Способ широтно-импульсного регулирования выходного напряжения трехфазного мостового инвертора

Способ широтно-импульсного регулирования выходного напряжения трехфазного мостового инвертора

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОП ИГРАНИ Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВМДЕТЕДЬСТВУ (; 736О63 (6I ) Дополнительное к авт. свил-ву— (22) Заивлеио10.01.77 (2) ) 2446729/24-07 (51) М. Кл. б 05 F 1/44

Н 02 P 13/18 с присоединением заявки ¹

Государственный комитет (23) Приоритет ио делам изобретений и открытий

Опубликовано 25.05.80. Бюллетень № 19 (53) УДК621.314. .57 (088.8) Дата опубликования описания 28.05.80

Г. С. Мыцык, А. В. Чесноков, И. В; Балюс и А. И. Чернышев (72) Авторы изобретения

Московский ордена Ленина энергетический институт (7l) Заявитель (54} СПОСОБ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

ВЫХОДНОГО НАПРЯ ЖЕНИЯ ТРЕХФА ЗНОГО

МОСТОВОГО ИНВЕРТОРА.1

Изобретение относится. к преобразовательной технике и может быть использовано при построении стабилизированных или регулируемых по напряжению трехфазных мостовых инверторов.

Известны различные способы регул,рования (стабилизации) выходного напряжения инверторов: амплитудный способ, который реализуется установкой в цепи питания инвертора импульсного регулятора;

О способ регулирования путем геометрического суммирования выходных напряжений инверторов с изменяемым фазовым сдвигом; способ регулирования выходного напряжения инвертора непосредственно внут15 ри инвертора за счет применения соответствуюших способов (алгоритмов) переключения его ключей. Последний способ наиболее эффективен для подавляюшетчт числа случаев применения, Известно достаточно большое число алгоритмов переключения ключей с той или иной степенью эффективности решаюших задачу регулирования выходного на2 пряжения. Можно выделить две основные группы алгоритмов переключения ключей стойки инвертора - алгоритмы с двухполярным широтно-импульсным регулировани.л ШИР (ДШИг ) н алгоритмы с однопо: ярным ШИР (ОШИР}. Основным недостатком алгоритмов-первой группы являются ухудшенные энергетические показатели инвертора из-за завышенного числа переключения ключей и обусловленных этим повышенных потерь. Это вызвано тем, что ключи плеча инвертора переключаются в противотакте, в соответствии с интервалами квантования алгоритмов.

В транзисторных вариантах выполнения инверторов, кроме вышеуказанных потерь, зто вызывает также дотюлнительные потери от сквозных токов.

Группа алгоритмов с ОШИР позволяет в значительной мере исключить недостатки, присушие алгоритмам с ДШИР. Это обеспечивается тем, что на полупериоде выходной частоты переключают только один ключ стойки инвертора. В результате число рреключений ключей инвертора уменьшается, а его энергетические показатели улучшаются. Однако не все алгоритмы с ОШИР являются в равной мере эффективными с точки зрения диапа5 зона регулирования выходного напряжения и его искажений. Эти свойства определяются параметрами нагрузки и алгоритма управления, а именно местоположением регулировочных пауз в алгоритмах пе- 10 реключения ключей и даже направлением изменения угла регулирования.

Одним из возможных способов регулирования является алгоритм, при котором регулировочная пауза вводится снммет- 15 рично, на всем интервале проводимости одной из групп инвертора ключей - верхней или нижней f1j . Такому способу

cBoHcTBBHHbI следующие недостатки: ухудшенные энергетические показатели из-за 20 большого числа переключений, а также значительные искажения выходного напряжения, обусловленные ЗДС самоиндукции активно-индуктивной нагрузки. Этот алгоритм относится к алгоритмам с ОШИР.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является способ широтноимпульсного регулирования, заключающий- 30 ся в М -кратном переключении ключей инвертора в основном длительностьк>

Л@+Р! И-А 29 @и дополнительном Щ,+

+ Лй-А- / интервалах проводимости ключей нРи иэмененни углов регулирова- З5 ния о(- от 0 до j5N, где Я =1 2

3, ... — любое целое число. Уменьшение величины выходного напряжения обеспечивают за счет более раннего момента переключения ключейaуказанныхинтерва40 лах, сохраняя момент возврата в исходное состояние неизменным. При этом в любой момент времени замкнут один из ключей каждой из стоек инвертора. Алгоритм относится к алгоритмам с АШИР (2).

