Устройство для управления трехфазным регулируемым инвертором

(51)5 4 ОСУДАРСТВЕННЫЙПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ ИПРИ ГКНТ СССР МИТЕТТНРЫТИЯМ ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ й киберне Олеш В.И(71) Отд тики АН (72) Ю.М и А.С.Си (53) 621 (56) Авт У 127243АвторУ 143269 962124-0702.8801,90, Бюл. Мел энергетичеМССР(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ТРЕХфАЗНЫМ РЕГУЛИРУЕМЫМ ИНВЕРТОРОМ(57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использованопри управлении преобразователями длясистем асинхронного электропривода.Целью изобретения является уменьшение коммутационных потерь в инверторе в процессе связанного регулирования частоты и величины выходного напряжения, В инвертор введены усилител10 с коэффициентом передачи, равным1534700двум, ключ 20, многовходовой сумматор 2, входы которого соединены со все 1 и выходами блока 15 обеспечения комМутационной устойчивости и с выходными клеммами ключей 17 и 20, двухвхо 5 довой интегратор 22, входы которого соединены с сумматором 21 и дополнительным источником 23, а выходы подключены к усилителю 1 О и сумматору 8. Инвертор позволяет обеспечить связанное линейное регулирование частоты 1 и величины среднего на полупериодезначения выходного напряжения,осуществляемое путем поэтапной вариациивременного положения одного из фронтов (переднего или заднего) каждогоиз выходных импульсов, что снижаетобщее число коммутаций силовых вентилей особенно в диапазоне повышенныхвыходных частот преобразователя иприводит к уменьшению суммарной величины коммутационных потерь. 4 ил.Изобретение относится к электротехнике и может быть использованодля управления автономными трехфазныМи инверторами, входящими в состав,систем асинхронного электропривода,Целью изобретения является уменьшение коммутационных потерь в инверторе в процессе связанного регулирования частоты и величины выходногонапряжения, обеспечиваемое за счетснижения числа дополнительных коммутаций в силовой схеме преобразователяе 30На фиг.1 изображена схема устройства; на фиг. 2 " временные диаграммы работы инвертора; на фиг. 3 -пример выполнения блока формированиядлительностей импульсов и блока обеспечения коммутационной устойчивости;на фиг.4 - временные диаграммы работы устройства,Устройство содержит в качествеузлов генератор 1 тактовых импульсов, 40связанный с трехразрядным регистром2, выходы которого присоединены к соответствующим тактовым входам логического распределителя 3 управляющихимпульсов, Сигнал генератора 1 поступает также на вход генератора 4 пилообразного напряжения, выход которога подключен к входам датчика 5 амплитуды пилообразного напряжения иблока 6 формирования длительностейимпульсов. Источник 7 опорного напряжения присоединен к плюсовым входамсумматоров 8 и 9 и суммирующего усилителя 10 и к минусовым входам сумматоров 11 и 12. Другие плюсовые входысумматоров 8 и 11, 9 и 12 соединенымеящу собой и подключены соответственно к источникам 13 и 14 постоянного напряжения, Выходы укаэанных сумматоров присоединены к соответствующим входам блока 15 обеспечения коммутационной устойчивости, Четыре соответствующих основных выхода блока15 подключены к входам блока 6 формирования длительностей импульсов.Два вспомогательных выхода блока 15,число которых в общем случае равноп, соединены через элемент ИЛИ 16 суправляющей цепью ключа 17,На два других входа блока 15 поступают соответственно сигналы источника 18 вспомогательного напряженияи сумматора 19, причем выход источника 18 подключен к минусовому входусумматора 19, а плюсовой вход сумматора 19 связан .с выходом датчика 5амплитуды, Выход усилителя 10 черезключ 20 присоединен к входу блока 6формирования длительности импульсов.Нечетные основные выходы. блока 15,а также выходные клеммы ключей 17 и20 связаны с плюсовыми входами многовходового сумматора 21, два минусовых входа которого присоединены кчетным выходам блока 15. Выход сумматора 21 присоединен к минусовомувходу двухвходового интегратора 22,на второй плюсовой вход которогоприходит сигнал источника 23 постоянного напряжения. Выход интегратора22 присоединен к третьему плюсовомувходу сумматора 8 и к второму входусуммирующего усилителя 10. Выход усилителя 10 подключен к входу схемы24 сравнения, второй вход которойсвязан с выходом сумматора 19, Выходсхемы 24 сравнения присоединен куправляющей цепи ключа 20,На фиг.2 представлены временныедиаграммы поясняющие принцип работы устройства, продолжительность ко5 , 15347 торых соответствует третьей части периода кривой выходного напряжения инвертора. Напряжения на выходах блоков и узлов системы управления5 обозначены здесь и далее индексами, соответствующими их цифровым обозначениям на фиг.1.