Устройство для управления инвертором с широтно-импульсной модуляцией

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах управления источников питания с квазисинусоидальным выходным напряжением. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей устройства при повышении качества выходного напряжения и увеличении точности воспроизведения управляющего воздействия путем периодической коррекции коэффициента глубины модуляции, повышение надежности устройства. Сущность изобретения: устройство для управления инвертором содержит инвертор, блок выделения пульсаций и модулятор. Кроме того, оно содержит датчик амплитудного значения входного напряжения, датчик амплитудного значения выходного напряжения инвертора и блок обнаружения перегрузки, причем модулятор содержит задатчик, блок аналого-цифрового преобразования, микропроцессорный блок и формирователь сигналов управления, при этом входы блока выделения пульсаций и датчика амплитудного значения входного напряжения подключены к силовому входу инвертора, выход блока выделения пульсаций подключен к первому информационному входу блока аналого-цифрового преобразования, выход датчика амплитудного значения входного напряжения подключен ко второму информационному входу блока аналого-цифрового преобразования, третий информационный вход блока аналого-цифрового преобразования соединен с выходом датчика амплитудного значения выходного напряжения инвертора, вход которого подключен к выходу инвертора, четвертый информационный вход блока аналого-цифрового преобразования соединен с выходом задатчика, пятый вход "Чтение данных" блока аналого-цифрового преобразования подключен к выходу "Чтение данных" микропроцессорного блока, шестой адресный вход блока аналого-цифрового преобразования соединен с адресным выходом микропроцессорного блока, первый выход "Готовность данных" блока аналого-цифрового преобразования подключен к входу микропроцессорного блока "Готовность данных", а второй выход блока аналого-цифрового преобразования "Выход данных" соединен с входом данных микропроцессорного блока, информационный выход микропроцессорного блока подключен к информационному входу формирователя сигналов управления, многоканальный выход которого соединен с управляющими входами инвертора, выход блока обнаружения перегрузки подключен к входу прерываний микропроцессорного блока, а вход блока обнаружения перегрузки соединен с выходом инвертора. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах управления источников питания с квазисинусоидальным выходным напряжением.

Известно устройство (авторское свидетельство СССР N 1830523, кл. G 05 F 1/66, 30.07.93. БИ N 28), система управления которого содержит микропроцессорный модуль, аналого-цифровой преобразователь, коммутатор аналоговых сигналов, систему датчиков и защитных устройств. Устройство предназначено для регулирования и стабилизации электрической мощности в нагрузке с помощью тиристорного исполнительного органа, однако выходное напряжение изменяет форму, амплитуду и гармонический состав в зависимости от угла открывания тиристора и характера нагрузки.

Известно устройство, поясняющее способ преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное с широтно-импульсной модуляцией (aвторское свидетельство СССР N 94030295, кл. МПК H 02 M 7/48, 20.08.96. БИ N 23), содержащее задатчик частоты, четыре делителя частоты, генератор пилообразного напряжения, генератор задающего напряжения, компаратор, шесть логических элементов НЕ, четыре двухвходовых элемента 2ИЛИ, четыре двухвходовых логических элемента 2И. К недостаткам такого устройства следует отнести сложность аппаратной части, выполненной на дискретных элементах, понижающих надежность, и отсутствие обратной связи, учитывающей влияние нагрузки, что ухудшает качество выходного напряжения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство, содержащее задающий многофазный генератор синусоидальных колебаний, блок выделения пульсаций, двухвходовый сумматор и модулятор, состоящий из ведущего мультивибратора, генератора пилообразных напряжений, фазосдвигающих блоков по числу фаз, ведомых мультивибраторов по числу фаз и блоков задержки по два на каждую фазу, а также фильтра низких частот и трехвходового сумматора в каждой фазе (авторское свидетельство СССР N 1121769 A, кл. МКИ H 02 M 5/42, 30.10.84. БИ N 8).

К недостаткам прототипа следует отнести снижение функциональных возможностей устройства за счет введения фильтра низких частот, т.е. невозможность использования данного устройства в источниках питания частотно-регулируемых приводов; отсутствие защиты от перегрузок; увеличенную громоздкость устройства из-за схемной реализации управления по фазам.

Задача предлагаемого изобретения - расширение функциональных возможностей устройства при повышении качества выходного напряжения и увеличении точности воспроизведения управляющего воздействия путем периодической коррекции коэффициента глубины модуляции, повышение надежности устройства.

