СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В КВАЗИСИНУСОИДАЛЬНОЕ С ВЕКТОРНОЙ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах управления инвертором с широтно-импульсной модуляцией для преобразователей частоты.

Известны способы преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное с векторной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), в основе которых лежит принцип коммутации между несколькими, заранее выбранными состояниями инвертора, каждое из которых соответствует определенному пространственному положению вектора результирующего напряжения (H02K 17/02, Н02Р 8/00, US 4028600 A, 7.06.1977). Указанный способ имеет недостаток - сложную реализацию и большое искажение выходного напряжения.

Наиболее близким, взятым за прототип является способ управления преобразователем напряжения с векторной ШИМ (Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учебник для студ. высш. учеб. заведений. - М.: Академия, 2006, с.90-97 и фиг.1). Квазисинусоидальное напряжение формируется путем векторной широтно-импульсной модуляции, уровни переключения которой формируются при сравнении пилообразного сигнала несущей частоты с для уровня переключения УП1 и с для уровня переключения УП2, что отображено на фиг.1, где:

U - напряжение;

t - время;

U₁, U₂ - сигналы уровней переключения УП1 и УП2 соответственно;

U_П - опорный пилообразный сигнал;

F₁, F₂ - сигналы коммутационных функций, получаемые в результате сравнения несущего пилообразного сигнала с сигналами уровней переключения УП1 и УП2 соответственно, используемые для формирования коммутационных функций управления силовыми ключами;

U_m - амплитуда заданного напряжения;

U_d - напряжение звена постоянного тока АИН;

θ - угол внутри сектора, вычисляемый по формуле θ=α-(k-1)·π/3;

α - угол поворота вектора заданного напряжения;

k - номер сектора.

Данный способ преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное с векторной широтно-импульсной модуляцией реализуется путем коммутации между несколькими заранее выбранными состояниями инвертора, каждое из которых соответствует определенному пространственному положению вектора результирующего напряжения (фиг.2),

где V - вектор заданного напряжения.

Недостатком данного способа является ухудшение качества работы электропривода в установившемся режиме и переходных режимах за счет появления при определенных соотношениях частоты пилообразного сигнала и частоты сигнала задания постоянных составляющих и дополнительных гармоник в выходном напряжении автономного инвертора напряжения (АИН), при этом могут возникать постоянные составляющие в токах фаз (до 20% от номинала) и, как следствие, дополнительные пульсации вращающего момента.

Постоянные составляющие появляются в том случае, если в периоде управляющего напряжения (T_З) на входе АИН укладывается целое (четное или нечетное в зависимости от способа организации ШИМ) число периодов несущего пилообразного напряжения (Гц), вольт-секундная площадь работы верхних и нижних силовых ключей неодинакова. Если же в периоде управляющего напряжения укладывается дробное число периодов пилообразного напряжения, то возможно появление биений (постоянная составляющая изменяется по уровню и знаку с некоторой частотой, зависящей от соотношения частот управляющего и пилообразного напряжений), среднее значение постоянной составляющей по трем фазам при этом равно нулю. Критические (субгармонические) частоты (f_KP), на которых возникают наибольшие постоянные составляющие, можно определить как

,

где - целые числа;

f_П - частота пилы широтно-импульсной модуляции.

Чем меньше n, тем больше постоянные составляющие.

Технический результат предлагаемого способа - повышение качества работы электропривода в установившемся и переходном режимах за счет исключения постоянных составляющих и дополнительных гармоник в выходном напряжении автономного инвертора на субгармонических и дробных частотах, что позволяет исключить постоянные составляющие в токах фаз двигателя и вызванные ими колебания вращающего момента.

Технический результат достигается тем, что преобразование постоянного напряжения в квазисинусоидальное реализуется путем логического преобразования результата сравнения несущего пилообразного сигнала с сигналами уровней переключений: УП1, сформированного по формуле

и УП2, сформированного по формуле , при обнулении угла в по достижению им значения, равного π/3. Причем для достижения равенства площадей коммутационных функций положительной и отрицательной полуволн выходного напряжения АИН, а следовательно, и равенства работы верхних и нижних силовых ключей, при каждом достижении углом α значения кратного π/n, где n - целое число, принимающее значение 1 или 3, пилообразный сигнал сбрасывается в начальное состояние. Начальное состояние постоянно, а величина его находится в диапазоне от нуля до максимума пилы.

Пример реализации заявленного способа показан на структурной схеме АИН (фиг.3). Временные диаграммы, поясняющие предложенный способ, представлены на фиг.4 для n=1 и на фиг.5 для n=3, в которых начальным состоянием выбрано нулевое значение пилы. Где приняты следующие обозначения:

1 - блок формирования пилы;

2 - блок формирования уровней переключения;

3, 4 - нуль-орган;

5 - блок логики;

6 - блок силовой части АИН;

S_ОБ - сигнал сброса пилы в начальное состояние;

S_1-6 - сигналы определения сектора работы;

f_З - задание частоты напряжения;

F_A, F_B, F_C - коммутационные функции управления силовыми ключами АИН фазы А, В, С соответственно;

U_A, U_B, U_C - выходное напряжение АИН фазы А, В, С соответственно.

Приведенный на фиг.3 АИН работает следующим образом.

Сигналы задания частоты f_З и амплитуды напряжения U_m поступают на блок формирования уровней переключения 2, включающий в себя формирователь управляющих синусоидальных сигналов, вычислитель угла α, вычислитель угла θ, сбрасываемого в нулевое значение по достижении значения π/3, и блок логики, формирующий уровни переключения УП1 по формуле и УП2 по формуле , а также в зависимости от текущего угла α формируют сигналы определения сектора работы S_1-6 и по достижении углом α величины, кратной π/n, формируют сигнал сброса пилы в начальное состояние S_ОБ, который вместе с сигналом частоты пилы широтно-импульсной модуляции f_П поступает на вход блока формирования пилы 1. Выходом блока 1 является пилообразный сигнал U_П, сбрасываемый в начальное значение сигналом S_ОБ. Далее сигнал U_П подается на входы нуль-органа 3 вместе с сигналом уровня приключения УП1 U₁ и на нуль-органа 4 вместе с сигналом уровня приключения УП2 U₁+U₂, выходом которых являются сигналы коммутационных функций F₁, F₂ соответственно, в свою очередь поступающие вместе с сигналами определения сектора работы S_1-6 на блок логики 5. В результате работы блока 5 на его выходе образуются коммутационные функции F_A, F_B, F_C управления силовыми ключами АИН, находящимися в блоке силовой части АИН 6, выходом которого является квазисинусоидальное напряжение требуемой частоты U_A, U_B, U_C.

В силу того что величина постоянных составляющих пропорциональна частоте задания, наибольший эффект от предложенного способа достигается на частотах, близких к максимальным.

Таким образом, предложенный способ преобразования в сравнении с прототипом позволяет при сохранении всех достоинств векторной ШИМ значительно снизить колебания токов двигателя в переходных процессах, полностью исключить несимметрию фазных токов в установившихся режимах, связанную с соотношением частот задания и опорной пилы ШИМ, и тем самым улучшить качество переходных процессов в электроприводе за счет исключения постоянных составляющих в выходном напряжении автономного инвертора на субгармонических частотах.

Реализация заявленного способа в опытном образце дала положительные результаты и предполагается к использованию с 2010 года.