Способ управления многофазным инвертором и устройство для его осуществления

(71) Всесоюзный научно-исследователь.ский и проектно-конструкторский институт по автоматизированному элек"троприводу в промышленности, сельскомхозяйстве и на транспорте(56) Бродовский В.Н., Иванов Е.С,Приводы с частотно-токовым управлением, М.: Энергия, 1974,Патент .США Кф 3611086,кл. Н 02 Р 13/18, 1970.Мищенко В.А. и др. Принципы построения и методы оптимизации тирис,торных преобразователей частоты второго поколения для цепей электропривода. - В кн.: Эффективность повышения частоты промышленного переменного тока. Кишинев: ШТИИНЦА, АН МССР,1975.(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОФАЗНЫМИНВЕРТОРОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) 1. Способ управления многофазныминвертрром, заключающийся в том, чтопереключают силовые ключи в каждойфазе т-фаэного инвертора в момент изменения знака суммы общего для ш фазнесущего сигнала треугольной формыи соответствующего каждой из ш фазсигнала рассогласования заданного идействительного мгновенного фазноготока, задают первый и второй входные,сигналы, первый входной сигнал преобразуют в сигнал развертки в ниде реверсивной последовательности коформируют заданное мгновенное ние фазного тока, измеряют действительные мгновенные значения фазного тока, сравнивают заданные и действительные мгновенные значения фазных токов, при этом получают сигнал рассогласования, задают и граничных . уровней первого входного сигнала, ес ли первый входной сигнал Меньше ниж. него граничного урОвня, то частоту несущего сигнала треугольной формы устанавливают постоянной и равной допустимой частоте коммутации силовых ключей, если первый входной сигнал выше первого граничного уровня, то частоту несущего сигнала треугольной формы устанавливают синхронной и кратной частоте реверсивной последовательности кодов, причем кратность устанавливают обратно пропорционально номеру о достигнутого граничного уровня, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения функциональных возможНостей путем автономного управления фазой тока, повышения быстродействия и точности путем не-зависимого изменения мгновенных значений .фазы, частоты и амплитуды ш-фаэного тока, формируют третий входной сигнал, сдвигают фазу заданного мгновенного значения фаэного тока относительно сигнала развертки на угол, пропорциональный арктангенсу отношения второго и третьего входных1сигналов, заданное мгновенное значение фазного тока формируют путем умножения сигнала развертки на средне- квадратический сигнал, полученный из второго и третьего. входных сигналов, скачкообразно изменяют величины и смену полярности второго и третьго входных сигналов, после чего форми1458951 руют увеличение сигнала рассогласования на величину, пропорциональнуюинерционцости изменения тока нагрузки. 2. Устройство для управления многофазным инвертором, состоящев из ш.каналов управления, каждый из которых содержит блок задержки и формирования управляющих импульсов, выходы которого:.предназначены для подключения к входам управления соответствующей фазы многофазного инвертора, компаратор, один вход которого соединен с выходом общего для всех фаэ генератора несущего сигнала, первый, вход узла сравнения соединен с выходом датчика мгновенного тока, вход датчика мгновенного тока предназначен для включения в цепь нагрузки соот :ветствующей фазы, общий для всего устройства формирователь управляющих напряжений содержит преобразователь напряжение - частота, выход которого соединен с входами реверсивного счет-чика, а вход предназначен для подключения к источнику первого . входного воздействия, аналоговый вход цифро-. аналогового преобразователя предназначен для подключения к источнику второго входного воздействия, входы генератора несущего сигнала соединены с входом и выходом преобразователя напряжение - частота, о т.