Способ управления инвертором напряжения

(19 М 748 1)4 г ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН К АВТОРСКОМ ИДЕТЕЛЬСТВУ ен иостотехническ Ьще во СССР8 1979.НВЕРТОРО И ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(71) Новосибирский электр ий институт(56) Зиновьев Г.С., Попов В.И. Анализ одного из способов управления инвертором напряжения. - Сб.: Устройства преобразовательной техники, вып. 4, Киев, 1970.Авторское свидетельстУ 661714, кл. Н 02 М 7/4(57) Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в многофазных инверторах напряжения, предназначенных для частотно-регулируемого электропривода. Целью изобретения является снижение коэффициента гармоник обобщенного вектора выходного напряжения и повышение линеаризации передаточной характеристики: первая гармоника обоб.щенного вектора выходного напряжения - модулирующее напряжение. В способе управления инвертором напряжения, где происходит формирование двух последовательностей импульсов управл ия вентилями инвертора, длительь которых модулирована по синусоидальному закону с периодом модуляции, равным одной шестой части периода выходного напряжения, формирование импульсов управления двумя фазами инвертора из указанных последовательностей происходит путем их циклической перестановки через одну шестую часть периода выходного напряжения, формирование импульсов управления для третьей фазы - непрерывно в течение периода модуляции, причем в качестве третьей - пассивной - фазы используется каждая из фаз инвертора поочередно, в каждом периоде выходного напряжения формируют моменты окончания более широких импульсов управления в одной из.двух фаз инвертора по условию равенства нулю сигнала, подвергнутого пропорционально- интегрально-дифференциальному преобразованию и образованного разностью большего по модулю мбдулирующего сигнала и сигнала, полученного путем вычисления корня квадратного из суммы возведенных в квадрат напряжений, одно из которых пропорционально фазному напряжению инвертора, а второемеждуфазному напряжению двух его других фаз, деленному на ГЗ. 4 ил.Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в многофазных инверторах напряжения, предназначенных для5 частотно-регулируемого электропри" вода.Цель изобретения - снижение коэффициента гармоник обобщенного вектора выходного напряжения и повышение линеаризации передаточной характеристики: первая гармоника обобщенного вектора выходного напряжения - модулирующее напряжение.На фиг.1 представлена блок-схема 15 устройства, реализующая предлагаемый способ; на фиг.2 - блок-схема распределителя импульсовф на фиг.3 - таблица, поясняющая ра.боту распределителя импульсов; на фиг.4 - диаграммы, 29 поясняющие способ управления и работу устройства, реализующего данный способ.1Устройство для управления инвертором напряжения содержит генератор 1 25 модулирующих напряжений, генератор 2 опорного напряжения, делитель 3 частоты, задающий генератор 4, датчик 5 цикла, выпрямитель 6, переключатель 7 кратности, содержащий блок 8 пере- ЗО ключения генератора опорного напряжения, измерительный блок 9, блок 10; увеличения кратности и блок 11 уменьшения кратности, первый блок 12 сравнения, второй блок 13 сравнения, третий блок 14 сравнения, четвертый блок 15 сравнения, первый элемент И 16, первый элемент НЕ 1, второй элемент И 18, триггер 2 19, триггер У 20, второй элемент. НЕ 21, третий элемент 40 НЕ 22, распределитель 23 импульсов, первый датчик 24 напряжения, второй датчик 25 напряжения, первый перемножитель 26, второй перемножитель 27, первый сумматор 28, блок 29 извлече ния квадратного корня, второй сумматор 30, ПИД регулятор 31.