Задача достигается тем, что устройство для управления инвертором с широтно-импульсной модуляцией, содержащее инвертор, блок выделения пульсаций и модулятор, в отличие от прототипа дополнительно содержит датчик амплитудного значения входного напряжения, датчик амплитудного значения выходного напряжения инвертора и блок обнаружения перегрузки, кроме того, модулятор содержит задатчик, блок аналого-цифрового преобразования, микропроцессорный блок и формирователь сигналов управления, причем входы блока выделения пульсаций и датчика амплитудного значения входного напряжения подключены к силовому входу инвертора, выход блока выделения пульсаций подключен к первому информационному входу блока аналого-цифрового преобразования, выход датчика амплитудного значения входного напряжения подключен ко второму информационному входу блока аналого-цифрового преобразования, третий информационный вход блока аналого-цифрового преобразования соединен с выходом датчика амплитудного значения выходного напряжения инвертора, вход которого подключен к выходу инвертора, четвертый информационный вход блока аналого-цифрового преобразования соединен с выходом задатчика, пятый вход "Чтение данных" блока аналого-цифрового преобразования подключен к выходу "Чтение данных" микропроцессорного блока, шестой адресный вход блока аналого-цифрового преобразования соединен с адресным выходом микропроцессорного блока, первый выход "Готовность данных" блока аналого-цифрового преобразования подключен к входу микропроцессорного блока "Готовность данных", а второй выход блока аналого-цифрового преобразования "Выход данных" соединен с входом данных микропроцессорного блока, информационный выход микропроцессорного блока подключен к информационному входу формирователя сигналов управления, многоканальный выход которого соединен с управляющими входами инвертора, выход блока обнаружения перегрузки подключен к входу прерываний микропроцессорного блока, а вход блока обнаружения перегрузки соединен с выходом инвертора.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого изобретения; на фиг. 2 - последовательность операций при коррекции коэффициента глубины модуляции инвертора с широтно-импульсным управлением.

Устройство для управления инвертором с широтно-импульсной модуляцией содержит инвертор 1, блок выделения пульсаций 2 и модулятор 3. Кроме того, содержит датчик амплитудного значения входного напряжения 4, датчик амплитудного значения выходного напряжения инвертора 5 и блок обнаружения перегрузки 6, причем модулятор 3 содержит задатчик 7, блок аналого-цифрового преобразования 8, микропроцессорный блок 9 и формирователь сигналов управления 10. При этом входы блока выделения пульсаций 2 и датчика амплитудного значения входного напряжения 4 подключены к силовому входу инвертора 1, выход блока выделения пульсаций 2 подключен к первому информационному входу блока аналого-цифрового преобразования 8, выход датчика амплитудного значения входного напряжения 4 подключен ко второму информационному входу блока аналого-цифрового преобразования 8, третий информационный вход блока аналого-цифрового преобразования 8 соединен с выходом датчика амплитудного значения выходного напряжения инвертора 5, вход которого подключен к выходу инвертора 1, четвертый информационный вход блока аналого-цифрового преобразования 8 соединен с выходом задатчика 7, пятый вход "Чтение данных" блока аналого-цифрового преобразования 8 подключен к выходу "Чтение данных" микропроцессорного блока 9, шестой адресный вход блока аналого-цифрового преобразования 8 соединен с адресным выходом микропроцессорного блока 9, первый выход "Готовность данных" блока аналого-цифрового преобразования 8 подключен к входу микропроцессорного блока "Готовность данных" 9, а второй выход блока аналого-цифрового преобразования 8 "Выход данных" соединен с входом данных микропроцессорного блока 9, информационный выход микропроцессорного блока 9 подключен к информационному входу формирователя сигналов управления 10, многоканальный выход которого соединен с управляющими входами инвертора 1, выход блока обнаружения перегрузки 6 подключен к входу прерываний микропроцессорного блока 9, а вход блока обнаружения перегрузки 6 соединен с выходом инвертора 1.

Сигналы с блока выделения пульсаций 2, датчика амплитудного значения входного напряжения 4, датчика амплитудного значения выходного напряжения инвертора 5 и задатчика 7, поступающие на вход блока аналого-цифрового преобразования 8, по запросу микропроцессорного блока 9 передаются на информационный вход микропроцессорного блока 9, причем сигнал блока обнаружения перегрузки 6 подается непосредственно на вход прерываний, при этом микропроцессорный блок 9 запрещает работу инвертора 1. Контур, состоящий из инвертора 1, датчика амплитудного значения выходного напряжения инвертора 5 и модулятора 3, образует замкнутую систему регулирования по отклонению выходного напряжения от заданного и повышает точность формирования управляющих импульсов, а контур, состоящий из датчика амплитудного значения входного напряжения 4, блока выделения пульсаций 2, модулятора 3 и инвертора 1, представляет собой разомкнутую систему компенсации возмущающих воздействий, исключающую влияние изменения пульсаций входного напряжения на выходное напряжение инвертора 1 и уменьшающую в нем низкочастотную модуляцию. Введение второй системы компенсации улучшает качество регулирования первой системы и повышает качество энергии (гармонический состав) выходного напряжения.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. С помощью задатчика 7 осуществляется ввод исходных данных о выходном напряжении инвертора 1. По запросу микропроцессорного блока 9 данные о заданной амплитуде выходного напряжения A_{2(задан)} и сигналы с датчика амплитудного значения входного напряжения 4 U₁ и датчика амплитудного значения выходного напряжения инвертора 5 A₂ поступают в микропроцессорный блок 9 для периодической коррекции коэффициента глубины модуляции, в соответствии с которым формирователь сигналов управления 10 посылает сигналы управления на управляющие входы инвертора 1. Сущность периодической коррекции модулятора 3 состоит в следующем: на основании поступивших значений входного напряжения рассчитывается его среднее за несколько периодов значение U_1ср, вычисляется начальный коэффициент глубины модуляции μ₀ =A_{2(задан)}/U_1ср, в соответствии с которым модулятор 3 формирует начальный код управления и преобразует его в импульсы управления инвертором 1 определенной длительности, в результате чего на выходе инвертора 1 должно быть напряжение, соответствующее заданному закону широтно-импульсной модуляции U_2задан = U_1cpμ₀cosωt, где U_1cpμ₀ = A_2задан - заданная амплитуда выходного напряжения инвертора 1.

