Способ управления трехфазным непосредственным преобразователем частоты

 

Изобретение относится к электротехнике , а именно к .преобразова тельной технике, и предназначено для управления преобразователями частоты автоматизированных электроприводов переменного тока с широким диапазоном регулирования скорости. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем обеспечения регулирования амплитуды без искажения формы огибающей выходного напряжения преобразователя. Для этого формируют третью дополнительную импульсную последовательность частотой, в целое число раз большей частоты модуляции эталонных импульсных последовательностей , и, регулируя длительность импульсов последовательности Цщир управляют амплитудой напряжения на выходе преобразователя, 9 ил. с (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (50 4 Н 02 M 5 22

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К д ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

j

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4103126/24-О7 (22) 18.08.86 (46) 23.02.88. Бюл. У 7 (71) Вологодский политехнический институт (72) В. Л. Грузов, Н. А. Левашов и Ю. M. Натариус (53) 621.316.727(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1095344, кл. Н 02 Р 13/30, 1984.

Авторское свидетельство СССР

У 1292137, кл. Н 02 M 5/22, 1984. (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТРЕХФАЗНЫМ

НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ

ЧАСТОТЫ (57) Изобретение относится к электротехнике, а именно к -преобразова„„SU„„1376189 А1 тельной технике, и предназначено для управления преобразователями частоты автоматизированных электроприводов переменного тока с широким диапазо, ном регулирования скорости. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем обеспечения регулирования амплитуды без искажения формы огибающей выходного напряжения преобразователя. Для этого формируют третью дополнительную импульсную последовательность 11щ„р частотой, в целое число раз большей частоты модуляции эталонных импульсных последовательностей, и, регулируя длительность импульсов последовательности .

U » управляют амплитудой напряжения на выходе преобразователя. 9 ил.

1376189

Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразовательной технике, и может быть использовано для управления преобразователями автоматизированных электроприводов переменного тока с широким диапазоном регулирования скорости.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем обеспечения регулирования амплитуды без искажения формы огибающей выходного напряжения преобразователя.

На фиг. 1 и 2 приведены диаграммы 15 формирования основных импульсных последовательностей управления группами ключей фаз при = 30 эл.град; на фиг. 3 и 4 - то же, при

= 75 эл.град; на фиг. 5 и 6 — диаграм-20 мы формирования линейных напряжений нагрузки; на фиг. 7 - схема преобразователя; на фиг. 8 - схемы замещения системы НПЧ-нагрузка на интервалах проводимости фаз; на фиг. 9 †... 25 функциональная схема системы. управления НПЧ.

Преобразователь содержит (фиг. 7) полностью управляемые ключи 1-9 с двусторонней проводимостью, трехфаз- 30 ный мост на полностью управляемых ключах 10-15, шунтированных диодами

16-21.

Функциональная схема системы управления (фиг. 9) содержит управляемый генератор 22, выполненный на генераторе 23 тактовых импульсов и управляемом кодом делителе 24 частоты, делители 25 и 26 частоты, распределитель 27 импульсов., программируемое 40 постоянное запоминающее устройство

28, широтно-импульсный регулятор 29. состоящий из первого 30 и второго 31 счетчиков и триггера 32, датчики 3335 тока, формирователь 36 реальных 45 участков проводимости групп ключИ, формирователь 37 основных управляющих импульсов групп ключей фаз, формирователь 38 импульсов управления дополнительными. ключами, формирователь .39 дополнительных управляющих импульсов групп ключей 39, элементы

НЕ 40, блок 41 синхронизации, формирователь 42 управляющих импульсов ключей фаз.

Согласно способу формируются входные сигналы о(, (фиг. 9) в виде кодов эквивалентных чисел и определяющие выходную частоту преобразователя.