Генератор 1 тактовых импульсов периодически запускает генератор 4 1 О развертывающего пилообразного напряжения, выходной сигнал Ц которого имеет постоянную крутизну и переменную, в зависимости от частоты следования импульсов генератора 1, амп б литуду, которая постоянно фиксирует-.ся датчиком 5 амплитуды пилообразного напряжения. При этом на периоде кривой входного напряжения блоком 1 генерируется 12 тактовых импульсоя.Величины иапряжечий источников 13 и 14 определяют собой местоположение середин выходных импульсов на начальной (минимальной) выходной частоте преобразователя. Амплитуда сиг-. 26 нала источника 7 оп 1 йделяет величину выходного напряжения инвертора на начальной выходной частоте, Значения сигналов Цз, Ц и Ц при этом с достаточной степенью точности опреде- Зо ляются из соотношений 5 ДЦее еее Ц2 п+ 40= 0,04 Ц Цй Цв 2 12,2+ Ц = 0,4 Ц,2 х 2 ф 2Ц 4 - 2Ц2 п+ 5 в 2 2+1 5 в Ц7 2 п+Т 7 (2 2+1) где Ц- максимальная амплитуда сигнала на выходе датчика 5, наблюдаемая на низшей выходной частоте преобразователя,Амплитуда постоянного напряжения источника 23 определяется из соотно- шения Коэффициент передачи усилителя1 О Кравен двум. 00 6Временные диаграммы, приведенные на фиг.2, соответствуют нижнему частотному диапазону работы инвертора, когда полуволна его линейного выходного напряжения ЦАа формируется из максимального на полупериоде количества импульсов, равного одиннадцати, с минимальными длительностями, задаваемыми, как было упомянуто выше, величиной напряжения источника 7. Из-за того, что Ко = 2, продолжительность центральных на полупериоде импульсов в кривой линейного выходного напряжения в два раза превыша ет продолжительность равных между собой остальных выходных импульсов.Формирование фронтов импульсов кривой выходного сигнала инвертора с данной системой управления производится блоком 6 формирования дли-, тельностей импульсов в моменты равенства сигнала генератора 4 развертывающего напряжения величине напряжений Ц, Ц, Ц, Ц и Ц снимаемых соответственно с выходов усилителя 1 О и сумматоров 11,8,12 и 9,пеее редаваемых через блок 15 на соответствующие входы блока 6 формирования, выходной сигнал которого обозначен на фиг,2, как Ц 6.Основной функцией блока 15 является обеспечение на всем диапазоне регулирования гарантированной величины межкоммутационных интервалов между соседними коммутациями вентилей силовой схемы, что обеспечивает коммутационную устойчивость инвертора при регулировании, Это достигается путем постоянного сопоставления продолжительностей временных интервалов между моментами переключения вентилей с опорной граничной величиной, эквивалентом которой является напряжение вспомогательного источника 18 и видоизменения алгоритма дальнейшей подачи управляющих сигналов на блок 6 в случае уменьшения указанных продолжительностей ниже граничных значений. Один из возможных вариантов построения связанных между собой блоков 15 и 6 приведен на фиг.3.Основные входы блока 15 обеспечения коммутационной устойчивости, количество которых в общем случае равно 2 п, связаны с выходами опорных сумматоров 8,11,9 и 12. Указанные входные клеммы через ключи 25-28 соеди 1534700иены с соответствующими основнымивыходами блока 15. Выходы блока 15,К которым подсоединены выходы усилителей 8 и 9, связаны также с первыми входами схем 29 и 30 сравнения,два других основных входа присоединены к сумматорам 31 и 32, выходы которых, в свою очередь, подключены кВходам схем 33 и 34 сравнения, Выходсхемы 33 присоединен к управляющей1 епи ключа 26, а также к входу элемента И 35, второй вход которого связан с инверсным выходом блока 29равнения. Выход схемы 34 сравненияСоединен с управляющей цепью ключа28 и с входом элемента И Зб,второйВход которого подключен к инверсному выходу схемы 30 сравнения, ПрямыеВыходы схем 29 и 30 соединены с уп 9 авляющими цепями ключей 25 и 27. Навторые входы всех схем сравненияблока 15,поступает сигнал с выходасумматора 19. Вторые входы сумматоров3 и 32 связаны с источником 18 вспомогательного напряжений.