Устройство для управления трехфазным мостовым инвертором

Устройство для управления трехфазным мостовым инвертором фиг.1) сосодержит последовательно соединенные задающий генератор 1 и делитель 2 частоты, кольцевую пересчетную схему5 3, формирователь 4 несущих сигналов, Формирователь 5 модулирующих сигналов, распределитель б выходных сигналов, схему 7 переключения несущих сигналов, переключатель 8 кратности модуляции, блок 9 компараторов частоты и источник 10 задающего сигнала напряжения, при этом Формирователь 4 несущих сигналов содержит последовательно соединенные генератор 11 пилообразного напряжения и инвертирующий усилитель 12, выходы которых подключены к управляющим входам двух компараторов 13 и 14 напряжения соответственно, а задающие входы компараторов 13 и 14 объединены и подключены к источнику 10 задающего сигнала напряжения, формирователь 5 модулирующих сигналов содержит шесть элементов 2 И 15.115.6, схема 7 переклю" чения несущих сигналов содержит два элемента 2 И 16.1 и 16.2, переключатель 8 кратности модуляции содержит первый 17,1, второй 17.2, третий 17.3 элементы 2 И, соединенные выхода 30 ми через дифференцирующие схемы 18.118.6 с входами элемента бИЛИ 19, элемент 4 И 20, подключенный первым входом к первому входу первого элемента 2 И 1.1, вторым и третьим 35 входами к выходам второго элемента2 И 17.2 и четвертым входом к второ му входу второго элемента 2 И 17.2, элемент ЗИ 21, первый вход которого связан с первым входом элемента 4 И 40 20, второй вход с прямым выходом третьего элемента 2 И 17.3 и третий подключен к второму входу третьего элемента 2 И 17,3, четвертый элемент 2 И 22, первый вход которого связан с 45 первым входом элемента ЗИ 21, второй вход с вторым входом первого элемента 2 И 17.1, выходы элементов 4 И.20, ЗИ 21 и четвертого элемента 2 И 22связаны с входами элемента ЗИЛИ 23, 50 задающий генератор 1 соединен с бло- ком 9 компараторов частоты, выходы которого подключены к первым входам элементов 2 И 17.117.3, 22 переключателя 8 кратности модуляции, к 55 вторым их входам подключены выходы 24.;.26 промежуточных разрядов делителя 2 частоты, выходом старшего разряда подключенного к входу кольцевойпересчетной схемы 3, выход элемента 6 ИЛИ 19 переключателя 8 кратности модуляции подключен к тактовому входугенератора 11 пилообразного напряжения формирователя 4 несущих сигналов, при этом выходы компараторов 3 и 14 формирователя 4 несущих сигналов соединены с первыми входами элементов 2 Й 16.1 и 16,2 соответственно схемы 7 переключения несущих сигналов, вторые входы которых подключенык выходам элемента ИЛИ 23 переключателя 8 кратности модуляции, выходы элементов 2 И 16,1 и 16,2 схемы 7 переключения несущих сигналов подключены к первой группе входов распределителя 6 выходных сигналов, вторая группа его входов соединена с выходами шести элементов 2 И 15.1 15.6Формирователя 5 модулирующих сигналов,подключенных входами к выходам кольцевой пересчетной схемы 3, приэтом выходы 27..32 распределителя 6 выходных сигналов предназначены для подключения к управляющим входам трехфазного мостового инвертора.На Фиг.2 обозначены; 33 - сигнал на выходе задающего генератора 1, 3436 - сигналы на выходах 26, 25, 24 промежуточных разрядов делителя 2 частоты, 37 - тактовые сигналы на выходе элемента 6 ИЛИ 19 переключателя 8 кратности модуляции, 38 - сигнал на выходе инвертирующего усилителя 12 формирователя 4 несущих сигналов,39 - сигцал на выходе генератора 11 пилообразного напряжения Формирователя 4 несущих сигналов, 40- сигнал на выходе источника 10 задающего напряжения, 41 - сигнал на прямом выходе элемента ЗИЛИ 23 переключателя 8 кратности модуляции, 42- сигнал на выходе компаратора 14 напряжения формирователя 4 несущих сигналов, 43 - сигнал на выходе компаратора 13 напряжения формирователя 4 несущих сигналов, 44 - сигнал на выходе элемента 2 И 16,2 схемы 7 переключения несущих сигналов, 45 - сигнал на выходе элемента 2 И 16.1 схемы 7 переключения несущих сигналов, 4651 - сигналы на выходах элементов 2 И 15,1 15.6 Формирователя 5 мо-,дулирующих сигналов, 5259 - моменты времени, соответствующие О, 60, 120, 180, 240, 300, 360, 420 эл.