Задающий генератор выходом подключен к входу делителя частоты, соответствующие разряды делителя частоты подключены к входу генератора модулирующих напряжений, другие разряды делителя частоты соединены с входами генератора опорного напрйжения, датчик цикла входом соединен с выходом генератора модулирующих напряжений, выпрямитель двумя входами соединен с выходом 2 и У генератора модулирующих напряжений, измерительный блок входом соединен с одним из выходов, генератора опорного напряженияодним из выходов - с одним из входов блока переключения генератора опорного напряжения и одним из входов блока увеличения кратности, другой выход измерительного блока подключен к одному из входов блока уменьшения кратности и одному из входов блока переключения генератора опорного напряжения, выход блока увеличения кратности соединен с одним из управляющих входов блока переключения генератора опорного напряжения, выход блока уменьшения кратности соединен с другим управляющим входом блока переключения генератора опорного напряжения, пять выходов блока переключения генератора опорного напряжения соединены с соответствующими пятью входами генератора опорного напряжения, к выходу задающего генератора подключены другие входы блока увеличения кратности и блока уменьшения кратности, первый блок сравнения одним из входов подключен к выходу генератора опорного напряжения, а другим входом - к выходу 2 генератора модулирующих напряжений, второй блок сравнения одним из входов подключен к выходу генератора опорного напряжения, а другим - к выходу У генератора модулирующих напряжений, третий блок сравнения двумя входами соединен с выходами 2 и У генератора4модулирующих напряжений, первый элемент И подключен одним из входов к выходу четвертого блока сравнения, а другим - к выходу третьего блока сравнения, первый элемент НЕ входом подключен к выходу третьего блока сравнения, второй элемент И подключен одним из входов к выходу четвертого блока сравнения, а другим входом - к выходу первого элемента НЕ, триггер 2 одним из входов подключен к выходу первого блока сравнения, а другим - к выходу первого элемента И, триггер У одним иэ входов подключен к выходу второго блока сравнения, а другим - к выходу второго элемента И, второй элемент НЕ входом подключен к выходу триггера 2, третий элемент НЕ входом подключен к выходу триггера У, распределитель импульсов подключен входом 2 к выходу триггера 2, входом 2 - к выходу второго элемента НЕ, входом У - к выходу третьего элемента НЕ, входом У - к выходу триггера У, остальные шесть входов распределителя импульсов соединены с шестью выходами датчика цикла, соответственно инвертор 32 напряжения шестью управляющими входами соединен с шестью выходами распределителя импульсов, .трехфазная нагрузка 33 соединена тремя входами с соответствующими выходами инвертора напряжения, первый датчик напряжения одним из входов подключен к фазе А нагрузки, другим входом-к "нулю" нагрузки, второй датчик напряжения одним из входов соединен с фазой В нагрузки, другим входом - с фазой "С" нагрузки, первый перемножитель подключен входом к выходу первого датчика напряжения, второй перемножитель подключен входом к выходу второго датчика напряжения, первый сумматор одним из входов подключен к выходу первого пере- множителя, а вторым входом -к выходу второго перемножителя, блок 25 извлечения квадратного корня входом соединен с выходом первого сумматора, а выходом - с одним из входов второго сумматора, второй вход второго сумматора подключен к выходу вып рямителя, вход ПИД регулятора соединен с выходом второго сумматора, а выход регулятора подключен к входу четвертого блока 1 сравнения, Распределитель импульсов содержит 12 двух 35 входовых элементов И 34-45, три элемента НЕ 46-48, триятивходовых элемента ИЛИ 49-51. Один из входов элемента И 34 соединен с первым выходом датчика 5 циклов, другой - с выходом 40 триггера 2 19, один из входов элемента И 35 соединен с третьим выходом датчика 5 циклов, другой - с выходом триггера У 20, один из входов элемен.