Устройство для управления инвертором с многоуровневым выходным напряжением

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 4153 01 19) 02 М 7/ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 7. Бюл. 9 14нергетической ернети ов, А.А, Журавлев, Липковский(088.8)видетельство02 Р 13/18,детельство С02 Р 13/18,СССР976.СР1983 АВЛЕНИЯ ИНВЕ ЫХОДНЫМ НАПР РОЙСТВО ДЛЯ УП НОГОУРОВНЕВЬ 2(57) Изобретротехникедля управл тся к элек ие относ ожет быть спользованом с многоия инверт ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИ(71) Отдел эки АН МССР(56) АвторскоеУ 652680, кл. НАвторское свВ 1249675, кл. уровневым выходным напряжением. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей. Регулирование частоты выходного напряже.ния инвертора осуществляется последовательным плавным изменением длительностей крайних на полупериодеимпульсов с наименьшей амплитудой.Процесс регулирования частоты и величины выходного напряжения осуществляется при практическом постоянстве частоты коммутатора вентилей силовой схемы и при постоянной частоте работы силового Формирующеготрансформатора инвертора. На всемдиапазоне регулирования обеспечивается гарантированная продолжительностькоммутационных пауз, что повышаетнадежность функционирования инвертора. 4 ил. 1 табл.Изобретение относится к силовой преобразовательной технике.Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства применительно к его использованию в широкорегулируемых инверторах напряжения с многоуровневым выходным напряжением, формируемым из импульсов неодинаковых амплитуд.На фиг. 1 изображена Функциональ ная схема устройства управления, на фиг. 2 - диаграммы напряжений, на фиг. 3 - силовая схема инвертора, на фиг, 4 - схема распределителя.Допустим, что на нижнем частотном диапазоне полуволна выходного напряжения инвертора формируется из пяти импульсов. Источник 1 управляющего напряжения, задающий величину выходного напряжения инвертора, связан с 20 усилителем 2 постоянного тока, коэффициент передачи которого равен 0,5. Выход источника 1 подключен также совместно с основными источниками 3- г и 4 постоянного напряжения, количество которых в приведенной схеме равно 2 (т.е. в данном случае п=2), к входам сумматоров 5 и 6Генератор 7 тактовых импульсов, 30 задающий частоту выходного напряжения инвертора, связан с генератором 8 пилообразного напряжения. Амплитуда напряжения генератора 8 фиксируется датчиком 9 амплитуды, сигнал с которого поступает на плюсовой вход сумматора 10. Минусовой вход сумматора 10 связан с источником 11 постоянного напряжения, Выход сумматора 10 подключен к входам блоков 12-15 40 сравнения. Другие входы блоков 12 и 13 сражения соединены соответственно с выхсдами сумматоров 5 и 6.Выход генератора 8 пилообразного напряжения связан с входами компарирующих блоков 16-21 с выходными формирователями коротких однополярных импульсов. Второй вход компаратора 16 подключен к выходу усилителя 2, а вторые входы компарирующих блоков 17-21 через управляемые ключи 22-26 подсоединены соответственно к источнику 3 постоянного напряжения, выходу сумматора 5, источнику 4, выходам сумматоров 6 и 10, Выходы всех компарирующих блоков через ячейку ИЛИ 27 связаны с логическим распределителем 28 управляющих импульсовВыход блока 14 сравнения соединен с управляющей цепью ключа 22 и с ячейкой И 29, связанной также с инверсным выходом схемь 12 сравнения, Выход блока 15 сравнения подключен куправляющей цепи ключа 24 и к схемеИ 30, соединенной по входу с инверсным выходом блока 13 сравнения. Выходы элементов И 29 и 30 через ячейку ИЛИ 3 1 связаны с управляющей цепьюключа 26, Прямые выходы схем 12 и 13сравнения присоединены соответственно к управляющим цепям ключей 23 и 25,а инверсные выходы - к элементам И 29и 30 и к логическому распределителю28 управляющих импульсов. Источники3 и 4 постоянного напряжения связаны соответственно с первыми входамисумматоров 32 и 33, на вторые входыкоторых приходит сигнал с дополнительного источника 11, а выходы которых соединены с входами блоков14 и 15 сравнения. Временные диаграммы, поясняющие процесс функционирования устройства, приведены на фиг, 2. Тактовые импульсы генератора 7 тактовых импульсов, задающего частоту выходного