Способ нелинейного управления трехфазным вентильным преобразователем

(54) СПОСОБ Н НИЯ ТРЕХФАЗ ОБРАЗОВАТЕЛ (57) Использова ние трехфаэным телем. Способ периодическом взаимным фаза основных венти ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Отдел энергетической кибернетики АССР Молдова(56) Авторское свидетельство СССРМ 1492434, кл, Н 02 М 7/48, 1989.Авторское свидетельство СССРМ 1577027, кл, Н 02 М 7/48, 1990.Авторское свидетельство СССРМ 1686663, кл. Н 02 М 7/48, 1989. ЕЛИНЕЙНОГО УПРАВЛЕНЫМ ВЕНТИЛЬНЫМ ПРЕние: нелинейное управлевентильным преобразовауправления заключается в ключении и выключении со вым сдвигом в 60 эл,град, лей трехфазного мостового Изобретение относится к силовои электронике и может быть использовано при управлении преобразователями, питающими системы асинхронного частотно-регулируемого электропривода,Известны способы управления преобразователями для электропривода на базе трехфаэных автономных инверторов напряжения, обеспечивающие плавное безударное изменение формы кривой выходного напряжения в процессе регулирования системы. Однако постоянство средней частоты коммутации вентилей инвертора приводит при этих вариантах управления к достаточпреобразователя, при этом зоны проводимости и закрытого состояния вентилей составляют по 180 эл,град. Связанное регулирование частоты и величины выходного напряжения по закону постоянства отношения величины напряжения к частоте осуществляется при этом эа счет постоянной плавной вариации длительностей основных и модулирующих сигналов управления, формируемых в серединах упомянутых зон управления. Новым в способе является непрерыьное нелинейное изменение продолжительности тактовых подинтервалов, в центрах которых формируются модулирующие сигналы управления, по параболической зависимости с фокусом указанной зависимости в средней точке частотного диапазона, сопровождаемое сопутствующим видоизменением функциональных зависимостей, характеризующих параметры синтеэируемых сигналов управления, 2 э.п. ф-лы, 5 ил,Ь но быстрому уменьшению числа импульсов в полуволне выходной кривой. Известен также способ управления преобразователем, в котором предложено модулировать продолжительность тактовых подинтервалов, внутри которых формируются модулирующие сигналы управления, по нелинейной зависимости. благодаря чему повышается количество импульсов в полуволне выходной кривой в зоне средних и повышенных выходных частот . Однако непосредственное использование подобного режима управления, особен:о ори больших значениях индекса М величины диапазонаначала до середины тактового интервала модулирующего сигнала управления осуществляют при изменении выходной частоты преобразователя от начальной Ео до граничной частоты Еь при этом на поддиапазонах выходных частот, при которых Е РЕЕ+1 (ЕЕ"Е+1) продолжительность Х всех модулирующих сигналов управления определяют как Л = (.- - -), а на частотных1 11поддиапаэонах,на которых ЕЕЕ, продолжительность всех, за исключением центральных, модулирующих сигналов управления находят как Л = т .1, а дли - ,йтельность А центрального на каждом тактовом интервале сигнала управления находят как Л,= - 2( - 1) т1 на всем диапазоне регулирования продолжительностьюг тактовых подинтервалов изменяют в соответствии с функциональной зависимостью 5 х6а значения граничходных от одногования к другому,0(и)Е 1 =(Х+ У+ 1),т Е 1 и Е 1, переазона регулироют как; ных част поддиап пределя+ 1 ) Е де х = КО/2+ Ф, У = /-О/20 = (И+1)Я/3 - Т - 2(И+1) /27,Р =3 - (И+1) /3,при этом при определении Е 1 И при определении Е 1:На фиг.1 приведена упрощенная схема основных соединений силовых цепей тиристорного преобразователя напряжения, выполненного на базе полностью управляемых тиристоров, нагруженного на асинхронный электродвигатель; на фиг.2 показаны кривые изменения относительной длительности тактовых подинтервалов применительно к величинам общего диапазона