та И 36 соединен с выходом первого элемента НЕ 21, другой - с четвертымвыходом датчика 5 циклов, один из входов элемента И 37 соединен с выходом второго элемента НЕ 22, другой - с шестым выходом датчика 5 циклов, один 50 из входов элемента И 38 соединен с выходом второго элемента НЕ 22, другой - с вторым выходом датчика 5 циклов, один иэ входов элемента И 39 соединен с выходом триггера 2 19, другой - с третьим выходом датчика 51 циклов, один иэ входов элемента И 40 соединен с выходом триггера У 20, другой - с пятым выходом датчика 5 циклов, один из входов элемента И 41 соединен с выходом первого элемента ИЕ 21, другой в .с шестым выходом датчика 5 циклов, один из входов элемента И 42 соединен с выходом триггера 2 19, другой - с первым выходом датчика 5 циклов, один из входов элемента И 43 соединен с выходом первого элемента НЕ 21, другой - с вторым вы-, ходом датчика 5 циклов, один из входов элемента И 44 соединен с выходом второго элемента НЕ 22, другой - с четвертым выходом датчика 5 циклов, один из входов элемента И 45 соединен с выходом триггера 2 19, другойс пятым выходом датчика 5 циклов, элемент ИЛИ 49 своими входами подключен соответственно к выходам элементов И 34-37 и второму выходу датчика 5 циклов, элемент ИЛИ 50 своими входами подключен соответственно к выходам элементов И 38-41 и четвертому выходу датчика 5 циклов, элемент ИЛИ 51 своими входами подключен к выходам элементов И 42-45 и шестому выходу датчика 5 циклов, выход элемента ИЛИ 49 соединен с входом элемента НЕ 46 и соответствующим входом инвертора 32 напряжения, выход элемента ИЛИ 50 соединен с соответствующим входом инвертора 32 напряженияи входом элемента НЕ 47, выход элемента ИЛИ 51 соединен с соответствующим входом инвертора 32 напряженияи с входом элемента НЕ 48, выходыэлементов НЕ 46-48 соединены с соответствующими входами инвертора напряжения.Способ управления можно понять, рассмотрев работу устройства.Период модулирующего напряжения (а значит и выходного напряжения инвертора) разбит на шесть равных частей, как показано на фиг.4. Если задать форму модулирующего напряжения только на одной шестой части периода во .всех трех фазах (кривые Х, У, 2 на первом участке фиг.4), то напряжение на остальных участках получается путем циклической перестановки через одну шестую часть периода кривых Х, У, 2. Очередность следования заданных кривых модулирующего напряжения по участкам для всех фаэ приведена на фиг.З.В действитеЛьности кривая модулирующего напряжения синусоидальной формы в явном виде не синтезируется1394374 из укаэанных участков, а форма модулирующего напряжения, используемого в системе, имеет вид Е, 7 (фиг.4).В данном случае используются два5 модулирующих напряжения Е, У (фиг.4), так как модулирующие напряжения образуют уравновешенную систему (при соединении трехфазной нагрузки в звезду без нулевого провода), то третье модулирующее напряжение получается как результирующее от первых двух. Для обеспечения симметрии в качестве пассивной фазы используется каждая из фаз по очереди (фиг,З). Знак "-" в таблице (фиг.З) означает, что в вентильной группе фазы включаются вентили, обеспечивающие формирование отрицательного напряжения на выходе.Задающий генератор 4 генерирует импульсы, частота которых пропорционально задает частоту выходного напряжения. Задающий генератор 4 запускает делитель 3 частоты. Разряды 1- 5 делителя 3 частоты используются для формирования опорного пилообразного напряжения (фиг.4), разряды 4-7 - для формирования модулирующих напряжений Е и У.30Генератор 1 модулирующих напряже" ний работает следующим образом. Импульсы с разрядов 4- делителя 3 частоты поступая на вход, генератора 1 модулирующих импульсов, запускают его счетчики, у которых коэффициент счета установлен в зависимости от 35 формы напряжения, которую желательно получить на выходе. Сигналы с выходов счетчиков поступают на входы цифроаналоговых преобразователей, которые поступающую информацию в двоичном коде преобразуют в сигнал аналоговой формы, соответствующий посту. пающему двоичному коду на входы цифроаналоговых преобразователей. Изменение сигнала по длительности на выходе цифроаналоговых преобразователейосуществляется с помощью изменения длительности импульсов, поступающих от задающего генератора 4 через делитель 3 частоты. Изменение модулирую щих сигналов по амплитуде осущест" вляется с помощью изменения опорного напряжения цифрсаналоговых преобразователей.