К недостаткам такого способа регулирования можно отнести нерационально увеличенное число переключений ключей, вызывающее рост динамических и дополнительных потерь от сквозных токов (при

50 транзисторном варианте выполнения силовой части инвертора) ведущих к снижению значения КПД инвертора.

Цель изобретения — увеличение КГЯ

55 инвертора путем уменьшения числа ïåреключений ключей.

Это достигается тем, что в известном способе широтнс-импульсного регулирования выходного напряжения трехфазного мостового инвертора путем Й - кратного переключения ключей на основном интервале регулирования Я/ Р/yg- Ф.+В / измеряют угол перехода g мгновенного значения фазного выходного тока инвертора через нулевое значение в выделенном из дополнительного интервала подинт ервале длительностью Ю Я + Я/ (, -fl+ f - (Я, производят Yt переключений, YL где =О, 1, 2, ... определяют из условия

Угол регулирования о(. изменяют от О до

Я/, (, где N = 1, 2, 3 ... — любое целое число, которое выбирается в зависимости от требований к качеству выходно го н а пряж ен ия ин вертора.

Другое отличие состоит в том, что определение фазового угла тока нагрузки () может быть произведено не только при непосредственном измерении угла % и фазах нагрузки, но и на основании измерения длительности протекания инвэрсного тоха в цепи питания инвертора.

При определении указанных временных интервалов регулирования имеется в виду, что отсчет производится от начала проводимости данного ключа. Как известно, угол М может изменяться от Э до

У7/ по отношению к выходному фазному напряжению. Кроме того, в данном случае используется несимметричный алгоритм регулирования, приводящий к фазовому уходу выходного напряжения в сторону опережения на ут ол .!р . Эти. факты учитываются в выражениях, ОпрВ» деляющих значение Ч

На фиг. 1, а изображен трехфазный мостовой инвертор; на фиг. 1 б, в, г— график кривых выходного фазного напряжения и алгоритмы переключения ключей инвертора по предложенному способу при различном числе регулировочных пауз (N =2, 3, 4); на фиг. 2 - график кривых выходного напряжения инвертора при N =3, сформированного по предложенному способу при измерении тока, потребляемого инвертором и алгоритмы управления; на фиг. 3 - структурная схема устройства для управления трехфазным мос товым инвертором, позволяющего реализовать предложенный способ регулирования.

На фиг, 1 приняты следующие буквенные обозначения:

736063 6 шего формирования управляющих сигналов ясен из последующего рассмотрения временных диаграмм на фиг. 2 и аналогичен уже расс мотр ен н ым с ит уациям . фазовый угол перехода тока через нулевое значение может быть определен на основании измерения длительности протс» н- кания инверсного тока в цепи питания инвертора. На фиг. 2 приняты следующие а б у кве| ш ые обозначения:

U — фазное напряжение и фаз> ный ток инвертора; го

0 - 2 — сигналы управления ключа1 ми инвертора;

15 — потребляемый инвертором

ui ток;

U — разрешающий сигнал на ти иропускание импульсов на радополнительном подинтера20 вале проводимости. нал

В некоторых случаях, когда инвертор используется в качестве автономного источника питания, а параметры нагрузки известны до начала проектирования, чис25 ло и длительность регулировочныХ пауз на дополнительном подинтервале проводимости могут быть определены заранее на основании аналитического расч та. ия.

Благодаря этому реализация предлагаемо30 ro способа значительно упрошается за счет ликвидации измерительно-согласуюгнощего узла, однако при этом число переключений ключей инвертора не будет минимальным во всех возможных режимах я

35 работы

Все вышеприведенные рассуждения проделаны для случая статической акс тивно-индуктивной нагрузки. Для случая двигательной активно-индуктивной нагрузля ки (например, работы преобразователя, на на асинхронный двигатель) форма тока ия нагрузки имеет вид, отличный от показанного на фиг. 1 и 2, однако способ регулирования выходного напряжения соахраняется и в этом случае.

U< 0 — сигналы. управления клю чами одного из плеч инвертора по фиг. 1, а; с 2а, а — фазное напряжение и фа зн ый ток ин вер тора;

02,Ов — разрешающий сигнал на пропускание импульсов на дополнительном поди тервале.

Для пояснения предложенного способ используем полуструктурную схему ин вертора на фиг. 1, а, выполненного на ключах 1-6 и на диодах 7-12 обратно тока.

