Способ асинхронного широтно-кодового управления вентильным преобразователем для электропривода

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК Н 02 М 7/48 ЕНИЯ НИ ИЗОБРЕ ТЕЛЬСТВУ ТОРСКОМУ СВИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР(71) Институт энергетики АН Молдовы (72) В,И.Олещук .(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 АСИНХРОННОГО ШИРОТНО- КОДОВОГО УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ДЛЯ ЭЛЕКТРО- ПРИВОДА(57) Изобретение заключается в периодическом включ.,нии и выключении с взаимным фаэовым сдвигом в 60 эл, град, основных вентилей преобразователя, В серединах полупериодов проводимости и закрытого состояния .вентилей формируются разноИзобретение относится к силовой электронике и может быть использовано при разработке преобразователей на базе трехфазных автономных инверторов напряжения, предназначенных для питания систем " асинхронного частотно-регулируеМдгдэлектропривода;Известны способы управления трехфазными преобразователями для электропривода, базирующиеся на поэтапном изменении количества импульсов в полуволне выходи то напряжения, причем укае 0.пи 1781805 А 1 именные с соответствующим полупериодом модулирующие сигналы управления, за счет нелинейной модуляции продолжительностей которых обеспечивается плавный переход от одного поддиапазона регулирования к другому. На большей части диапазона регулирования продолжительность: тактовых подинтервалов, в центрах которых формируются модулирующие сигналы управления варьируется в функции выходной частоты по двум линейным зависимостям, граничные значения которых задаются соответствующими коэффициентами, характеризующими режим управления. При этом в серединах центральных на полупериодах тактовых"интервалов формируются дополнительные модулирующие сигналы двейадцатиградусных продолжительностей. а формирование остальных модулирующихсигйаловуп 4 вМ- ния осуществляется по мбдифицированным нелинейным зависимостям относительно середин боковых двадцатйчетырехградусных "бтрезкбй"сдо 1 ветствуВВИУ та"кгЬвых интервалов. 2 з,п, ф-лы, 4 ил. занное изменение чйсла"импульсов й роисходит дискретно, что приводит к"нежелательным броскам тока в силовых цепях преобразователя в моменты дискретного переключения, Известен также способ гибкогоНелинейного управления широкорегулируемыми преобразователями, при котором благодаря специальнойнелиней ной модуляциипродолжительностей основных и модулирующих сйгналов уйравления. формируемых в тактовых точках, обеспечивается плавный безударный переход от од1781805 фКР е Составитель В.ОлещукТехред М;Моргентал Корректор ти дакт яд Заказ 4281 Тираж ВНИИПИ Государственного комитета по изобр 113035, Москва, Ж, РаушПодписноеениям и открытиям при ГКН ая наб 4/5ной формы выходного сигнала.к другой. Средняя частота коммутации вентилей преобразователя при этом постоянна, на всем диапазоне регулирования обеспечивается постоянство отношения величины напряжения к частоте. В спектре выходного напряжения преобразователя на всем диапазоне регулирования присутствует порой значительная по амплитуде пятая гармоническая составляющая. негативно влияющая на характер протекания процессов в системе регулируемого электропривоДа и создающая, в частностй зйачительный по величине тормозной момент асинхронйому короткозамкнутому электродвигателю, входящему в состав таких систем, что особенно нежелательно в зоне пониженных частот, где двигатель наиболее чувствителен к влиянию таких факторов. Известно также, что для повышения надежности осуществления режима пуска преобразователя, нагруженного на асинхронный двигатель закон управления в кратковременном пусковом режиме должен отличаться от базового закона управления с О/Г=сопзт. Целью изобретения является улучшение на всем диапазоне управления гармонического состава выходного напряжения преобразователя, а также динамики системы в пусковом режиме и в диапазоне пониженных выходных частот, достигаемому за счет изменения на начальной частоте Го в К раз, а на частотеГо в М раз продолжительности тактовых подинтервалов и соответствующего этому увеличения количества импульсов в полуволне выходной кривой, а также повышение надежности осуществления процесса пуска преобразователя, нагруженного на асинхронный двигатель,Это достигается тем, что при управлении по указанному способу, обеспечиващему й-кратное, начиная с частоты Ео, связанное регулирование выходных частоты и напряжения преобразователя, заключающемся в том, что основные вентили разных фаз и групп преобразователя пери одически включают и выключают с взаимным фазовым сдвигом в 60 эл. град. в последовательности +А, -С, +В, -А, +С, -В, при, этом для каждого вентиля в течение одного полупериода от 0 до 180 эл,град, формирувт интервал проводимости вентиля, в течение другого полупериода от 180 до 360 эл.