Способ широтно-кодового управления регулируемым мостовым преобразователем для асинхронного электропривода

)5 Н 02 М 7/4 гР" РЛО 1 Е ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗО К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Отдел энергетической кибернетики АН ССР Молдова(56) Калашников Б.Е, и др. Системы управления автономными инверторами. М.: Энергия, 1974.Эпштейн И.И. Автоматизированный электропривод переменного тока. М,: Энергоиздат, 1982.Авторское свидетельство СССР М 1492434, кл, Н 02 М 7/48, 1989,(54) СПОСОБ ШИРОТНО-КОДОВОГО УПРАВЛЕНИЯ РЕГУЛИРУЕМЫМ МОСТОВЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ДЛЯ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА (57) Использование: широтно-кодовое управление регулируемым мостовым преобразователем для асинхронного электропр 11 вода. Изобретение относится к области силовой электроники и может быть использовано при разработке преобразователей на базе трехфазных автономных инверторов напряжения, п редназначен н ых для питания систем асинхронного частотно-регулируемого электроприводэ,Известны способы управления трехфазными преобразователями для электропривода, базирующиеся на поэтапном изменении количества импульсов в полуволне выходного напряжения, причем указанное изменение числа импульсов происходит дискретно, что приводит к нежелательным броскам тока в силовых цепях Сущность изобретения: способ управления базируется на алгоритме 180-градусного управления с модуляцией центральных на полупериодах управления тактовых интервалов 60-градусных продолжительностей и с непрерывным кодированием (отождествлением) длительностей формируемых в тактовых точках основн 1 х и модулирующих сигналов управления с продолжительностью основного массива управляющих сигналов, Повышенное число импульсов в выходной полуволне на пусковой частоте, а также в требуемой зоне частотного диапазона, обеспечивается при этом за счет использования "асинхронного" принципа формирования, при котором требуемая частота коммутации вентилей в момент пуска и в выбранной частотной зоне задается специальными коэффициентами, входящими в функциональные зависимости, описывающие режим управления, 4 з,п, ф-лы, 4 ил. 44 преобразователя в моменты дискретного ц переключения. Известен также способ гибкого нелинейного управления широкорегулируемыми преобразователями 3, при котором благодаря специальной нелиней- Ф ной модуляции продолжительностей основных и модулирующих сигналов управления, формируемых в тактовых точках, обеспечи-,д вается плавный безударный переход от одной формы выходного сигнала к другой. Средняя частота коммутации вентилей преобразователя при этом постоянна, на всем диапазоне регулирования обеспечивается постоянство отношения величины напряжения к частоте. Продолжителыось тактовых1775824 й) Л 02 р .г оставитель В.Олещухред М.Моргентал Редактор Т.Иванова Те Корректор М.Максимишине Заказ 4039 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина. 101вых интервалов будет формироваться по двадцати пяти модулирующих сигналов управления, В случае, когда указанное частное от деления явяется дробной величиной, начальное количество модулирующих сигналов управления находится округлением в большую сторону. Конкретное значение параметра К должно задаваться, исходя в первую очередь из требований к динамическим свойствам преобразовательной системы и к гармоническому составу ее выходного напряжения в области пусковых выходных частот, руководствуясь тем правилом, что большее число импульсов в выходной полуволне на начальной частоте (меньшее К) способствует улучшению гармонического состава выходного напряжения идинамических свойств системы,Важными параметрами режима управления, характеризующими работу системы в средней части частотного диапазона, являются коэффициенты М и , Заданием требуемого значениявыбирается точка (зона) диапазона регулирования, в которой необходимо обеспечить требуемую частоту коммутации вентилей и соответствующий гармонический состав выходного напряжения, что задается соответствующим значением вышеупомянутого коэффициента М. При этом наиболее целесообразно производить выбор близких к оптимальному значений коэффициентови М для той части диапазона регулирования, в которой система электропривода с преобразователем частоты. в качестве исполнительного органа функционирует наиболее продолжительно.