С выхода генератора 1 модулирую" 55 щих напряжений снимается сигнал, равный по длительности циклу (цикл равен одной шестой части периода выход 6ного напряжения). По времени этот сигнал совпадает с первым циклом модулирующего напряжения.Этот сигнал с выхода генератора 1 модулирующих напряжений поступает на вход датчика 5 цикла, где происходит формирование на его шести выходах сигнала, равного по длительности циклу, но сдвинутому на один цикл вправо относительно предыдущего выхода.Генератор 2 опорного напряжения работает следующим образом. Импульсы с разрядов 1-5 делителя 3 частоты, поступая на вход генератора 2 опорного напряжения, попадают на вход пяти элементов И. На вход счетчика проходят импульсы того разряда делителя 3 частоты (разряды 1-5) через элемент И, у которого на втором входе присутствует сигнал с блока 8 переключения генератора опорного напряжения. Импульсы с выхода элемента И запускают счетчик генератора опорного напряжения, с выхода которого сигнал поступает на вход цифроаналогового преобразователя. Длительность пилы определяется частотой импульсов, поступающих на вход счетчика, Сигнал в двоичном коде с выхода счетчика поступает на вход цифроаналогового преобразователя, который преобразует поступающую на его вход информацию в информацию в аналоговом виде на его выходе.Переключатель кратности работает следующим образом. Напряжение с генератора 2 опорного напряжения, равное длитепьности одной ступеньки пилы, поступает на вход измерительного блока 9, где сравнивается с эталонными импульсами, вырабатываемыми одновибраторами измерительного блока, Импульсы, вырабатываемые одновибраторами, имеют разную длительность - ш и и (длительность импульсов й и и (и ) ш) зависит от желаемой частоты переключения).Если длительность ступеньки пилы больше длительности импульса и, то на выходе измерительного блока 9, который соединен с блоком 11 уменьшения кратности, появляется сигнал (на другом выходе сигнал отсутствует). Такая комбинация сигналов на входах блока 11 уменьшения кратности и блока 10 увеличения кратности,разрешает прохождение тактовых импуль-, сов задающего генератора 4 через блоки уменьшения кратности 11 и увеличения кратности 10 на один из входовблока 8 переключения генератора.Кроме того, та же комбинация присутствует на других входах блока 8 переключения генератора опорного напряжения (управляющих входах регистрасдвига), что соответствует сдвигуимпульса, находящегося в регистресдвига на один такт вправо (что соответствует уменьшению кратности).Если длительность ступеньки пилыменьше длительности импульса ш, тона выходе измерительного блока, который соединен с блоком 11 уменьшения кратности, сигнала не будет, ана другом выходе измерительного блока 9 появится сигнал. Такая комбинация сигналов на входах блоков 11,и 10 разрешает прохождение тактовыхимпульсов от задающего генератора 4через блоки 11 и 10 на один из входов блока 8 (тактовый вход). Такжекомбинация присутствует на другихвходах блока 8 переключения генератора опорного напряжения (управляющих входах регистра сдвига), что соответствует сдвигу импульса, находящегося в регистре сдвига на один тактвлево (что соответствует увеличениюкратности).Если длительность ступеньки пилыменьше длительности импульса п, нобольше длительности импульса ш, тона обоих выходах измерительного блока З 59 сигнал отсутствует. Такая комбинация .запрещает прохождение тактовыхимпульсов от задающего генератора 4через блоки 11 и 10 на один из входов40блока 8, что приводит к запоминаниюинформации на выходе блока 8 и переключения кратности не происходит.