напряжения инвертора, поступают на вход генератора 8 пилообразного напряжения, выходной сигнал которого, имеющий постоянную крутизну и изменяющуюся в зависимости от частоты амплитуду, обозначен на фиг. 2 как Бц . Период сигнала П соответствует при этом полупериоду выходного напряжения инвертора. Амплитуда напряжения Б поЯ стоянно фиксируется датчиком 9 амплитуды, выходной сигнал которого поступает на плюсбвой вход сумматора 10 и из величины которого в сумматоре 10 производится вычитание небольшого по амплитуде напряжения источника 11. Выходные напряжения укаэанных блоков обозначены на фиг, 2 соответственно как Б и С1 ОРегулирование величины выходного напряжения инвертора осуществляется источником 1 управляющего напряжения. При этом формирование фронтов центральных на полупериодах импульсов выходной кривой инвертора, имеющих наибольшую амплитуду Апроизводится в соответствии с амппитудой напряжения на выходе усилителя 2 постоянного тока (сигнал У на фиг.2), имеющего коэффициент передачи, близкий к 0,5, которое постоянно сопоставляется в компараторе 16 с развертывающим на 3 13041 пряжением 11, генератора 8. В моменты равенства указанных напряжений компарирующим блоком 16 вырабатываются короткие однополярные импульсы, которые поступают через элемент ИЛИ 27 на логический распределитель 28 управляющих импульсов, при помощи которого производится выдача команд на формирование фронтов центральных выходных импульсов, ЮАналогично на нижнем частотном диапазоне вырабатываются команды на формирование фронтов выходных импульсов инвертора с меньшими амплитудами. Так, формирование фронтов им пульсов с амплитудой Апроизводйтся в моменты равенства напряжений 0 источника 3 и У сумматора 5 мгновенным значением развертывающего напряжения 08. Формирование фронтов крайних на Ю полупериоде импульсов, имеющих наименьшую амплитуду А , осуществляется в моменты равенства напряжения Пз и сигналов с выхода источника 4 и сумматора 6. 5Беспрепятственное прохождение сигналов с блоков 3-6 на компараторы 17- 20 на нижнем частотном диапазоне обеспечивается соответствующим замыканием управляемых ключей 22-25, осуществляемом по командам схем 12-15 сравнения (единичйые сигналы на выходах схем 12-15), так как поступающее в этом случае на входы схем 12-15 выходное напряжение сумматора 10 превы- у 5 шает амплитуды сигналов, приходящих на другие входы этих блоков, Кривая . выходного напряжения в рассматриваемом случае формируется из пяти импульсов на полупериоде. 40Величина напряжений основных источников 3 и 4 выбирается таким образом, чтобы обеспечить близкий коптимальному гармонический состав 45 ,выходного напряжения в диапазоне пониженных выходных частот инвертора. В частности, формирование кривой мно.гоуровневого выходного напряженияинвертора может быть осуществленопо законам так называемой амплитудно- импульсной модуляции (АИМ), при которой длительности импульсов кривой выходного напряжения равны между собой,амплитуды выходных импульсов выбираются соответствующим заданием параметров силовой схемы инвертора такимобразом, чтобы исключить из спектравыходного сигнала целые массивы пара 53 4зитных гармонических составляющих.Для реализации на низшем частотном диапазоне законов АИМ величина напряжения У; -х по порядку основных источников постоянного напряжения устройства должна выбираться в соответ(21.-1) П 8. ствии с соотношением П.=2 п+1 где У - максимальная амплитуда геЯтнератора пилообразного напряжения 8, соответствующая нижней (начальной) выходной частоте инвертора.В рассматриваемом случае, когда полуволна выходного напряжения инвертора формируется на начальной частоте из пяти импульсов (п=2), целесоП,образно выбирать О = - = 0,2 Ц 8ЗПУ = -= 0 60 . Коэффициент пере 4 5 ф 8 ыдачи усилителя 2 должен быть равен при этом 0,5.Рост частоты следования тактовых импульсов генератора 7 сопровождается пропорциональным изменением амплитуды напряжения П генератора 8, фиксируемой датчиком 9 амплитуды, В процессе позышения частоты напряжение Ц на выходе сумматора 10 сначала 1 Остановится меньше сигнала сумматора 6, затем меньше суммы напряжений источников 4 и 32. Сигналы с выходов блоков 13 и 15 сравнения при этом размыкают ключи: 24 и 25, кривая выходного напряжения инвертора на этом поддиапазоне регулирования формируется из трех импульсов на полупериоде с равными длительностями и амплитудами А;, и Ад.