EA043229B1

EA043229B1 - CONTROL METHOD FOR A THREE-PHASE VOLTAGE INVERTER

Info

Publication number: EA043229B1
Application number: EA202292616
Authority: EA
Inventors: Андрей Борисович Дарьенков; Антон Павлович Слузов; Иван Евгеньевич Бердников; Виктор Васильевич Соколов; Андрей Александрович Куркин
Filing date: 2022-10-13
Publication date: 2023-04-28

Description

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано для управления инверторами напряжения, работающими на однофазные нагрузки.The invention relates to the field of electric power industry and can be used to control voltage inverters operating on single-phase loads.

Известен способ управления трехфазным инвертором напряжения с широтно-импульсной модуляцией [патент US 3775663А, США. Инвертор с нейтральным выводом с электронным управлением/Ф. Тернбулл, опубл. 27.11.1990], который содержит цепь нейтральной клеммы, представляющую собой дополнительный однофазный полумостовой инвертор. При работе инвертора цепи нейтральной клеммы напряжение формируется таким образом, что потенциал нейтральной клеммы равен половине напряжения на входных клеммах звена постоянного тока трехфазного инвертора напряжения. Таким образом, при подключении однофазной нагрузки между нейтральной клеммой и одной из фаз трехфазного инвертора напряжения обеспечивается ее питание фазным напряжением трехфазного инвертора напряжения. Недостатком данного способа управления является то, что он не обеспечивает синусоидальную форму выходного напряжения трехфазного инвертора при питании однофазной нагрузки.A known method of controlling a three-phase voltage inverter with pulse width modulation [patent US 3775663A, USA. Electronic neutral inverter/F. Turnbull, publ. 11/27/1990], which contains a neutral terminal circuit, which is an additional single-phase half-bridge inverter. When the neutral terminal circuit inverter operates, the voltage is generated so that the potential of the neutral terminal is equal to half the voltage at the input terminals of the DC link of the three-phase voltage inverter. Thus, when a single-phase load is connected between the neutral terminal and one of the phases of the three-phase voltage inverter, it is supplied with the phase voltage of the three-phase voltage inverter. The disadvantage of this control method is that it does not provide a sinusoidal output voltage of a three-phase inverter when powering a single-phase load.

Также известен способ управления трехфазным преобразователем напряжения [патент CN 102570889A, Китай. Трехфазный четырехполюсной инвертор и метод управления/Ван Цзюнь, Чжан Сяоюн, Пэн Хун, опубл. 11.07.2012], который состоит из схемы выпрямления, схемы фильтрации постоянного тока, трехфазной четырехполюсной схемы инвертора, схемы фильтрации переменного тока, схемы выборки, контроллера DSP, схемы гальванической развязки и схемы источника питания, входная клемма соединена параллельно с двумя последовательно включенными конденсаторами накопления энергии, каждый конденсатор накопления энергии параллельно подключен к эквивалентному резистору разделения напряжения. Данный способ управления трехфазным инвертором напряжения основан на принципе преобразования трехфазной системы координат abc в двухфазную систему координат dq и формировании эталонных сигналов, сигналов сравнения в этой системе координат, а также пропорционального формирования регулирующих сигналов, обратно преобразуемых в трехфазную систему координат abc, формировании модулирующего сигнала преобразователя. Отличительной особенностью данного способа управления является формирование по выделенному сигналу нулевой последовательности ортогонального сигнала, который принимается в качестве второй составляющей двухфазной системы координат нулевой последовательности. Недостаток данного способа заключается в необходимости постоянного измерения мгновенных значений напряжений и токов на выходе трехфазного инвертора напряжения, что усложняет структуру устройства и алгоритм его функционирования.Also known is a method of controlling a three-phase voltage converter [patent CN 102570889A, China. Three-phase four-pole inverter and control method / Wang Jun, Zhang Xiaoyong, Peng Hong, publ. 07/11/2012], which consists of a rectification circuit, a DC filter circuit, a three-phase four-pole inverter circuit, an AC filter circuit, a sampling circuit, a DSP controller, a galvanic isolation circuit and a power supply circuit, the input terminal is connected in parallel with two series-connected storage capacitors energy, each energy storage capacitor is connected in parallel to an equivalent voltage sharing resistor. This method of controlling a three-phase voltage inverter is based on the principle of converting a three-phase coordinate system abc into a two-phase coordinate system dq and the formation of reference signals, comparison signals in this coordinate system, as well as the proportional formation of control signals that are inversely converted to a three-phase coordinate system abc, the formation of a modulating signal of the converter . A distinctive feature of this control method is the formation of an orthogonal signal from the selected signal of the zero sequence, which is taken as the second component of the two-phase coordinate system of the zero sequence. The disadvantage of this method is the need to constantly measure the instantaneous values of voltages and currents at the output of a three-phase voltage inverter, which complicates the structure of the device and the algorithm of its operation.