град, Фазного напряжения ин14695 5вертора. 6064 - моменты времени, соответствующие переключению силовых вентилей на интервале О эл.град 65 - момент переключения кратности модуляции.На фиг.З обозначены; 6568 - сигналы на выходах 2729 соответственно распределителя 6 для подключения к управляющим входам силовых вентилей анодной группы трехфазного мостового инвертора, 69.,71 сигналы на выходах 3032 соответственно распределителя б для подключения к управляющим входам силовых 15 вентилей катодной группы трехфазного мостового инвертора, 72 и 73. - диаграммы фазного и линейного напряжения трехфазного мостового инвертора с предлагаемым устройством уп О равления.На фиг.4 обозначены: 74 - зависимость показателя эффективности К .от угла регулирования о трехфазно. го мостового инвертора с новым уст ройством управления, 75 - аналогичная зависимость для инвертора с. Известным устройством.. Задающий генератор 1 (фиг.1) выполнен на основе генератора переменной частоты, управляемого напряжени , ем или кодом, .делитель 2 частотына основе двоичных счетчиков иь- пульсов, кольцевая пересчетная схема 3 - на основе 3 К-триггеров распреФ35делитель б выходных сигналов - иа основе шести многофункциональных логических элементов 3-2 И-ЗИ-ИЛИ-НЕ, блок 9 компараторов частоты - на основе двухвходовых компараторов часто", ты,выполненньй, например, на реверсивных счетчиках, источник 10 задающего сигнала напряжения представляет собой. любой регулируемый источник постоянного напряжения.Устройство работает следующим образом.При работе устройства (фиг.1) на выходе задающего генератора 1 формируется последовательность 33 импульсов (фиг.2), определяющая частоту50 ,работы силовых вентилей инвертора. Указанная последовательность 33 импульсов поступает на вход делителя 2 частоты и вход блока 9 компараторов частоты (фиг.1),при этом на. выходах 2426 делителя 2 частоты формируются последовательности импульсов 36, 35, 34 (фиг.2), которые оп 33 6ределяют число тактовых интервалов в полупериоде выходного напряжения трехфазного мостового инвертора, рав- ное ГлК е тетт те тт ЯЭгде 1 = 1, 2, 3 - номер выходапромежуточного разряда делителя 2 частоты;Гч, - частота на одном из выходовпромежуточных разрядов делителя 2 частоты;Й- частота на выходе задающего генератора 1;М - наименьшее общее кратное числа импульсов в полупериодевыходного линейного напряжения,Последовательности 36, 35, 34 импульсов с выходов 24, 25, 26 делителя 2 частоты поступают на первыевходы элементов 2 И 17.117.3(фиг.1), на вторые их входы поступают сигналы с выходов блока 9 компараторов частоты, причем один изних, соответствующий рабочему диапазону для данной кратности модуляции,принимает значение лог."1", а осталь"ные - лог."О". На фиг.2 до момента65 сигнал "1" с выхода блока 9 компараторов частоты поступает на вход,элемента 2 И 17,2, на другой его входпоступает последовательность 35 кмпульсов с выхода 25 делителя 2 частоты, при этом на выходах элемента2 И 17,2 формируется прямая и инверсная последовательности импульсов, соответствующие последовательности 35.Далее обе указанные последовательности проходят через дифференцирующие схемы 183 и 18.4, где по ихпереднему фронту формируются короткиеимпульсы, объединяемые с помощьюэлемента бИЛИ 19 в последовательность 37, которая поступает на тактовый вход генератора 11 пилообразного напряжения, при этом на его выходе формируется пилообразное напряжение 39 (фиг.2).Обратное пилообразное напряжение38 формируется с помощью инвертирующего усилителя 12 (фиг, 1) при поступлении на его вход пилообразного напряжения 39 (фиг,2) с выхода генератора 11 пилообразного напряжения.Прямое 39 и обратное 38 пилообразные напряжения (фиг.2) поступают науправляющие входы компараторов 13 и 14, а на их задающие входы поступает сигнал 40 в виде регулируемого постоянного напряжения от источника 10 задающего напряжения. На выходах ,компараторов 13 и 14, которые работают как широтно-импульсные модуляторы, формируются две регулируемые по длительности последовательности 43, 42 несущих сигналов.