л и ч а ю - щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем автономного управления фазой тока, повышения быстродействия и точИзобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть исполь-,зовано.для быстродействующих импульс"ных транаисторньм и тиристорных преобразователей частоты, применяемыхв электроприводах переменного токаи источниках питания,Целью изобретения является расширение функциональных возможностей 1 Опутем автономного управления фазойтока, повышение бстродействия и точности фазотокового управления, форми,рователь управляющих напряжений снаб;жен синусным и косинусным преобразователями кодов, тремя цифроаналоговыми преобразователями, двумя сумматорами и блоком преобразования числа фаэ с выходами, определяемымй числом фаз многофазного инвертора, каждый канал управления снабжен аналоговым 1регулятором, причем выход реверсив,ного счетчика соединен с входами синусного и косинусного преобразователей кодов; выход синусного преобра-зователя кодов соединен с цифровыми входами первого и второго цифроаналоговых преобразователей, выходы которьм соединены с первыми входами сумматоров, выход косинуено. о преобразователя кодов соединен с цифровыми входами, третьего и четвертого цифро" аналоговьм преобразователей,.выходы которых соединены с вторыми входами сумматоров, выходы сумматоров соединены с входами блока преобразователя числа Фаз, выходы которого соединены с вхопами узлов сравнения, соответствующих каналов управления аналоговые входы второго и четвертого цифроаналоговьм преобразователей предназначены для подключения к выходу источника третьего входного воздействия аналоговый вход третьего цифроаналогового преобразователя соединен с входом первого цифроаналогово. го преобразователя, в каждом канале ,управления выход узла сравнения через аналоговый регулятор соединен с вторым входом компаратора. 2ности фазотокового управления путем независимого изменения фазы, частоты и амплитуды ш-фаэного токаНа фиг.1 представлена функциональная схема .многофазного инвертора, на фиг.2 - временная диаграмма Фор- мирования скачка фазы, на фиг,Звременная диаграмма Формирования " мгновенного фазного тока.Устройство для осуществления спо.соба (фиг.1) содержит а-фазный формы. рователь 1 управляющих напряжений, 1458951состоящий из последовательно соединенных преобразователя 2 напряжение - частота, реверсивного счетчика 3 и блока 4 цифроаналогового преобразования, который включает преобразователи 5 и 6 кодов синусный и косинусный соответственно, четыре цифроаналоговых преобразователя (ЦАП) 7-10 и блок 11 аналоговых сумматоров, входы которого соединены с выходами ЦАП 7 10. Блок 11 содержит два входных сумма. тора 12, 13 и блок 14 преобразования числа фаз. Два входа генератора 15 тактирующих сигналов (несущего сигнала) соединены с входом и частотным выходом преобразователя 2 напряжение - частота, три выхода ш-фаэного формирователя 1 управляющих напряжений соединены через узлы сравнения с входами трех аналоговых регуляторов 16, 17 и 18 мгновенного фазного тока, выходы которых соединены с первыми входами компараторов 19, 20 и 21, вторые входы которых соединены с выходом генератора 15 тактирующих сигналов, выходы компараторов 19 20 и 21 соединены с входами блоков 22 23 и 24 задержки и Формироваггия управляющих импульсов, выходы которых подключены к управляющим входам многофазного инвертора 25, состоящего иэ ш фаэ 26-28, 29-3 1, 32-34. Каждая из пг фаз содержит два силовых ключа (26, 27, 29, 30; 32, 33) и один датчик (28, .3 1, 34) мгновенного фаэного тока. Датчики соединены с нагрузи:; кой 35.