град формируют интервал закрытого состояния вентиля, на центральных внутри полупериодов тактовых интервалах от 60 до 120 и от 240 до 300 эл.град, симметрично относительно тактовых точек формируютмодулирующие сигналы управления, разноименные с соответствующим полупериодом управления, число которых последовательно уменьшается с ростом выходной частотыпреобразователя Г, причем генерирование указанных модулирующих сигналов произ 10 водят в серединах тактовых подинтервалов с длительностью Х, формирование каждого1-го от начала (и от конца) тактового интервала до укаэанных тактовых точек модулирующего разноименного с полупериодом15 управления сигнала управления осуществ- ляютйрй"изменении выходной частоты преобразователя от Го до граничной частоты Епри этом в номинальном режиме работы на поддиапазонах выходных частот, при кото рых Е" ЕГ+1 (ГЕ"Е), продолжительность 1 всех модулирующих сигналов управления равна между собой. а на частотных поддиапазонах, на которых Г ЫЕ", наряду с основным массивом модулирую-.25 щих сигналовуправления с продолжительностью А, в отмеченных тактовых точках формируют тактовый модулирующий сигнал .с длительностью Л, в диапазоне выходных частот Го - 0,8 МЕО в центрах указанных 30 тактовых интервалов формируют центральные модулирующие сигналы управления с продолжительностью, равной 1/ЗОЕ (12, эл.град,), на каждой половине тактового ин- .тервала начало каждого первого и конец 35 каждого последнего тактового подинтервала синхронизируют соответственно с началом тактового интервала, с границами упомянутого центрального модулирующего сигнала управления и с концом тактового 40 интервала, местоположения указанных выше тактовых точек определяют как 72 и 108. эл. град., в диапазоне выходных частот преобразователя Ео - Ео продолжительность т тактовых подинтервалов принимают равной .45 Р - Ро М - + КРо - - 1т в диапа 6 Ео (- 1) Йзоне выходных частот преобразователя ЕГо - 0,8 МЕО продолжительность гопределяют как 50 т -,впуР-Ро 0,4 - +МЕо й - 1.668 - цйсковом режиме работы. при 2 ЕоЕ Ео, значения вышеупомянутцх граничных частот, переходных от одного поддиапазона управ ления к другому, определяют соответственно как1781805 В 4-)(6-1)(М-Щ 3 +)(И(М-К)(ЬЯ 08 К(И 4(1-)(Д 1-) (М- К1 а в номинальном режиме работы преобра - 1) ЕМ зователя приЕоЕ2 Го значения граничныхх частот Еи Гнаходят1 соответственно как(-1 Ц 2 4(м-фо в этом режиме Л =7-6(при ГГГ"Л = 1/15 Е - 2 ( - 1) т 6(23 - 1)ЕИ ф"мцФщ . ФФааеФ Езт" "з4(й-Д(М-Кь)+Ь-(+ 4(й-и-КЦ+Ь-Д +ы,ь 1 ф-(Ь(М-к) ОГ. з Е6;(Ж) (М-К4 ЦЙ 4(М-КЬ)-Ь+1+ 4( -ЦВ)(М-КЬ-Ь+1+4 г,8(-) (Б)(Ь-ф)(М-К) йо1ЬО-)(З) (рл- к) и ГГ находят соответственно как при 0,8 ИГоГГо значения частот Г" 4-)(0,Н.-Мй Н-Ь+ 4(й-)(04 Ь-Мм)й-Ц +Фал 1(В-Ц (04-М)(й-Цй81(Й) (0,4- М)Еоу 4(1-)(Ь-)(04 Ь Мй)Ь Ь-М+4 (1-%)(Ь 4(04 Ь-МН)+Ь-ИД +Ы.8(1 4)(Ь) (М Е,(04-М) й 8 (1-1 (21-1) (0,4 -М ) при этом на диапазоне номинального режима работы преобразователя до частоты 0,8 И Ео при Е Г Г" 5.112 ЕоИ (21 - 1)1/15 Г - 2(1-1) т - 1/12(2 -1) Ео И, и ри1Е Г Г 1+1 Л = 4. = (0,8/Г/Г,И);аког 24да ИГо Г0,8 ИЕо Л = 1/6 Г - 1/6 ЕоИ.На фиг. 1 приведена схема оснеовных соединений силовых цепей тиристорного преобразователя напряжения, выполненного на базе полностью управляемых тири сторов, нагруженного на асинхронный электродвигатель АД; на фиг. 2 - регулировочная характеристика преробразователя и кривая изменения относительной продолжительности тактовых подинтервалов; на 20 фиг, 3 - временные диаграммы, иллюстрирующие опорные варианты формирования управляющих сигналов на вентили инвертора; на фиг, 4 - блок-схема системы управления преобразователем, 25Временные диаграммы, построенные на фиг, 3, иллюстрируют три базовых алгоритма формирования управляющих сигналов на вентили преобразователя в процессе регулирования, а также соответствующие 30 им кривые линейного выходного напряжения Одв. Приведенные здесь управляющие сигналы Оу поступают на находящийся в положительном проводящем полупериоде управления вентиль + А катодной группы трехфазной