Этими сигналами устанавливается частота импульсной последовательности на выходе управляемого генератора, которой тактируется работа всей системы управления. На выходах распределителя- импульсов формируется шесть импульсных последовательностей Р„, P

Р » Р-, P>» Р- (фиг. 1 4) с длительностью импульсов, равной Т, и сдвинутых друг относительно друга на угол Т /3 по выходной частоте, Длительности этих импульсов определяют зоны проводимости групп ключей фаз на полупериодах выходного напряжения и на интервалах этих импульсов формируются выходные напряжения преобразователя.

В программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) записаны шесть эталонных импульсных. последовательностей М, М, М, М-, М » Мс длительностью импульсов 4 7T/3, сдвинутых друг относительно друга на угол Т/3 и модулированных методом широтно-импульсной модуляции на интервалах от 0 до 2 Г/3 по закону синуса в области значений от 0 до 2

Г/3» а на интервалах от 2 й/3 до

4 .н/3 - по закону синуса в области значений от и/3 до Т . В качестве

ППЗУ в устройстве использованы микросхемы.

Для регулирования амплитуды выходного напряжения с помощью широтноимпульсного регулятора формируют третью дополнительную импульсную последовательность U . Широтно-импульсшир ный регулятор 29 (фиг. 9) выполнен на двух одинаковых счетчиках 30 и

31 и триггере 32. Емкости счетчиков выбираются так, что время их заполнения соответствует периоду модуляции импульсов на выходе ШИР Г„„р » а коэффициент деления делителя частоты, включенного на выходе. управляемого генератора 22 импульсов, устанавливается так» что ь»< / ш< = K» где

К вЂ” целое число, а „р- минимальная длительность импульсов последовательностей M. В рассматриваемом ва рианте принято К = 1. На первый счетчик ШИР записываются коды чисел, эквивалентные требуемой скважности (амплитуде напряжения на выходе преобразо вателя)» а исходное состояние триггера соответствует сигналу логического "0" на его используемом выходе. Под воздействием импульсов, по3 1376189 ступающих с выхода управляемого генератора, первый счетчик LMP считывает код от записанного числа до переполнения а второй - от нуля до переполФ

5 нения. По сигналу переполнения первого счетчика на используемом выходе триггера устанавливается уровень логической "1", а по сигналу переполнения второго счетчика триггер уста-, навливается в исходное состояние и происходит перезапись кода числа в первый счетчик °

По сигналам датчиков тока каждой фазы (фиг. 7 и 9) формирователь 36 реальных участков проводимости групп ключей фаз предварительно формирует шесть импульсных последовательностей ьэ с а ь с Реальнои про водимости групп ключей фаз: I — фазы 2О а с проводимостью, принятой за положительную I — с проводимостьюi IIpH нятой за отрицательную, и так далее для других фаз, а из них путем логи ческого перемножения формируются импульсные последовательности участков проводимости этих групп ключей (фиг. 1-4) в соответствии со следующими логическими уравнениями:

30 а с 1 Ъ с

3 а Ь Ф с(с

5 Ъ с

Интервалы импульсов: этих последо- 35 вательностей определяют участки формирования основных импульсных последовательностей управления группами ключей фаз. Формирователь 37 основных управляющих импульсов групп ключей 4p (фиг. 9) формирует основные импульсные последовательности управления

K- q К, К, К-, К6, К вЂ” группами ключей фаз (фиг. 1-4), что осуществляется путем логического умножения им- 45 пульсных последовательностей участков реальной проводимости групп ключей 3 импульсные последовательности соответствующих фаз М ° Мъ М М и М, и на третью дополнительную импульсную последовательность U „ в соответствии со следующими логйческими уравнениями:

6 при управлении группами ключей, фор= . мирующих положительные полуволны тока, и шар

К = М-,Т,11 „, + М,Х, + М,1,Ц„„,;

Ь

К = McI >Uurup + М I > ™cI

Здесь черта над обозначением эталонных импульсных последовательностей соответствует ее инверсии, т.е. дополнительной операции НЕ. В результате такого способа формирования нет необходимости заранее задавать различные законы модуляции на различных участках полупериодов, они формируются путем элементарных логических операций из эталонных импульсных последовательностей. Необходимые при ! /3 дополнительные паузы на вторых участках основных импульсных последовательностей с требуемым законом модуляции формируются также из эталонных импульсных последовательностей, так как при таких углах сдвига на концах этих участков последовательности М оказываются модулированными.

