Способ управления трехфазным непосредственным преобразователем частоты

(51)4 Н 0 И."яГ; щ д 13 НЬЛ 110 ".Г;,ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ етение относится к преобной технике и может бытьно для управления преоб-ми автоматизированныхводов переменного тока(57) Изобразов ателиспользовразователэлектропр ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ(56) Авторское свидетельство СССР В 65754, кл. Н 02 Р 13/30, 1979,Авторское свидетельство СССР У 723751, кл. Н 02 Р 13/30, 1980. Авторское свидетельство СССР У 1072236, кл. Н 02 Р 13/16, 1984. Авторское свидетельство СССР У 1092694, кл. Н 02 Р 13/30,1984. Авторское свидетельство СССР 9 1067574, кл. Н 02 М 5/27, 1984. Авторское свидетельство СССР 9 1095344, кл. Н 02 Р 13/30, 1984.(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТРЕХФАЗНЫМНЕПОСРЕДСТВЕННЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМЧАСТОТЫ,ЯО 1292137 А 1 с широким диапазоном регулирования скорости. Целью является повышение точности регулирования выходного напряжения при улучшении его формы и увеличении КПД. При формировании входных сигналов в виде уровня напряжений этими сигналами устанавливается частота импульсной последовательности на выходе управляемого генератора. Этой же импульсной последовательностью тактируется работа всей системы управления. В результате на выходе распределителя формируются шесть импульсных последовательностей (ИП), сдвинутых одна лО относительно другой на угол /3 по выходной частоте с длительностью каждого импульса 7. По передним фронтам ИП формируют шесть эталон- Сф ных импульсных последовательностей (ЭИП), сдвинутых на угол я /3, дли- Я тельностью 4/ЗЯ, По сигналам датчиков тока каждой фазы формируют шесть ффэ импульсных последовательностей ре- Я альной проводимости групп ключей фаз (ИПР). Для управления группами клю- фф чей фаз осуществляют логическое умно- ы жение соответствующих ЭИП с ИПР. М 2 з.п.ф-лы. б ил.31292137 цл ивам ния Составитель Г.МыцыкРедактор Н.Марголина Техред А.Кравчук оРРектоР Т,Кол аказ 283/56 Тираж 661 ое ВНИИПИ Государстве Р по делам изобре 113035, Москва, Ж- д, 4Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул,Проектная, 4 ги 11 Я к Ь 1 Ф М) с ьс с С ЬС С /Г цирмиро 3 опеда имп. у дополнигпельными ключом Подписинного комитета СССтений и открытий35, Раушская наб.,92137 1 12Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразовательной технике, и может быть использовано для управления преобразователями автоматизированных электроприводов переменного тока с широкимдиапазоном регулирования скорости.Цель изобретения - повышение точности регулирования выходного напряжения при улучшении его формы и увеличение КПД преобразователя,На фиг.1 приведена диаграмма основных импульсных последовательностей управления группами ключей фазпри у = 30 эл.град.; на фиг.2 - тоже, при= 75 эл,град.; на фиг.Здиаграмма формирования линейных напряжений нагрузки; на фиг.4 - схеманепосредственного преобразователячастоты (НПЧ); на фиг.5 - схемы замещения системы НПЧ - нагрузка наинтервалах проводимости фаз; нафиг.6 - функциональная схема системыуправления.НПЧ (фиг.4) содержит полностьюуправляемые ключи с двустороннейпроводимостью 1(1)-9(9) (цифра вскобках с чертой означает, что ключпроводит ток в обратном направлении),В одном из вариантов реализацииспособа силовая часть может быть дополнена мостом из полностью управляемых ключей 10-15, зашунтированныхдиодами 16-21. Выходные выводы преобразователя через датчики тока 22(ДТд), 23 (ДТь), 24 (ДТ ) подключенык нагрузке 25,Система управления (фиг.6) содержит генератор 26 управляемый, состоящий из генератора тактовых импульсов,выходом соединенного со счетным входом счетчика, выполняющего функцииуправляемого кодом делителя частоты,выход старшего разряда счетчика соединен с входом распределителя 27 импульсов, а параллельные его выходысвязаны с входами синусно-косинусногодешифратора, выполняющего функциинелинейного модулятора 28. Выход делителя частоты, выход распределителяи модулятора соединены с соответствующими входами формирователя 29эталонных импульсов последовательностей, каждый из каналов которого содержит элементы И по числу выходовраспределителя, а выход элемента Ичерез элемент ИЛИ соединен с Б-входом триггера, К-вход которого соединен с выходом управляемого генератора 26.