Наиболее близким по техническому решению является способ управления трехфазным инвертором напряжения [патент 2771777, Российская Федерация, МПК HO2J 3/26. Устройство симметрирования трехфазного напряжения на выходе электронного полупроводникового преобразователя при несимметричной нагрузке/С.Г. Воронин, О.О. Султонов, П.О. Шабуров, Н.В. Клинчаев, Д.А. Курносов, С.Ш. Таваров, A.M. Давлатов - № 2021133548; заявл. 18.11.2021; опубл. 12.05.2012, Бюл. № 14], состоящего из трех верхних и трех нижних транзисторов, дополнительного транзисторного полумоста, который состоит из двух транзисторов, источника электроэнергии и устройства управления коммутацией на основе микроконтроллера, причем три выхода инвертора соединены с трехфазной нагрузкой, дополнительный транзисторный полумост соединен через дроссель с общей точкой трехфазной нагрузки. В устройство управления коммутацией интегрирован релейный регулятор и формирователь заданного значения напряжения, который тремя входами соединен с устройством управления коммутацией верхними транзисторами, четвертый вход формирователя напряжения соединен через первый датчик напряжения с источником электроэнергии, один выход формирователя напряжения соединен с релейным регулятором напряжения, первый вход релейного регулятора соединен с формирователем напряжения, второй вход соединен через второй датчик напряжения с нулевым проводом относительно шины минус инвертора, а два выхода релейного регулятора соединены с дополнительным транзисторным полумостом. Устройство управления коммутацией осуществляет симметрирование выходного напряжения трехфазного мостового инвертора при изменении фазных нагрузок в широком диапазоне. Симметрирование выходного напряжения осуществляется за счет управления транзисторами дополнительного транзисторного полумоста, соединенного через дроссель с общей точкой трехфазной нагрузки. Недостатками данного способа управления является необходимость постоянного измерения мгновенных значений напряжений инвертора, а также то, что в данном способе не применяются алгоритмы векторного управления инвертором, что не позволяет обеспечить синусоидальность выходного напряжения инвертора.The closest technical solution is a method of controlling a three-phase voltage inverter [patent 2771777, Russian Federation, IPC HO2J 3/26. Three-phase voltage balancing device at the output of an electronic semiconductor converter with an asymmetric load / S.G. Voronin, O.O. Sultonov, P.O. Shaburov, N.V. Klinchaev, D.A. Kurnosov, S.Sh. Tavarov, A.M. Davlatov - No. 2021133548; dec. 11/18/2021; publ. May 12, 2012, Bull. No. 14], consisting of three upper and three lower transistors, an additional transistor half-bridge, which consists of two transistors, a power source and a switching control device based on a microcontroller, moreover, three outputs of the inverter are connected to a three-phase load, an additional transistor half-bridge is connected through a choke with a common three-phase load point. A relay regulator and a voltage setpoint generator are integrated into the switching control device, which is connected by three inputs to the switching control device by upper transistors, the fourth input of the voltage generator is connected through the first voltage sensor to a power source, one output of the voltage generator is connected to a relay voltage regulator, the first input of the relay the regulator is connected to the voltage driver, the second input is connected through the second voltage sensor with a neutral wire relative to the bus minus the inverter, and the two outputs of the relay regulator are connected to an additional transistor half-bridge. The commutation control device balances the output voltage of a three-phase bridge inverter when phase loads change over a wide range. Balancing the output voltage is carried out by controlling the transistors of an additional transistor half-bridge connected through a choke to a common point of a three-phase load. The disadvantages of this control method is the need to constantly measure the instantaneous values of the inverter voltages, as well as the fact that this method does not use inverter vector control algorithms, which does not allow the inverter output voltage to be sinusoidal.

В этой связи целью изобретения является разработка способа управления инвертором напряжения, который обеспечивает улучшение качества электроэнергии при питании однофазной нагрузки от автономного инвертора напряжения с дополнительным транзисторным полумостом, управляемым в соответствии с алгоритмами векторной широтно-импульсной модуляции (ШИМ).In this regard, the aim of the invention is to develop a voltage inverter control method that improves power quality when a single-phase load is powered by an autonomous voltage inverter with an additional transistor half-bridge controlled in accordance with vector pulse-width modulation (PWM) algorithms.