Устройство для осуществления способа работает следующим образом;При задании первого и второго аналоговых входных напряжений Нг,у и П;ш-фаэного формирователя 1 управляющих напряжений и при равенстве нулю третьего входного аналогового напряжания Н = 0 (фиг.2) на частотном выходе преобразователя 2 нап" ряжение - настота образуются импульсы развертки, частота которых пропорциональна величине первого входного аналогового напряжения Пг, а на релейном выходе преобразователя 2 напряжение - частота образуется напряжение " 1", если , ПгО, и напряжение "0", если Пг с О.5Напряжение релейного выхода преобразователя 2 напряжение - частота поступает на реверсивный вход реверсивного адресного, счетчика 3 и зада 45 функции подают на цифровые входы ЦАП 50 55 Н= О, то на выходе ЦАП 7-10 обра 5 10 15 20 25 30 35 40 ет направление счета импульсов развертки, поступающих на счетный входреверсивного адресного счетчика 3.На выходе последнего образуетсягг-разрядная кодовая последовательность импульсов, которая подается навход блока 4 цифроаналогового преобраэования (входы преобразователей5 и 6).Перед: включением в схему управления импульсным инвертором в постоянную память преобразователя 5 по каж-.дому адресу и разряду записывают программу дискретной выборки синуснойФункции на серединах интррвалов аппроксимации, число которых; определяется кратностью частоты преобразователя 2 напряжение - частота по отношению к требуемой синхронной частоте тока и разрядностью (например,при и = 8 дискретность фазы равнаЬ 85= Т/256, где Т - период токасинхронной частоты). Преобразователь6 перед включением в схему управления программируют по закону косинусас дискретной выборкой косинуснойфункции на серединах интервалов аппроксимации, число которых равно числу интервалов аппроксимацци синуснойфункции для преобразователя 5. В результате на выходе преобразователя 5образуются и-разрядные коды синуснойФункции, а на выходе преобразователя 6 - коды косинусной функции(фиг,2), причем выборки синуса и косинуса последовательно переключаютсяс приходом очередного импульса развертки на частотном выходе преобразователя 2 напряжение - частота в направлении, определяемом релейным сигналом на релейном выходе преобразователя 2,Кодовые выборки синусно-косинусной 7-10, при этом на цифровые входы первого и второго ЦАП 7 и 8 подают кодовые выборки синусной Функции, а нацифровые. входы третьего и четвертого ЦАП 9 и 10 " кодовые выборки косинусной функции. Так как третье входное аналоговоенапряжение (воздействие) равно нулю зуется только два иэ четырех периодических напряжений, на выходе первогоЦАП 7 образуется дискретное периодическое напряжение Н,з гпту, где Ю 2 1458951диекретно переключаемая фаза периодического напряжения, на выходе третьего ЦАП 9 образуется дискретноепериодическое напряжение О. созе,г.причем фаза периодических напряженийизменяется на оду дискрету ЬЧс приходом очередного . Е-го импульсаразвертки в направлении, определяемомрелейными сигналами "1", "0" на выходе преобразователя 2 напряжение -частота. Например, при релейном сигнале " 1" и О ) 0 фаза периодических5напряжений дискретно переключаетсяпо законуЧу 1= Ю 1М 1 (1)1.=0,1,2,где ч 5, - синхронная фаза на 1-м интервале дискретной выборки,И вдискрета синхронной фазы;число импульсов разверткиодного направления.Напряжения на выходах второго ичетвертого ЦАП 8 и 10 при 015 = 0равно нулю, Выходные напряжения ЦАП7 и 9 подают на входы блока 11. Навыходе первого входного сумматора 12получают напряжение, обратное по знаку и равное по величине выходномунапряжению первого ЦАП 7,ц; 5, = -О э Ы 5,(2)а на выходе второго входного сумматора 13 получают напряжение, равноепо величине и одинаковое по знаку выходному . напряжению третьего ЦАП 9соэ . (3)Полученное двухфазное напряжениеУ, , У,подают на вход блока 14,схему подключения которого определяют требуемым числом фаз импульсногоинвертора.