Полученные таким образом три пары импульсных последовательностей К 4

+ К -, К + K6, К + К - предназначены для управления тремя группами ключей фаз преобразователя причем каждая из последовательностей пары должны обеспечивать формирование одной из полуволн напряжения фазы. Однако без синхронизации с напряжением сети они не обладают избирательностью знака формируемого напряжения. Поэтому каждая пара последовательностей фаз на фиг. 1-4 показаны на общей оси -времени. Зту функцию с одновременным распределением импульсов по ключам выполняет формирователь 42 управляющих импульсов ключей фаз преобразователя по командам блока 41 синхронизации (фиг. 9). Блок синхронизации на интервалах с наибольшим положительным и наибольшим отрицательным фазным напряжениями питающей сети формирует шесть импульсных последовательностей синхронизации: Я>, 1 376189

К„ — К ($ + S + S ), 30

+ M+I

Б, S, — по положительным напряжениям и Б„-, $, Я- — по отрицательным напряжениям (фиг. 5 и 6). С помощью этих импульсных последовательностей предварительно сформированные основные импульсные последовательности разделяются по полуволнам и по ключам путем их логического перемножения в соответствии со следующими уравнениями: К„=. К (S „+ S + Б 1 при формировании положительной полуволны тока фазы

К К (Б-+ S;+ S) при формировании отрицательной нолуволны тока фазы с и, соответственQJIH других фаз:

К = К ($„ + Б + Я );

К-= К ($ +S-+S-).

b b д В с

K- = К (SA- + БВ + Яа) ° при этом на интервапах, например, К Я „ замыкается ключ 1, присоединяя вывод g к фазе сети А, когда на этой фазе наибольшее положительное напряжение; К вЂ” S - замыкает ключ 6, () С. когда на фазе С сети наибольшее отрицательное напряжение и т,д.

Таким образом, импульсы синхронизации Б, Я, S сформированные из наибольших положительных участков сетевого напряжения фаз, задают зоны, на которые соответствующие ключи замкнуты по командам основных импульсов управления группами ключей фаз К

К, Х, формирующих положительные полуволны выходного напряжения, а импульсы синхрОнизации S S — S зоны замыкания ключей йо командам К -, а °

К-, К вЂ” этих же групп, формирующие отрицательные полуволны напряжения.

При сдвиге тока нагрузки относительно напряжения .у > Т /3 на интервалах от 4 Tr/3 до (5 i7/3 - ) формируют первые дополнительные импульсные И Н Н последовательности К „, К, К,, К, K -, К вЂ” для управления ключами фаз, обеспечивающими пропуск активного тока фаз-нагрузки на указанных интервалах. Эти дополнительные импульсные последовательности формируются непосредственно из соответствующих эталонных импульсных последовательностей на этом интервале, например, для групп ключей фазы а в соответствии с

5 со следующими логическими уравнениями .

Г1

МТ Р ($ +Я +$ ) ./

Кс ($ ч + БЬ + Бс) 1

Рс(Б )

=K (Я-+$+Я );

15 причем произведение I P определя4 с ет длительность формирования этих последовательностей и при = и /3 обращается в нуль. Суммарные импульсные последовательности для управления ключами (фиг. 9), например, для фазы а формируются в соответствии со следующими логическими уравнениями: Кц = К„+ Ka = (Ka + Ka)(Бд +

+ Бв + Б

XK.— = К,-+ К . = (К .— + К,)(S„- +

+ Я + $ ) °

По условию непрерывности токов при формировании пауз размыкания контуров с токами недопустимо, а поэтому на интервалах пауз напряжений фазы нагрузки подключаются к фазам сети. Поскольку ключи с двусторонней, проводимостью в замкнутом состоянии обеспечивают проводимость любого знака, для исключения токов проводимо40 сти на.интервалах пауз обеспечивается дополнитепьными ключами К „ - К, (фиг. 7).

