инвертора, однако приемлемая степень улучшения спектра наблюдается лишь в зоне частот, близ-. ЗЮ ких к номинальной выходной частоте, и не охватывает большую часть рабо" чего диапазона преобразователя.Целью изобретения является улучше ние гармонического состава выходного ф напряжения трехФазного одномостояого инвертора на всем диапазоне регулирования.Поставленная цель достигается тем, что при управлении по укаэанному спо- ффсобу, обеспечивающему И-кратное свя. занное регулирование частоты и величины выходного напряжения трехфазногб мостового преобразователя, при котором основные. вентили разных Фаз Ж преобразователя периодически включают и выключают с взаимным фаэовым сдвигом в 60 эл.град., при этом для каждого основного вентиля в течение од- ного полупериода от 0 до 180 эл.град. ф создают зону проводимости, в тече" ние другого полупериода от 180 до 360 эл.град, создают зону закрытого 80состояния на тактовых интервалах проводимости от 60 до 2 Я эл,град. и тактовых интервалах закрытого состояния от 2 О до 300 эл. град. формируют соответственно сигналы выключения и включения вентилей, количество которых последовательно уменьшается с ростом выходной .частоты Г, причем на началь" ной выходной частоте Г тактовые интервалы разбивают на Я подынтервапов одинаковой длительности, равной 71/6 Р И, внутри каждого из которых . Формируют сигналы выключения и включения вентилей с начальной длительностью 9,И/6 Р Я и начальными местоположениями середин 1-х, считая от начала тактовых интервалов, сигналов С;осоответственнп в С,р 60(1 + + 21- /2 И) эл.град., и С;р= 60(4 + + 21-1/2 п) эл град., при регулировании местоположения середин 1-х сиг-налов выключения и включения вентилей С .на участках от 60 до, 90 эл.град. и от 240 до 270 эл.град. определяют соответственно из Функциональных за-висимостей С, и 61(1 + Р/Р 21-1/ ,2 п) эл.град. и С;60(4 + Г/Г .21-1/2 И) эл.град, на участках от 90 до 120 эл.град, и от 270 до 300 эл. град. местоположения середин остальных сигналов определяют симметрично, формирование каждого 1-го от начала тактового интервала сигнала выключения и вклюцения вентилей осуществляют при изменении выходной частоты инвер" тора от Рв до Г щ ГрИ(21-1)/2(1-1)ф ю(21-1)+1 , причем при изменении вы" ходной частоты от Р до РР,И(21-) /21(21-1)-1 айутри каж" дой половины тактовых интервалов формируют по 1 сигналов управления длительностью % , определяемой из функ- .1 циональной зависимости .я,(1/Р -.121 ,-/Г Я), а при Р; ) Гъ Г," на каждой половине тактовых интервалов формируют по (1-1)"й сигналов выклюцеНия и включения вентилей с постоянной длительностью, определяемой из соотношения1-1/ЗЯГ (21-.1), а 1-й сигнал формируют в середине каждого тактового интервала с длительностью ф , определяемой из функциональной1 (21-1)+4 (1-1)ОР 6 ЯРр (2 1 1 ) зависимости,лх--- -т.". -- р при этом в диапазоне выходных частот Яр Рр, - ЯГр, местоположения середин5основных сигналов управления определяют соответственно как 75, 105, 255 и 285 эл,град., а на интер валах 0-3 б, 150"180, 180-210 и 330-360 эл.град. генерируют дополнительные сигналы управления, ближние к границам полупериодов Фронты которых формируют путем сдвига на +60 эл.град., ближних к середине полупериодов фронтов соответствующих одноименных основных сигналов управления (на +10 эл.град. на интервалах 150-180 и 330-360 эл.град,"и на -60 эл.град. на интервалах 0-30 и180-210 эл.град.) Формирование упомя-"нутых дополнительных сигналов управле" ния осуществляют на всемдиапазоне реЮгулирования, а их продолжительность изменяют е соответствии с Функциональной зависимостью= К( Ф- ), где численное значение коэффициента К .в каждой точке диапазона регулирования определяют в соответствии сзависимостью, приведенной на Фиг,3.На фиг.1 приведена упрощенная ,структура силовой цасти трехфазного Мостового инвертора, выполненного на, полностью упраяляемых вентиляхф на Фиг. 2 " временные диаграммы, иллюстрирующие предлагаемый способ .управления; на Фиг,3 - кривая зависимости коэффициента К от относительной величины выходного напряжения иннертора; на фиг. ч " Функциональная схема системы управления, реализующей предлагаемый способ; на фиг.5 - временные диаграммы ее работы. Предложенный способ иллюстрирует"ся временными диаграммами, приведенными на фиг, 2 применительно кварианту пятикратного, регулированиячастоты и величины выходного напря"жения инвертора (Н = 5),На верхних временных диаграммах. на фиг.2 изображены включающие вентили импульсы управления, поступающие на вентили +А и +В. катодной группы трехфазной мостовой схемы инвертора в зоне управления от 0 до180 эл.