При дальнейшем увеличении частоты сигнал П, становится меньше напряжения ц сумматора 5, в соответствии с командой блока сравнения 12 ключ 23 размыкается. На входы элемента И 29 поступают при этом единичные сигналы с выхода схемы 14 сравнения и с инверсного выхода блока 12 сравнения, соответствующий сигнал с выхода ячейки И 29 через элемент ИЛИ 31 поступает на управляющую цепь ключа 26 и вызывает его замыкание. Выход сумматора 10 оказывается при этом подключенным к компарирующему блоку 21, формирование фронтов крайних на полупериоде импульсов производится в моменты равенства сигналов 138 и 01 О . Этому этапу регулирования/0 15 20 25 40 45 50 55 частоты инвертора соответствуют временные диаграммы, приведенные на фиг,2.Дальнейшее увеличение выходной частоты инвертора приводит к дальнейшему плавному уменьшению длительностей крайних на полупериоде выходных импульсов (см,кривую выходного напряжения инвертора Бна фиг. 2). Отме ченное уменьшение длительностей крайних на полупериоде импульсов продолжается с ростом частоты до тех пор, пока амплитуда суммарного сигнала на выходе сумматора 32 не сравняется по величине с напряжением Б, сумматора 10, после чего на выходе блока 14 сравнения появляется нулевой сигнал, способствующий размыканию ключа 26, в результате в полуволне выходной кри вой начинает формироваться по одному импульсу с амплитудой А. Продолжительность крайних на полупериоде импульсов в период времени, предшествующий моменту описанных переключений достигает минимально допустимой величины о , что соответствует минимальному интервалу времени, необходимому коммутирующим узлам вентилей силовой схемы для восстановления своих запирающих свойств. Общая продолжительность паузы нулевого уровня на границах полупериода на рассмотренном поддиапазоне регулирования ограничивается на уровне значения 28 что позволяет исключить режимы перегрузки узлов коммутации при смене полярности кривой выходного напряжения, Абсолютная величина интервалами зависит от час. тотных свойств силовых цепей инвертора и составляет для мощных тиристорных схем время порядка 100-200 мкс требуемое значение 8 задается в предлагаемом устройстве параметрически соответствующим выбором напряжения смещения дополнительного источника 11 постоянного напряжения, поступающего на сумматоры 10,32 и 33. После того, как в полуволне выходного сигнала инвертора остается лишь по одному импульсу, дальнейший рост выходной частоты происходит за счет плавного изменения продолжительности пауз нулевого уровня вплоть до момента достижения указанной длительностью значения, считая от начала полупериода, равного 8. Величина выходного значения инвертора при этом близка к максимальному значению,и дальнейшее увеличение частоты приводит к последовательному уменьшению абсолютного значения длителЬности импульсов выходного напряжения с максимальной амплитудой А . При уменьшении частоты1выходного сигнала инвертора описанные процессы повторяются в обратной последовательности:.Одной из наиболее распространенных разновидностей силовых схем инверторов с многоуровневым выходным напряжением является структура с силовым секционированным трансформатором,упрощенный вариант которой применительно к рассматриваемому случаю формирования трехуровневого выходного напряжения приведен на фиг.З.В инверторном блоке на первичной стороне трансформатора, нагрузкой которого служит первичная обмотка У- осуществляется попеременное переключение накрест расположенных вентилей (Т,-Т и Т -Т ),в результате чего в схему попеременногенерируются одноуровневые импульсыобеих полярностей (напряжение Цнафиг.2). формирование многоуровневого выходного напряжения Посуществляется при помощи соответствующих попеременных, осуществляемых син 30 хронно с работой вентилей Т;-Т, йе- .,реключений вентилей Тб -Т , подсоединенных к соответствующим отводам секционированной вторичной обмоткитрансформатора. При этом наибольшая амплитуда импульсов на нагрузке А наблюдается при включении вентилей Т и Т , импульсы с амплитудой А О 1 Оф формируются при включении