Блок 6 формирования длительностиИмпульсов включает в свой составВходные компараторы 37-41 (число ком 1 араторов в общем случае равно (2 п+ 30+ 1), на выходе которых имеются Форйирователи коротких однополярныхимпульсов, Входы компараторов 37 -40 при этом связаны с основными выходами блока 15, вход компаратора 41присоединен к выходной клемме ключа20. На другие входы компараторов37-41 поступает сигнал П генератора4 развертывающего напряжения. Выходыкомпараторов 37-41 через элемент40ИЛИ 42 подключены к входу счетноготриггера 43, выходное напряжение которого является выходным сигналом блока б Формирования. При этом продолжительность выходного сигнала Ц блока 6, как показано на Фиг,2, равнапродолжительности импульсов кривойвыходного напряжения инвертора наданном интервале,Увеличение выходной частоты инвертора в процессе регулирования сопро 50вождается последовательным уменьшением амплитуды развертывающего сигнала ц, выделяемой датчиком 5 амплитуды. Сигнал датчика 5 за вычетомнапряжения источника 18, пронорцио 55нального величине минимальной межком-,мутационной паузы, постоянно сравнивается на входах схем 29-30 и 33-34 сравнения с выходными сигналами сумматоров 8-9 и 31-32, определяющимимоменты Формирования Фронтов выходныхимпульсов. В случае равенства указанных сигналов, что наблюдается приповышении выходной частоты, во избежание срыва коммутации выходных импульсов, командные сигналы с выходовсхем 30,34,29 и 33 сравнения вызывают последовательное размыкание ключей 27,28,25 и 26, прекращающих подачу соответствующих сигналов на входы компараторов 37-40, С ростом выходной частоты в кривой выходногонапряжения инвертора при этом наблюдается последовательное уменьшениеколичества импульсов,Одновременно изменение сигналовна выходах схем 29-30,33,34 сравнения приводит к Прохождению сигналовна вспомогательные выходы блока 15через элемент И 36 (что имеет место,когда 11Ц а Ц 111, ) или черезэлемент И 35 (набжодаемое при 11 сЦ 1 с11,0,). Отмеченным режимам работы соответствует Формирование выходных импульсов в центральной части тактовых интервалов,Указанные команды через элементИЛИ 16 поступают на управляющийвход ключа 20 и вызывают его периодическое замыкание, благодаря чемусигнал датчика 5 амплитуды пилообразного напряжения периодически поступает на плюсовой вход сумматора 21. Наостальные входы сумматора 21 приэтом приходят сигналы, снимаемые сосновных выходов блока 15 (с выходных клемм ключей 25-28 блока 15)и с выходной клеммы ключа 20, Благодаря отмеченной полярности входовсумматора 21 на выходе его на всемдиапазоне регулирования Формируетсясигнал, величина которого пропорциональна суммарной длительности импульсов на полупериоде выходного нанряжения инвертора, Указанное напряжение 11 поступает на минусовой входинтегратора 22, плюсовой вход которого соединен с источником 23 постоянного напряжения, величина напряжениякоторого эквивалентна суммарной продолжительности выходных импульсов наполупериоде выходной кривой на начальной выходной частоте инвертора.В связи с этим выходной сигналинтегратора 22 на начальной выходнойчастоте равен нулю. При увеличении5055 выходной частоты инвертора нулевой сигнал на выходе интегратора 22 сохраняется до момента исчезновения сигнала с первого из основных выходов блока 15 и соответственно первого замыкания ключа 17. Результирующий сигнал на выходе сумматора 2 после этого момента времени становится меньше напряжения источника 23,проинтегрированный положительный разностный сигнал поступает с выхода блока 22 на плюсовые входы сумматора 8 и усилителя 10, вызывая соответствующее увеличение продолжительностей оставшихся в полуволне выходной кривой девяти выходных импульсов. Данный поддиапазон регулирования характерен формированием выходных импульсов в центрах тактовых интервалов 60-градусных продолжительностей, длительность которых уменьшается при повьппении частоты, в связи счем положительный сигнал с выхода интегратора 22 будет при росте частоты последовательно увеличивать продолжительность остальных импульсов выходной кривой, Поддержание постоянства величины суммарной длительности выходных импульсов в полуволне линейного выходного напряжения при изменении частоты и при неизменных амплитудах импульсов соответствует законулинейного изменения величины среднего на полупериоде значения выходногонапряжения инвертора, наиболее частореализуемому в системах частотно-регулируемого электропривода. Основная гармоника выходного напряжения изменяется при этом также по закону, близкому к линейному. Наличие интегратора 22 в цепи обратной связи обеспечивает астатический характер процессарегулирования, повьппая тем самым его точность.