град, и обеспечивающие вэтой зоне открытое состояние упомянутых вентилей на момент времени,равный длительности упомянутых импульсов управления. На нижних вре"менных диаграммах на фиг.2 представлены соответствующие участки 734180бкривой линейного выходного напряжения О трехфазного инвертора,Временные диаграммы, приведенныена фиг.2 а, соответствуют начальной(минимальной) выходной частоте преобразователя. В этом случае тактовый интервал зоны проводимости от60 до 120 эл.град. разбит на 5 ото резкоеравной длительности, равной12 эл,град., внутри и посерединекаждого из которых формируются основные управляющие (запирающие вентили)сигналы продолжительностью15 0-1 4: 12 12-.= 9 б эл.град.о ЯФ При этом местоположения серединосновных управляющих сигналов С(о фС , С на первой половине тактового интервала, вычисляемое как= 60(1- 21-1/2 И), соответственноравны 66 эл.град 78 эл.град. и90 элград (в данном случае при нечетном Я = 5 третий по счету управляющий сигнал Формируется в середине тактового интервала). На так 1 овом интервале от 240 до 300 эл,град,аналогичным образом в серединахтактовых подынтервалов вырабатываютЗ 0 ся основные сигналы на включение вентиля, местоположения центров включающих сигналов при этом равны,соответственно 246, 258 и 270 эл.град..На вторых половинах тактовых интер валов на всем диапазоне регулирования местоположения середин управляю-,щих импульсов определяют симметричноОдновременно внутри крайних участковзон проводимости и закрытого состо" 40 яния вентилей формируются дополнительные сигналы управления, начальное число которых в случае И = 5 начастоте Р, равном двум, местоположение ближних к границе полупериодов 43 фронтов которых определяется, какпоказано на Фиг,2, сдвигом на 60 эл.град, в сторону опережения или отста"еания ближних: к центрам полупериодовфронтов соответствующих одноименных 0 основных сигналов управления.Практическое определение. величиныпроизводят с использованиемпостроенной на фиг. 3 универсальнойзависимости коррелирующего коэффици- Я ента К, связывающего значения ,1;от относительной величины выход.Вного напряжения У щ. Текущие значениянаходятся при этом для любой точки диапазона регулирования17348как= К(с, - % ) Так, я рассматриваемом случае для начальной частотыРр величина 0 опРеделлетсЯ как=К( -Ъ,): К(1/61:,1 -%) =О 5= 0,26( 12-9,6) = 0,624 элтградгде значение К = 0,26 выбрано длячастоть Г, в соответствии с кривойприведенной на фиг.3, лля точкм Беь,= .М0 еыууд/ 0 э 210Регулирование частоты выходногонапряжения инвертора при рассматри. ваемом алгоритме управления в диапазоне частот Р, - М/2 .Р осуществляют за счет постоянной поэтапной реализации продолжительностейцентральных на тактовых интервалахоСновных управляющих сигналов и длительностей пауз между управляющимисигналами на центральных участках Отактовых интервалов 60-градусныхпродолжительностей. На поддиапазонахрегулирования, на которых в центрахтактовых интервалов Формируют управляющие сигналы изменяемых длительностей, абсолютное значение продолжительности.остальных основных сигналов управления не зависит от текущихзначений выходной частоты инвертораи его определяют из соотношения Я =. Формируемых сигналов управления на,каждой половине тактовых интервалов,включая центральный сигнал, На поддиапазонах регулирования, на которыхрегулирование осуществляют за счетизменения продолжительности централь"ных пауз между импульсами управления,длительности основных сигналов управ"ленияварьируют в зависимоСтиоттекущих значениЙ выходной частоты1в соответствии с выражением Я = -т12 д1/Ре )В диапазоне повышенных выходных частот инвертора при Р = Б/2 Г -ИРр начиная с частоты Р = И/2 местополо-: жения середин основных управляющих сигналов жестко фиксируют на уровне 75, 105, 25 и 285 эл.град. На всем диапазоне связанного Й-кратного регулирования частоты и величины выходного напряжения преобразователя продолжительностьдополнительных сигналов управления, Формируемыхвнутри крайних участков зон проводимости и закрытого состояния вентилей, имеющих протяженность в 30 эл.град., при этом находится из Функциональной 08зависимости ф = К( - ), где чис- . ленное значение безразмерного коэффициента К определяется для каждой точки диапазона регулирования в соответствии с кривой, построенной на Фиг,3.При анализируемом варианте связанного регулирования инвертора в диа-. пазоне нечетного количества раэ (Б,5) на первом поддиапазоне регулирования изменение чавтоты (длительности периода) осуществляют .путем изменения продолжительности центрального на полупериоде основного сигнала управления при неизменной длительности ос" тальных импульсое, равной начальной:.