Техническим результатом предлагаемого способа управления является обеспечение синусоидальности выходного фазного напряжения инвертора при питании однофазной нагрузки, а также отсутствие необходимости постоянного измерения мгновенных значений напряжений инвертора, что не требует установки дополнительных датчиков напряжения.The technical result of the proposed control method is to ensure the sinusoidality of the output phase voltage of the inverter when supplying a single-phase load, as well as the absence of the need to constantly measure the instantaneous values of the inverter voltages, which does not require the installation of additional voltage sensors.

Этот технический результат достигается за счет того, что в способе управления трехфазным инвертором напряжения, система управления которым содержит блок формирования модулирующих кривыхThis technical result is achieved due to the fact that in the method of controlling a three-phase voltage inverter, the control system of which contains a block for the formation of modulating curves

- 1 043229 выходного напряжения в соответствии с алгоритмом векторной широтно-импульсной модуляции и блок генератора опорного напряжения треугольной формы, соединенные с блоками формирования импульсов управления транзисторами фаз А, В и С трехфазного инвертора напряжения и блоком вычисления напряжения нулевой последовательности, который соединен с блоком формирования импульсов управления транзисторами дополнительного транзисторного полумоста трехфазного инвертора напряжения, напряжение на выходе трехфазного инвертора напряжения формируется в соответствии с алгоритмом классической векторной широтно-импульсной модуляции, и отличающийся тем, что переключения транзисторов дополнительного транзисторного полумоста трехфазного инвертора напряжения осуществляются в моменты равенства опорного напряжения широтно-импульсной модуляции и напряжения нулевой последовательности, которое рассчитывается как одна треть суммы мгновенных значений модулирующих фазных напряжений трехфазного инвертора напряжения- 1 043229 output voltage in accordance with the vector pulse-width modulation algorithm and a triangular-shaped reference voltage generator unit connected to the control pulse generation units for transistors of phases A, B and C of a three-phase voltage inverter and a zero-sequence voltage calculation unit, which is connected to the generation unit control pulses of transistors of an additional transistor half-bridge of a three-phase voltage inverter, the voltage at the output of a three-phase voltage inverter is formed in accordance with the algorithm of classical vector pulse-width modulation, and differs in that the switching of transistors of an additional transistor half-bridge of a three-phase voltage inverter is carried out at the moments of equality of the reference voltage of the pulse-width modulation and zero sequence voltage, which is calculated as one third of the sum of the instantaneous values of the modulating phase voltages of a three-phase voltage inverter

На основе мгновенных значений модулирующих кривых выходных напряжений трехфазного инвертора напряжения, работающего в соответствии с алгоритмом векторной ШИМ, рассчитывается сигнал напряжения нулевой последовательности, который подается на формирователь ШИМ для дополнительного транзисторного полумоста, который формирует напряжение нейтрального вывода инвертора напряжения.Based on the instantaneous values of the modulating output voltage curves of a three-phase voltage inverter operating in accordance with the vector PWM algorithm, a zero-sequence voltage signal is calculated, which is fed to the PWM driver for an additional transistor half-bridge that generates the voltage of the neutral output of the voltage inverter.

На фиг. 1 представлена структурная схема системы управления трехфазного инвертора напряжения (состоящего из транзисторов VT1-6) с дополнительным транзисторным полумостом (состоящего из транзисторов VT7-8), содержащая блок 1 формирования модулирующих кривых выходного напряжения в соответствии с алгоритмом векторной ШИМ и блок 2 генератора опорного напряжения треугольной формы, соединенные с блоками 3-5 формирования импульсов управления транзисторами фаз А, В и С трехфазного инвертора напряжения и блоком 6 вычисления напряжения нулевой последовательности, который соединен с блоком 7 формирования импульсов управления транзисторами дополнительного транзисторного полумоста трехфазного инвертора напряжения.In FIG. 1 shows a block diagram of the control system of a three-phase voltage inverter (consisting of VT1-6 transistors) with an additional transistor half-bridge (consisting of VT7-8 transistors), containing block 1 for generating modulating output voltage curves in accordance with the vector PWM algorithm and block 2 for a reference voltage generator triangular-shaped, connected to blocks 3-5 for generating control pulses for transistors of phases A, B and C of a three-phase voltage inverter and block 6 for calculating zero-sequence voltage, which is connected to block 7 for generating control pulses for transistors of an additional transistor half-bridge of a three-phase voltage inverter.