При двухфазном инверторе (ш = 2)блок 14 содержит один инвертирующийусилитель, инвертирующий напряжениеП 1, идвухфазное управляющее напряжение на выходе в-фазного формирователя 1 управляющих напряжений образуетсянепосредственно напряжениямиПр 0;з согласно выражениям (2)и (3).При трехфазном инверторе (ш = 3)блок 14 содержит два сумматора идвухфазное напряжение 01 , Щ 5преобразуется в трехфазное управляющее напряжение 015,ю Жу в 01 навыходе блока 14 согласно выражениям05 и Б 1 Ц ф (4) 1 .Гз2 5 ф 2 5ГзП 1 с 2 0502 -5В зависимости от настраиваемогоуровня первого входного аналоговогонапряжения Ь,р 4 Бу в нижнем5 5 монсдиапазоне изменения величины первоговходного аналогового напряженияПф 51 д,5 (7)генератор 15 вырабатывает двуполярноесимметричное несущее. напряжение треугольной формы П с постоянной частотой Йт, для чего первое входное напряжение поступает на первый вход генератора 15, сравнивается с напряжениями порогового уровня Бы 1, где 8 = го1 2 3 - порядковый ымер порогового уровня, При выполнении усло.-.вия (7) генератор 15 тактирующих сигналов вырабатывает несущее напряжение постоянной частоты Гт . Если Оаэ первого порогового уровня вьппе Пу , генератор 15 тактирующих сигналов переключается на управление по второму входному каналу импульсами развертки,поступающими с выхода преобразовате-. ЗО ля 2 напряжение - частота. С помощью компараторов, входящих в генератор 15 тактирующих сигналов, переключается коэффициент деления частоты импульсов развертки, которые после деления с помощью счетчика и раэвертывающего преобразования с помощью интегратора, входящих в генератор 15 тактирующего сигнала; преобразуютсяв двуполярное несущее напряжение тре 40 угольной формы Б, имеющее постоянную частоту при выполнении условия(7) и переменную частоту, кратнуюсинхронной частоте выходного тока импульсного инвертора при нарушенииусловия (7).Управляющее напряжение каждого извьпщдов блока 14 поступает через узелсравнения на задающий вход каждого иэ аналоговых регуляторов 16, 17 и 18 мгновенного фазного тока, которые 60настраиваются по известным принципам компенсации большой постоянной времени в цепи инвертор-нагрузка (на-.пример инвертор - асинхронный двигатель), по критерию максимума быстродействия при заданной величине пере- регулирования (например 4,3), Напря" жение с выходов аналоговых регуляторов 16, 17 и 18 мгновенного фазно 1458951го тока поступает на первые входы компараторов 19, 20 и 21, на вторые входы которых с выхода генератора 15 тактирующих сигналов подается общее для всех ш фаз двуполярное симметричное несущее напряжение треугольной формы. Компараторы 19, 20 и 21.срабатывают при изменении полярности суммы входньм напряжений, импульсы с выходов компараторов 19, 20 и 21 поступают на входы блоков 22, 23 и 24 задержки и формирования управляющих импульсов, в которых происходит разделение управляющих импульсов на два канала, причем каждый из пары управляющих импульсов на двух вьмодах блоков 22, 23, 24 формируется с задержкой й по отношению к моменту исчезновения другого управляющего импульса. Блоки 22, 23 и 24 содержат элементы гальванической развязки и элементы формирования управляющих импульсов, в связи с чем на 2 п, управляющих входов инвертора 25 поступают управляющие импульсы, имеющие гальваническую раэвяэку со схемой управляющего устройства инвертора 25, задержку С между импульсами, поступающими на два входа ш-фаэного импульсного инвертора, и требуемую форму импульса.Управляющие импульсы с двух выходов каждого из ш блоков 22, 23 и 24 задержки и формирования управляющих импульсов подаются на первый и второй управляющие входы каждой из ;ш фаз 26-28, 29-31, 32-34 инвертора 25, силовые ключи 26, 27, 29, 30, 3233 переключаются управляющими импульса- . ми и через фазные датчики 28, 31 и 34 мгновенных фазных токов попеременно подключают ш входов нагрузки 35 кположительной и отрицательной полярности силового напряжения инвертора 25 11 д.