Т, и Та,импульсы с наименьшей амплитудой А при включении Т и ТбВ соответствии со структурой силовой схемы многоуровневого инверторастроится схема логического распределителя управляющих импульсов системы управления. Один из возможных вариантов построения логического распределителя 28 применительно к приведенной на фиг. 3 структуре силовой схемы инвертора представлен на фиг. 4,Распределитель содержит в качестве основных узлов программное постоянное запоминающее логическое устройство (ячейку ППЗУ) 34, первая адресная шина которого связана с инверсным выходом блока 12 сравнения, а вторая адресная шина подсоединена через элемент ИЛИ 35 к инверсному выходу блока 13 сравнения. Последовательность коротких импульсов, поступаю1304153 8на выходе конъюнкторов 43-48 в соответствии с порядком поступления логических сигналов на их входы с прямого выхода триггера 36 и с соответ 5 ствующих разрядов ячейки ППЗУ 34. РЯ- Последовательность выработки соответствующих команд предварительноподготовленной ячейки ППЗУ 34 в соответствии с сигналами, поступающими наее адресные шины, отображена в таблиРи це, При этом алгоритм работы 1 соото ветствует состоянию системы управления, при котором на инверСных выен ходах блоков 12 и 13 сравнения имеются нулевые сигналы (на адресныхшинах блока 34 А 1=0, А 2=0), криваявыходного напряжения при этом формиРуется из максимального количестваимпульсов с амплитудами А А , А20 йри алгоритме 2 (А 1=1, А 2=0) выходс- ная кривая формируется из импульсовс амплитудами А и А, при алгоритме3 (А 1=1, А 2=1) на полупериоде выходг- ной кривой формируется по одному импульсу с амплитудой Юргса сло 50 Разряди, Алабаи А 1 АГ АЗ АФ Д 5 7 2 3 4 У б;7 о 7 Р Р Р Р О Р б Р 1 О Р Р Ю Р Р Р Р 1 Р Р Р Р Р Р 7 Р Р Р Р Р Р 7 Р Р Р Р Р Р Ю Р Р 0 7 Р Р Р Р 00 Р Р 7 Р Р Р7 РР Р Р 7 0 Р Р Р 0 0 0 Р Р Р О 0 0 Р 7 000 70 Р Р О 7 7 Р 0 7 0 7 Р 0 7 7 0 Р Р 7 7 7 0 7 И и 0 7 и 7 0 070 0 1 2 5 У б У 8 9 Р 700 Р Р Р Р 00700000 070 РРОРР Рада 700 Р ааааа 700 РРР 07070 77 7 о 7 У И г 1 2 Я 7 0 0 0 0 1 0 0 0 7 77 0 0 1 7 7 0 7 0 0 7 0 7 О 7 ъ ьЬ Ь ч ЪфО 0 7 070 а б ааааа 77 и 7 7 0 0 0 7 7 0 0 7 7щая от элемента ИЛИ 27, приходит навход счетного триггера 36, сигналс инверсного выхода которого черездифференциатор 37 передается на Свход четырехразрядного двоичногосчетчика 38, выходы первых трех раздов которого подсоединены к соответствующим адресным шинам ячейки ППЗУ34, а выход старшего разряда подключен к второму входу ячейки ИЛИ 35.Сброс счетчиков 38 осуществляется ппомощи сигналов с выхода одновибратра 39, связанного по входу с выходоседьмого разряда ППЗУ 34 и с дифферциатором 37,формирование управляющих импульсов на вентили Т-Т инверторного блока на первичной обмотке трансформатра осуществляется в системе при помощи логической части, включающейсчетный триггер 40 с прямым и инверным выходами, конъюнкторы 41 и 42,связанные с выходом триггера 36 и сдифференциатором 37. Управляющие синалы на вентили Т,-Т, вырабатываютс Регулирование частоты выходного наО пряжения осуществляется последовательным плавным изменением длительностей крайних на полупериоде импульсов с наименьшей амплитудой, наименее информативных с позиции влияния на спектР 55 выходного напряжения. Процесс регулирования частоты и величины выходного напряжения осуществляется при практическом постоянстве частоты коммутации вентилей силовой схемы и при постоянной частоте работы силового формирующего трансформатора инвертора. Навсем диапазоне ре улирования обеспечивается гарантированная продолжительность коммутационных пауз, чтооблегчает режимы работы узлов коммутации схемы и повышает надежностьфункционирования инвертора в целом.