регулирования й = 6 и й - 10; на фиг,З - временные диаграммы, иллюстрирующие регулирования, априорно приводит при этом к значительному снижению продолжительности т подинтервалов и к соответствующему росту средней частоты коммутации вентилей инвертора. Так, как показано на 5 фиг,2 пунктиром для двух значений индекса М диапазона регулирования (й = 6 иМ = 10), если в первом случае величина тснижается до уровня 0,49 от то, имеющей место на . начальной частоте Ео, то во втором гав = 10 :0,33 тто есть, если в первом случае максимальная величина средней частоты коммутации вентилей примерно в 2 раза выше опорной частоты, то во втором случае - уже в три раза, С ростом й эта разница еще 15 более увеличивается (так, например, при М=. =20 ам= 0,181 го, при этом средняя частота коммутации вентилей более чем в пять раз выше опорной частоты).Целью изобретения является ограниче ние средней частоты коммутации вентилейЕо Й преобразователя на уровне К (где величина коэффициента К0 заранее задается исходя из частотных свойств используемых 2 силовых вентилей).Поставленная цель достигается тем, что при управлении по указанному способу, обеспечивающему М-кратное, начиная с частоты Ео, связанное регулирование частоты и величины выходного напряжения преобразователя, при котором основные вентили разных фаэ и групп преобразователя периодически включают и выключают с взаимным фазовым сдвигом в 60 эл.градпри 35 этом для каждого основного вентиля от 0 до 180 эл.град. формируют положительный полупериод проводимости, а от 180 до 360 эл.град, формируют отрицательный полупериод закрытого состояния, на центральных 40 тактовых интервалах от 60 до 120 и от 240 до 300 эл,град. симметрично относительно середин полупериодов формируют модулирующие сигналы управления, разноименные с соответствующим полупериодом 45 я - управления, разноименные с соответствующим полупериодом управления, число кото- Т Й рых уменьшается с ростом выходной .8 частоты Е, причем генерирование указанных модулирующих сигналов производят в серединах тактовых подинтервалов с, продолжительностью т, находящейся в нелинейной зависимости в функции выходной частоты Е, на которые разбиваются тактовые интервалы, начало каждого первого 55 из подинтервалов и конец последнего из них синхронизируют соответственно с началом и концом соответствующего тактового интервала, формирование каждого 1-го от10 20 25 30 35 ной вариации длительностей основных и модулирующих сигналов управления, формируемых в центральных точках рассматриваемых тактовых интервалов (в точке 90 применительно к полупериоду проводящего состояния вентилей и в точке 270 на полупериоде закрытого состояния), за счет чего обеспечивается плавное безударное изменение формы выходной кривой. При этом для поддержания постоянства отношения величины выходного напряжения преобразователя к частоте на поддиэпэзонах регулирования, на которых в центрах тактовых интервалов формируются основные сигналы управления (см. фиг.З,а) продолжительность.А модулирующих сигналов управления изменяется в функции начального Еои текущего Е.значений выходной частоты и количестваформируемых модулирующих сигналов управления на каждой половине тактовых интервалов в соответствии с выражением1 1 1А = р (р -- ), Нэподдиапэзонахрегулиорования, на которых в центрах тактовых интервалов формируются модулирующие сигналы изменяемых длительностей Л. (фиг,З,б), продолжительностьюостальных модулирукяцих сигна(см. построенные на фиг,2 кривые измене вание указанных модулирующих сигналов 45 производится симметрично относительно центров полупериодов за счет того, что начало каждого первого нэ тактовом интервале тактового подинтервала и конец каждого 50 Величина вышеупомянутого коэффициента К(1КО) характеризует в этом случаестепень максимального относительногоуменьшения продолжительности тактовыхподинтервалов, наблюдаемую в средней . два опорных режима формирования управляющих сигналов на вентили инвертора; на фиг.4 - функциональная схема системы управления преобразователем; на фиг.5 - номограмма, предназначенная для определения верхней граничной частоты.