мостовой схемы преобразователя, при этом положительная величина Оч (основной сигнал управления) соответствует проводящему состоянию вентиля, а нулевое значение Оу (модулирующий сигналуправления) - закрытому состоянию (следует помнить, что вентили являются полностью управляемыми). Формирование разноименных с соответствующим полупериодом управления модулирующих сигналов управления с продолжительностями Л и Л, задающими величину выходного напряжения преобразователя, на всем диапазоне регулирования Го - ИЕо осуществляется при этом внутри средних на полупериодах тактовых интервалах (60-120 и 240-300 эл,град.) в центрах тактовых подинтервалов, показанных на фиг, 3 тонкими дугами снизу, имеющих продолжительность т, зависящую внутри частотного диапазона Ео - 0,8 ИЕо от значений выходной частоты Е и определяемую в диапазоне выходных частот преобразователя Ео - - ГоЕ - Ео М - +КЕо 1. - 120 25 градусных интервалов формируетсяцентральный модулирующий сигнал, при 1/ЗОЕ (12 эл.град,). а в зоне повышенныхчастот 0,8 ЙЕо - ЙЕо указанная величина 35 тервала начало каждо)о йервого-й- конецкаждого последнего тактового подинтерва ла синхронизируются соответственно с наинтервала. Формирование основного массива модулирующих сигналов производится 50 55 диапазоне выходных частот преобразователя ЕО - 0,8 ЙЕО продолжительность т определяютР - Ро 1 0,4 - + МРо К - 1 как х 66 (Й - ) М(см, построенные на фиг, 2 кривые зависимости изменения относительной продолжительности т = т/гЪ от частоты Е применительно к величине диапазона регулирования. Й=10 и значениям упомянутых коэффициентов К = 0,5, 1. = 5 и М = 0,25). При этом на частоте 0,8 ЙЕо конечная величина продолжительности т определяется для всех режимов (при любом Й) как =0,4/6 ЙЕо, соответственно для анализируемого режима нэ начальной частоте Ео т=0,5/6 ЙЕо а на частотеЕо(5 Ео) г- 0,25/6 ЙЕо (продолжительность тактовых подинтервалов при рассматриваемом способе упраавления изменяется по двум линейным зависимостям (фиг, 2), границей перехода от одной зависимости к другой при этом является частота ЕЕо)Особенностью рассматриваемого алгоритма формирования управляющих сигналов на вентили преобразователя. является тот факт, что на всем диапазоне регулирования в середине каждого из упомянутых 60 чем на большей части диапазонарегулирования, в зоне Ео - 0,8 ЙЕО, продолжительность этого сигнала находится как находится как А = 1/6 Е - 1/6 ЙЕо. При этом внутрй тактовых интервалов в зоне Ео - 0,8 ЙЕО на каждой половине тактового инчалом тактового интервала, с границами упомянутого центрального модулирующего сигнала управления и с концом тактового в этом случае внутри крайних на тактовых интервалах отрезков 24-градусных "продолжительностей симметрично относительно тактовых точек с координатами в 72 и 108 эл.град.Величины предварйтельйо задаваемых упомянутых выше в выражениях для определения продолжительности тактовых подинтервалов коэффициентов К и М; принимэющих значения от-нуля до единицы, а также значЕния коэффициента . (0,8 Й. 1),являются весьма важными параметрами рассматриваемого режима управления, Так,значение; коэффициента К характеризует 5 10 15 собой степень изменения продолжительности тактовых подинтервалов на начальной выходной частоте преобразователя Ео по сравнению с продолжительностью тактового интервала 1/6 Е = 60 эл,граднаблюдаемой в верхней точке частотного диапазона, на частоте ЙЕО, на которой полуволна выходного напряжения формируется из одного импульса, При этом чем меньше абсолютное значение коэффициента К, тем короче на начальной выходной частоте продолжительность тактовых подинтервалов и тем больше количество модулирующих сигналов внутри тактовых интервалов, тем из большего числа импульсов формируется на начальной выходной частоте полуволна выходного напряжения преобразователя, Общее начальное число модулирующих сигналов (без центрального) внутри тактовых интервалов при этом определяется из выражения 0,8 Й/К, т.е., например, при Й= 10 и К=0,5 на начальной частоте внутри тактовых интервалов будет формироваться по шестнадцати модулирующих сигналов управления, В случае, когда указанное час- тное от деления является дробной величиной, начальное количество модулирующих сйгналов управления находится округлением в большую сторону; Кокретное 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, что большее число импульсов в выходной полуволне на начальной частоте. (меньшее К) способствует улучшению гармонического состава выходного напряжения и динамических 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 коэффициентов 1. и М для той части диапазона регулирования, в которой система электрспривода с преобразователем частоты в качестве исполнительного органа функционирует наиболее продолжительно.