Формула 9 13041изобретения Устройство для управления инвертором с многоуровневым выходным напряжением, содержащЬе источник управляю щего напряжения, связанный с усилителем, и источников постоянного напряжения, и блоков сравнения, и+1 основных сумматоров, генератор тактовых импульсов, связанный с генератором 10 пилообразного напряжения, соединенным с датчиком амплитуды пилообразного напряжения, выход генератора пилообразного напряжения подключен к первым входам 2 п+1 компарирующих бло ков с выходными формирователями коротких импульсов, выходы которых через элемент ИЛИ соединены с первым входом распределителя управляющих импульсов, вторые входы всех компари рующих блоков, кроме первого, через управляемые ключи связаны с источниками постоянного напряжения и с выходами соответствующих основных сумматоров, первый источник постоянного напряжения связан с входом п+1-го сумматора, выходы основных блоков сравнения подсоединены к управляющим цепям соответствующих ключей, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью 30 расширения функциональных возможностей, оно снабжено и дополнительными сумматорами, и дополнительными блоками сравнения с прямыми и инверсными выходами, п элементами И, допол нительным управляемым ключом, элеме;: - том ИЛИ, дополнительным компарирующим блоком с выходным формирователем коротких импульсов и дополнительным источником постоянного напряжения, 40 причем выход усилителя подсоединен к второму входу первого компарирующего блока, источник управляющего напряжения связан с первыми входами всех основных сумматоров, кроме первого, 45 вторые входы и сумматоров, кроме первого, подключены к соответствующим основным источникам постоянного напряжения, плюсовой вход первого основного сумматора соединен с датчиком 50 амплитуды пилообразного напряжения, минусовый вход первого основного сумматора связан с дополнительным источником постоянного напряжения, выход первого основного сумматора присое динен к первым входам всех блоков сравнения и через дополнительный ключ к первому входу дополнительного ком 53 1 Опарирующего блока, который подсоединен к основному элементу ИЛИ, вторые входы основных блоков сравнения связаны с выходами дополнительных сумматоров, вторые входы дополнительных блоков сравнения соединены с выходами соответствующих основных сумматоров, входы элементов И соединены с выходами соответствующих основных блоков сравнения и с инверсными выходами дополнительных блоков сравнения,которые связаны также с остальнымивходами распределителя управляющих импульсов, выходы элементов И связаны через дополнительный элемент ИЛИ с управляющей цепью дополнительного ключа, прямые выходы дополнительных блоков сравнения присоединены к управляющим цепям соответствующих основных ключей, второй вход дополнительного компарирующего блока подключен к выходу генератора пилообразного напряжения, входы дополнительных сумматоров связаны с соответствующими основными источниками постоянного напряжения и с дополнительным источником постоянного напряжения, при этом распределитель управляющих импульсов содержит постоянное запоминающее устройство ПЗУ, содержащее 2 п+1 адресных шин и 2 п+3 выходных разрядов, одновибратор с коньюнкторным входом, (и+2)-разрядный счетчик со счетным и установочным входами, два счетных триггера, дифференциатор, элемент ИЛИ и 2 п+4 элементов И, причем первый вход распределителя управляющих импульсов связан с входом первого счетного триггера, прямой выход которого связан с первйми входами всех элементов И, а инверсный ввход через дифференциатор присоединен к счетному входу счетчика, к входу второго счетного триггера и к конъюнкторному входу одновибратора, связанному также со старшим разрядом ПЗУ, выход одновибратора присоединен к установочному входу счетчика, младшие разряды счетчика связаны с соответствующими адресными шинами ПЗУ, последний вход распределителя управляющих импульсов, а также старший разряд счетчика связаны с соответствующей адресной шиной ПЗУ через элемент ИЛИ, а остальные входы распределителя управляющих импульсов присоединены к соответствующим адресным шинам ПЗУ непосредственно, прямой и инверсный выходы второго11 триггера соединены соответственно свторыми входами второго и первого элементов И, вторые входы остальных элементов И связаны с выходами соответ 1304153 12ствующих разрядов ПЗУ, причем ПЗУ выполнено реализующим Функциональную зависимость в соответствии с таблицей.1304153 а Рр 7 у ноТр иа 7 у лвТр ю 7 яФОГ Ф Составитель О. ПарфеноРедактор Е. Копча Техред И.Попович орректср М.Самборска одписн 5 ская наб.,оизводственно-полиграФическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 аказ 1322/56 ВНИИПИ Го по делам 113035, МосТира ударственн изобретен ва, Ж, бб 1о комитета СССи и открытий