Процесс регулирования частоты выходного сигнала преобразователя как в пусковом так и в номинальном. режимах работы базируется в рассматриваемом случае, как показано стрелками на фиг,З, на постоянной поэтапной вариации длительностей основных и модулирующих сигналов управления, формируемых в тактовых точках, соответствующих центрам упомянутых тактовых интервалов (в то;ке 90 применительно к полупериоду проводящего состояния вентилей и в точке 270 нэ полупериоде закрытого состояния ключей), Отмеченный принцип формирования управляющих, сигналов, существенной особенностью которого является непрерывное отождествление (кодирование) продолжительностей формируемых в центрах тактовых интервалов основных и модулирующих управляющих сигналов с длительностью основного массива сигналов, за счет чего осуществляется плавный безударный переход от одного поддиапазона управления к другому, может10 быть поэтому определен как широтно-кодовый.Внутри поддиапазонов регулирования, на которых, как показано на фиг,З,а, в центрах тактовых интервалов формируются основные сигналы управления, регулирование величины выходного напряжения осуществляется путем изменения продолжительностей А модулирующих сигналов по определенным зависимостям. На поддиапазонах, на которых, как показано на фиг.З,б, в серединах подинтервалов формируются модулирующие сигналы управления с варьируемой длительностью Япродолжитель ность А остальных модулирующих сигналовнаходится всоответствии с другими функциональными зависимостями, Граничные знаю ичения частот Е и Е, переходных от одного поддиапазона регулирования к другому, оп ределяются при этом через соответствующие параметры режима управления.Следует отметить, что величины коэффициентов как К, так и М, вместе или порознь, могут быть в принципе и больше 25 единицы, при этом, в частности, при К1,на начальной частоте Ео наблюдается уменьшенное количество тактовых подинтервалов с соответственно увеличенными в К раз продолжительностями, При этом все 30 приведенные в тексте описания зависимости, характеризующие режимы формирования управляющих сигналов, остаются в силе.Известно, что одним из наиболее эконо мичных и часто применяемых в номинальных режимах работы законов управления преобразователями для систем частотно- регулируемого асинхронного электроприводэ является управление по закону 40 постоянства отношения величины напряжения к частоте, при котором, как показано на фиг,2 для частотного диапазона номинального регулирования 2 Ео+ ЙЕо = 10 Ео, величина напряжения растет прямо 45 пропорционально с увеличением выходнойчастоты преобразователя, Известно также, что в кратковременном пусковом режиме преобразователя, нагруженного нэ асинхронный электродвигатель, относительная 50 величина напряжения должна быть существенно повышена по сравнению с номинальным режимом, в этом случае в диапазоне пусковых частот целесообразно поддерживать величину напряжения повышенной. и 55 постоянной, а в качестве верхней границыдиапазона пусковых частот принимать частоту, равную удвоенной начальной частоте Ео (см. диапазон Е, + 2 Ео на фиг,2).Г 6 1,459 Ео, Г 6 = 1,719 Го, Е 5 =- 1 800 Ео.Значение следующей по порядку граничной частоты Гб лежит выше верхней границы пускового режима (аыше частоты 2 Ео), поэтому дальнейшее определение Г" и Г дол жно производиться уже по другим иэ вышеприведенных зависимостей, характеризующим номинальный режим управления применительно к диапазону частот, ограниченному сверху частотойЕо, Соответствен но по другим зависимостям, начиная с частоты 2 Ео, должны определяться продолжительности модулирующих сигналов управления Л и Л. Определенные подобным образом значения граничных частот в номи нальном режиме работы преобразователя соответственно равны: Гь = 2,211 Ео, Г 4 , 2,370 Ео Е 4 = 3,083 Го, Ез" = 3,603 Ео, Ез" = 5,177 Ео. Следующее по порядку значение граничной частоты лежит выше базового 20 значенияЕо = 6 Ео, поэтому, начиная с отмеченной частоты, на верхнем частотном диапазоне изменение г и определение значений граничных частот должно осуществляться по другим, приведенным в тексте 25 описания выше, зависимостям, Соответствующие величины верхних граничных частот последовательно равны: Г 2 = 6,466 Ео, Е 2 = 6,990 Ео Гю = 10 Ео.