В случае если текущее значение амплитуды выходного напряжения A₂ не соответствует заданному, микропроцессорный блок 9 переходит к подпрограмме регулирования и стабилизации выходного напряжения. Поскольку величина напряжения питания инвертора 1 не является строго постоянной, а зависит от параметров сети, то блок выделения пульсаций 2 фиксирует абсолютную погрешность входного выпрямленного напряжения ε(t), равную ε(t) =U_1мнг-U_1ср, где U_1мнг - текущее значение входного напряжения, периодически снимаемое с датчика амплитудного значения входного напряжения 4, причем ε(t) << U_1мнг. Чтобы поддерживать выходное напряжение на заданном уровне и исключить низкочастотную модуляцию, коэффициент глубины модуляции μ также должен меняться во времени в соответствии с изменением амплитуды входного сигнала по закону, который может быть получен из следующих зависимостей: если U_2задан = U_1cpμ₀cosωt = μ(t)U_1мгнcosωt, где U_1мнг=U_1ср+ ε(t), то μ(t) = μ₀U_1cp/(U_1cp+ε(t)) = μ₀/(1+ε(t)/U_1cp), и после разложения в ряд получаем первое значение скорректированной глубины модуляции μ(t) = μ₁(t) ≈ μ₀(1-ε(t)/U_1cp). (1) Далее микропроцессорный блок 9 вычисляет поправочный множитель K как отношение текущей амплитуды выходного напряжения A₂ к заданному значению амплитуды выходного напряжения A_2здн
K=A₂/A_2здн, (2)
если выходное напряжение равно заданному, то K=1 и коэффициент глубины модуляции остается равным μ(t) = μ₁(t), при включении нагрузки, когда выходное напряжение может понизиться скачком, K<1, коэффициент глубины модуляции согласно фиг. 2 будет увеличиваться дискретно по закону μ(t) = μ₁(t)K, где K = K+Δ при малом Δ, исключающем возникновение автоколебаний. При отключении нагрузки множитель станет K>1 и после пересчета его K=K-Δ коэффициент глубины модуляции уменьшится, снижая повысившееся выходное напряжение.

Итак, заявляемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности устройства исключением фильтра, рассчитанного на строго определенную частоту, при повышении качества выходного напряжения и увеличении точности воспроизведения управляющего воздействия путем периодической коррекции коэффициента глубины модуляции и введением поправочного множителя, учитывающего мгновенные изменения входного и выходного напряжения; повышение надежности устройства за счет введения быстродействующей защиты от перегрузок.

Формула изобретения

Устройство для управления инвертором с широтно-импульсной модуляцией, содержащее инвертор, блок выделения пульсаций и модулятор, отличающееся тем, что дополнительно содержит датчик амплитудного значения входного напряжения, датчик амплитудного значения выходного напряжения инвертора и блок обнаружения перегрузки, кроме того, модулятор содержит задатчик, блок аналого-цифрового преобразования, микропроцессорный блок и формирователь сигналов управления, причем входы блока выделения пульсаций и датчика амплитудного значения входного напряжения подключены к силовому входу инвертора, выход блока выделения пульсаций подключен к первому информационному входу блока аналого-цифрового преобразования, выход датчика амплитудного значения входного напряжения подключен ко второму информационному входу блока аналого-цифрового преобразования, третий информационный вход блока аналого-цифрового преобразования соединен с выходом датчика амплитудного значения выходного напряжения инвертора, вход которого подключен к выходу инвертора, четвертый информационный вход блока аналого-цифрового преобразования соединен с выходом задатчика, пятый вход "Чтение данных" блока аналого-цифрового преобразования подключен к выходу "Чтение данных" микропроцессорного блока, шестой адресный вход блока аналого-цифрового преобразования соединен с адресным выходом микропроцессорного блока, первый выход "Готовность данных" блока аналого-цифрового преобразования подключен ко входу микропроцессорного блока "Готовность данных", а второй выход блока аналого-цифрового преобразования "Выход данных" соединен со входом данных микропроцессорного блока, информационный выход микропроцессорного блока подключен к информационному входу формирователя сигналов управления, многоканальный выход которого соединен с управляющими входами инвертора, выход блока обнаружения перегрузки подключен ко входу прерываний микропроцессорного блока, а вход блока обнаружения перегрузки соединен с выходом инвертора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2