Способ дискретного регулирования частоты и непосредственный преобразователь частоты

(19) 111) 5/2 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ЕТЕЛЬСТВУ ТОРСКОМУ В 35ический инстит польетр ов пол венных ческим аллектричество,о СССР1970.о СССР7, 1984,о СССР У 8 Л ЪО ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ(56) Мыцык Г.С. Расчет пвходного и выходного токтью управляемых непосредпреобразователей с циклигоритмом управления. - Э1977, В 1, с, 6,Авторское свидетельстВ 600675, кл. Н 02 М 5/2Авторское свидетельстУ 1100684, кл, Н 02 М 5Авторское свидетельст(54) СПОСОБ ДИСКРЕТНОГО РЕГУЛИРОВАЧАСТОТЫ И НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЪ ЧАСТОТЫ(57) Изобретение относится к преобразовательной технике и м,б. исзовано в частотно-регулируемомэлектроприводе. Целью является улучшение качества выходного напряженияво всем диапазоне регулирования егоэффективного значения, а также упрощение реализации при независимостипо фазам формирования выходного напряжения. Устр-во содержит катодноанодные тиристорные группь 1 4,5, выходные выводы которых подключены крегуляторам переменного напряжения8, 9. Порядок чередования подключен1339820 Составитель Г, МыцыкТехред М.Дидык Корректор С, Шекмар Редактор Н, Тупица Заказ 4241/52 Тирах 659ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4(5 Подписное Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 41 каждого из двух формИрующих напряжений, устанавливают попеременно, что позволяет реализовать шестикратные входной частоте пульсации выходного напряжения двумя катодно-анодными тиристорными группами, При этом подключаемые к этим группам входные 339820напряжения соответственно противоположных полярностей подают черезрегуляторы переменного напряженияна их выходные выводы и суммируютих в общем контуре с фазой нагрузкипреобразователя, 2 с.п. ф-лы, 8 ил2 табл, Изобретение относится к преобразовательной технике и предназначенодля использования в частотно-регулируемом электроприводе с дискретнымиступенями изменения значений выходных частот ниже и выше входной частоты преобразователя, при этом формакривой выходного напряжения можетбыть приближена к синусоидальной, аэффективное его значение установленотребуемого регулируемого значенияв зависимости от числа регулируемыхступеней входного напряжения на выходах регуляторов напряжения и преобразование частоты может быть осуществлено естественными коммутациямипреобразователя,Цель изобретения - улучшение качества выходного напряжения преобразователя во всем диапазоне регулирования его эффективного значения,а также упрощение реализации принезависимомпо фазам формированиивыходного напряжения.На фиг. 1 6 приведены временныедиаграммы, поясняющие работу преобразователя согласно предлагаемомуспособу; на фиг. 7 - силовая схемаодной независимой выходной фазыпредлагаемого преобразователя; нафиг. 8 - блок-схема системы управления преобразователем согласно предлагаемому способу.Диаграммы, приведенные на фиг.и 6, для случая авы ав, наему Ив- выходная и входная угловыечастоты преобразователя. Преобраэоы, 6ватель показан при в ф-"ех 5(фиг, 4 и 5).ьвх 5Упрощение преобразователя частотыи совмещение регулирования значениявыходных частот и значения напряжения преобразователя по предлагаемомуспособу реализуется при помощи устройства (фиг, 7) следующим образом.Суммируют два П, + Б = Памплитудно-регулируемых по значению 15входных напряжения разных фаз иразных полярностей для формированияв каждый момент времени выходногонапряжения преобразователя, равноготребуемому эталонному выходному напряжению Увы синусоидальной формыи заданной дискретной частоты(фиг. 1 и 2 вверху) и с дискретнымприближением регулирования напряженияк заданному (внизу). Согласно предлагаемому способу для формированиявыходного напряжения преобразователяиспользуют два противоположных пополярности и наиболее близких пофазе входных напряжения. Например,согласно фиг. 1 напряжения Б 30 2 нэ 1 пу с Б = -Ч эп(а-- )ф в фв" 3 в первой половине интервала подключения входного напряжения от 1: дои согласно фиг. 2 входные напряжения П, = 7, эь.