Следует отметить, что изменение про должительности тактовых подинтервалов от выходной частоты по базовым линейным зависимостям вплоть до верхней частоты ЙЕо приводит к тому, что в диапазоне верхних выходных частот преобразователя, характеризу емом повышенными значениями выходного . тока, продолжительность межкоммутационных интервалов быстро уменьшается, что может привести к срыву инвертирования и снижает тем самым надежность функциони рования преобразовательной системы, С целью частичного устранения указанного недостатка, а также улучшения спектрального состава выходного напряжения преобразователя, целесообразно. начиная с 45 частоты Е (Е 2ГЕ 1), на коТорой , продолжительность модулирующих сигналов управления равна половинедлительности тактового подинтервала, и до верхней выходной частоты преобразователя продол жительность тактовых подинтервалов (двух подинтервалоа внутри каждого тактового интервала) принимать равной х . 1/12 Е (см, пунктирное изменение кривой гна фиг.2), Определение величины Е" примени тельно к конкретному режиму управления при этом производится из соотношенияа нс наЛн.ип н д а(е.мни иг". г --2 (. м Так, для анализируемого режима (й = 10, К= 0,6,= 6, М =- 0,4) расчетное значение Е"=7,676 ЕоДополнительное улучшение спектрального состава выходного напряжения преобразователя, особенно в области пониженныхи средних выходных частот, может быть достигнуто за счет формирования дополнительной последовательности модулирующихсигналов управления, Указанные дополнительные сигналы формируются при этом накрайних тридцатиградусных участках полупериодов управления, внутри зон О+ ЗО,150+180, 180+210 и 330+360 эл.град, Приэтом местоположения ближних к границамполупериодов фронтов дополнительных модулирующих сигналов управления определяют путем сдвига на + 60 эл,град. ближнихк серединам полупериодоа фронтов соответствующих главных модулирующих сигналов управления с продолжительностью Л.Длительность у упомянутых дополнительных сигналов управления определяется приэтом в соответствии с упрощенной зависимостью у = К Г (г - Л), применительно к ко- торой для диапазона выходных частот Ео +Е"КГ = 0,268, а при ИГо Г Г0,268 М Го - 0 193 Е - 0,075 ЕКГ - см. зависимость КГ.от Е на фиг.2),Описанное формирование дополнительнцх модулирующих сигналов управленияприводит, как показано на фиг.З пунктиром, квидоизменению формы выходного напряжения преобразователя, тождественному току,при котором результирующая выходная кривая получается в результате суммированияосновной последовательности выходных импульсов с дополнительной последовательностью, гармоники которой находятся впротивофазе с соответствующими паразитными гармониками основной последовательности импульсов и вызцваюттем самымих исключение или уменьшение (компенсируют амплитуды паразитных гармоник),Приведенные выше значения безразмерного коэффициента КГ обеспечиваютпри этом практически полное исключениеиз спектра кривой выходного напряженияпреобразователя как в зоне пусковых частот, так и на верхней выходной частоте МГо,наиболее нежелательной пятой параэитнойгармонической составляющей и значительное снижение амплитуды седьмой гармоники.Следует отметить, что в процессе управления преобразователем по описанному алгоритму иэ спектра его выходногонапряжения на всем диапазоне регулирова 1775824 14= -агац 2 где с ходно ки; дл а так- номер.