На временных диаграммах, приведенных на фиг.З, показаны два базовых алгоритма формирования управляющих сигналов Оу на вентили преобразователя в соответствии с описываемым способом управления, а также соответствующие им кривые линейного выходного напряжения Одв. Приведенные здесь управляющие сигналы Оу поступают на находящийся в положительном проводящем полупериоде управления вентиль + А катодной группы трехфазной мостовой схемы преобразователя, при этом положительная величина Оу(основной сигнал управления) соответствует проводящему состоянию вентиля, а нулевое значение Оу (модулирующий сигнал управления) - закрытому состоянию. Формирование разноименных с соответствующим полупериодом управления модулирующих управляющих сигналов с продолжительностью Яопределяющей величину выходного напряжения преобразователя, на всем диапазоне регулирования Ео - ИЕо осуществляется при этом внутри средних на полупериодах тактовых интервалах (60 - 120 и 240-300 эл.град,) в центрах тактовых подинтервалов, показанных на фиг.З тонкими дугами снизу, имеющих переменную продолжительность т, зависящую от текущих значений выходной частоты Е и определяемую как1 - К+1 - 2 РГЕо)+К И - 1) 76 Ео й(М - ") ния относительной зависимости т от частоты Е применительно к величинам диапазона регулирования М = 6 и М = 10 и значению коэффициента К = 0,6, формиропоследнего подинтервалэ непрерывно синхрониэируются соответственно с началом иконцом соответствующего тактового интервала 60-градусной продолжительности,точке частотного диапазона, нл частоте8+1-- Ео (гам - К о)2Параметр К характеризует при этом также относительное увеличение средней частоты коммутации вентилей на центральной части диапазона регулирования. которое. как известно, в каждой точке диапазона регулирования обратно пропорционально продолжительности тактовых подинтервалов. Задаваясь, к примеру, величиной коэффициента К = 0,6, максимальное значение средней частоты коммутации основных вентилей трехфазного мостового преобразователя будет выше, чем на частотах Ео и ИЕо,1 1в - = 0 6 раээ. В общем случае величина коэффициента К, ограничивающая среднюю частоту коммутации вентилей безотносительно к индексу (величине) диапазона регулирования Й, задается в первую очередь исходя из частотных свойств используемых силовых вентилей, а также от требований к спектральному составу выходного напряжения преобразователя внутри того или иного поддиапазона регулирования. Процесс регулирования частоты выходного сигнала преобразователя базируется в рассматриваемом случае, как показано стрелками на фиг,З, на постоянной поэтап-, 1775826Т =8 1 - КНа первом, начиная с частоты Ео, под диапазоне регулирования, алгоритм формирования управляющих сигналов на вентили преобразователя зависит от значения индекса Й кратности диапазона регулирования, При этом, поскольку при четном й на 50 начальной частоте Е в центрах тактовых интервалов формируются основные сигналы управления (аналогично фиг.З,а), алгоритм управления при Е-Ч 2,ЕЕо тождествен вышеупомянутым законам управления при ЕЕЕ+1 . а в случае нечетного Й в диапазоне выходных частот Е дЕ11лов находится как А = т - ,1а значение Я при этом равно1А = 6-р - 2 ( - 1) г- -- (наподобных поддиапазонах регулирования вобщее количествомодулирующих сигналовуправления на половинах тактовых интервалов входит и центральный модулирующийсигнал). Переход от одного из двух опорныхалгоритмов управления к другому и наоборот осуществляется при этом на граничныхНичастотах Е и Е 1, причем ЕЕЕн.Упомянутые граничные частоты Е и Е,переходные от одного поддиапазона регулирования к другому, являются достаточноважным параметром при характеристикерассматриваемого режима формированияуправляющих сигналов. Так, при Е у ЕЕформа управляющих сигналов аналогичнакривым, построенным на фиг,З,б, а при Ет Е)Ен 1 форма сигналов управления подобнасигналам, приведенным на фиг.