Абсолютное значение положения фронтов выходных импульсов, задаваемых сигналами сумматоров 11 и 12, поотношению к началу тактовых интервалов в процессе регулирования остает" ся неизменным, изменение продолжительностей выходных импульсов происходит за счет смещения других фронтов, Формируемых при помощи сигналовсумматора 8 и усилителя 10. Это свойство схемы позволяет значительноснизить количество дополнительныхкоммутаций силовых ключей инверторав области повышенных частот, близких к номинальной выходной частоте посравнению с количеством коммутациипри алгоритме управления, осуществляемом известным устройством, при котором регулирование величины выходногонапряжения производится пропорциональным перемещением обоих фронтоввыходных импульсов вплоть до верхней0 выходной частоты,На фиг,4 изображены временныедиаграммы, показывающие работу системы управления преобразователем в области повышенных выходных частот,когда 15Ц ЯПри этОм на Всехосновных вспомогательных выходах блока 15 сигналы отсутствуют, полуволна выходного напряжения, как показано на Фиг,4 а, формируется из трехимпульсов, фронты которых задаютсянеизменным по величине сигналом 1,ос выхода усилителя 10. Разностныйинтегральный сигнал корректирующейцепи обратной связи с выхода блока25 22 на этом поддиапазоне регулирования равен нулю.Описанный алгоритм работы схемысохраняется до тех пор, пока в процессе дальнейшего повьппения частотыамплитуда сигнала П 1 не сравняет-ся с величиной напряжения 11,9 навыходе сумматора 19, после чего сиг-:нал с выхода схемы 24 сравнения размыкает ключ 20. Указанному моменту(Фиг.4 б) соответствует номинальноезначение выходной частоты преобразователя, величина выходного напряжения при этом является максимальнойи при дальнейшем повышении частоты40 остается на этом уровне. Сигналы навыходе блока 6 в этом режиме отсутствуют, лишь на тактовые входы распределителя 3 поступают сигналы свыходов регистра 2.Трехразрядный регистр 2 системыуправления, выполняющий функции пересчетной схемы, осуществляет деление частоты следования импульсов,поступающих от генератора 1 тактовых импульсов, и распределение сигналов во времени (Фазовый сдвиг сигналов). В цифровой форме состояния выходов Й, Я, Црегистра 2, начиная со старшего разряда, за период выходного напряжения можно последовательно записать как 100, 001, 000, 101, 110,111 (сигнал оп на Фиг.2).Логический распределитель 3 управляюпих импульсов Формирует трехфазную систему импульсов, соответствующую требуемому порядку переключения вантилей силовой схемы инвертора. Распределитель 3 осуществляющий реУ5 жим 180-градусного управления ключами трехфазного мостового инвертора с фазами А,В,С с дополнительными коммутациями на средних 60-градусных УЧастках (тактовых интервалах), при котором форма кривой выходного напряжения на всем диапазоне регулирования н зависит от параметров нагрузки, и едставляет собой логическую схему, вкоторой осуществляется логическое уйножение входных сигналов с после" д щим логическим суммированием, Логические функции, реализуемые распределителем 3 и поступающие в Форме сигналов управления на соответствующие ввинтили, имеют следующий вид+С = й,йз+ ,ЦЕ+ й 16. Импульсы управления на другие вентщи соответствующих Фаз инвертора 30 (+А, -В, -С) получаются логическим инвертированием соответствующих фаэных сигналов на выходе распределителя 3. Форма кривой выходного напряжеНия инвертора при таком алгоритме управления не зависит от параметров35 Нагрузки, средняя частота коммутации вентилей близка к постоянному значейиюаТаким образом, благодаря тому,что регулирование величины напряжения инВертора осуществляется за счет изменения временного положения одного из фронтов выходных импульсов при неизменном положении другого Фронта, а также за счет исключения связи ло" гического узла, содержащего ключ 17 и элемент ИЛИ 16, с входом блока 6 формирования длительностей импульсовдостигается заметное снижение числа коммутаций силовых вентилей инвертора, с соответствующим уменьше. - нием величины коммутационных потерь.Особенно указанное снижение потерь заметно в диапазоне повышенных выходных частот, в области близких к номи нальной нагрузок системы частотно- регулируемого электропривода, в которой преобразовательные устройства работают,.как правило, наиболее долго, Для приведенного на Фиг.1 варианта структуры системы управления отмеченный диапазон начинается с момента равенства сигналов5 И - 1.1 5 - 1.1 т= 0,411 - 0,0411 ь, = 0,360,.