Выходы датчиков тока 22-24 (фиг.4и 6) соединены с входами формирователя 30 участков проводимости группключей, выполненном на пороговых элементах и элементах И по числу выходов, а выходы формирователя 30 связаны с входами формирователя 31 ос новных управляющих импульсов группключей фаз. Выходы Формирователя 31соединены с входами формирователя 32управляющих импульсов ключей фаз,куда одновременно подключены и выходы блока 33 синхронизации, и черезблок 34 инверсии с входами формирователя управляющих импульсов дополнительных ключей.Сущность предлагаемого способазаключается в следующем.Формируются входные сигналы ввиде уровня напряжений или входовэквивалентных чисел К(фиг.6) иэтими сигналами устанавливается частота импульсной последовательностина выходе управляемого генератора26, подаваемой на вход распределителя 27, этой же импульсной последовательностью тактируется работа всейЪсистемы управления. В результате навыходе распределителя формируютсяшесть импульсных последовательностейР ; Р ; Р; Рь, Р ; Р-, (Фиг.1 и 2),сдвинутых одна относительно другой 35 на угол /3 по выходной частоте сдлительностью каждого импульса .1Длительности этих импульсов определяют зоны проводимости групп ключей фаз на полупериодах выходногонапряжения и на интервалах этих импульсов Формируются выходные напряжения преобразователя. По переднимФронтам импульсов распределителя спомощью модулятора формирователь 29(фиг.6) формирует на выходах шестьэталонных импульсных последовательностей М , М , М , М-, М , М- (фиг,1и 2), сдвинутых одна относительно 50другой на уголь/3 с длительностью4/3 . Причем каждая эталонная импульсная последовательность модулирована методом широтно-импульсноймодуляции на интервале О - 27/3 позакону синуса на интервале О - 2 ЮЗ, 55а на интерва.пе 2 н/3 - 4 Я/3 - по залкону синуса на интервале /3 -Г.На фиг.1 и 2 аппроксимация синусоидальных функций для упрощения по.строения принята на двенадцати интервалах полупериода, но для повышения точности аппроксимации число интервалов может быть увеличено и ограничивается только частотными свойствами силовых ключей. По сигналам датчиков тока У;, О. каждой фазы формирователь 30 участков проводимости групп ключей фаэ (фиг.б) предварительно формирует шесть импульсных последовательностей 1 , 1 оф оф 1, 1 ь, 1 с, 1- (фиг.1 и 2) реальной проводимости групп ключей фаэ 1 а - 1фазы Р с проводимостью, принятой за положительную, 1 -- отрицательную и так далее, а за ним путем логического перемножения формируются импульсные последовательности участков проводимости этих групп ключей (фиг.1 и 2),10 15 Интервалы импульсов этих последовательностей определяют участки формирования основных импульсных последовательностей управления группами ключей фаз, что осуществляют путем логического умножения этих импульсных последовательностей с эталонными импульсными последовательностями соответствующих фаэ формирователем 31 (фиг.б): 35 К, - М 1, + И, -1, + 1 1К Мь 1 +1 + М 1 г фК,=1 с 1, +И,1, +М1сКр = М 12 + с 1 ь + Ис 1440где черта над обозначением эталонных импульсных последовательностей соответствует ее инверсии, т.е. дополнительной операции НЕ.45В результате такого способа формирования нет необходимости заранее задавать разлиЧные законы модуляции на различных участках полупериодов, они формируются путем элементарных логических операций из эталонных им 50 пульсных последовательностей. Кроме того, необходимые при с Ф/3 дополнительные паузы на вторых участках основных импульсных последователь" ностей с требуемым законом модуляции 55 (фиг. 2) формируются так же из эталонных импульсных последовательнос" тей, так как при таких углах сдвига на концах этих участков последовательности И оказываются модулированными.