З,а, Опреде 1 Оление значений Е и Е осуществляется приэтом в общем виде из нижеприведенныхсоотношений:Со 8+1Е =,(Х+ У+ - -) Ео,33где х= Ъ-О/2+ Ю, У= -О/2- уО,О =(8+1) Я/3 - Т - 2(И+1) /27,Р = Я - (й+1) /3,Р =(Р/3) +(О/2),при этом при определении Г: кЕю, алгоритм управления тождествен нам управления при ЕЕЕ (см. фиг.З,б). В соответствии с вышесказанным, анализируя вариант управления с й = 10 и К = 0,6, вИ 5 диапазоне выходных частот Е, ЕЕв =1,014 Ео, на котором= 5, продолжительности Л модулирующих сигналов управления1 1 1 определяются как Л =О(.р - гтгг). Нао 10 следующем поддиапазоне регулирования при Е 6 ЕЕБ = 1,30 Ео, на котором по-прежнему= 5, длительность Я отмеченных модули рующих сигналов равна1 1 15540 РЦдолжительность Л центрального модулирующего сигнала управления находится как1 1 Л =- - 8 т - . ,-. На частоте ЕБ длио 20 тельность центрального модулирующего сигнала уменьшается до близкого к нулю значения. Соответственно уменьшается после этой частоты на единицу значение индекса , которое становится равным четырем 25 ( = 4). Упомянутые алгоритмы формирования сигналов управления при этом последовательно повторяются друг за другом вплоть до номинальной выходной частоты ИЕО. Рассчитанные по вышеприведенным зависимостям для данного режима значения остальных граничных частрт Е и Е при этом соответственно равны: Е 4 = 1,36 Ео, Е 4 = =1,89 Ео, Ез =2,09 Ео, Ез =3,39 Ео, Е 2 -4,73И Ео, Е 2 = 6,39 Ео Е 1 = МЕо = 10 ЕоУлучшение гармонического состава выходного напряжения преобразователя может быть достигнуто за счет формирования на крайних участках полупериодов управле ния, в зонах 0 - 30, 150-180, 180 - 210 и 330-360 40 эл.град., дополнительных модулирующих сигналов управления, позволяющих обеспечить устранение из спектра определенных паразитных гармоник. При этом местоположения ближних к границам полупериодов фронтов дополнительных модулирующих сигналов управления определяют путем сдвига на + 60 эл.град, ближних к перединам полупериодов фронтов соответствующих главных модулирующих сигналов управления с продолжительностью М, Длительность упомянутых дополнительных сигналов управления определяется при этом в соответствии с известной зависимостью,в которойМ - номер исключаемой из спектра выходного напряжения параэитной га мо 1 , ники, для частотных поддиапазонов Е Е,Ен 1, а также при ИЕУ ЕЕ: А = 4 зи 2 зи х-1-Х . 1 ж,Вг, 1775826 1 Оас ус+Я гтт довательности импульсов и вызывают тем В =4 81 п со 8 8 и - :2 2 3 самым их исключение или уменьшение(ком С=4 1пенсируют амплитуды паразитных гармо 8 и 2 8 и 2 соз ник).л 1 т 1 л Кх, 5 . На фиг,2 построена рассчитанная по хсо 8 Ц ---- 81 п 8 и - ;6 2 3 2 приведенным соотношениям кривая измеа для частотных поддиапазонов ЕЕнения относительной, выраженной в Рч эл,град., продолжительности 1 удополниА =481 п М С) а ус вХ -А гтт . тельник сигналов управления для расомат. 2 81 п 81 п2 3 10 риваемого режима управления с й - 10 и К" В =481 п актя ) к т -х - А к тт = О,б применительно к варианту устраненияСО 8 81 п2 2 3из спектра пятой гармонической составляюС - 4 1 1щей (1 = 5). Следует отметить, что наряду с С =4 81 п 81 п - соз х2 2 6 полным устранением из спектра пятой гарЛ 1 т 1 Л 1 Мт 15 моники значительно уменьшается при этом сов 1--- 1 - 8 и 81 п - + 6 2 3 2 и амплитуда седьмой гармонической соМЖ 11, .тг 21 - 1 т Я 1 г ставляющей, + 2 соз 81 п 11---- 1 81 п - .