д2З 1 Ро(2 д ) 75 Р РУказанный процесс продолжается домомента достижения выходной частотойинвертора значенияРН(2 д-)25Рт т шшаВте3 (2 д)-2(д) 21 рпри котором длительность центрального сигнала уменьшается до нуля.На следующем подинтеряале регулирования продолжительности формируемых внутри тактовых интереалоя четырех основных импульсов управления (д 2) изменяют в зависимости1 1 1 1 17 -т(т. т, а.т т.( .Й т.шее)12 д Р РоЬ 24 Р . 5 Ровплоть до достижения выходной частотой преобразователя значенияф РоИ(2 д) 15Ртетт Р2 2 д(2 д)-1 11 Р 7при котором центральная пауза уменьшается до нуля. Дальнейшее повышение выходной частоты инвертора сопровождается последовательным изменением (уменьшением) длительности центрального на тактовом интервале сигнала управления при неизменной длительности других основных импульсов управления равнойд1ттат ттю ттт твЗИР (2 д) 45Граница отмеченного поддиапазона наблюдается в данном случае при величине выходной частоты инвертора, равной Р ЗО/7 Ре 15/7 Р Лальнейший рост выходной частоты преобразователя от частоты Р до РЮР5 Рр сопровождается последовательым уменьшением продолжительностейосновных сигналов управления в соответствии с зависимостью1 1 1 1 1 1йй т (имеете) ж123. Г РоН 12 Р 5 Го Текущие местоположения середин -х считая от начала тактовых интерва" лов, основных управляющих сигналов в диапазоне частот Р - И/2 Г , определяется соответственно, как С,60(1 + Р/Г 21-1/2 И) и С = 60(4+ + Р/Р 21-1/2 Ч) эл,град., йа вторых половинах тактовых интервалов сигнал управления Формируются симметрично, а при выходных частотах, превышающих значение И/2 Г 5/2 Г координаты середин четырех Формируемых на периоде выходной частоты основных сигналов управления жестко Фиксируются на уровне 75, 105, 255 и 285 эл.град, При этом Ф = 1/12 Р.Количество дополнительных сигналов, формируемых внутри крайних тридцатиградусных отрезков зон управления, в процессе регулирования уменьшается от величины, численно равной И/2 для четных Х и Н/2 для нечетных В, до одного дополнительного импульса, Формируемого в диапазоне повышенных выходных частот. На Фиг. 2 о представлены циклограмма подачи управляющих импульсов и полуволна линейного выходного напряжения инвертора, относящаяся к одной иэ точек частотного диапазона В/2 Г - ИГ , Анализ хода изменения коэффициента К, связывающего продолжительностьдополнительных сигналов управления с длительностью основного массива импульсов выходной кривой инвертора, показывает его существенно нелинейный характер на большей части диапазона регулированияМаксимальные значениядля каждого поддиапазона регулирования при этом соответствуют величинам граничных частот Г., а минимальные1значения наблюдаются на частотах,. равных приведенным выше расчетным величинам Г. Взаимосвязь между те/Кущими значениями выходной частоты Р и отложенной на фиг.3 по оси абсцисс относительной величиной выходФ ного напряжения инвертора Увы оп" ределяется при этом из соотношения Ов ж Г/Г И. Определяемая в соответствии с зависимостью= К("% ) продолжительность дополнительных,4сигналов управления обеспечиваетпри этом на всем диапазоне регулирования устранение из спектра кримвои выходного напряжения пятой гармонической составляющей, создающейв процессе работы инвертора максимальный тормозной момент асинхронномуэлектродвигателю и являющейся поэтому наиболее нежелательной приработе преобразователя на двигатель.Также заметно снижается при этомамплитуда седьмой гармонической сосы та вляющей.На фиг. 4 изображена Функциональная схема системы управления, реализующей предлагаемый способ применительно к пятикратному диапазону связанного регулирования частоты ивеличины выходного напряжения преобразователя (И=5). Блок 1 заданиявыходной частоты инвертора Формирует на своем выходе аналогичный сигнал, амплитуда которого прямо пропорциональна выходной частоте. Укамзанныи сигнал поступает на вход генератора 2 тактовых импульсов, частота следования тактовых импульсов которого на всем диапазоне регулирования в 12 раз превышает выходнуючастоту преобразователя. Выход генератора 2 присоединен к входамчетырехразрядного регистра 3 и генератора 4 развертывающего симметрич 35 ного линейно изменяющегося напряжения, амплитуда сигнала которогоуменьшается пропорционально ростучастоты. и постоянно Фиксируется датчиком 5 амплитуды. Выход генератораф 4 подключен к входам компараторов 1 "12.в которых его пилообразный сигнал 0,сопоставляется соответственно с выходными сигналами сумматоров 13-16,интегратора 17 и сумматоров 18 и 19.4 Выход датчика 5 связан с входом схемы сравнения 20, на другой вход которой поступает сигнал, опорного источника постоянного напряжения 21.