При этом у последовательности 42 регулируется задний Фронт импульса, а у последовательности 43 - передний фронт. Регулируемая последовательность 42 с выхода компаратора ,14 поступает на первый вход элемента 2 И 16.2 схемы 7 переключения несущих сигналов,на второй вход которой поступает последовательность 41 с выхода элемента ЗИЛИ 23. Формирование последовательности 41 опреде ляется состоянием сигналов на Выходах блока 9, компараторов.частоты. Так, в рассматриваемый момент времени . на разрешающие входы элементов ЗИ 21 и 2 И 22 поступает уровень лог."0", а на разрешающий вход элемецта 4 И 20 уровень лог."1" с соответствующих выходов блока 9 компараторов часто" ты.Таким образом разрешается работа элемента 4 И 20, на другие входы которого поступают последовательность 35 и инверсная ей, а также последовательность Зб, что привсдит к получению на выходе элемента 4 И 20 последовательности 41,поступающей на один вход элемента ЗИЛИ 23. Эта последовательность 41 без искажений формируется на прямом выходе элемента ЗИЛИ 23, так как на другие, входы .Указанного элемента ЗИЛИ 23 поступают лог."0" с выходов элементов ЗИ 21 и 2 И 22.На выходе элемента 2 И 16,2 формируется последовательность 45 несущих импульсов с регулируемым задним фронтом. На выходе элемента 2 И 16. 1 Формируется последовательность 44 несущих импульсов с регулируемым передним Фронтом, которая образуется при поступлении на его входы последовательности 43 с выхода компаратора 13 напряжения и последовательности инверсной 41 и инверсного выхода элемента ЗИЛИ 23. Полученные таким образом последовательности 44, 45 имеют период повторения 60 эл.град. Они поступают на пер 45 5055 на йх запирание. Управление работой одновибраторов осуществляется с дополнительного выхода блока 9 компараторов частоты. При этом на заданном уровне выходной частоты происходит отключение одновибраторов и на первую группу входов распределителя6 выходных сигналов поступает напряжение лог."1", что приводит к формиРованию на выходах распределителя 6 выходных сигналов, соответствующих нерегулируемому инвертору со 180 эл.град. управлением.Обеспечение независимости формы кривой выходного напряжения От паВую ГРуппу входов распределителя 6выходных импульсов, на вторую группу его входов поступает последовательный набор импульсов 4651 длительностью каждый в 60 эл.грац. ис периодом повторения 360 эл.град,Указанный набор формируется с помощью кольцевой пересчетной схемы 3и логических элементов 2 И 15. 1 15.6формирователя 5 модулирующих сигналов. Полученные , наборы несущих 44,45 и модулирующих 4651 сигналовпозволяют получить на выходе распре делителя 6 выходных сигналов после"довательности 6671 (фиг.З) импульсов управления силовыми вентилями трехфазного мостового инвертора.Изменение кратности модуляции, т.е.20 изменение числа импульсов в полунериоде.выходного напряжения происхо"дит на фиг.2 в момент времени 65,когдачисло тактовых инвервалов и,следовательно, число импульсов в 25 полупериоде выходного напряжения на-.чинает определяться последовательностью 34.Для тиристорных инверторов необходимо вводить ограничение минимальной длительности импульсов или паузв выходном напряжении, что определяется временем, необходимым для восстановления запирающих свойств тиристора. В данном устройстве это можно РеализоВать с помощью дВух ОднОвибраторов, включаемых на выходахсхемыпереключения несущих сигналов. В случае, когда минимальнаяпауза в несущих импульсах становится, 40 меньше допустимой, на входы распределителя 6 выходных сигналов поступаютимпульсы одновибраторов с норми"рованной для данного типа тиристоровпаузой для предоставления временираметров нагрузки осуществляется вустройстве следующим образом. На интервале импульса выходного напряжениявключают всегда три силовых вентиляразных групп (фиг.