Полученные таким образом три парыимпульсных последовательностей К +К11 а Оф К+ К-; К + К предназначены для управления тремя группами ключей фаэ преобразователя, причем каждая иэ последовательностей пары должна обеспечивать формирование одной из полу- волн напряжения фазы. Однако беэ синхронизации с напряжением сети она не обладает избирательностью знака формируемого напряжения Поэтому каждая пара последовательностей фаэ на фиг.1 и 2 показана на общей оси времени. Эту функцию с одновременным распределением импульса по ключам выполняет формирователь 32 управляющих импульсов ключей фаз преобразователя по командам блока 33 синхронизации (фиг,б). Блок синхронизации на ин-. тервалах с наибольшим положительным и наибольшим отрицательным фаэным напряжениями питающей сети формирует шесть импульсных последовательностейсинхронизации: Бд, Бв, Бс - по положительным напряжениям и Б, Б-, Б по отрицательным напряжениям (фиг.З). С помощью этих импульсных последовательностей предварительно сформиро-. ванные основные импульсные последовательности разделяются по полуволнам и по ключам путем их логического перемножения: К =К (Б +Б +Б ) - под" О А В с ложительная полуволна на выходе Р (фиг.З и 4), Кц = К (Б+Бв+Б-) отрицательная полуволна на выходе Р (фиг.З и 4) и соответственно(Бд + Бь Бс)При этом на интервалах, например, К Бд замыкается ключ 1, присоединяя вывод Р к фазе сети А, когда на этой фазе наибольшее положительное напряжение, КБ-замыкает ключ 6,скогда на фазе С сети наибольшее отрицательное напряжение и т.д.Таким образом, импульсы синхронизации Бд, Бв, Бс, сформированные иэ наибольших положительных участков сетевого напряжения фаз, задают зоны, на которых соответствующие ключи замкнуты по командам основных импульсов5 129213 управления, формирующих положительные полуволны выходного напряжения, а импульсы синхронизации Б-, Б-, БЬ о зоны замыкания по командам последовательностей импульсов К , К -, К этих же групп, формирующих отрицательные полуволны напряжения. Номера ключей (фиг.4), которые могут быть замкнуты на каждой зоне синхронизации, поставлены на импульсах синхронизации 10 (фиг. 3) .По условию непрерывности токов при формировании пауз от размыкания с токами недопустимо, поэтому на интервалах пауз напряжений фазы нагруз ки подключаются к фазам сети. По-, скольку ключи с двусторонней проводимостью в замкнутом состоянии обеспечивают проводимость любого знака, для исключения сквозных токов про водимость на интервалах пауз обеспечивается дополнительными ключами 10-15 (фиг.4), а дополнительные импульсные последовательности управления этими ключами формируются на третьих участ ках соответствующих основных импульсных последовательностей следующим образом. Например, для управленияЬключом 10, замыкающим реактивный ток фазы Ь в случае д(Т/3, импульсная последовательность управления этим ключом формируется из инверсий двух эталонных импульсных последовательностей путем логического умножения на соответствующие последовательности реальной проводимости: 1 Р + М 1ЬЬ М 1 РМа 1, РМа 1 Мь 1 з Р МЬ 1 Р+ МЪ + Мс + Мс + Ма + Ма Ь 1 Р р 14 Рс1 а Р 6 аф 12 14 и соответственно для остальных дополнительных ключей: Первое слагаемое в каждой из приведенных зависимостей формируется на интервалах совпадения знаков тока и напряжения данной фазы, а второе - при их несовпадении. Общая длительность интервала модуляции каждой из последовательностей х /3, а соотношение длительностей слагаемых зависит от сдвига тока нагрузки относительно напряжения. 