Рассмотрим принцип формирования у равляюших сигналов при N р аeв н оo м, на пример, трем. На интервале проводимос (;„-Я„(см. фиг. 2) формируют отпи ющие сигналы для ключей 1 и 5, запир юшие сигналы для ключей 2 и 6 и сиг с широтно- -импульсной модуляцией, пода ваемый на вход ключа 4, который в результате этого многократно (в данном случае трехкратно) переключается. При формировании управляющего сигнала дл ключа 3 может возникнуть несколько различных ситуаций, зависящих от пара метров нагрузки и от угла регулирован

Для принятия однозначного решения по формированию управляющего сигнала измеряют фазовый угол Ч,„перехода м венного значения тока фазы через ноль и сравнивают его с временным интерва лом 1ЪЛ/ —, — л/> . Если окажетс что угол 4д не пересекается с указанным интервалом, т.е. выполняется усло вие 4< 4 /ц — ;2>

Яо+Оь формируют запирающий сигнал д ключа 3. Если же угол % окажется равным или больше «IS + h то дополнительном интервале регулирован (Qo-Q6 ) ключа 3 формируют отпирающий сигнал на интервале Q -Q . Н конец, если фазовый угол окажется в пре делах 41 9-А(Й<Мч «t +è(É то отпирающий исигнал ключа 3. формируют с учетом угла регулирования с.. Длительность сформированного сигнала для отпи1 рания ключа 3 при этом равна Чп-4P> g+QgHa интервале проводимости И< -Q > формируют отпираюшие сигналы для ключей 4 и 6, запирающие сигналы для ключей 3 и 5, широтно-модулированныи си 55 нал для ключа 1. При формировании управляющего сигнала для ° ключа 2 следует рассматривать ситуации, аналогичные выше изложенным. Принцип дальнейУстройство для формирования сигналов управления ключевыми элементами инвертора, позволяющего осуществить предложенный способ регулирования 1, содержит задающий генератор 13 регулируемой частоты, делитель 14 частоты на Я, распределитель 15 импульсов, модулятор 16 ширины регулировочной иаузы, функциональный блок 17 управления ключами инвертора и измерительно-согласующий узел (датчик тока)

18. Задающий генератор 13 предназначен для строгой фазовой синхронизации уп7З6О6З равляюших импульсов регулировочных пауз.-Делитель 14 частоты служит. для обеспечения йл -кратного регулирования выходного напряжения. Модулятор 16 обеспечивает изменение длительности регулировочной паузы 4. по сигналу U,.

Распределитель 15 импульсов обеспечи, вает фазовый сдвиг между управляющими сигналами ключей инвертора. Функциональный блок 17 служит для формирования сигналов управления ключевыми элементами 1 6 инвертора. На вход его поступают сигналы с выходов распределителя 15, модулятора 16 и датчика 18 В функциональном блоке 17, представляющим собой набор логических элементов и содержащим два канала 19 и 20, на каждый ключ производится врезан ие" рЕ.-улировочных пауз иа основном интервале проводимости сигналов управления по каналу

19, а по сигналу Ug„— иа дополнительном интервале проводимости по каналу

2О, Функциональный блок 17 содержит шесть идентичных двухканальных узлов, аналогичных вышеописанному, предиазиа25 ченных для формирования управляющих сигналов каждого из ключей 1-6 инвертора, выходы которых соединены со входами соответствующих ключей.

ЗО

Проанализируем работу трехфазного мостового иивертора, выполненного иа диодах и полностью управляемых ключах . (см. фиг. 1, а). Управляемые ключи 1-6 в любой момент времени могут находиться в открытом или закрытом состоянии в зависимости от сигналов управления.

Они служат для пропускания активной мощности от первичного источника к нагрузке. Неуправляемые вентили 8-12

4) служат для пропускания реактивной энер.гии. Работа ключей инвертора характеризуется тремя чередующимися состояния.ми: открыты два ключа одной группы (верхний или нижний) и один ключ другой

45 группы, затем открыты все ключи одной группы, и, наконец, открыты только два ключа одной группы. Второе состояние возникает только по сигналу разрешения от датчика фазного тока в тот момент, 56 когда фазный ток имеет обратное направление по отношению к направлению прямой проводимости переключаемого ключа в плече инвертора. Условием возникновения второго состояния, т.е. появления проводящих импульсов на дополнительном подинтервале .является

Ю Я Рз ма

Из этого условия вытекает, что максимальное число дополнительных импульсов при статической активно-индуктивной нагрузке равно половине импульсов иа основном интервале. Из этого we условия следует, что при одном регулировочиом импульсе (N =1) необходимость в дополнительном импульсе возникает лишь при

П +ô (при с(= Э! ), т.е. даже при чисто иидуктивйой статической иагрузке такие условия Недостижимы. Таким образом, случай с N: 1 можно выделить особо в связи с отсутствием импульсов иа дополнительном интервале регулирования.