З, диаграммы 72,566, 68, 70, моменты времени 5260,61 и 62, 6353). На интервале паузы в выходном напряжении включаютвсегда три силовых вентиля однойгруппы (фиг,З, диаграммы 72, 66, 67,68, моменты времени 60 и 61, 62 и 63). При этом пауза образуется за счет замыкания накоротко всех фаз нагрузки через открытые вентили в двух фазах 15 и обратный диод в третьей фазе или открытый вентиль в одной фазе и обратные диоды в двух фазах в зависи- мости от коэффициента сдвига фазы(параметрбв активно.-индуктивной нагрузки) к одному из зажимов источника питания, Реализованный в уст ройстве принцип формирования паузы в выходном напряжении позволяет обеспечить независимость формы кри . вой выходного напряжения от параметров нагрузки в диапазоне изменения ее коэффициента сдвига фазы от единицы до нуля (О с соз ц 6 1).Улучшение гармонического состававыходного напряжения трехфазного мостового инвертора осуществляется в устройстве следующим образом. В моменты времени 52, 53, что соответ.ствует началу каждой шестой части периода выходного напряжения (фиг.2, диаграммы 4651),модуль фазного напряжения изменяется в одной фазе от1 2+ -- Е до + -- Е, а в другой - от3, 3 40,2 1- Е до --- Е (Е - напряжение3 3питания инвертора). Линейное напряжение, образованное путем, векторно го сложения Фазных напряжений, имеет в середине каждого полупериода импульс длительностью, превышающей в два раза длительность любого другого импульса линейного напряжения (фиг.3,50 диаграммы 72, 73, интервал 6364). Особенность Формирования линейного напряжения состоит также в том, что модуляция длительности среднего импульса линейного напряжений осуществляется перемещением переднего и заднего фронта импульса (фиР.З, диаграмма 73, моменты времени 63 и 64).Проведены расчеты гармонического состава выходного напряжения трехФазного.мостового инвертора, реализующего в данном устройстве управления формирование импульсов управления силовыми вентилями в соответствии с диаграммами 6671. Амплитуды высших гармоник выходного напряжения инвертора определяются выра" жением м (соя Е 1 соз Ег) р мЙ + Ж 1Кт(2)- показатель эффективности;- амплитуда напряжениявысшей гармоники вотносительных единицах;- коэффициент использования напряжения источника питания; - амплитуда первой гармоники номинального где КэБ = П/Е Кцл 111 и Е выходного напряжения,- номер наибольшей учитываемой гармоники,. знаки -" и "+л относятся соответственно к гармоникам прямой и обратной последовательности.Показатель эффективности К ха 9 рактеризует влияние несинусоидальногде й(с, ) - начало (конец) п-гоимпульса;- номер высшей гармоники;ш - число импульсов в полупериоде линейного напряжения.Общая оценка влияния несинусоидальности напряжения на работу регулируемого асинхронного двигателя производится по формфактору потерь и КПД.Используется составляющая форм- фактора, оцениваяющая несинусоидальность напряжения питания асинхронного двигателя, которая с учетом коэффициента использования напряжения источника питания, конечного числа гармоник и отсутствия в выходном напряжении инвертора гармоник, кратных трем, имеет видго напряжения на увеличение потерь и снижение КПД асинхронного двигателя, питаемого от трехфазного мостового инвертора с широтно-импульс 5 ной.модуляцией.Проведен расчет показателя эффек" тивности для системы трехфазный мостовой инвертор - асинхронный двигатель реализующий в данном устройстве управления ШИН в соответствии с диаграммами 6673. На фиг.4 (кривая 74) приведена зависимость показателя эффективностиот угла регулирования Ы для Е Р18, Ь = 41 (Е - тактовая частота, Р - выходная частота).Для известного устройства, реализующего в трехфазном мостовом инверторе ШИМ по прямоугольному закону, произведен расчет показателя эффективности, при этом амплитуды высших 1гармоник определяются по выражению4 Е, в 1 п се/3Б = вдп 1 ссв ь.п --ЕНа фиг.4 (кривая 75) приведена зависимость К (Ы)при Е/Р = 18, 1 = 41 дляинвертора с известным устройством управления.