Таким образом, видно, что переключатель 7 кратности поддерживает опре 45деленное соотношение частот выходныхнапряжений генератора 2 опорного напряжения и генератора 1 модулирующихнапряжений в зависимости от значениявыходной частоты инвертора напряжения так, что частота коммутаций изменяется в ограниченном диапазоне приизменении выходной частоты в заданномдиапазоне,Два выработанных модулирующих напряжения 2 и У совместно с вырабаты ваемым в генераторе 2 опорного напряжения опорным пилообразным напряжением поступают в первый блок 12 сравне ния и второй блок 13 сравнения. Первый блок 12 сравнения вырабатываетпрямоугольные импульсы по моментамсовпадения модулирующего напряжения2 и пилообразного опорного напряжения. Второй блок 13 сравнения вырабатывает прямоугольные импульсы (фиг.4)по моментам совйадения модулирующегонапряжения 1 и пилообразного опорного напряжения. Причем задний фронтболее широкого импульса каждой последовательности 2 и У модулирован по определенному закону - синусоидальности первой гармоники обобщенного вектора выходного напряжения. Модуляция осуществляется в течение каждого такта модулирующего напряжения для достижения наибольшего быстродействия и точности работы устройства. Обобщенный вектор напряжения можно определить какцв- цц = ц + ц: ц+," - ццв+3МЗгдец - модульО = Й + ц 2: ци + П 3Ы в АСогласно формуле модулявектора (1) сигнал 10 фследующим образом.Инвертор напряжения на нагрузке(Фиг.1) формирует трехфазное синусоидальное напряжениеПервый датчик24 напряжения вырабатывает сигнал, пропорциональный фазному напряжениюна нагрузке ц. Второй датчик 25 напряжения вырабатывает сигнал, пропорциональный линейному напряжению ц . Первый перемножитель 26 возводит в, квадрат поступающее на его вход напряжение ц, пропорциональное фазному напряжению на нагрузке. Возведенное в квадрат напряжение ц поступает на один из входов первого сумматора 28. Второй перемножитель 27 возводит в квадрат и делит на три поступающеена его вход напряжение ц , пропорциональное линейному напряжению наца(1)обобщенногоормируется ыхо е, напр яжение жителя 27 сумматор на етеупа-яже. -второго перемн на вход первог складывается с ющим напряжен ний ц + ц, /3 первого суммат извлечения квад происходит изв поступ 28, г но пос одновремеем Цд. Су поступает ра на вхо ап выхблок г ратного к ечение котупившего напряжения У + 02 /3. С выхода блока извлечения квадратного 1карня напряжение а ое Ф Пе /3 постуА Вспает на один из входов второго сумматора 30, на другой вход которого поступает с выпрямителя 6 огибающая напряжений 1, Е 01(фиг.4). Огибают щая напряжений получается путем выпрямfения выпрямителем 6 модулирую щих напряжений У, Е.С выхода второго сумматора 30 снимается разность поступивших напряжеСинхроимпульсы с вых И 16 поступают на один и триггера Е 19 и синхрони работу так, что триггер ода элемента.55з входов зируют его 19 переключании П у где П А всНапряжение, равное разности 0 - 1 т, снимается с выхода второго сумматора 30 и подается на вход регулятора 31, где оно сглаживается и затем по,дается на вход четвертого блока 15 сравнения, где происходит сравнение преобразованного по закону ПИД (про- порционально-интегрально-дифференциального)-регулятора разности 0 - 0 с нулевым уровнем. По моменту сравнения вырабатываются синхроимпульсы, которые поступают на один из входов первого элемента И 16 и второго элемента И 18. На другой вход элемента И 16 поступают с третьего блока 14 сравнения селекторные импульсы, Первый элемент И 16 пропускает на свой вход те синхроимпульсы, которые по времени совпадают с селекторными импульсами.На другой вход элемента И 18 пос тупают с первого элемента НЕ 17 инвертированные селекторные импульсы. Элемент И 18 пропускает на свой выход те синхроимпульсы, которые по времени совпадают с инвертированными ф импульсами.