25 30 35 40 45 50 55 7 6Так при Ч = 0 обращаются в ноль вторые слагаемые, а при ц с./3 первые. Дополнительные импульсные последовательности для рассмотренного случая приведены на фиг.3. При сдвиге тока нагрузки относительно напряжения ъц/3. Кроме дополнительных импульсных последовательностей управления дополнительными ключами на интервалах и /3 - с формируются и дополнительные импульсы управления ключами фаз. Эти импульсы формируются непосредственно из соответствующих эталонных импульсных последовательностей на этом интервале (фиг,2) путем следующих логических операций, например, для группы ключей фазы:а а( й ь с) Ъ К = К + М 1 Р (Б-+Б-+Б-),где К , К- - основные импульсныепоследовательности управления, а вторые слагаемые - дополнительные импульсы управления.Во вторых слагаемых произведение,например, 1-, Р- определяет длительность формирования этих последовательностей и при с =/3 обращаетсяв нуль,: При этом дополнительные импульсные последовательности управле 1ния дополнительными ключами формируются так же, как и для режимов сщс/3, но к ним добавляются импульсные последовательности, полученные инверсией дополнительных импульсов управления группами ключейфаз на интервалах/3 -,На фиг,З приведены диаграммы линейных напряжений и токов нагрузки,сформированные для режима су =/6,на диаграмме сетевого напряжениявыделены интервалы линейных напряжений, из которых формируются напряжения 0Рассмотрим принцип формированиянапряжения и тока для этого режимана интервале 0 -7/3, что соответствует четырем интервалам аппроксимации или сорока тактам. На первыхдвух тактах (3 эл.град.) в соответствиис диаграммой напряжений (фиг.З)необходимо обеспечитьНОЪ НЬс Пса = Офпри этом токи нагрузки имеют следующие знаки -х, -2.Ъ, - . В этомслучае для формирования н;левой паузы в соответствии с диаграммами управляющих импульсов размыкаются клю 1292137чи групп фазы о и Ь, а ключи К, по-, очередно подключают фазу нагрузки С к фазам с наибольшим положительным напряжением ключами 7-9 в соответствии с импульсами синхронизации Б. Одновременно замыкается дополнительный ключ 15 (фиг.4) и образуются контура с токами, показанные на схеме 5 аПри этом выводы фаз а, Ь нагрузки оказываются замкнутыми на Фазу с и через смещенные в проводящем направлении р-и-переходы диодов на все фазы нагрузки подводится одинаковое положительное напряжение сети. На третьем такте (фиг.З) необхо-. димо сформировать линейные напряжеВ соответствии с диаграммами управляющих импульсов ключами дополнительно замыкаютсяклвчи группы КЬ при отрицательной синхронизации,.подводя к фазе Ъ отрицательное напряжение сети. Состояние контуров на этом такте приведено на схеме 5 Ь (фиг.5). Здесь выводы фаз а и С остаются на общем положительном потенциале, что и обеспечивает У д = О. Для формирования напряжения ЦОЬ = Оу -БЬс+Оса на тактах от четвертого по десятый (фиг.З) размыкают дополнительный ключ 15 и замыкают ключи (1)-(3), (4) в (6), 7-9 всех групп преобразователя, подключая к фазам а, Ъ наибольшее отрицательное напряжение сети, а к фазе с - наибольшее положительное.Состояние контуров с токами на этом интервале приведено на схеме 5 ь (фиг.5). Начиная с 21-го такта (31 эл.град.), знак проводимости фазы а приходит в соответствие со знаком задаваемой проводимости, т,е, станет положительным, (от преобра-. зователя к нагрузке)(фиг.З), снима- ется запрет на формирование положительной проводимости Кс а наибольшее значение тока переходит с Фазы о на фазу Ь. В этом случае очередная пауза (11-й такт, фиг.З) в линейных напряжениях формируется замыканием двух фаз а и С на фазу Ь, т.е. другой комбинацией ключей. Для формирования паузы осуществляется размыкание группы ключей (1)-(3), 7-9 при работающих ключах группы 4-6. Состояние контуров для этого интервала . показано на диаграмме 5.(фиг.5). Далее до конца интервала Т /3 выход 5 О 15 20 25 ЗО 35 40 45 50 55 ные напряжения формируются за счет формирования контуров, показанных на диаграммах 5.,е. При этом с 15-го такта отрицательное напряжение начинает формироваться замыканием ключей 4-6 на фазу сети с с отрицательным напряжением, т.е. ключом 6.В результате предлагаемого способа формирования пауз упреждающее замыкание дополнительных ключей не приводит ни к возникновению сквозных токов, ни к изменению конфигурации контуров, так как к диодам, входящим в эти контура, линейное напряжение сети оказывается приложенным встречно, Дополнительный контур принимает ток только при закрытии ключа соответствующей группы фазы преобразователя.