Процесс регулирования частоты выходного сигнала преобразователя как в пускосимостям, Соответствующая величина верх- ности модулирующий сигналов управления ней граничной частоты, лежащей в этом под- (пунктир на фиг, З,в). Указанные дополни- диапазоне, равна Ег = 5,662 Е. Начиная с тельные сигналы формируются при этом на этой частоты и до частоты 0,8 КГо внутри крайних тридцатиградусных участках полкаждой половины каждого из 24-градус упериодов управления, внутри зон 0-30, ных отрезков формируется по одному 150-180, 180-210 и 330-360 эл.град, При модулирующему сигналу управления (1=1) с этом местоположения ближних к границам продолжительностью Л = 1/24 (0,8/Е - полупериодов фронтов дополнительных 1/Ей) = 1/24 (0,8/Е - 1/10 Е), уменьшаю- модулирующих сигйалов Управления бпре щейся до нуля на частоте 0,8 МЕ. 10 деляют соответственно как 12 и 168 и какСледует отметить, что изменение про-192 и 348 эл.град, Длительность у упомянд жительности тактовых подинтервалов тых дополнительных сигналов управления по второй из базовых линейных зависимо- определяется при этом в соответствии с застей вплоть до субверхней частоты 0.8 ИЕо 12 Р - 0,8 КР, приводит к тому, что в диапазоне пбвышен висимос"ю г эл.град.0.2 ИЕ ных выходных частот преобразователя, ин-Достаточно сложные преимущественно тервалы между соседними коммутациями . нелинейные зависимости хара е 3р уменьшаются, что может привести щие режим проведения приемов описаннок срыву инвертирования и снижает тем го способа управления, целесообразно самым надежность функционирования 20 осуществлять при помощи современных преобразовательной системы, С целью ча- цифровых(микропро ессо ны ) стичного устранения указанного недостат- равления. На фиг. 4 представлена блок-схека, а также улучшения спектрального ма системы управления преобразователем, состава выходного напряжения преобразо- выполненной по вертикальному принцип, Е" Е 2Е".0,8 МЕс, на кото ой и о олвателя, целесообразно, начиная с частоты 25 базовые блоки которой строя сятся на цифро ( 2 ., с), на которой продол- вой основе. Ниже йриводится характеристисистемы и принципа еежительность тактовых подинтервалов ста- - ка состава системы и новится равной половине длительности функционирования. 24-градусных отрезков. и до выходной частоты 0,8 ИЕ преобразователя продолжи При помощи блока задания частоты 1 , . тельность тактовых подинтервалов (двух осуществляется задание требуемой выходподинтервалов внутри каждого указанного: ной частоты преобразователя, на его выходе отрезка) принимать равной г = 1/ЗОЕ (см, формируется сигнал 01, пропорциональный34 пунктирное изменение кривой х на фиг. значению выходной частоты который по). Определение величины Е" примени ступает на входы тактового генератора 2 и тельно к конкретному режиму управления Й/К-канального по выходу функциональнопри этом производится из соотношения го преобразователя 3, Частота следования2,4 Е 2 Еом импульсов генератора 2 определяет частоту2 4 ЕЕ ак длЯ анализиРУе выходногосигнала блока развертки(генерамого режима (К=10, Е = 5,662 Е.) расче тора симметричного 24-градусного пилеобное значение Е" = 7,410 Е Определение Разоо напряженияс йаузами в 120 на значения Л при этом продолжает произ- каждом периоде) 4, которая на всем диапаводиться по базовой зависимости, при . зоне Регулировайия в 6 раз выше выходной этом Л= 0 на частоте 0,8 ИЕ . частоты преобразователя. Сигнал блока 4 Временные диаграммы, иллюстрирую постоянно сопоставляется в блоке форми 45 щие процесс формирования сигналов уп Рования управляющихимпульсов 5 с выходравления на верхней части диапазона ными сигналами Оз функционального РегУлиРованил, когда 0,8 КЕ Е Е изо реобразователЯ 3, величина котоРых пРображены на фиг. З,в, В этом случае в цент- порциональна текущим зйачейиям положерах тактовых интервалов формируется по ний фронтов управляющих сигналов и50 одному центральному модулирующему выходных импульсов а 1 - а 2 внутри таксигналу управления, с последовательно товых интеРвалов (см, временные диаграмуменьшающейсядлительностью,определя- мы Оде на Фиг, 