Достаточно сложные нелинейные завиДля того, чтобы отмеченную 1-ю пара- симости, характеризующие режим проведезитную гармонику можно было устранить из 20 ния приемов описанного способа спектра на всем диапазоне регулирования, управления, целесообразно осуществлять в том числе в зоне повышенных выходных при помощи современных цифровых (микчастот, целесообразно в упомянутой зоне, ропроцессорных) средств управления. На начиная с частоты Р" и до номинальной фиг.4 изображена обобщенная функциовыходной частоты преобразователя ИЕо, 25 нальная схема подобной системы управлекак показано пунктиром на фиг.2, длитель- ния преобразователем, выполненной по ность ттактовых подинтервалов принимать вертикальному принципу, базовые блоки1 и которой строятся на цифровой основе. На равной х = -тц, Требуемое значение Е выходе блока задания частоты 1 формируетпри этом выбирается в соответствии с но ся сигнал 01,прямопропорциональныйзнамограммой, построенной на фиг.5, для кон- чению выходной частоты преобразователя, кретных значений коэффициента К и который поступает на входы тактового гене- индекса диапазона регулирования ч. При . ратора 2 и функционального К-канального этом, как показано пунктиром на фиг.5 для по выходу преобразователя 3. Частота слережима управления с К = 0,6 и И = 10, опре дования импульсов генератора 2 определя- деление Е начинается отосиординатнахож- ет частоту выходного сигнала блока дением соответствующего К, определением развертки 4, которая на всем диапазоне реего точки пересечения с кривой для соответ- гулирования в б раз выше выходной частоты ствующего Й и последующей проекцией преобразователя. Сигналблока 4 постоянно указанной точки на ось абсцисс, по которой 40 сопоставляется в блоке формирования употложены относительные значения- й Е, лами Оз функционального преобразователя Величина Рф определяется при этом соот, величина которых пропорциональнатекуветствующим пересчетом полученного на щим значениям положений фронтов выходоси абсцисс значения и, в частности, для 45 ных импульсов ат - ач внутри тактовых рассматриваемого случая с й = 10: Е " = интервалов (см. временные диаграммы 1.Аз й 0,743 Юо = 7 43 Ро. на фиг,З). Указанные значения а предвариОписанное формирование дополни- тельно определяются расчетным путем из тельных модулирующих управляющих сиг- соотношений, характеризующих режим осуналов приводит, как показано на фиг,З 50 ществления описанного способа, пунктиром, к видоизменению формы выходного напряжения преобразователя, тождественному тому, при котором результирующая В моменты равенства текущих значений выходная кривая получается в результате сигналов блоков 3 и 4 блоком 5 лырзбатывасуммированияосновнойпоследовательности 55 ются команды на формирование фронтов . выходных импульсов с дополнительной по- управляющих и выходных) импульсов, котоследовательностью, гармоники которой на- рые распределяются по соответствующим ходятся в противофазе с соответствующими вентилям в соответствии с принятым опорпаразитнымигармоникзмиосновной после- ным законом 180-градусного управленияпри помощи логического распределителя управляющих импульсов 6, связанного по выходу с трехразрядным регистром 7.Таким образом, описанный режим формирования управляющих сигналов на венти ли трехфазного мостового преобразователя позволяет наиболее простым параметрическим путем, за счет модернизации параметров режима управления, обеспечить ограничение средней частоты коммутации 10 основных вентилей преобразователя на требуемом (задаваемом) уровне, Тем самым достигается номинальная, с учетом конкретных частотных свойств, загрузка вентилей и обеспечивается надежность функциониро вания преобразователей для электропривода с плавным изменением формы выходного напряжения в процессе связанного широкодиапазонного регулирования частоты и величины выходного сигнала, 20Формула изобретения1, Способ нелинейного управления трехфаэным вентильным преобразователем с й-кратным, начиная с частоты Г диапазоном связанного регулирования частоты и 25 величины выходного напряжения с постоянством отношения напряжения к частоте, при котором основные вентили разных фаз . и групп преобразователя периодически включают и выключают с взаимным фаэо вым сдвигом в 60 эл,град, Ъ последователь- ности +А, - С, +В, - А, +С, - В, при этом для каждого вентиля в течение одного полупериода 0 - 180 эл.