исключэемои из спектра выго напряжения паразитной гармония частотных поддиапазонов ГЗЕР+1, же при МРо =Р":кг кЯ кж, = 4 зи 2 зи 2 зи 3 ,МАЙ П+А, Мт, - зп 2 соз 2 зис 7 сЛ сл= 4 зи 3 и - соз2 2 6 глг 1 соз с . --- , -6 2 для частотных подд А 4 яп в сЗп 2) зи -2 2Достаточно сложные преимущественнонелинейные зависимости, характеризующие режим проведения проемов описанного способа управления, целесообразноосуществлять при помощи современныхцифровых (ми крои роцессо рных) средств управления. На фиг.4 представлена блок-схема системы управления преобразователем,выполненной по вертикальному принципу,базовые блоки которой строятся на цифровой основе. Ниже приводятся характеристика состава системы и принципа еефункционирования,При помощи блока задания частоты 1осуществляется задание требуемой выходной частоты преобразователя, на его выходеформируется сигнал О 1, пропорциональныйзначению выходной частоты, который поступает на входы тактового генератора 2 и МКканального по выходу функциональногопреобразователя 3, Частота следования импульсов генератора 2 определяет частотувыходного сигнала блока развертки (генератора симметричного пилообразного напряния может быть исключена любая из паразитных гармоник. для этого продолжительность у дополнительных модулирующих сигналов управления должна изменяться в соответствии с нижеприведенной нелинейной зависимостью:жения) 4, которая на всем диапазоне регулирования в 6 раэ выше выходной частоты преобразователя. Сигнал блока 4 постоянно сопоставляется в блоке формирования уп равляющих импульсов 5 с выходн ыми сигналами Оз функционального преобразователя 3, величина которых пропорциональна текущим значениям положений фронтов управляющих сигналов и выходных импульсов 10 а - а внутри тактовых интервалов (см,временные диаграммы Одв на фиг,3). Указанные значения а предварительно определяются расчетным путем из соотношений, характеризующих режим формирования уп равляющих сигналов как для пускового, таки для номинального диапазонов регулирования. При этом следует учитывать, что; 20 В моменты равенства текущих значений сигналов блоков 3 и 4, как показано на внутренней временной диаграмме на фиг,4, блоком 5 вырабатываются команды на формирование фронтов управляющих (и выходных) импульсов, которые распределяются по соответствующим вентилям преобразователя в соответствии с принятым опорным законом 180-градусного управления при помощи логического распределителя управляющих импульсов 6, соединенного своими тактовыми входами с соответствующими выходами трехразрядного регистра 7, работа которого на всем диапазоне регулирования синхронизируется тактовыми импульсами генератора 2.Таким образом, описанные законы формирования управляющих сигналов на вентили трехфазного мостового преобразователя позволяют обеспечить за счет увеличенного количества управляющих и выходных сигналов на полупериоде в зоне низких и средних выходных частот, улучшение динамических свойств системы в укаэанных зонах, а также улучшение гармонического состава выходного напряжения. При зтмо на всем диапазоне регулирования осуществляется плавный безударный переход от одного поддиапазона регулирования к другому. Благодаря двухзонному заданию продолжительности тактовых подинтервалов описанный способ обладает достаточной универсальностью, позволяя обеспечивать требуемые частоту переключенияя вентилей и сие кт ра льн ь й состав выходного сигнала в практически любых желаемых зонах управления. Опиэнное видоизменение номинального заки л управления в зоне пусковых частот позли :.". повысить 25 30 35 40 45 50 55 а 1 =60+(т - Л)/2, а 2 =сс+А ссэ =Й 1 +, С 23 сс 21 - 1 +преобразовасть т опредев диапазоне втеля Ео - МЕоляют как",-щ - гяри Е ЕгЕ," Л=1/6 Е а в номиналь зователя при ных частот Ег" как: 2-ам режи Ео Е 2 и Ег ндхо работы преобразначения гранич , соответственно гГГ 7;-1)Гн-кц ):1 гГ.)НЬ 1 4 Г)-ф)Г 2) .1)(М-Я) надежность осуществления весьма важного и сложного режима пуска преобразователя, нагруженного на асинхронный электродвигэтел ь, Отмечен н ы е и ре имуществ а могут быть с эффектом использованы при созда нии преобразователей как для специальных, так и для общепромышленных.систем частотно-регулируемого электропривада, в том числе высоковольтных преобразовательных систем. 10Формула изобретения1, Способ широтна-кадового управления регулируемым мостовым преобразователем для асинхронного электропривода с И.кратным, начиная с частотьг Ео, диапазо ном регулирования частоты и величины выходного напряжения, при котором основные вентили разных фаз и групп преобразователя, периодически включают и выключают с взаимным фазавым сдвигом в 60 эл,град. в 20 последовательности +А, -С, +В, - А, +С, - В, при этом, для каждого вентиля в течение одного полупериода 0-180 эл.