3). Указанные значения емой как Л= 1/6 Е - 1/6 Е,М, В этом режиме апредварительно определяются расчетным . работы целесообразно обеспечить улучше- путем из соотношений, характеризующих55 ние гармонического состава выходного на- Режим формирования управляющихсигна- пряжения (исключение из спектра пятой . лов как для пускового; так идля номинальгармонической составляющей) путем фор- . ного диапазонов регулирования, При этом . мирования дополнительной последователь- седует учитывать, что:а = 60 + (г - Л)/2, а 2 = а + Л,аз = а 1 + т а 2 = а 2 - 1 + Л,5 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 синхрониэируется тактовыми импульсами генератора 2 (отмеченные блоки являются типовыми широкоизвестными схемами.Таким образом, описанный закон формирования управляющих сигналов на вентили трехфазного мостового преобразователя позволяет обеспечить на всем диапазоне регулирования полное исключение иэ спектра выходного напряжения наиболее нежелательной пятой паразитной гармоники, причем на большей части диапазона регулирования указанный эффект обеспечивается наиболее экономичным фазо-импульсным методом, без осуществления дополнительных коммутаций в силовой схеме, Также достигается. за счет увеличенного количества управляющих и выходных сигналов на полупериоде в зоне низких и средних выходных частот, улучшается, за счет увеличенного количества управляющих и выходных сигналов на полупериоде в зоне низких и средних выходных частот, улучшение динамических свойств системы в указанных зонах. При этом на всем диапазоне регулирования осуществляется плавный безударный переход от одного поддиапазона регулирования к другому, Благодаря двухэонному заданию продолжительности тактовых подинтервалов описанный способ обладает достаточной универсальностью. позволяя обеспечивать гребуемые частоту переключения вентилей и спектральный состав выходного сигнала в практически любых желаемых зонах управления, Описанное видоизменение номинального закона управления в зоне пусковых частот позволяет повысить надежность осуществления весьма важного и сложного режима пуска преобразователя, нагруженного на асинхронный электродвигатель. Отмеченные преимущества могут быть с эффектом использованы при создании преобразователей как для специальных, так и для общепромышлечных систем частотно-регулируемого электропривода, в том числе высоковольтных преобразовательных систем,Формула изобретения1, Способ асинхронного широтно-кодового управления вентильным преобразователем для электропривода с Й-кратным, начиная с частоты Го, диапазоном регулирования частоты и величины выходного напряжения, при котором основные вентили разных фаз и групп преобразователя периодически включают и выключают с взаимным фазовым сдвигом в 60 эл,град, в последовательности +А, -С, +8, -А, +С, -8, при этом для каждого вентиля в течение одного полупериода от 0 до 180 эл.град, формируют интервал проводимости вентиля, в течение двугого полупериода от 180 до 360 эл.град, формируют интервал закрытого состояния вентиля, на центральных внутри укаэанных полупериодов тактовых 60-градусных по длительности интервалах от 60 до 120 и от 240 до 300 эл.град. симметрично относительно тактовых точек формируют модулирующие сигналы управления, разноименные с соответствующим полупериодом управления, число которых последовательно уменьшается с ростом выходной частоты . преобразователя Р, причем генерирование указанных модулирующих сигналов производят в серединах тактовых подинтервалов с длительностью г, формирование каждого -го от начала (и от конца) тактового интервала до указанных тактовых точек модулирующего разноименного с полупериодом управления сигнала управления осуществляют при изменении выходной частоты преобразователя от Го до граничной частоты Г, при этом в номинальном режиме работы на поддиапазонах выходных частот, при которых Г Р Гн.1 Р Е" Гн.1), продолжительность Л всех модулирующих сигналов управления равны между собой, а на частотных поддиапазонах, на которых Г Г Р". наряду с основным массивом модулирующих сигналов управления с продолжительностью Л, в отмеченных тактовых точках формируют тактовый модулирующий сигнал с длительностью Л, отл и.) ч а ю щ и й с я тем, что, с целью улучшения на всем диапазоне регулирования гармонического состава выходного напряжения преобразователя, в пусковом режиме и в диапазоне пониженных и средних выходных частот динамических характеристик си