Таким образом, по данному способу Формирование управляющих импульсных последовательностей независимо от частоты сети, но не для отдельных ключей, а для групп ключей фаз и присоединение нагрузки с помощью ключей к линейным напряжениям сети только при наибольших положительных и отрицательных напряжениях фазы сети обеспечивает формирование выходных напряжений из однотипных интервалов линейных напряжений. Это позволяет сделать регулировочную характеристику преобразователя по частоте линейной с незначительной дискретностью, независящей от частоты сети. Автоматическая перестройка управляющих импульсных последовательностей в зависимости от изменения фаз реальной проводимости относительно задаваемой с использованием при этом одних и тех же эталонных импульсных последовательностей обеспечивает независимость формы выходного напряжения от коэффициента мощности нагрузки, а реализацию способа делает достаточно простой. При этом неизменной остается не только форма огибающих выходного линейного напряжения, но и фазы этих напряжений, в точности совпадающие с задаваемыми интервалами проводимости. При достаточно высокой частоте модуляции ухудшение формы тока определяется пульсациями постоянной частоты, эквивалентными пульсациями шестифазного выпрямленного напряжения, а также необходимым сдвигом одной или двух пар импульсов на границе полупериода внутри интер 1292137 говалов модуляции, необходимых для выполнения условия симметрии Ог + + Б + гг =О, фиг.1-3).При этом предельная частота модуляции и количество интервалов аппроксимации синусоидальных напряжений на периодах зависят только от частотных свойств ключей, что позволяет пульсации тока на интервалах модуляции уменьшить до минимума, Это особенно важно при использовании способа для управления преобразователем в следящих и прецизионных электроприводахс широким диапазоном регулированияскорости. Предлагаемый способ исключает одновременную коммутацию парключей с общим зажимом, сетевые зажимы которых присоединены к различным фазам питающей сети. Это устраняет сквозные токи при коммутацииключей и увеличивает КПД и надежностьпреобразователя. Коммутация ключейв процессе работы одной группы фазыпо командам импульсов синхронизациине .приводит к существенному увеличению потерь, так как в этом случаесетевые зажимы коммутирующих ключейпрактически находятся под одним потенциалом,Изобретение применимо как для управления НПЧ, каждая фаза котороговыполнена из трехфазных нулевых схем,так и в случае мостовых схем в каждойфазе. В последнем случае основные импульсные последовательности управления, приведенные на фиг.3, используются для управления всеми ключамимоста с тем различием, что распределение их по ключам одной тройки моста осуществляется по командам импульсов синхронизации одного знака, а поключам другой тройки моста - импульсами синхронизации другого знака.Кроме того,. дополнительные ключи собираются для каждой фазы в однофазные мосты по схемам, соответствующимсхеме на фиг.ч.формула изобретения г. Способ управления трехфазнымнепосредственным преобразователемчастоты, выполненным на полностьюуправляемых ключах с двустороннейпроводимостью и включающим в себясредства для пропуска реактивноготока нагрузки, заключающийся в том,что задают зоны проводимости ключейс длительностью Т по выходной частоте, в этих зонах формируют три прямоугольные импульсные последовательности Р , Рг Рс с длительностьюимпульсов Т и сдвинутых одна отно 5 сительно другой на 2 Я/3 по выходнойчастоте и три противофазные им импульсные последовательности Рб, Р,Р. и из упомянутых импульсных последовательностей формируют шесть основных импульсных последовательностей управления ключами для пропускаактивного тока нагрузки К, Къ, Ки противофазные им К , К-, К , кажо Ьффдый импульс которых синтезируют изтрех участков, на участках от О доТ 213 3и от - дон импульсы модулируютметодом широтно-импульсной модуля 27,2 О ции а на уа от доводимость оставляют полной и неизменной, а для пропуска реактивноготока нагрузки на участках от Одо - отдои от 1 до - основ 3 3 3ных импульсных последовательностейформируют шесть дополнительных импульсных последовательностей управления указанными ключами, о т л и -ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюулучшения формы выходного напряженияи тока преобразователя, формируют.