Кратко поясним необходимость во включении ключей иивертора иа дополнительном подиитервале. В том случае, если фазовый угол перехода тока через нулевое значение Ц„с ТЦ w3i/Úй -J lg (например, иа фиг, 1, б), создаются условия для Опериодического затухаиия токов нагрузки через обратный диод соответствулошей фазы и выходное напряжение иивертора ие искажается. В том случае, если данное условие по фазовому углу ие выполняется (например, (, иа фиг. 1,б), производят включение ключа иа дополнительном подиитервале. В этот момент все три фазы инвертора оказываются пОдключениыми в и ОднОЙ шине питания иивертора, т.е. зажимы нагрузки заь .Орочеиы. Токи в фазах начиняют апериодически затухать, ЭДС самоиидукции уравиовешивается падением напряжения, в результате чего фазиые напряжения нагрузки в этот момент равны нулю и ие искажаются коммутациоииыми импульсами, Как уже указывалось выше, Определение Угла Яи может быть пРОизведено ири измереини длительности протекания инверсного тока в цепи питания иивертора (см. фиг. 2).

В том случае если фазовый угол перехода мгновенного значения тока через ноль становится больше 60 (ч .у Л /О ), то потребляемый иивертором ток становится зиакогеремениым, причем угол протекания потребляемого тока в Отрицательной области равен %

<А, Я

П т.е. равен дополнительному подиитервалу, иа котором должны возникать импульсы и .На фиг. 2 показан фазный ток с,, которому соответствует по1 требляемый ToK t,e и разрешающий сиг1 иал U ° Очевидно, что и этом случае на дополнительном интервале проводимос736063

«0 ти возникает только один импульс в алгоритме управления (на фиг. 2 на диаграммах О, — IJ показаны пунктиром), Таким образом, предложенный способ регулирования сочетает в себе лучшие качества алгоритмов с ОШИР и ДШИР.

Ключи инвертора переключаются минимальное количество раз с тем, чтобы избежать искажений выходного напряжения от коммутационной составляюшей 10 и получить при этом максимально возмож-, ные энергетические показатели. инвертора. В случае,, если M„(Л/Ъ+ri/3Й la. динамические потери в инверторе снижаются or. 33,o (при М =1) до 50% (при И числе переключений И стрем . цимся к бесконечности), а потери от сквозных токов в транзисторном варианте инвертора практически устраняются по сравнению с аналогичными вариантами алгоритмов с, 20

ДШИР. В предельном случае, когда Ч о

=90, динамические потери в инверторе снижаются на величину от 25% (при И

=OO) до 33 о (при N =1), а потери от сквознь.х токов снижаются вдвое. форм ула изобретения

1. Способ широтно-импульсного регу-. лирования выходного напряжения трехфазного мостового инвертора путем И кратного переключении ключей. инвевтова в основном длительностью (У/3+Я/3N- )-ЯЯ/3 и в дополнительном длительностью (д рр Я щ, ) уд интервалах изменения углов их проводимости за счет изменения углаас-от 0 до / И, где. 1Ч =1, 2, 3, любое целое число, а Ы. — угол регулирования, причем уменьшение величины выходного напряжения обеспечивают за счет более раннего момента переключенич ключей в указанных интервалах, сохраняя момент возврата их в исходное состояние неизменным, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД инвертора путем уменьшения числа переключений ключей, измеряют угол перехода 9< мгновенного значения фазного выходного тока инвертора через нулевое значение и в выделенном из дополнительного интер вала подинтервале длительностью ЛЯ/3+У/ЪЙ

Ю+Чп- ф ) производят г переключений, где а =0, 1, 2, ... определяют из условия

ЪЙ(Я +А)д -Я/3) ( (Я (—

2. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что для определения упомянутого угла,„изменяют длитель.ность протекания инверсного тока в цепи питания инвертора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Сб. Устройства преобразовательной техники. Вып. 1. - Киев."Наукова Думка", 1969, с. 151-158.

2. Труды МЭИ. Вып. 275. М., 1975, с. 27 35.

738083

Составитель Никитин

Редактор В. Фельдман Техред Ж. Кастелевич Корректор М. Вигула

Заказ 2426/38 Тираж 956 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„д. 4/5 филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4