Для управления этими ключами фор45 мирователь 38 импульсов управления дополнительными ключами (фиг. 9) формирует вторые дополнительные импульсные последОвательности К „ - К „, (фиг. 5 и 6) на третьих участках со50 ответствующих основных импульсных последовательностей в соответствии со следующими логическими уравнениями;

К = Мс? РЬ + М Т,.Р— + К+; — М I,Ð +McI,Ð +К

+ КЪ1 с >

Общая длительность интервала моду- 1О ляции каждой из последовательностей равна и/3, а соотношение длительностей слагаемых зависит от сдвига тока нагрузки относительно напряжения.

При = О вторые слагаемые образуются в ноль, а при д ъ, и /3 — первые.

Приведенные диаграммы линейных напряжений и токов нагрузки сформированы для режима = п /6 (фиг. 5 и 6).

Здесь же на диаграмме сетевого напряжения выделены интервалы линейных напряжений, из которых формируются напряжения U I,.

Рассмотрев принцип формирования напряжения и тока для этого режима на интервале от О до Т/3, что сооТветствует четырем интервалам аппроксимации или сорока тактам. На 1-2 тактах (3 эл.град.) в соответствии с диаграммой напряжений (фиг. 3) необ- 30 ходимо обеспечить 1 ь = БЬ = U

= О. При этом токи нагрузки имеют следующие знаки -i - Ь, +> . В этом случае для формирования нулевой паузы в соответствии с диаграммами управляющих импульсов размыкаются ключи групп фазы а и Ь, а ключи К поочередно подключают фазу нагрузки

С к фазам сети с наибольшими положительными напряжениями ключами 7-9- 4О в соответствии с импульсами синхронизации S. Одновременно замыкается дополнительный ключ 15 и образуются контуры с токами, показанные на диаграмме 5.1 (фиг. 8). При этом выво- 45 ды фаз,.а, Ь нагрузки оказываются замкнутыми на фазу С и через смещенные в проводящем направлении р-п переходы диодов на все фазы нагрузки подведено одинаковое положительное напряжение сети. На третьем такте необ ходимо сформировать линейные напряжения +У Ь, -UI,, Б = О.

В соответствии с диаграммами управляющих импульсов ключами дополнительно замыкаются ключи группы К при

Ь отрицательной синхронизации, подводя к фазе Ь отрицательное напряжение сети. Состояние контуров на этом такК 4IP +MI P +К1376189 8 те приведено на диаграмме 5.2(фиг. 8), Здесь выводы фаз а и с остаются на общем положительном потенциале, что и обеспечивает U = О. Для формирования напряжения U ъ = О, -Ug +U на 4-10 тактах (фиг. 5 и 6) размыкают дополнительный ключ 15 и замыкают ключи всех групп преобразователя К

КЬ, К, подключая к фазам а, Ь наибольшее отрицательное напряжение сети, а к фазе с - наибольшее положительное. Состояние контуров с токами на этом интервале приведено на диаграмме 5.3 (фиг. 8).