шесть эталонных импульсных последоательностей гг1 Ч ь исф ггпу35 сфазированных с соответствующимипрямоугольными импульсными последовательностями Р, Рь, Р, Ро Р ф 1 си модулированных методом широтно-импульсной модуляции: на интервалах40 2 тот О до -- по знаку синуса в области3значений от О до ; а на интервалах27 4отдо - , модулированных по зако 3 345 ну синуса в области значений от - до3определяют интервалы полупериодовтоков фаз нагрузки и в этих интервалах формируют шесть прямоугольных5 О импульсных последовательностей 11 ь, 1 - в интервалах положительныхсполупериодов токов и 1 ау 1 ь, 1 св интервалах отрицательных полупериодов токов, из этих импульсныхпоследовательностей формируют шестьимпульсных последовательностей 1-16зон проводимости путем их попарногологического перемножения в соответствии с логическими уравнениями:4 о с 4 Ь с1 - 1 и формируют основные импульсные пос ледовательности управления К К 1 1 а Ь Кс, К К К группами ключей фаэ из эталонных импульсных последовательностей в соответствии со следующими логическими уравнениями:1а Ма 1 МО 12+Ы1КЪ = Мь 1 э + М+ МЬ 1при управлении группами ключей, формирующих положительные полуволны тока, и14КЬ МЬ 1 Б МЬ 1МЬ 12 К = М + М 1 + Мпри управлении группами ключей, формирующих отрицательные полуволны тока, из участков фазных напряжений сети с наибольшим положительным значением напряжения формируют три импульсные последовательности синхронизации Б Б , Бс с длительностью импульсов 2/3 по частоте сети, а из участков фазных напряжений сети с наибольшим отрицательным значением напряжения формируют три противофазные импульсные последовательности синхронизации Б-, Б-, Б , а основныеьимпульсные последовательности управления ключами К , КЪ, К , К-, К- К- формируют иэ основных импульсных последовательностей управления группами ключей в соответствии со следующими логическими выражениями:1К=К (Бд+Бь+Б ) при формированииположительной полуволны тока фа"зы а;1К =Ка (Бд+Б-+Б ) при формированииотрицательной полуволны тока фазыаи соответственно, для других фаз:К -К +М 1 Р- (Б+Б,+Б,),К К +М 1 Р (Б +Б +Б )3. Способ по п.1, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что при выполнении упомянутых средств для пропуска реактивного тока в виде дополнительного трехфазного моста на полностью управляемых ключах, шунтированных диодами, дополнительными импульсными последовательностями управляют ключами дополнительного моста, причем эти импульсные последовательности форми" руют путем инверсии основных импульсных последовательностей только на интервалах длительностью Я/Э в соответствии со следующими логическими уравнениями: 1 Р2 Ь1,Р 1 Р 1 Р, 16 Ра К, = М 1Кп МаК М 141 ф а 41К= МЬ 1,Р + МЪ Р-, +МЬ Ъ Р + М с с Р +МРао Р- +Ма 0 12Къ Кь(Бд + Бь + Бс)К- = КЬ (Бд+ Я-+ );Кс Кс (БА Яв Бс) 51Кс Кв(Бд + Бе + Бс)причем дополнительные импульсныепоследовательности управления фор-мируют путем инверсии основных им пульсных последовательностей управления.2. Способ по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что при сдвиге токанагрузки относительно напряжения 15 ут /3 на интервалах от 41/3 до(514/3 - д) формируют вспомогательныеимпульсные последовательности дляуправления ключами, обеспечивающимипропуск активного тока фаэ нагрузки 20 на указанных интервалах и суммарныеимпульсные последовательности дляуправления ключами, например, дляключей фазы а в соответствии со следующими логическими уравнениями: 2512921 37 1 и г Но,ка юВ, ие с,ьфиг РВ Рс Рс тв тв 1 с 1 г1 Нб