павС, 02= -Ч зьп(и С -- )в вк 3от с до С (на фиг. 1-6 за начало отсчета времени принято Со).Чередование циклического подключения каждого из двух входных Б, Б составляющих Бнапряжений осуществляют попеременно через половину20 211О, = Чз 1 п(ивС + - ), а Б не меняетфазу (фиг, 2),После каждого чередования подключения вновь подключенное входноенапряжение Б 1 или Б регулируют поамплитудному значению согласно синусной зависимости в пределах изменения этой тригонометрической функцииот нулевого значения - в момент подключения входного напряжения дозначения 0,866 в половине интервалаподключения каждого входного напряжения, Далее значение тригонометрической функции с переключенной еефазой снижается от значения 0,866до нулевого в конце интервала подключения. При этом регулированиеамплитудных значений каждого из двухБ или Б входных напряжений осуществляют одновременно для всех трехвыходных фаз преобразователя сог 2. Зласно зависимостям К - здп 2 Я вВпервой половине и К 11- зп(Иц+р13+ ) во второй половине каждого ин 2тервала Т подключения входного напряжения, где К - коэффициент регулирования требуемого эталонного эффективного значения выходного напряжения преообразователя 22 в 1 выл - ьвкразность выходной и входной угловых 45частот преобразователя,а С меняетсяв пределах 0 с С; с Т каждого интер.вала Т подключения входньм напряжений.Таким образом, согласно приведенным зависимостям регулирования амплитудное значение каждого из О, илиБ входньм напряжений меняется отнулевого значения в начале интервалаподключения до эталонного требуемого цессам преобразования, только наамплитудного значения выходного на фиг 5 отн сите н х ых й на 5 относительно входных пряжения в половине интервала подключения и снижается согласно тригонометрической зависимости до нулевогозначения в конце интервала подклюсоответственно. Полный интервал от й, до С подключения входного напряжения Б показан во всех трех выходных фазах преобразователя вход 2 т ными напряжениями Ч з 1 п(Ы- в )Щ в" 3 2 ЯЧ з 1 п(Я Т + в ), Ч з 1 п сд вг. соот 3ветственно. Другие интервалы подключения и регулирования входных напряжений Ц,Б аналогичны по действию преобразованию частоты с той разницей, что в каждом поочередном интервале в качестве подключенных П 1 илиБ являются поочередно отстающиевходные напряжения при Исюи опережаюЩие при Я вь 1 )Оек В табл. 1 приведены данные, характеризующие процесс преобразования частоты для примера (фиг. 4 и 5), где функция времени С представлена непрерывной. Моменты времени с - йв(фиг. 4 и 5)соответствуют одним и тем же пропряжений Б, = Ч,з 1 пивф 1 Пв =2 Г=Чзп(аС -- ), П =Ч зьп(яс+ з 133 Я 8 2интервала подключения Т каждоак го входного напряжения, например смену циклического подключения Б осуществляют в момент времени С , а 5 П - в момент времени С 6(фиг. 1) и р момент времени Т(фиг, 2), Таким образом, во второй половине интервала подключения входного напряжения, т.е. после момента времени С Б 1= 102= Ч зп(и 1 + ), а Б не меняет фазу (фиг, 1), й после момента чения входного напряжения, что видно иэ приведенных кривых 01 или У (фиг. 1-6).Равенство подключенных значений входных напряжений П У в в половине интервала их подключения видны (фиг. 3 и 4) в моменты времени а Б - в моменты времени 1, во всех трех выходных фазах одновременно, также видна одинаковая зависимость регулирования Б от нулевого значения в моменты времениа значения Б 1 - в моменты времени С, С. Регулирование эффективного11значения выходного напряжения осуществляется изменением значения коэффициента К в зависимости от регулироРвания входных напряжений 010 , Полный интервал от Т до С подключенияавходного напряжения Б (фиг. 4) показан во всех трех выходных фазах одинаково регулируемыми значениями2 и входных напряжений -Ч з 1 п(а С + в )Ф 3211 -Ч эпа-Ч здп(а й - )Ъ вк 1 т вк 3+ в ) показаны им соответствующие переключающие функции Ь циклического3.переключения входных напряжений, причем от Ь 1 до Ь 7 для 01, т,е. положительной полярности Пе, а от Ь по Ь е для Ц , т.е. отрицательной1 О 1 В гполярности Б . Здесь значения отехи до Ь, и от Ь 1 о до 1)относятся к 1первой выходной фазе преобразователя (фиг, 4), от Ь . до Ье и от Ьв до й 1 - к второй выходной фазе, от 11Ь до Ь и от Ь до 518 - к третьей. В пределах каждой группы переключающих функций, например от Ь, до Ьв верхние относятся к Бх, средние к 11 и нижние к 1) . На фиг, 5 такжеЬ споказаны амплитудно-регулирующие функции х)мд вхпгМ, Пме 2в 3.п(2 Ю -- )3 2и Пмс= вЫ(ггс. + из которых используются только значения в пределах от 0,866 до-0,866, При этом для регулирования01 используют значения Цпоказанные более толстой линией вышенУлевой линии значений функдии Бм,а для регулирования Пг - значенияБм , показанные толстой линией ниженулевой линии функции 11, При этомнепрерывные толстые линии Б 1 илиБм соответствуют положительнымзначениям регулирующей функции Бм,а прерывистые толстые линии - отрицательным значениям 0, например впределах от Т до 1 Б 1 амплитуднорегулируется функцией Б , = 2 Йвгп(гас + ) а в пределах от3 до Сг - функцией - Бмс 2вгп(гй + в ;), Данные в виде изоб 3раженных кривых, переключающих и амплитудно регулирующих функций (фиг,4 и 5), сведенные в табл. 1, дают не,обходимую информацию для осуществления предлагаемого способа преобразования, Полный цикл повторения (фиг, 5) охватывает интервал от до С, после которого начинается его повторение.Частота амплитудно регулирующей фУнкЦии 2 й = Яев)к - Я е, а пеРеключающей функции входных напряжений -3, Имея данные о процессе преобразования (фиг. 4, 5 и табл. 1), легко написать выражения для выходногонапряжения преобразователя. Например, при ыи(фиг. 4 и 5) 5напряжение первой выходной фазыпреобразователя в интервал времениС,равно-взп(2 Ю + - )+ -в 1 п(и с + - )25 гр)в 1 п(гйС -- ) .3Далее выражение 0 по интервалам времени можно написать, исЗ 0 пользуя данные табл. 1.Аналогично напряжения других выходных фаз можно написать, например,в интервале времени С, - С 135 в2)вгп(гаС + в ) - (-вдпсд г.)3вхх(- в з.пгй );40 Г г-,27 Г 271вгп(2 М --- ) 1-вгп(и--- )31-я)п 2 ы).45Подобно тому, как участие каждого извходных напряжений определено его переключающей функцией Ь, участие соответствующей амплитудно-регулирующейфункции Бм также может быть выражено ее переключающей функцией 1. При этом переключающая функция 1, определяется отдельно для амплитудно- регулируемой функции У применяемой для значения входных напряжений 01 положительной полярности, и отдельно определяется 1 для Б применяемой для входных напряжений П , Б , и Бм образуются от зна 1339820чений функций обеих полярностей"мв 114Пмс 1 - Пмс 11 вэмг г мд г Пмд 1 гг Пмв 1 гвПмв 1 21 Пмс 1 гв Цмс 126 еТогда выходное напряжение фазы р может быть представлено как сумма действующих сочетаний умножений входных и амплитудно-регулирующих функций отдельно для входных напряжений положительной Б , Бв Пс и отрицательной -Б д, - 0 в- Бс поляростей Пвр = Пм, 1 Р, Жд 1 р ++ Пв 1 г + Пс 1 рз) 1-1 мг рг( д Р рг Ь р 5 с РбВ общем виде выходное напряжение в натуральной форме имеет вид П вых = Н(ИП х Т (г)Б где Н(С), Е(й) - соответствующие переключающие функции входного и амплитудно-регулирующего напряжения обеих полярностей.В преобразователе (фиг. 7) в одной его выходной фазе фазные выводы 1-3 входного напряжения присоединены к входным выводам двух катодно-анодных тиристорных групп 4 и 5, соответствующие выходные выводы 6 и 7 которых подключены к первому 8 и второму 9 регуляторам переменного напряжения, При этом вывод 6 подключен к началу первичной обмотки первого регулятора 8, а конец этой обмотки - к общему выводу 10 фаз входного напряжения преобразователя, Выход 7.второй катодно-анодной тиристорной группы подключен к концу первичной обмотки второго регулятора, а ее начало - к общему входному выводу 10 преобразователя. Выходные выводы 11 и 12 первого и 12 и 13 второго регуляторов напряжения включены в последовательную цепь с выводами 11 и 13 фазы нагрузки преобразователя, Тиристоры с 14 по 19 и с 20 по 25 образуют соответст-. венно первую 4 и вторую 5 катодно-анодные тиристорные группы, а тиристоры с 26 по 33 и с 34 по 41 - соответствен 55Предлагаемый преобразователь позволяет двумя катодно-анодными тиристорными гругпами (всего 12 тиристорами) формировать на выходе шестикратные входной частоте пульсации в вы 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 но ключи переменного выходного напряжения регуляторов 8 и 9.Преобразователь работает следующим образом.Катодно-анодная тиристорная группа 4 вместе с регулятором 8 напряжения формирует составляющую Б,выходного напряжения преобразователя,а группа 5 тиристоров совместно срегулятором 9 - напряжение У . Приэтом как катодно-анодные группы,так и регуляторы напряжения каждыйв отдельности (фиг. 7) обеспечиваютпроводимость тока в обоих направлениях, что необходимо при реализациинепоередственных преобразователейчастоты, Суммирование выходныхнапряжений регуляторов 8 и 9 осуществляется последовательным включением их выходных выводов 1.1, 12и 12, 13 в последовательной цепис выводами 11 и 13 фазы нагрузки,В табл. 2 приведены интервалы формирования кривой выходного напряжевых 6ния при в= - и включенные тирисв 5торы преобразователя.В момент времени с, включениемтиристора 14 напряжение от первойвходной фазы подается в регулятор 8напряжения, где от вторичной его цепи при помощи включенного тиристора28 подает напряжение в последовательную цепь нагрузки. При этомвключается вторая ступень регулирования напряжения Б, с его значением0,7 относительно номинального значения выходного значения (Увы нафиг, 1), В этот момент времени с,включением тиристора 21 напряжениеот второй входной фазы подается врегулятор 9 напряжения, где от вторичной его цепи при помощи включенного тиристора 35 подает напряжениеУ. в последовательную цепь нагрузки.При этом включается первая ступеньрегулирования напряжения Б с егозначением 0,35 относительно Б,вых эАналогично работает преобразовательи в другие моменты времени и придругих уровнях выходного напряжения(фиг. 6) и при разных выходных частотах (фиг. 2-6),1339820 очередность импульсов управления,которая (с достаточной точностьювыбора дискретных моментов времени )может быть использована для выбора5(дешифрирования) заданных программойимпульсов управления. Далее из этойочередности импульсов дешифрируют те,которые необходимы для реализациисоставленной программы, и распределяют по соответствующим тиристорам,Программы управления составляют длякаждой применяемой из дискретныхзначений выходных частот,Пример одного из возможных решений системы программного управленияприведен на фиг. 8. Полупериод однойфазы сетевого напряжения заполняютвысокочастотной последовательностьюимпульсов, считывают их и в требуемые моменты (согласно программе подачи импульсов управления тирйсторамипреобразователя) формируют управляющие импульсы, Аналогичные устройства,25 содержащие нуль-орган, связанныйчерез логический элемент И-НЕ с первым двоичным счетчиком, счетный входкоторого соединен с выходом генератора импульсов, а выход переполненияс формирователем, также известны,Известны и устройства управлениятиристорами, содержащие блок синхронизации, генератор тактовых импульсов,счетчик, дешифратор тактовых импуль 35сов счетчик дешифратор и формироУватель импульсов. 40 45 50 Для этой цели используют одинили несколько компараторов, которые выявляют моменты времени нулевыхзначений соответствующих входных55 напряжений. При выявлении таких моментов времени нулевых значений, например фазных линейных и промежуточных их значений, можно в сумме получить ходном напряжении преобразователя при .помощи суммируемых двух напряжений от регуляторов напряжения, По сравнению с известным способом, где каждое из входных напряжений П, или У формируется при помощи мостовых схем из 16 тиристоров каждая, применение предлагаемого способа уменьшает число тиристоров и реализует независимую по выходным фазам работу преобразователя. Независимая работа выходных фаз позволяет реализовать однофазный преобразователь данного типа, а также независимо выбирать моменты включения тиристоров выходных фаз, что в свою очередь улучшает качество выходного напряжения преобразователя.Система управления предлагаемым способом и преобразователем должна в требуемые моменты времени подавать импульсы управления и распределять их на определенные тиристоры. Эти моменты времени и включаемые тиристоры заданы программой, например, аналогичной приведенной в табл. 1 и 2 и изображающей процесс преобразования согласно предлагаемому способу (фиг. 1-6). Например, полный цикл процесса преобразования показан на фиг, 5 интервалами времени от С,до С и в каждом из .указанных моментов времени с С по требуется сформировать импульсы управления по соответствующим каналам управления (например, согласно табл, 2 и схеме преобразователя, фиг. 7), что задается программой импульсов управления тиристорами преобразователя, Система управления должна синхронизировать требуемую очередность подачи импульсов управления (программу) с определенной фазой входной системы напряжения преобразователя (например, момент времени с на фиг, 1-6) для того, чтобы преобразование частоты по программе подачи импульсов реализовалось в ситуации, аналогичной той, при которой составлена программа. Формирователь 42 импульса синхронизации (фиг8) с сетевым напряжением формирует короткий импульс в момент перехода напряжения через нулевое значение. Блоком 43 синхронизации осуществляется синхронизация импульсов генератора 44 высокой частоты с импульсами формирователя 42. Импульс формирователя 42 является разрешающим импульсом для прохождения импульсов высокой частоты от генератора 44 на выход блока 43, Блоком 43 синхронизации задается количество импульсов генератора 44 между двумя импульсами формирователя 42, Синхронизированные с сетевым напряжением импульсы поступают на вход двоичного счетчика 45 импульсов, который производит их подсчет. Дешифратор 46 выдает импульсы повторения счета счетчиком 45 после поступления от блока 43 синхронизации количества импульсов генератора, соответствую 1339820 12дих продолжнтельности повторения импульсов управления преобразователей. Выход двоичного счетчика 45 импульсов соединен с дешифраторами 47-495 импульсов. Дешифраторами производится дешифрация импульсов, следующих на выходе блока 43 синхронизации и подсчитанных двоичным счетчиком 45, например, соответствующим моментом времени с с по с (фиг. 5). Дешифрированные импульсы поступают на распределители 50-52 импульсов по тиристорам. Распределители импульсов представляют собой линейку триггеров. Блоки 53 осуществляют усиление импульсов управления. Для уменьшения влияния помех и исключения возникших ложных импульсов введены блоки 54 и 55, Блок 54 осуществляет счет заданного числа периодов входного напряжения, после чего деппИратор 55 импульса сброса осуществляет сброс всей ранее записанной информации. 20 25 Формула изобретения 1, Способ дискретного регулирования частоты, заключающийся в циклическом подключении на определенные З 0 интервалы времени входных напряжений с прямым или обратным порядком их чередования для формирования выходного напряжения преобразователя, в суммировании напряжений разных входных фаз, в регулировании амплитудного значения каждого из двух входных напряжений с повторяющейся зависимостью их изменения в каждом интервале подключения входных напряжений, в задании дискретных значений частот выходного напряжения преобразователя согласно зависимости 35 КИ = ш - Ына основе предварительноВы исоставленной программь 1 подачи импульсов управления тиристорами преобразователя, гдето э - угловые выходная и входная частоты преобразователя, ш - частотная кратность 50 пульсации, к, и - целые числа, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью улучшения качества выходного напряжения преобразователя во всем диапазоне регулирования его эффективного значения, выходное напряжение преобразователя формируют двумя противоположными по полярности, наиболее близкими по фазе и регулируемыми по амплитудному значению входными напряжениями разных фаэ, порядок чередования подключения которых осуществляют попеременно через половину интервала подключения каждого входного напряжения, в течение которой регулирование амплитудных значений каждого из двух входных напряжений осуществляют согласно зависимостям2К-э 1 п 2 ас в первой половине и2К э 1 п(2 ас + -) - во второй полоРГЗ " 2вине интервала подключения каждоговходного напряжения преобразователя,где К =-- отношение требуемого выВЬ 1 Х.Мэффективного значения выходного напряжения преобразователя к номинальному, 2 0 =и- я ь, а время г.ме-. няется в пределах 0 с СсТ каждого интервала Т подключения входных наЕпряжений преобразователя.2. Непосредственный преобразовательчастоты, содержащий в каждой еговыходной фазе две катодные и двеанодные тиристорные группы, входыкаждой из которых подключены к.выводам фаз трехфазного входного напряжения преобразователя, а выходы первых и вторых катодно-анодных тиристорных групп соединены вместе, содержащий также последовательно включенные в цепи фазы нагрузки преобразователя трансформаторно-тиристорные регуляторы переменного напряженияи блоки реализации программного управления, включающие в себя компаратор, счетчик импульсов, дешифраторы и распределители импульсов,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью упрощения преобразователячастоты при независимом по фазамформировании выходного напряжения,выход первой катодно-анодной тиристорной группы подключен к началувходного вывода первичной обмоткипервого регулятора, а конец этойобмотки - к общему выводу фаэ входного напряжения преобразователя, выходвторой катодно-анодной тиристорнойгруппы подключен к концу входноговывода первичной обмотки второго регулятора, а ее начало- к общему входному выводу преобразователя,сч ггС сч 1 м 1 1 1 и 1 С х 03 1 сч Р 1Л сЧМЛ Ф о л ч Р1339820 0 еыл э 21 28 35 14 0,7 36 14 21 28 0,7 30 40 17 24 41 17 24 30 36 0,35 16 21 27 0,7 При значении 21 0,35 27 36 14 21 0,35 0,7 27 0,35 14 21 0,35 0 40 24 30 0,7 27 35 0,35 16 21 0,35 При номинальном значении 0 0,7 0,35 Бестоковая пауза 0 0,7 0 1,04 Бестоковая пауза Овьх = Оэ 7"выл.у(Фиг.6)0,35 Бестоковая пауза Бестоковая пауза Т а блица 2