град. формируют интервал проводимости вентиля, в течение другого 35 полупериода 180 - 360 эл,град, формируют интервал закрытого состояния вентиля, на центральных внутри полупериодов тактовых интервалах 60-120 и 240-300 эл.град, симметрично относительно середин пол упериодов формируют модулирующие сигналы управления, разноименные с соответствующим полупериодом управления, число которых последовательно уменьшают с ростом выходной частоты 45 преобразователя Г, причем, генерирование указанных модулирующих сигналов производят в серединах тактовых подинтервалов с продолжительностью т, внутри каждого тактового интервала начало первого из под интервалов и конец последнего из них синхронизируют, соответственно с началом и концом тактового интервала, формирование каждого 1-го от начала (и от конца) до середины тактового интервала модулирую щего сигнала управления осуществляют при изменении выходной частоты преобразователя от Го до грани гной частоты Г, при этом в номинальном режиме работы на поддиапазонах выходных частот, при которых ГзГг6 Ео И(Й - 1) Мзначения граничных частот Г и Е, переходных от одного поддиапазона регулирования к другому, определяют как 3 з 3где Х= -О/2+ 10; У=О = (И+1) Я/3 - Т - 2(8+1)/27;Р = Я - (И+1) /3;О =(Р/3) +(О/2)при этом,при определении Г Ф И и определении Г 1: Кй21 1 1 К) й й -81 1 - Кри атом, при Еэ Д=т -1/6 Г - 1/6 Г 2, Способ по п.1; о т л и ч а ю щ и й с я тем, что в диапазоне выходных частот преобразователя Г - МГо продолжительность т тактовых подинтервалов принимают равной г/12 Г, при этом значение граничной частоты Г для конкретных М и К выбирают в соответствии с номограммой, представленной на фиг.5.3. Способ по п,2, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью улучшения спектрального состава выходного напряжения преобразователя на всем диапазоне регулирования, формируют внутри интервалов 0-30, 1501нГ+1 (ГЕ Г+) продолжительность А всех модулирующих сигналов управления определяют как3 Ж Ъ ,й)1 1 1а на частотных поддиапазонах, на которых Е ГГ, наряду с основным массивом модулирующих сигналов управления с продолжительностью А в серединах тактовых интервалов формируют центральный модулирующий сигнал с длительностью о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью ограничения средней частоты коммутации вентилей преобразователя, на уровне Ео/К(К 1) на всем диапазоне регулирования длительность т тактовых подинтервалов изменяют в соответствии с зависимостью180, 180 - 210, 330 - 360 зл.град, дополнительные модулирующие сигналы управления, при этом местоположения ближних к границам полупериодов фронтов дополнительных модулирующих сигналов управления определяют путем сдвига на + 60 эл.град. ближних к серединам полупериодов фронтов соответствующих главных модулирующих сигналов управления с продолжительностью Л, при этом длительность у дополнительных модулирующих сигналов управления определяют в соответствии с соотношениему = агад 21 где К - номер исключаемой из спектра выходного напряжения паразитной гармоники,1 1 для частотных поддиапазонов ГГГн 1,1а также при ИГ,ГГ 2:11 г 1( - т - Л), лА = 4 зи зи - . - 31 п- - ,2т . т+Л)5 2 23В =4 з 1 п соз --- - з 1 п - - ;.1 кг МЛ К,7 тС =4 з 1 п - з 1 п - соз2 2 6л 1 т ст 1 г,соз М---- з 1 п - зи - ;6 2 3 2,10 а для частотных поддиапазонов ГГГА = 4 зи 2 31 п 2 . 31 п 3г )В =4 з 1 п 2 соз 2 з 1 пх) (хх-ф 1 к315 11 х МЛ 1 лС =4 з 1 п з 1 п - соз2 2 61 ю 1(л с гх соз К---- зп з 1 п - +6 2 3 21 сж л (21 - 1)т Л 1 сг20 +2 соз 6 3 и 1 с 6 - 2 2 з 1 п. О( 2 с.й 2 Язг Х а Фиг дСоставитель В.Олещ едактор Т.Иванова Техред М,Моргентал тор Л фи Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул,Гагарина, 1 аказВН 9 ТиражПИ Государственного комитета по изо113035, Москва, Ж, Р Подписноеетениям и открытиям при ГКНТ СССР ская наб., 4/5