В каждой фазе на выходе инвертора 25 образуется ток , ;, ьс с нарастающим и спадающим участками на каждом периоде коммутации силовых транэисторных ключей, который задан общим для всех фаз и равен периоду несущего напряжения с выхода генератора 15 (фиг.3), Длительность открытого состояния силового ключа в каждой фазе импульсного инвервора определяет среднее значение выходного напряжения за период коммутации, в связи с чем возникает пульсирующий ток. Напряжение с выходов датчиков28, 31 и 34 мгновенных фазных токов,пропорциональное мгновенным фазнымтокам, поступает на вторые входы узлов сравнения, а напряжение на входахрегуляторов 16, 17 и 18 мгновенногофазного тока находится в противофазек управляющему напряжению соответ 10 ствующей фазы.В результате действия отрицательных обратных связей по мгновенномуфазному таку и аналоговых регулято-,ров 16, 17 и 18 мгновенного фазного15 тока происходит регулирование среднего за период коммутации напряжения,в результате чего обеспечивается отслеживание мгновенного фазного тока,заданного управляющим напряжением в20 каждой фазе на выходе ш-фазного формирователя управляющих напряжений,в том числе при скачкообразном изменении управляющих напряжений, с временем регулирования и величиной пере 25 регулирования, определяемыми настройкой аналоговых регуляторов 16, 17 и18, например, ио модульному оптимуму(с перерегулированием 4,3). Аналоговые регуляторы 16, 17 и 18 могут бытьЗО выполнены с пропорционально-интег.ральным или пропорциональным закономрегулирования.Так как третье входное напряжениеО,"равно нулю, то согласно описанЗ 5 ным преобразованиям первого и второговходных аналоговых напряжений и уравнениям (1)-(6) выходные токи инвертора25 имеют изменяемую мгновенную фазу,1определяемую начальным состоянием4 О преобразователей 5 и 6 Чо, числомимпульсов развертки К в положительном направлении (при Уу0) и числом импульсов развертки 1 в отрицательном направлении (рри Ур0):45 ф 3 И) = 5 о +б 5 1 б 5 в (8)где 1 с О, 1, 2, 3,1 = О, 1, 2, 3Фаза тока Ц (С), как следует извыражения (8), изменяется только с5 О приходом очередного -го импульсаразвертки по каналу первого входноговоздействия задания частоты тока ине может измениться за один шаг дискретизации больше, чем на одну дис 55 крету фазы ЬТаким образом, при отсутствиитретьего входного аналогового напряжения Ц = 0 фазовый сдвиг на тре"Бубуемый угол 1 осуществляют только(14) а амплитуда тока изменяется пропорционально второму входному аналоговому напряжению(15) при этом импульсным инвертором управляют по-известному принципу частотно-токовото управления заданиемвеличины и частоты тока. При частотно-токовом управлении в предлагаемом устройстве работают лишь два из четырех ЦАП.При подключении третьего входного аналогового напряжения У 1 на аналоговые входы второго и четвертого ЦАП 8 и 10 поступает третье входное аналоговое напряжение Б,эЧ, в результате чего на выходе второго ЦАП 8 образуется дискретное периодическое напряжение после подачи И импульсов с выхода преобразователя 2 напряжение - частота на вход реверсивного счетчика 3, Требуемое число импульсов развертки равноО = 6(9)дч эа интервал времени, необходимый для отработки фазового сдвига, определяется числом импульсов развертки Б и интервалами времени А С; между .двумя соседними импульсами развертки;вТу = . аг.,127/дс,(11)пнч111где К - коэффициент передачи преобразователя 2 напряжениечастота,Оу; - входное напряжение преобразователя 2 напряжениечастота на 1-м интервалевремени.Частота тока при Б 10 иэменяЧется пропорционально первому входному аналоговому напряжению Ую как синхронная частота путем изменения интервалов времени между импульсами развертки Цвь 8 П 1з-пИоз + 1 сЧ 51 дчЪ ), (16)где Чр - синхронная фаза в момент 5подачи третьего входногоаналогового напряжения,а на выходе четвертого ЦАП 10 образуется периодическое напряжениеПзых.