Начиная с 21-го такта 31 эл.град. знак проводимости фазы приходит в соответствие со знаком задаваемой проводимости, т.е. становится положительным (от преобразователя к нагрузке), т.е. снимается запрет на формирование положительной проводимости К, а наибольшее значение тока переходит с фазы с на фазу Ь . В этом. случае очередная пауза (II-й такт, фиг. 5 и 6) в линейных напряжениях формируется замыканием двух фаз а, с на фазу Ь т.е. иной комбинацией ключа. Для формирования паузы здесь осуществляется размыканием . группы ключей К-, К при работающих ключах группы К-. Состояние контуров для этого интервала показано на диаграмме 5.4 (фиг. 8). Далее до конца интервала Т /3 выходные напряжения формируются за счет формирования контуров, показанных на диаграммах 5.5 и 5.6. При этом с 15-го такта отрицательное напряжение начинает формироваться замыканием ключей К - на фазу сети С с отрицательным напряжением, т.е. ключем 6.

В результате предлагаемого способа формирования пауз упреждающее за- мыкание дополнительных ключей не приводит ни к возникновению сквозных токов, ни к изменению конфигурации контуров, так как к диодам, входящим в эти контуры, линейное напряжение. сети оказывается приложенным встреч но. Дополнительный контур принимает ток только при закрытии ключа соответствующей группы фазы преобразователя.

Таким образом, формирование третьей дополнительной импульсной последовательности У, при помощи широтно-импульсного регулятора и введение в связи с этим дополнительной логики

1376189

10 с с 2 Ь с Ьэ с с1

Ъ С

tAI +MI +McI e позволяет осуществить регулирование амплитуды выходного напряжения преобразователя путем регулирования длительности импульсов последовательно5 сти U „, за счет изменения кода, подаваемого на вход ШИР, что расширяет функциональные возможности преобразователя и обеспечивает достижение поставленной цели. При этом сохраняется 10 неизменность формы огибающей напряжения и тока и независимость ее от коэффициента мощности нагрузки. Соотношение между частотой выходного напряжения и его амплитудой определяет- 15 ся соотношением между кодами управления канала формирователя частоты и канала формирователя амплитуды напряжения, Все это позволяет увеличить управляемость преобразователя, а в случае применения способа для управления преобразователями электропроводов переменного тока — расширить диапазон регулирования скорости.

Формула изобретения

Способ управления трехфазным непосредственным преобразователем частоты, выполненным на полностью управля- 30 емых ключах с двусторонней проводимостью и включающим в себя средства для пропуска реактивного така нагрузки в виде дополнительного трехфазного моста на полностью управляемых ключах, шунтированных диодами, заклю35 чающийся в том, что задают зоны проводимости ключей с длительностью 7 по выходной частоте, в этих зонах ормируют три прямоугольные импульс- 40 ные последовательности Рс,, Рь, Рс с длительностью импульсов и и сдвинутых друг относительно друга на 2 > /3 по выходной частоте, и три противофазные им импульсные последовательно- 45 сти P, P,P формируют шесть этаЯ 1 1 а лонных импульсных последовательностей М, М, М, М, М-, М сфазированных по передним фронтам с соответствующими прямоугольными импульсными

50 последовательностями Рс„, РЬ, P» P»

P- Р-, и модулированных методом широтно-импульсной модуляции: на интервалах О ... 2 Г/3 по закону синуса в области значений от О до 2 й/3, а на интервалах 2 Г/3 ... 4 й/3 моду- 55 лированных по закону .синуса в области значений от Т/3 до 7, определяют интервалы полупериодов токов фаз нагрузки и в этих интервалах формируют шесть прямоугольных импульсных последовательностей: I„, I<, I, — в интервалах положительных полупериодов токов и Т, Ibs I — в интервалах отрицательных палупериодов токов, из этих импульсных последовательностей формируют шесть импульсных последовательностей I„ ° Т „ зон проводимости путем их попарногологическо. го перемножения в соответствии с логическими уравнениями и формируют основные импульсные по( следовательности управления К, К

К, К-, К-„, К группами ключей фаз из эталонйых импульсных последовательностей в соответствии со следующими логическими уравнениями:

M I ™, ™„|,;