На вход блока 1 поступают амплитуда и частота выходного напряжения трехфазного инвертора, на вход блока 2 поступает частота ШИМ выходного напряжения инвертора, на входы блока 6 с выхода бло ка 1 поступают значения модулирующих кривых фазных напряжений, на входы блоков 3-5 и блока 7 с выхода блока 2 поступает сигнал опорной кривой ШИМ, на входы блоков 3-5 с выходов блока 1 поступают значения модулирующих кривых соответственно фаз А, В и С, на выходе блока 3 формируются импульсы управления транзисторами VT1 и VT2 полумоста фазы А, на выходе блока 4 формируются импульсы управления транзисторами VT3 и VT4 полумоста фазы В, на выходе блока 5 формируются импульсы управления транзисторами VT5 и VT6 полумоста фазы С, на выходе блока 7 формируются импульсы управления транзисторами VT7 и VT8 дополнительного полумоста.The input of block 1 receives the amplitude and frequency of the output voltage of a three-phase inverter, the input of block 2 receives the PWM frequency of the inverter output voltage, the inputs of block 6 from the output of block 1 receive the values of the modulating phase voltage curves, the inputs of blocks 3-5 and block 7 with the output of block 2 receives a PWM reference curve signal, the inputs of blocks 3-5 from the outputs of block 1 receive the values of the modulating curves, respectively, phases A, B and C, at the output of block 3, control pulses of transistors VT1 and VT2 of the half-bridge of phase A are generated, at the output of block 4 control pulses of transistors VT3 and VT4 of the phase B half-bridge are formed, control pulses of transistors VT5 and VT6 of the half-bridge of phase C are generated at the output of block 5, control pulses of transistors VT7 and VT8 of the additional half-bridge are formed at the output of block 7.

Формирование импульсов управления ключами трехфазного инвертора напряжения с дополнительным транзисторным полумостом осуществляется следующим образом.The formation of control pulses of the keys of a three-phase voltage inverter with an additional transistor half-bridge is carried out as follows.

Блок 1, на вход которого подаются значения амплитуды и частоты выходного напряжения трехфаз ного инвертора, производит в соответствии с алгоритмом векторной ШИМ расчет мгновенных значений модулирующих кривых фазных напряжений. Блок 2, на вход которого подается частота ШИМ выходного напряжения инвертора, формирует опорную кривую ШИМ. Блоки 3-5, на входы которых подаются опорные кривые ШИМ с выхода блока 2 и рассчитанные блоком 1 значения модулирующей кривой соответствующей фазы, путем сравнения опорной и модулирующей кривых производят формирование импульсов управления транзисторами VT1-6 фаз А, В и С трехфазного инвертора напряжения. Блок 6, на входы которого поступают модулирующие напряжения фаз трехфазного инвертора, в соответствии с выражением (1) производит расчет напряжения нулевой последовательности:Block 1, which receives the values of the amplitude and frequency of the output voltage of a three-phase inverter, calculates the instantaneous values of the modulating curves of the phase voltages in accordance with the vector PWM algorithm. Block 2, the input of which is the PWM frequency of the inverter output voltage, forms the PWM reference curve. Blocks 3-5, the inputs of which are supplied with PWM reference curves from the output of block 2 and the values of the modulating curve of the corresponding phase calculated by block 1, by comparing the reference and modulating curves, generate control pulses for transistors VT1-6 of phases A, B and C of a three-phase voltage inverter. Block 6, the inputs of which receive the modulating voltages of the phases of a three-phase inverter, in accordance with expression (1) calculates the zero-sequence voltage:

= з («а + ^ив + и_с\ (1) где u_A - модулирующее напряжения фазы А, u_B - модулирующее напряжение фазы В, u_C модулирующее напряжения фазы С, u_N - напряжение нулевой последовательности.\u003d s (“a + ^and b + and _c \ (1) where u _A is the modulating voltage of phase A, u _B is the modulating voltage of phase B, u _C is the modulating voltage of phase C, u _N is the zero sequence voltage.