Это соответствует тому, что при и = 2 на протяжении примерно верхней трети от всего диапазона регулирования инвертора число коммутаций вентилей каждой фазы на полупериоде уменьшается с 10 (при алгоритме управле- . ния устройства) до б (при алгоритме работы предлагаемого устройства) с соответствующим почти двукратным снижением величины коммутационных потерь в преобразовательной системе.Формула изобретенияУстройство для управления трехФазным регулируемым инвертором,содержащее источник опорного напряжения, и основных и вспомогательных источников постоянного напряжения, генератор тактовых импульсов, соединенный с трехразрядным регистром, связанным выходами с тактовыми входами распределителя управляющих импульсов, и с генератором пилообразного напряжения, связанным с датчиком амплитуды пилообразного напряжения и с основным входом (2 п+2)-входового блока Формирования длительностей импульсов, выход которого присоединен к основному входу распределителя управляющих импульсов, (2 п+2) сумматоров, плюсовой вход первого из которых связан с выходом датчика амплитуды пилообразного напряжения, а минусовой вход - с вспомогательным источником постоянного напряжения, первые плюсовые входы четных сумматоров и минусовые входы остальных нечетных сумматоров связаны с выходом источника опорного напряжения, вторые плюсовые входы всех сумматоров, кроме первого, соединены попарно с основными источниками постоянного напряжения, выходы сумматоров и выход источника вспомогательного напряжения подключены к соответствующим основным входам (2 п+2) входового блока обеспечения коммутационной устойчивости, состоящего иэ двухгрупп узлов сравнения по и узловв каждой, из п сумматоров, и элементов И и 2 п управляемых ключей,при этом основные входы укаэанногоблока через соответствующие управляемые ключи связаны с входами блокаформирования длительностей импульсов, четные основные входы указанного блока связаны с первыми входамипервой группы узлов сравнения, нечетные входы подключены к первым входамсумматоров, вторые входы которых связаны с источником вспомогательного 10 напряжения, а выходы которых присоединены к первым входам узлов сравнения второй группы, вторые входы всехузлов сравнения подсоединены к выходу первого основного сумматора, прямые выходы узлов сравнения первойгруппы присоединены к управляющимцепям четных ключей блока обеспечения коммутационной устойчивости,инверсные выходы этих узлов связаныс первыми входами соответствующих 25элементов И, прямые выходы узловсравнения второй группы подключенык вторым входам соответствующих элементов И и к управляющим цепям нечетных ключей, выходы элементов Ичерез элемент ИЛИ связаны с управляющей цепью основного ключа,о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с цельюуменьшения коммутационных потерь винверторе в процессе связанного регулирования частоты и величины выходного напряжения, оно снабжено интегратором с двумя суммирующими входами, многовходовым сумматором, блоком сравнения, дополнительным управляемым ключом, дополнительным источником постоянного напряжения и сумми-. рующим усилителем постоянного тока, причем первый вход суммирующего усилителя постоянного тока соединен с выходом источника опорного напряжения, выход суммирующего усилителя связан с первым входом блока сравнения, и через дополнительный ключ с (2 п+2)"м входом блока формирования длительностей импульсов, второй вход блока сравнения присоединен к выходу первого основного сумматора, выход блока сравнения связан с управляющей цепью дополнительного ключа,выход датчика амплитуды пилообразного напряжения присоединен к входной клемме основного ключа, выходные клеммы обоих ключей и нечетные основные выходы блока обеспечения коммутационной устойчивости соединены с плюсовыми входами дополнительного сумматора, четные основные выходы блока обеспечения коммутационной устойчивости связаны с минусовыми входами дополнительного сумматора, выход этого сумматора присоединен к минусовому входу интегратора,плюсовой вход которого связан с дополнительным источником постоянного напряжения, а выход интегратора присоединен к второму входу суммирующего усилителя и к третьим плюсовым входам всех четных основных сумматоров, кроме последнего.Производс ул, Гагарина, 101 Заказ 54 Тираж 487 ПВНИИПИ Государственного комитета ло изобретениям и от 113035, Москва, Ж, Раушская наб.,нно-издательский комбинат "Патент", г, Ужг исиое иям при /5