Алгоритм Функционирования устройЮ ства, выполненного по вертикальномупринципу, поясняется временными.диаграммами, построенными на Фиг.5 применительно к начальной частоте преоб-.разователя. При этом индексы сигналовМ на фиг,5 соответствуют цифровым обозначениям соответствующих блоков и уз"лов на функциональной схеме устройства, Амплитуды сигналов опорного13 173418014линейного выходного напряжения, куменьшению продолжительностей частиосновного массива выходных импульсов 1и к формированию на крайних участках кривой выходного напряжения дополнительных выходных импульсов. Этообеспечивает в любой точке диапазона полное устранение из спектра выходной кривой пятой гармоническойсоставляющей, создающей в процессеработы системы электропривода максимальный тормозной момент асинхронному электродвигателю и являющийсяпоэтому наиболее нежелательным. Значительно снижается при этом и амплитуда седьмой гармоники. Наблюдаемоеулучшение гармонического состава выходного напряжения инвертора способствует при этом снижению потерь внагрузке в процессе работы, уменьшению амплитуды пульсаций тока.и момента электродвигателя и повышению темсамым эффективности Функционирования2 д преобразовательной системы в целом. ется с ростом частоты, достигаянуля на номинальной выходной частоте ИР . Одновременно с Формированиемосновного массива управляющих сигналов на всем диапазоне регулирования инвертора при помощи сумматоров.18 и 19, компараторов 11 и 12, элемента ИЛИ 25 и счетного триггера27 осуществляют формирование дополнительных сигналов управления, продолжительность которых в каждойточке диапазона регулирования определяется величиной выходного сигнала, снимаемого с выхода блока 32перемножения, На первь;й вход блока32 при этом поступает выходной сигналс выхода интегратора 17, пропорциональный длительности выходных импульсов, т.е. в абсолютных величинах, величине (Ф - ф 1/2. На второйвход перемножителя 32 приходит сигнал от Функционального преобразователя 33, связанного по входу с блокомзадания частоты 1 и формирующегона своем выходе в соответствующеммасштабе аналоговый сигнал, величина которого в каждой точке диапазона регулирования пропорциональная требуемому значению сопрягающегокоэффициента К, построенного вФункции от значения, . в . Г/Г И наььцФиг,3. Таким образом, на выходе блока 32 Формируется сигнал, пропорцио,нальный требуемой прплолжительностисигналов управления= К( Ф- Я 1.,. 35 .,отрабатываемый далее упомянутым, .построенным по вертикальному принципу дополнительным каналом управления. Количество дополнительных сиг"налов управления и их временное. по.- ложение в полуволне, как и для основных сигналов управления, при этом последовательно и плавно изменяется (уменьшается) с ростом частоты, при Г ) И/2 Г на каждой половине тактового интервала формируется по одному дополнительному сигналу управления. При этом на номинальной выходной частоте Г = ИГ его продолжительность определяется как= ЗО0,193 30 = 5,78 эл.град.формирование на всем диапазоне регулирования преобразователя дополнительных сигналов управления с приведенной нелинейной функциональной зависимостью их продолжительностей от значений выходной частоты приводит как следует из представленных кривых Формула изобретенияСпособ управления регулируемыммостовым инвертором напряжения поавт.св. У. 1492434, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью улучшения гармонического состава выходного напряжения инвертора при И-кратном связанном регулировании напряжения и частоты, начиная от началь- .ного значения Г , в диапазоне выходных частот И 1 /2 - ИГ координатыо осередин основных сигналов управления продолжительностью 9 залают равными соответственно 75, 105, 255 и285 эл.град. на всем диапазоне регулирования внутри интервалов 0"30,50-180, 180-210 и 330-360 эл.град.формируют дополнительные сигналыуправления продолжительностьюпричем на интервалах 150-180 и 330360 эл,град ближние к границам полупериодов фронты дополнительных сигналов управления Формируют путемсдвига на +60 эл.град., а на интервалах 0-30 и 180-210 эл.град,путем Сдвига на -60 эл.град, фронтовближних к середине полупериодов со"ответствующих основных сигналов упра аления, при этом продолжительностьдополнительных сигналов управлеьия определяют в соответствии с ьункциональ ной за висимос тью= К ( с - Я ),л 1и ь12 Р где численное значение коэФФициента К в каждой точке диапазона регулирования определяют по зависимости, прил. веденной на Фиг.3,= - дляьРМ Идиапазона частот Р в . 2 Р)Я5для диапазона частот - Р2 ф