Таким образом, импульсы, сформированные на выходе . элементов И 16 и И 18, получены в соответствии с синусоидальностью первой гармоники обоб щенного вектора напряжения. В дальнейшем эти импульсы используются для формирования импульсов управления инвертором напряжения, поэтому и выходное напряжение инвертора будет формироваться согласно синусоидальности первой гармоники обобщенного вектора напряжения.в ется в новое состояние с приходом,синхроимпульса.Аналогично синхроимпульсы с выходаэлемента И 18, поступая на входтриггера 7 20, синхронизируют его работу.Таким образом, происходит модуляция последовательностей импульсовЕ и 1 в соответствии с синусоидальностью первой гармоники обобщенноговектора выходного напряжения,Далее модулированные импульсы Еи 1 поступают на вход распределителя23 импульсов непосредственно, а также через элементы НЕ 21 и 22.Рассмотрим работу распределителя23 импульсов, Блок-схема представлена на фиг,2, Для простоты рассмотримработу лишь одной фазы - фазы А.Согласно таблице работы распределителя импульсов (фиг.З) на первыйвентиль инвертора напряжения должнапоступать последовательность, указанная в первой строке этой таблицы. Дляэтого используются элементы И 34-37и элемент ИЛИ 49.Сигнал на выходе элементов И 34-37присутствует тогда, когда одновременно на обоих входах элементов И естьсигнал, т.е. сигнал Е будет на выходе элемента И 34 тогда, когда на еевходах будет присутствовать циклоимпульс и сигнал Е. Таким образом, выборка нужного сигнала из последовательностей Е, Е, 1., 1 зависит от того, какой из циклоимпульсов пришелна вход элемента И. Также видно (перая строка таблицы фиг,З), что навтором цикле присутствует широкийимпульс - Ш, равный по длительностипришедшему импульсу цикла. Это говорит о том, что фаза А в этот моментвремени формируется автоматическиза счет фаз В и С. Элемент ИЛИ 49суммирует пришедшие на его входы последовательности с выходов элементовИ 34-37 и подает их на вентиль инвертора напряжения. Элемент НЕ 46 инвертирует последовательность импульсов,поступающую на его вход с выхода элемента ИЛИ 49 и подает ее на следующий вентиль инвертора напряжения.фазы В и С работают аналогично.Таким образом, напряжение на выходе инвертора напряжения, а соответственно и на нагрузке (фиг.4) формируется согласно синусоидальности первой гармоники обобщенного вектора вы13ходного напряжения, что приводит к снижению коэффициента гармоник обобщенноговектора и повышению линеариэации передаточной характеристики: первая гармоника обобщенного вектора выходного напряжения - модулирующее напряжение,формул а и э обре т е н и яСпособ управления инвертором напряжения, заключающийся в том, что формируют две последовательности импульсов управления вентилями инвертора, длительность которых модулируют по синусоидальному закону с периодом модуляции, равным шестой части периода выходного напряжения, импульсы управления для двух Фаэ инвертора формируют из указанных последовательностей путем их циклической перестановки через одну шестую часть периода выходного напряжения, импульсы управления для третьей фазы Формируют непрерывно в течение периода модуляции, причем в качестве пассивной фазы используют каждую из фаз инвер ьныйфаэ инигнал, пропорцион апряжению одной и вертора 1Ус - сигнал, пропорциональныймеждуфаэному напряжению ддругих фаэ инвертора;20 У - больший по модулю модулирующий сигнал,формируют сигнал, указанный сигналподвергают пропорционально-интегрально-дифференциальному преобразованию 25 и по условию равенства нулю полученного сигнала формируют моменты окон"чания более широких импульсов управления в одной из фаз инвертора. вух 9437412тора поочередно в каждом периоде выходного напряжения, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью снижениякоэффициента гармоник обобщенного 5вектора выходного напряжения и повышения линеаризации передаточной характеристики; первая гармоника обобщенного вектора, выходного напряже ния - модулирующее напряжение, из ус"ловия 8 О/5 65 аказ одписное ВНИИПИ Государственн по делам изобретен3035, Москва, Ж, Р комитета ССС и открытииушская наб., д, 4 оиз