Блок 7 путем сравнения поступающих на его вход опорного напряжения ШИМ и напряжения нулевой последовательности, формирует импульсы управления транзисторами VT7-8 дополнительного полумоста трехфазного инвертора напряжения. Переключения транзисторов дополнительного транзисторного полумоста трехфазного инвертора напряжения осуществляются в моменты равенства опорного напряжения широтно-импульсной модуляции и напряжения нулевой последовательности, которое рассчитывается как одна треть суммы мгновенных значений модулирующих фазных напряжений трехфазного инвертора напряжения,Block 7, by comparing the PWM reference voltage and the zero sequence voltage supplied to its input, generates control pulses for transistors VT7-8 of an additional half-bridge of a three-phase voltage inverter. The switching of transistors of the additional transistor half-bridge of the three-phase voltage inverter is carried out at the moments of equality of the reference voltage of the pulse-width modulation and the zero-sequence voltage, which is calculated as one third of the sum of the instantaneous values of the modulating phase voltages of the three-phase voltage inverter,

Для проверки предлагаемого способа управления трехфазным инвертором напряжения разработана имитационная модель в программе Matlab Simulink. В качества примера рассмотрена работа модели трехфазного инвертора напряжения, управляемого в соответствии с предлагаемым способом, на однофазную активно-индуктивную нагрузку (22 Ом, 8 мГн).To test the proposed method for controlling a three-phase voltage inverter, a simulation model was developed in the Matlab Simulink program. As an example, the operation of a model of a three-phase voltage inverter, controlled in accordance with the proposed method, on a single-phase active-inductive load (22 Ohm, 8 mH) is considered.

На фиг. 2 представлены расчетные зависимости модулирующего напряжения фазы А uA; модулирующего напряжения фазы В uB; модулирующего напряжения фазы С uC и напряжение нулевой последоIn FIG. 2 shows the calculated dependences of the modulating voltage of phase A uA; modulating voltage phase B uB; phase C modulating voltage uC and zero-sequence voltage

- 2 043229 вательности u_N при формировании их в соответствии с алгоритмом векторной ШИМ.- 2 043229 values u _N when forming them in accordance with the vector PWM algorithm.

На фиг. 3 показан принцип формирования импульсов управления транзисторами VT7-8 дополнительного полумоста трехфазного инвертора напряжения. На первой сверху диаграмме фиг. 3 показаны сигналы напряжения нулевой последовательности и опорного напряжения ШИМ частотой 1 кГц, которые подаются на вход блока 7. На второй сверху диаграмме фиг. 3 представлены импульсы управления транзистором VT7 дополнительного полумоста. На нижней диаграмме фиг. 3 представлены импульсы управления транзистором VT8 дополнительного полумоста.In FIG. 3 shows the principle of generating control pulses for transistors VT7-8 of an additional half-bridge of a three-phase voltage inverter. In the first diagram from the top of Fig. 3 shows the signals of the zero sequence voltage and the PWM reference voltage with a frequency of 1 kHz, which are fed to the input of block 7. In the diagram, second from the top, of FIG. 3 shows the control pulses of the transistor VT7 of the additional half-bridge. In the bottom diagram of Fig. 3 shows the control pulses of the transistor VT8 of the additional half-bridge.

На фиг. 4 представлены рассчитанные с помощью модели временные зависимости напряжения на однофазной нагрузке инвертора и тока через нее без применения предлагаемого способа управления, а на фиг. 5 - с применением предлагаемого способа управления.In FIG. 4 shows the time dependences of the voltage on the single-phase load of the inverter and the current through it, calculated using the model, without using the proposed control method, and in Fig. 5 - using the proposed control method.

В результате проведенного моделирования установлено, что предлагаемый способ управления трехфазным инвертором напряжения с дополнительным транзисторным полумостом при питании однофазной нагрузки позволил в рассматриваемом примере снизить коэффициент нелинейных искажений кривой тока инвертора с 22,04 до 9,47%.As a result of the simulation, it was found that the proposed method for controlling a three-phase voltage inverter with an additional transistor half-bridge when supplying a single-phase load made it possible in this example to reduce the coefficient of nonlinear distortion of the inverter current curve from 22.04 to 9.47%.

Claims

A method for controlling a three-phase voltage inverter, the control system of which contains a unit for generating modulating output voltage curves in accordance with the vector pulse-width modulation algorithm and a triangular-shaped reference voltage generator unit connected to the units for generating pulses for controlling transistors of phases A, B and C of the three-phase voltage inverter and zero-sequence voltage calculation unit, which is connected to the transistor control pulse generation unit of an additional transistor half-bridge of a three-phase voltage inverter, which consists in the fact that the voltage at the output of the three-phase voltage inverter is formed in accordance with the algorithm of classical vector pulse-width modulation, and characterized in that switching transistors of an additional transistor half-bridge of a three-phase voltage inverter are carried out at the moments of equality of the reference voltage of the pulse-width modulation and the zero-sequence voltage, which is calculated as one third of the sum of the instantaneous values of the modulating phase voltages of the three-phase voltage inverter.