град, формируют интервал проводимости вентиля, в течение другого палупериада - 180 - 360 25 эл,град, формируют интервал закрытого состояния вентиля, на центральных внутри полупериодов тактовых интервалах 60 - 120 и 240 - 300 эл,град. симметрично относительно середин палупериадав формируют 30 модулирующие сигналы управления, разноименные с соатветству)ащим полупериодом управления, число которых последовательна уменьшают с ростом выходной частоты преобразователя Е, причем, генерирование 35 указанных мадулирующих сигналов производят в серединах тактовых подинтервалов с продалкительнастью т, внутри каждого тактового интервала начало первого иэ подинтервалов и конец последнего из них син хранизируют, соответственно, с началом и концам тактового интервала, формирование каждого 1-го от начала (и ат конца) до середины тактового интервала мадулирующего сигнала управления осуществлякт при 45 изменении выходной частоты преобразовастеля ат Ео до граничной частоты Ег, при этом в номинальном режиме работы на поддиапазонах выходных частот, при которых Е ЕЕг+1(ЕгЕ"Ем ), продолжи тельность Л всех модулирующих сигналов управления определяют как1 1 1Л =-1;г- (.р - .- - ), а на частотных поддиО 1)/ оапазанэх, на которых Е;ЕЕг наряду с 55 основным массивоммадулирующих сигналов управления с продолжительность)о Л в серединах тактовых интервалов формируют центральный мадулиру)ащий сигнал с длительностьюЛ, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью улучшения динамических свойств и гармонического состава выходного напряжения преобразователя в пусковом режиме и в диапазоне пониженных и средних выходных частот, достигаемого за счет изменения на начальной частоте Ео в К раз, а на частотеЕо - в У раз продолжительности тактовых подинтервалов и соответствующего этому увеличения количества импульсов в палуволне выходной кривой, а также с целью повышения надежности осуществления процесса пуска преобразователя, нагруженного на асинхронный двигатель, в диапазоне выходных частот преобразователя Ео-Ыо продолжительность ттактовых подинтервалов принимают равной т -6 Е 2 о ф. - 1) Кыходных частотпродолжительно в пусковом режиме работы при 2 ЕоЕ" Ео, значения упомянутых граничных частот, переходных от одного поддиапазона управления к другому, определяют, соответственно, кэк 4)Ггс) Гм- к)/ 4)Гг -1)(м-к)КЦ):1 Г 2 Г.)т)ГН КЦ,Н 18 Г)-1)Г 2) 1 Ъ при ИЕо ) ЕЕо значения частот Енаходят, соответственно, как17 1775824 и( 2( и и лючаемой иэ спектра выия паразитной гармониддиапазонЕ(н( (г,.(п-)2г,г ( (ф г(.(К 2 Я:НИ(Ь.М( (2-О(7(4 КЕ-Н)(ДМ-(Н 2( ОИ.Ю)5Ф 2(Ъ-ГХ(, и) -(. Я 2 С 2. ЧМ-) . ФВ(И. Ь аг=гпри этом, на всем диапазоне номинального режима работы преобразователя при ЕР Е 10ЕЛ - т 1 2 1-1) г/6 (21-1) ЕоИ оп 1,отл ичающи йся азоне выходных частот пре" - Юо продолжительность интегралов принимают рав, при этом значение гранич- определяют как; Л= 1/6 Е - 2. Способ тем, что в диап образователя г тактовых под ной х = 1/12 ной частоты Е деляют в соответствии с зависимостью у = КГ(т - Л), применительно к которой для диапазона выходных частот Ео - Г " КГ = 0,268, а при МЕоЕЕ"0,268 1 Ео - 0,193 Е" -0,075 Е КГ 5, Способ по п 3, отл ич а ю щи йс я тем, что продолжительность у дополнительных модулирующих сигналов управления находят из соотношенияГ у = агар2где М - номер иск ходного напряже ки, для частотных по а также при МЕо" А=4 з 1 п 1 Мт2+ 3. Способ по и 2, о тл и ч а ю щи й с я тем, что, с целью улучшения спектрального 25 состава выходного напряжения преобразо.вателя, на всем диапазоне регулирования формируют внутри интервалов 0-30, 150 - 180, 180-210 и 330 в 3 эл,град, дополнительные модулирующие сигналы 30 управления, при этом, местоположения ближних к границам полупериодов фронтов, дополнительных модулирующих сигналов управления определяют путем сдвига на +60 эл,град, ближних к серединам полупе риодов фронтов соответствующих главных модулирующих сигналов управления с продолжительностью Л.4. Способ по п.З, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что длительность у упомянутых до полнительных сигналов управления опреЗсЛ 1 сд 1 и - соз ф 2 6 Мтг Ит, - з 1 п з 1 п - ; 3 2 ддиапазонов Е. Е Е 12: