Способ управления инвертором на полностью управляемых вентилях с широтно-импульсной модуляцией

(я)5 Н 02 М 7/48 тельский алекучно-производ отех- твенКричевский, Б,Е.КаИ.И.Эпштейн635177, кл, Н 02 М 615000, кл, Н 02 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Научно-исследованический институт Наного объединения "ХЭ(56) 1. Патент США М.7/48, 1980,2. Патент США К.7/48, 1980,(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИНВЕРТОРОМ НА ПОЛНОСТЬЮ УПРАВЛЯЕМЫХ ВЕНТИИзобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления инверторами напряжения с полностью управляемыми силовыми вентилями,Известнаперекл ючателтельно-параллстоянного токасоединения песя выходной спереключателячателей соедиимеется устронал, глубинаризует отклонтребуемого уровычисляет парареключателей система управления с парой ей, соединенных последоваельно источнику питания по- . В рабочем режиме в точке реключателей вы рабатываетигнал, С помощью третьего общая точка двух переклюнена с нейтралью, В схеме йство, вырабатывающее сигодуляции которого характеение выходного сигнала от вня. Микропроцессор схемы метры точек коммутации пеинвертора во время рабочего НО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯХ С ШИРОТЛЯЦИЕЙ(57) Способ управления инвертаром с ШИМ с помощью микропроцессора, при котором в основном режиме по сигналамзадания вычисля ют дл ител ьн ости интервалов нахождения вентилей в рабочих комбинациях и соответствующие им коды комбинаций, а в оежиме прерываний отрабатывают зти интервалы, обеспечивая при этом выбор оптимального способа широтно-импульсного управления, переход границ частотных диапазонов без скачка фазы и с минимальной задержкой, вычисления производятся при помощи простейших арифметических операций. 2 ил,режима. Вычисление параметров точек переключателя образуется на глубине модулирующего сигнала для данного числа импульсов, Микропроцессор вырабатывает информацию во время каждого полупериода выходного сигнала, Микропроцессор имеет центральное устройство обработки информации, которое вычисляет результатю(чв.а(- ч 1 = ОмччРМин)чо, еало"вЧн=,сам ааааам(щ вагде ащ - передний фронт импульса К в переключающем управляющем сигнале;арф - задний фронт импульса И в переключающем управляющем сигнале;Р - требуемая частота выходного сигнала инвертора;45 50 55 Р - число импульсов, которые вырабатывает инвертор во время полупериода;ОМ - глубина модуляции.Устройство, соединенное с микропроцессором, вырабатывает управляющие переключающие сигналы, используемые для отпирания переключателей,Недостатком такой схемы являются бол ьш ие затраты и ро гуам много времен и при непрерывном изменении частоты выходного напряжения, что делэЬт ее малоэффективной для использования в частотнорегулируемых электроприводах.Наиболее близким к предлагаемому способу является инверторная система для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока, содержащая цепь установки выходного напряжения для генерации сигнала значения выходного напряжения, соответствующего величине задания скорости, генератор последовательности импульсов с частотой, пропорциональной сигналууправления скоростью, цепь деления частоты последовательности импульсов, вырабатываемых генератором для выработки разьединенных импульсов, цепь измерения временных интервалов между упомянутыми разъединенными импульсами йодаваемых из цепи деления частоты, арифметическое устройство, При поступлении импульсов со схемы деления на вход арифметического устройства, последнее формирует хронирующий сигнал, в соответствии с которым вводится указанный разьединенный импульс, и дополнительные данные, связанные с рабочей фазой тока относительно основной волны. Там формируются данные о длительности импульсов КТсОэи щскоторые от арифметического устройства поступают к схеме преобразования длительности,где О - величина выходного напряжения,поданного устанавливающей выходное напряжение цепью;Т, - период повторения импульсов, определяемый схемой измеревременного интервала между импульсами;м - рабочая фаза относительно основной волны;К - коэффициент пропорциональности,Однако, известная схема, принятая запрототип имеет следующие недостатки,При необходимости изменения коэффициента деления частоты в цепи деления частоты выходного напряжения, переход кновому значению коэффициента делениямокет произойти только при достижении 5 10 15 20 25 30 35 40 нуля фазы выходного напряже, ия, что ухудшает динамические свойства и регулировочные характеристики при работе системы в составе частотнорегулируемого электро- привода. Расчет длительностей интервалов производится раздельно для каждой из 3 фаз выходного напряжения, что увеличивает время их расчета арифметическим устройством.Целью данного изобретения является улучшение динамических свойств и регулировочных характеристик, и гармонического состава выходного напряжения.Поставленная цель достигается тем, что при формировании сигналов управления полностью управляемыми вентилями инвертора определенной длительности и определенного сочетания включения вентилей в зависимости от заданной частоты, согласно изобретению производим анализ частоты и фазы выходного напряжения, выбираем способ широтно-импульсного управления, вычисляем с использованием имеющейся информации о длительности временных интервалов синусоидальной ШИМдля различных диапазонов выходной частоты длительности временных интервалов нахождения вентилей инвертора в рабочих комбинациях и коды этих комбинаций, запоминаем их, с началом нового цикла в режиме прерываний в интервальный таймер поочередно загружаем занесенные в память в течение предыдущего цикла длительности интервалов нового цикла, в формирователь импульсов - соответствующие им коды комбинаций, а в основном режиме ведем расчет параметров следующего цикла, при этом длительности нахождения вентилей в основной, дополнительной и нулевой комбинациях определяем из выра- жений л; Р -виОвых, Одном1 оснОвых,ном Оодвтч яи ,Г3 Яэи -- ТодопОвых,ном Оддатч 8 и Г 3Ц 1 нул = Тц - тосн одоп,где = 0,1 Р- номер цикла на периоде,тповторяемостиОвых - требуемая величина выходного напряжения;Овых,ном. - номинальная величина выходного напряжения;Онном - номинальная величина входного напряжения;Оддатч. - величина напряжения снимаемого с датчика входного напряжения;Тц - время цикла,реализуя при этом векторное управлениевыходным напряжением, кроме того, в области низких частот время нахождения результирующего вектора в некоторомфиксированном положении на фазовой плоскости, именуемое временем цикла Тц - величина постоянная, не зависящая отчастоты, а фазу фиксированного положениярезультирующего вектора на фазовой плоскости, определения по формулеу)д = 2 д 1 Тц + ър,где рпр - величина фазы вектора для предыдущего цикла;1 - частота выходного напряжения,количество циклов Р за период повторяемости л/3 - величина переменная, а вобласти средних частот величина углового шагар перемещения вектора на фазой плоскости - величина постоянная, определяемаяиз выражения: Л У"ц.с - 3 Р а время цикла определяем из выражения1ц 6 Р 1причем количество циклов Р на периоде поЛвторяемости- величина постоянная, кроме того, результирующий вектор занимает на периоде повторяемостиР - 2, гдед к К = 0,1,2 фиксированных положений в зависимости от диапазона частот, и если при изменении частоты происходит переход границы частотного диапазона так, что число фиксированных положений Р результирующего вектора на периоде повторяемости л 3 предыдущего частотного диапазона больше числа фиксированных положений Р текущего частотного диапазона и номер цикла нечетный, то отрабатывают еще один цикл с предыдущим заданием частоты и значением величины вхоДного напряжения без скачка фазы выходного напряжения, во всех остальных случаях отрабатывают новое задание частоты без задержки и без скачка фазы, кроме того для каждого частотного диапазона записы-. вают значения коэффициента ШИМ, имеющие видлР -1151 гг -К 1 =. ---- .Обмои - 7 мо -Тгг.гран. нижн,Оаыи,г ам.нижн.,Оаыи моы эп л 73 л 1аыжг ан.нижн.51 мК 2Обмои ЛТм.гран.нижн.аыа.номГГ гбг5 где Овых.гран. нижн. - величина выходного напряжения на нижней границе частотногодиапазона;Тцикл,гран, нижн. - ВЕЛИЧИНа дЛИтЕЛЬНОСтИцикла на нижней границе частотного диапа зона, длительности интервалов определяемпо формуламК 1аосн =Оодатч.К 2Оддатч.1 нул = Тц 1 осн одоп.Обеспечивая при этом выполнение соЧотношения - = сопз 1.На фиг,1 приведена векторная диаграмма выходного напряжения инвертора на фазовой плоскости.На фиг.2 приведена фазовая диаграммауна периоде повторяемости , иллюстрируг.гющая организацию переходов при изменении частоты.Изобретение осуществляется следующим обоазом.30 Сигнал задания частоты через задатчикинтенсивности поступает на вход аналогоцифрового преобразователя, Величинавходного напряжения автономного инвертора снимается при помощи датчика и также 35 подаются на вход АЦП,АЦП подает цифровую информацию овыходной частоте и входном напряжении нацентральный процессор. ЦП в начале каждого цикла, т,е, интервала времени, в тече ние которого отрабатывается однофиксированное положение результирующего вектора выходного напряжения на фазовой плоскости, запрашивает с АЦП новыезначения частоты и напряжения. Произво дится анализ частоты и фазы выходного напряжения, Интервал рабочих частот 0 - 100Гц разбит на ряд диапазонов, для каждогоиз которых характерен свой способ широтно-импульсного управления, Так, в области 50 низких частот применяется асинхроннаяШИМ, в области средних частот - синхронная ШИМ, в области частот несколько ниженоминальной (50 Гц) - широтно-импульсноерегулирование (ШИР), в области частот вы ше номинальной - поочередное управлениевентилей без регулирования величины выходного напряжения. Причем для синхронной ШИМ в зависимости от частотырезультирующий вектор занимает на периуоде повторяемости т различное число фиксированных положений Р. Как известно, результирующий вектор может занимать 6 устойчивых положений на фазовой плоско сти, каждому из которых соответствует определенная комбинации вентилей (фиг,1). Кроме того, инвертор может сформировать две нулевых комбинации (включаются 1, 3, 5 или 2, 4, 6 вентили), при которых выходное 10 напряжение инвертора устанавливается в ноль.Для формирования промежуточных полокений вектора на фазовой плоскости необходимо поочередно устанавливать 15 основну 1 о для данного интервала комбинацио вентилей, дополнительную (формующую вектор, отстоящий от основного на ) и нулевую комбинацию вентилей, 20В общем случае длительность нахождения вентилей в основной, дополнительной и нулевой комбинацияк определяется по фор- мулам и 1 Вп -- аых.грВн.н. ЗР ВР(7) К 1 восн = Обдатч,К 2 одоп = бдатч. Тнул Тц Сосн одоп(8) Р - 1) 25Овых, Одном, З -аосн - гОвых,ном ОддатчП 30 Отработка этих интервалов происходит 40 в режиме прерываний с началом следующего цикла, В интервальный таймер загружается число из памяти, соответствующее длительности первого интервала, а в формирователь - код комбинации вентилей для 45 данного интервала, открывая тем самым соответствующие вентили инвертора. По окончании счета таймером до нуля в него загружается величина длительности следующего интервала, а в формирователь - соответствующий ему код комбинации вентилей, В начале этого цикла по основной программе процессор запрашивает новые значения выходной частоты и выходного напряжения и вычисляет параметры следующего интервала цикла, которые заносятся в память. Таким образом, в каждом цикле отрабатываются сигналы задания запрошенньге и вычисленные в предыдущем цикле, и запрашиваются и вычисляются параметрыследующего цикла.,7 р 131 П -Ов х О 1 ном, ЗРадо и - Тц (2)Оеых.ном Оддатч ЗП,7 ВТЗСнул = Тц - Сосн - Тдоп (3)где 1 = 0,1 Р - 1 - номер цикла на периодетгповторяемостиОвых - ТРЕбуЕМаЯ ВЕЛИЧИНа ВЫХОДНОГОнапряжения;Овых.ном НОМИНдЛЬНЭЯ ВЕЛИЧИНд ВЫходного напряжения;Ос 1 ном - НОМИНаЛЬНаЯ ВЕЛИЧИНа ВХОДНОго напряжения;Ос 1 датч - ВЕЛИЧИНа СНИжаЕМаЯ С ДатЧИКавходного напряжения;Тц - время цикла.В большйнстве случаев, когда требуетсяОрегулирование - = сопят эта формула моУжет быть упрощена,Для синхронного способа длительностьцикла определяется по формуле Тц =1- (4). Так как нам необходимо выполОвыхНЕНИЕ СООТНОШЕНИЯ Т = КОвых.ном, ТОДЛЯэтого предварительно рассчитывают длялюбой частоты данного диапазона (например нижней границы) величинулР Р 11В 1 п - З-Р-к 1Одном -То гран н 1 )Овых.гром.м.,вых.з где Овых,гран,н, - величина выходного напряжения на нижней границе частотногодиапазона;Тцикл.гран.н. ВЕЛИЧИнд ДЛИТЕЛЬНОСТИ цикла на нижней границе частотного диапаЗОНд,Рассчитанные заранее величины К 1 и К 2 для различных частотных диапазонов заносятся в память, и затем вычисляются по формулам. Вычисления по этим формулам требуют минимальных затрат программного времени и обеспечивают выполнение соотношенияО- = сопэтУВ соответствии ячейки памяти записывают рассчитанные по формулам (7), (8), (3) длительности интервалов и соответствующгие им комбинации вентилей. Так для вектора с окончанием в точке А на фазовой плоскости ссновной комбинацией будет 1, 4, 6 (включения 1, 4, 6 вентили), дополнительной - 1, 3, 6, нулевой - 1, 3, 5.На низких частотах (менее 6 - 4 Гц) незначительное изменение частоты, вызывает согласно формуле:1ц 6 Р 1оень большое изменение времени цикла при постоянном Р, либо требует разбиения низко частотного участка на ряд поддиапазонов с различным числом Р, а отработка частот близкой к нулевой и нулевой (результирующий вектор не изменяет своего положения на фазовой плоскости по формуле (4) представляется невозможной.Поэтому задаем постоянное время цикла Тц, а фазу цикла определяем по формуле:рд = 2 л 1 Тц + Оп р (9) где рр - величина фазы вектора для предыдущего цикла;1 - частота выходного напряжения.Для того, чтобы можно было пользоваться записанными величинами К 1 и К 2 и переходить к синхронному режиму, полученную величину округляют (отбрасывают дробную часть) до вида(10)где = 0,1,2, Р - 1Р = 2, где К = 0,1,2,3,Для асинхронного метода обычно выбираем Р = 32, что обеспечивает высокую точность отработки при относительнонебольшом массиве коэффициентов К 1 и К 2,Однако, при высоких частотах применение асинхронного способа ШИМ может вызвать появление субгармоник, поэтомуприменяем синхронный способ, при котором величина углового шага постоянная,ЗРа время цикла равно1ц 6 Р 1При синхронном способе производятразбивку на частотные диапазоны со значениями Р=2,При изменении задания частоты происходит переход границы частотных диапазонов, при которых изменяется число Р. Прилюбых переходах необходимо; чтобы на инЛтервалеукладывалось целое число циклов, и не происходило скачка фазывыходного напряжения.Для этого частотные диапазоны длявсех способов широтно-импульсного регулирования построены таким образом, чтобычисло Р частотного диапазона, примыкающего к верхней границе данного диапазонабыло в 2 раза меньше, а число Р частотного диапазона, примыкающего к нижней границе было в 2 раза больше числа Р для данногочастотного диапазона, т,е. число Р имеетвид5 Р=2 к, К=0,1,2Кроме того, задатчик интенсивности настраивают таким образом, чтобы при изменении частоты за время цикла пересекалосьне более одной границы между частотными10 диапазонами, т,е, не было их пропуска.При уменьшении частоты с переходомграницы частотных диапазонов не возникает проблем с переводом номеров циклов,так, например15= 3 при Р = 4 соответствует= 6,при Р = 8 (фиг,2)При увеличении частоты с переходомграницы частотных диапазонов при четномномере цикла также легко происходит20 перевод номера цикла, например= 6 при Р = 8 соответствует= 3 при Р = 4,Во всех указанных выше случаях в следующем цикле отрабатывается заданная величина частоты без задержки и скачка фазы,25 При увеличении частоты с переходомграницы частотных диапазонов при нечетном номере цикла прямой перег д номерацикла невозможен, так как при этом на инЛтервалебудет уклады ваться нецелое число циклов, Чтобы избежать скачка фазы, пристарой величине задания частоты отрабатывается еще один цикл с предыдущим значением Р, а затем переходим к новому35 значению Р с новым заданием частоты, Например1 = 5 при Р = 82 = )1+1 = 6 при Р =812=3 при Р =440 Таким образом, происходит переход кновому значению Р с задержкой на одинцикл, но без скачка фазы.указанный выше способ позволяет быстро осуществлять переходы от одной часто 45 ты к другой, что необходимо при работе всистеме частотнорегулируемого электропривода,Экспериментальные исследования за являемого способа управления инверторомна полностью управляемых вентилях с ШИМ показали, что по сравнению с прототипом, предложенный способ обеспечивает высокое быстродействие и обеспечивает хо рошие регулирвочные характеристики.По сравнению с применяемыми в настоящее время системами управления на логических элементах, предлагаемое решение обеспечивает улучшенный гармонический состав выходного напряжения, лучшие динамические и регулировочные характеристики,Оормула изобретения1. Способ управления инвертором наполностью управляемых вентилях с широтно-импульсной модуляцией, заключающийся в том, что каждый период повторяемостиоаб ты инвертора, равный и/3, делится наР циклов, в каждом из которых осуществляется чередование комбинаций включенных 10вентилей в следующем порядке; основная,пртл которой включены вентили, формирующие-выходные напряжения, соответствуюЩие данному интервалу повторяемости,нулевая, при которой включены вентили 15анодной (катодной) группы, дополнительная, которая является основной для следующего интервала повторяемости, и нулевая,при которой включены вентили катодной(анодной) группы, так что результирующий 20вектор выходного напряжения перемещается по фазовой плоскости по квазигармоническому закону, отл и ч а ю щи й с я тем,что, с целью улучшения динамичесКихсвойств и регулировочных характеристик и 25гармонического состава выходного напряжения, разбивают область регулированиявыходной частоты инвертора на областинизких и средних частот, область среднихчастот разбивают на диапазоны, в каждом 30цикле фиксируют значения частоты и фазывыходного напряжения инвертора и его значение, определяют частотную область и диапазон, в области низких частот времяцикла устанавливают постоянным Тц = 35=сопзт) фазу результирующего вектора выходного напряжения на фазовой плоскостиопределяют по формулеун = 2 7 г т Тц + Рп р,где рпр - фаза вектора для предыдущего 40цикла, 1 - частота выходного напряжения,количество циклов на периоде повторяемости устанавливают в зависимости от частоты, в области средних частот число цикловустанавливают постоянным в каждом диапазоне, время цикла определяют из выракения Тц = 1/6 Р 1, величину углового шагаперемещения вектора на фазовой плоскоСтИ ОПРЕДЕЛЯЮТ КаК Рцс =,ТГ/3 Р, ПРИ ПЕРЕходе в диапазон с более низкими частотами 50число циклов Р скачкообразно увеличивается, при переходе в диапазон с более высокими частотами - уменьшается, вычисляютдлительности 1 осн, одоп, авнуд врвмЕнных ин тервалов нахождения вентилей в основной,дополнительной и нулевой комбинациях поформулам тРв - выв ТПвыв.нон Оддат ВП тт 73 т Оадат. вд -йЗР, Кттт 1 цОодвт. О доп тт --ттвыв.нонОоноы Оддвт зпк Р -эи лК =К БезвТпл 7 згде К - постоянный для данного частотного диапазона коэффициент, обеспечивая при этом выполнение соотношения О/т = сопзт. тнул = Тц 1 осн одоп,гдею= 0,1Р - 1 - номер цикла на периоде повторяемости;Овых - требуемая величина выходного напряжения;Оьом - номинальная величина выходного напряжения;Одат - измеРеннаЯ величина выхоДного напряжения,запоминают комбинации и их длительности и с началом нового поочередно воспроизводят их, одновременно с этим ведут расчет параметров для следующего цикла, если очередное= Р, то задают= О, и производят изменение комбинаций вентилей, вызывающее сдвиг на зт /3 против часовой стрелки вектора выходного напряжения, обеспечивая тем самым векторное управление выходным напряжением.,2. Способ по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что результирующий вектор выходного напряжения занимает на периоде повторяемости Р = 2, где К = 0,1,2 фиксированныхкположений в зависимости от диапазона частот, если при изменении частоты происходит переход границы частотного диапазона так, что число Р в предыдущем диапазоне больше, чем в текущем, и номер нечетный, то отрабатывают один цикл с предыдущим заданием частоты и значением величины выходного напряжения, во всех остальных случаях отрабатывают новое значение частоты без задержки3, Способ по п.1, отл и ч а ю щи й с я тем, что при расчете тосн и одоп коэффициенты К 1 и К 2 задают равными(г,оставитель .Е.Педаехред М,Моргентал едактор Корректор М.Максимишинец аказ 3557 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. У