Ь при управлении группами ключей, формирующих положительные полуволны тока и

К = M,I + М I + M I

К вЂ” =MI +M I +MI ьс 11 bc

К- = McI1 + М i + McI при управлении группами ключей, формирующих отрицательные полуволны тока, из участков фазных напряжений сети с наибольшим положительным значением напряжения формируют три импульсные последовательности синхронизации S, S,,S, с длительностью импульсов 2 7 3 по частоте сети, а из участков фазных напряжений ветви с наибольшим отрицательным значением напряжения формируют три противофазные импульсные последовательности синхронизации S> Б -, S -, а основные

С импульсные последовательности управКЬ Kc K KЫ формируют из основных импульсных по12

137б189

К„= М,Х,Р, + М,Х,P= М Х Р + Х Р

+MХР в (8 Яь

15 (8=+ 85 + Яс}

К- = с

Ка

К

M1,I " .I ™Ь-, К

50 следовательностей управления группами ключей в соответствии со следующими логическими Выражениями: К,„ — К (S + 8 + 8 ) при формировании положительной полуволны тока фазы

К = К (Я -+ S - + 8-) - при фо1мировании отрицательной полуволны тока фазы и соответственно для других фаз: к = к (s A-+ 8 + 8-);

5 6

Кс = Кс (Ял + Яб + Яс)1

1 причем при сдвиге тока нагрузки относительно напряжения jt > /3 в ин тервале 4 lt/3...(5 II /3 — Ip} формируют первые дополнительные импульсные последовательности для управления ключами, обеспечивающими пропуск активного тока фаз нагрузки на вышеука занных интерванах, например, для фа-, зы м в соответствии со следующими логическими уравнениями!

К ™цХИРв(Я p+ Sg + S }

К" ™аХдРс(8л + sg Яс) 35

Ol

= к". -(яд+ s;+ s;} а суммарные импульсные последовательности для управления ключами, напри- 40 мер для фазы а формируют в соответствии со следующими логическими уравнениями:

XKà= K„+ K„" (Kcl+ K à,}(SË+ 45

86 Яс}1 к „= к, + к ". = (к .- + к; ) (s- +

+ Я вЂ” + Я }р вторые дополнительные импульсные по,следовательности управления ключами дополнительного трехфазного моста формируют путем инверсии основных импульсных последовательностей только 55 на интервалах длительностью и/3 в " . соответствии со следующими логическими уравнениями:

К„, = М Х Р, + М-Х Рц, К, =МХР +МХР-; отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путам обеспечения регу-" лирования амплитуды без искажения .формы огибающей выходного напряжения преобразователя, формируют третью дополнительную импульсную последова» тельность U „ с частотой, в целое . число раз большей частоты модуляции шести эталонных импульсных последова тельностей, и основные импульсные последовательности управления К, „:., ключей фаз формируют в соответствии со следующими логическими уравнениями;

КЬ вЂ” МЪХ311 „Р ™ЬХ + МЬХ Б „Р при управлении группами ключей, формирующих положительные полуволны тока, и при управлении группами ключей, формирующих отрицательные полуволны тока, а вторые дополнительные импуль» сиые последовательности управления ключами дополнительного трехфазного моста формируют в соответствии со следующими логическими уравнениями:

Kio McI P> ™ЬХ

К,„=МХ Р-+MIР +К+

MaIsР М Х„Р- + Кь

1376189

14

К М-I P

+ К». ь

+МХ Р

К МХР

+ К+ с

+MIP

К„= М-Х РS

Ка, 11а

Jtg,Ч

Pg ф ,ф

Ff

Pg ф

Ny

Щ

1ф

Иу 1с

<е

Ииар и регулируя длительность импульсов третьей дополнительной импульсной последовательности, управляют амплитудой напряжения на выходе преобразователя.

1376189

1 3761 89

1 37б189

13761 89

1376189

М2

-г6 -u> . u д, .и, +и, и,,и, -и, - u< -u, -и, .и, кс

13761 89