о = Псоз(Ч+ 10 Рз - 1 Д,). (17)Фаза выходных периодических напряжений ЦАП 8 и 10 согласно уравнениям(8), (16) и (17) соответствует фазевыходных периодических напряжений 15 ЦАП 7 и 9 и является синхронной фазой.На выходах сумматоров 12 и 13 образуется двухфазное напряжение П,П , определяемое попарным .суммиро вайием выходных напряжений ЦАП согласно выражениямП 1 ,х = Б ч со 3 Мз - О, з Ы ю (18)П 15 = П 1,Ч зЫЧ + Ц созЧр (19)ДвухФазное напряжение 01, Б 1 25 преобразуется в трехфаэное в соответствии с уравнениями (4)-(6).В первый момент после подключениятретьего входного аналогового напряжения О(Фиг,2) возникает ска чок фазы тока благодаря скачку двухфазного напряжения 0 , У, .согласно (18), (19).Приращение фазы тока ЕЧ определяется отношением второго и третьеговходных аналоговых напряжений 0;Укак арктангенсная функция этогоотношения;агсйд - . = агсСд Ф-. (20) Ь .3 Х 40 5 Х ЙФаза тока Я скачкообразно изменяется в момент подачи третьего входного аналогового напряжения по за 45 кону э = 5 оэ + Р э (21) причем знак 8 р определяется знаком Бч сотношения -- .50При изменении. второго или третье-го входного аналогового напряженйя, а также при изменении одновременно второго и третьего входных анаЛоговых напряжений образуется асинхронная частота тока ЬЯ, равнаяФа частота тока изменяется как сумма синхронной частоты д и асинхронной частоты ДО:Выходное напряжение блока 14 задает скачок и изменение фазы тока и ее составляющей, соответствующей фазеблагодаря внутреннему контуру регулирования вектора тока, который состоит из аналоговых регуляторов 16-18, компараторов 19-21, блоков 22- 24 задержки и формирования управляющих .,импульсов и инвертора 25, состоящегоиз силовых ключей 26, 27, 29, 30, 32, 33 и датчиков 28, 3 1 и 34 мгновенного фаэного тока, и нагрузки 35.Скачок фазы тока физически означает скачок мгновенного фазного тока,в связи с чем для обеспечения точнойотработки фазы тока аналоговые ре гуляторы 16, 17 и 18 мгновенного фазного тока настраивают на стаддартнуюоптимальную по быстродействию переходную характеристику в зависимостиот постоянной времени инерционностинагрузки при скачке тока, например,по модульному оптимуму, в связи счем аналоговый регулятор мгновенного фаэного тока выполняет функциюоптимизатора переходных процессов приотработке требуемого изменения фазы(фиг.3),Скачок фазы тока означает скачкообразное изменение проекций векторатока или скачкообразное изменение их 5полярности в декартовой системе координат, вращающейся с синхронной угловой скоростью,Как видно из фиг.2, по первому канал управления инвертором 25 задают 10 синхронное вращение системы декартовых координат, а по второму и третьему каналам управления задают проекции вектора тока в.этой декартовой.системе координат.15 Переключением знака (полярности)и изменением величины задаваемых про"1екций вектора тока изменяют фазовыйсдвиг относительно единичного вектора у от 0 до 360 , что следует из20 уравнений (18), (19), (20), реализуе-мых блоками 5-13Изменение направления вращенияединичного вектора у определяют изменением полярности первого входного 25 напряжения Цд .5Разомкнув обратные связи внутреннего контура регулирования векторатока, получают возможность управленияфазой напряжения, причем устройство 30 работает на основе изложенного принципа, исключая сравнение заданных идействительных величин на входах аналоговых регуляторов 16, 17 и 18.Применение предлагаемого способа З 5 управления многофазным инвертором иустройства для его осуществления позволяет расширить функциональные возможности преобразователя, повыситьточность и быстродействие.тор В.Бутяга Заказ 376/57 Тираж 645 ПодписиВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и от 113035, Москва, Ж, Раушская наб иям при