Из анализа результатов расчетов и зависимостей (кривые 74 и 75) сле"- дует, что предлагаемое устройство управления позволяет улучшить гар моническийсостав выходного линейного напряжения трехфазного мостового инвертора за счет снижения амплитуд низших из высших гармоник при регулировании. Например, К снижа ется от 2, 1 до 1,7% при с = О,8; от 4,2 дб 3,0% при с = 0,6; от 24,8 до 6,0% при с = 0,2.Формула изобретения 45Устройство для управления трехФазным мостовым инвертором, содержащее последовательно соедипенные задающий генератор частоты Е ,.- 50 Е з . делитель частоты, кольце"мс ксвую пересчетную схему, формирователи несущих и модулирующих сигналов, распределитель выходных сигналов, схему переключения несущих сигналов 55 и переключатель кратности модуляции, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что с целью улу шенин гармоническо- его состава и обеспечения независимости Формы выходного напряжения от параметров нагрузки в широком диапазоне регулирования, оно снабжено блоком компараторов частоты с тремя выходами и источником задающего сигнала напряжения, причем формирователь несущих сигналов содержит последовательно соединенные генератор пилообразного напряжения и инвертирующий усилитель, выходы которых подключены к управляющим входам двух компараторов напряжения, а задающие входы компараторов объединены и подключены к источнику задающего сигнала напряжения, формирователь модулирующих сигналов содержит шесть элементов 2 И,схема переключения не-сущих сигналов содержит два элемента 2 И, переключатель кратности модуляции содержит первый, второй, третий элементы 2 И, соединенные выходамичерез дифференцирующие схемы с. входами элемента 6 ИЛЙ, элемент 4 И, подключенный первым входом к первому 1 входу первого элемента 2 И, вторыМ и третьим входами - к выходам второго элемента 2 И и четвертым входом - к второму входу второго элемента 2 И, элемент ЗИ, первый вход которого связан с первым входом элемента 4 И, второй вход - с прямым выходом третьего элемента 2 И и третий подключен к второму входу третьего элемента 2 И,четвертый элемент 2 И,первый вход которого связан с первым входом элемента ЗИ, второй вход - с вторым входом первого элемента 2 И, выходы элементов 4 И, ЗИ и четвертого элемента 2 И связаны с входами элемента ЗИЛИ, делитель частоты имеет три промежуточных выхода с частотами , Е ач; и коэффициентами деления с 1; и выход старшего разряда с коэффициентом деления Й, причем отношение коэффициентов деления с 1;/с 11/2, где с 1; = Ез, /Е 4 ч, И; И - наименьшее общее кратное коэффициентов деления делителя частоты, задающий ге нератор соединен с блоком компараторов частоты алгоритм у. выхрдов которого определен соотношениему ЗГмакс / 1 З,с У 1лакс /с 1ЕЗ.г при этом соответствующие указанному соотношению -е выходы делителя частоты и блока компараторон частоты3 346 подключены соответственно к первым и вторым входам элементов 2 И пере- ключателя кратности модуляции, выход старшего разряда делителя частотыподключен к входу кольцевой пере- счетной схемы, выход элемента 6 КПИ . переключателя кратности модуляции подключен к тактовому входу генератора пилообразного напрякения формирователя несущих сигналов, выходы компараторов формирователя несущих сигналов соединены с первыми входами элементов 2 И схемы переключения несущих сигналов, вторые входы которых 9533 14подключены к выходам элемента 3 ИЛИ переключателя кратности модуляции, выходы элементов 2 И схемы переключения несущих сигналов подключены к первой группе входов распределите ля выходных сигналов, вторая группа его входов соединена с выходами шести элементов 2 И формирователя модулирующих сигналовподключенных входами к выходам кольцевой пересчетной схемы, а выходы распределителя выходных сигналов предназначены дляподключения к управляющим входамтрехфазного мостового инвертора.1469533 Составитель В.БунаковРедактор Т.Лазоренко Техред М.Ходанич Корректор В.Гирня раж 645 Заказ 1363/56 пнсно ГКНТ СССР НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям 13035, Москва, Ж, Рауаская наб., д. 4/5 издательский коибина оизводственн З О/ фПатент", г. Уагород, ул. Гагарина, 101