RU2747743C1

RU2747743C1 - Способ управления однофазным мостовым автономным инвертором напряжения

Info

Publication number: RU2747743C1
Application number: RU2020136004A
Authority: RU
Inventors: Павел Ахматович Рашитов; Евгений Александрович Вершанский; Михаил Игоревич Петров; Александр Владимирович Горчаков
Original assignee: Павел Ахматович Рашитов; Евгений Александрович Вершанский; Михаил Игоревич Петров; Александр Владимирович Горчаков
Priority date: 2020-11-02
Filing date: 2020-11-02
Publication date: 2021-05-13

Abstract

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления однофазными мостовыми автономными инверторами напряжения (АИН). Техническим результатом, на получение которого направлено предлагаемое техническое решение, являются повышение надежности работы однофазного мостового АИН за счет снижения рабочей температуры управляемых ключей, снижение массогабаритных показателей однофазного мостового АИН и его экономических показателей за счет снижения массогабаритных параметров охладителя. Предметом изобретения является способ управления однофазным мостовым автономным инвертором напряжения, содержащим параллельно соединенные две ветви, подключенные к источнику постоянного напряжения, каждая из которых состоит из последовательно соединенных двух управляемых ключей, при этом выходное напряжение однофазного мостового автономного инвертора напряжения определяется разностью потенциалов в местах соединения управляемых ключей каждой ветви, а изменение потенциалов осуществляется с помощью управления управляемыми ключами, при этом импульсы управления для управляемых ключей первой ветви формируются путем сравнения первого низкочастотного модулирующего сигнала и высокочастотного пилообразного сигнала, а импульсы управления для управляемых ключей второй ветви формируются путем сравнения второго низкочастотного модулирующего сигнала, ограниченного амплитудой высокочастотного пилообразного сигнала, и высокочастотного пилообразного сигнала, при этом форма первого низкочастотного модулирующего сигнала определяется как сумма форм второго низкочастотного модулирующего сигнала и низкочастотного сигнала, задающего закон изменения выходного напряжения и ограниченного амплитудой высокочастотного пилообразного сигнала. 2 ил.

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления однофазными мостовыми автономными инверторами напряжения (АИН).

Известен способ управления однофазным мостовым АИН, содержащим в своем составе параллельно соединенные две ветви, подключенные к источнику постоянного напряжения, представляющие собой последовательное включение первого и второго управляемых ключей, по которому управляемые ключи каждой ветви поочередно включают в проводящее состояние в течение половины длительности периода повторения выходного напряжения, при этом, одновременно в проводящем состоянии находятся только первый и второй управляемые ключи каждой ветви [Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника: Учебник для вузов/Под ред. В.А. Лабунцова. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 320 с. (стр. 304, рис. 9.6, б)].

Недостатком известного способа управления является низкое качество выходного напряжения однофазного мостового АИН, а именно неудовлетворительный спектральный состав выходного напряжения однофазного мостового АИН во всем диапазоне регулирования.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ управления однофазным мостовым АИН, содержащим в своем составе параллельно соединенные две ветви, подключенные к источнику постоянного напряжения, представляющие собой последовательное включение первого и второго управляемых ключей, по которому формирование импульсов управления управляемыми ключами осуществляют с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с регулированием по синусоидальному закону, заключающейся в сравнении высокочастотного пилообразного сигнала и низкочастотного модулирующего сигнала синусоидальной формы [Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника - Москва: Техносфера, 2005. - 632 с. (стр. 383, рис. 15.10, б)]. По данному способу управления однофазным мостовым АИН управляемые ключи первой ветви переключают с частотой низкочастотного модулирующего сигнала, а управляемые ключи второй ветви - с частотой высокочастотного пилообразного сигнала.

Недостатком данного технического решения является неравномерное распределение мощности потерь электрической энергии по управляемым ключам, в результате которого температура одних управляемых ключей становится выше температуры других управляемых ключей, и как следствие происходит снижение надежности работы однофазного мостового АИН, а также увеличение массогабаритных параметров и экономических показателей всего устройства в целом.

Технической задачей предлагаемого изобретения является достижение равномерного распределения мощности потерь электрической энергии по управляемым ключам однофазного мостового автономного инвертора напряжения.

Техническим результатом, на получение которого направлено предлагаемое техническое решение, являются повышение надежности работы однофазного мостового АИН за счет снижения рабочей температуры управляемых ключей, снижение массогабаритных показателей однофазного мостового АИН и его экономических показателей за счет снижения массогабаритных параметров охладителя.

Технический результат достигается тем, что в способе управления однофазным мостовым автономным инвертором напряжения, содержащим параллельно соединенные две ветви, подключенные к источнику постоянного напряжения, каждая из которых состоит из последовательно соединенных двух управляемых ключей, при этом выходное напряжение однофазного мостового автономного инвертора напряжения определяется разностью потенциалов в местах соединения управляемых ключей каждой ветви, а изменение потенциалов осуществляется с помощью управления управляемыми ключами, заключающимся в том, что импульсы управления для управляемых ключей первой ветви формируются путем сравнения первого низкочастотного модулирующего сигнала и высокочастотного пилообразного сигнала, импульсы управления для управляемых ключей второй ветви формируются путем сравнения второго низкочастотного модулирующего сигнала, ограниченного амплитудой высокочастотного пилообразного сигнала, и высокочастотного пилообразного сигнала, при этом форма первого низкочастотного модулирующего сигнала определяется как сумма форм второго низкочастотного модулирующего сигнала и низкочастотного сигнала, задающего закон изменения выходного напряжения и ограниченного амплитудой высокочастотного пилообразного сигнала.

Сущность предложенного изобретения поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема однофазного мостового АИН и его блок-схема управления, реализующая предлагаемый способ управления, на фиг. 2 приведены временные диаграммы, поясняющие предлагаемый способ управления однофазным мостовым АИН.

Однофазный мостовой автономный инвертор напряжения 1 подключен к источнику постоянного напряжения шиной положительной полярности 2 и шиной отрицательной полярности 3 и содержит две параллельно соединенные первую 4 и вторую 5 ветви. При этом ветвь 4 содержит в своем составе последовательно соединенные управляемые ключи 6, 7, в свою очередь ветвь 5 состоит из последовательно соединенных управляемых ключей 8, 9. Точки соединения управляемых ключей 6, 7 первой ветви 4 и управляемых ключей 8, 9 второй ветви 5 подключены к выходным клеммам 10 и 11 однофазного мостового АИН соответственно.

Блок 12 задания параметров управления управляемыми ключами своими первым и вторым выходами подключен к первому и второму входам блока 13 формирования низкочастотного модулирующего сигнала второй ветви однофазного мостового АИН. Блок 14 формирования низкочастотного модулирующего сигнала первой ветви однофазного мостового АИН своим первым входом подключен к выходу блока 13 формирования низкочастотного модулирующего сигнала второй ветви однофазного мостового АИН, своим вторым входом подключен к второму выходу блока 12 задания параметров управления управляемыми ключами. Блок 15 формирования импульсов управления управляемых ключей подключен своим первым входом к выходу блока 13 формирования низкочастотного модулирующего сигнала второй ветви однофазного мостового АИН, вторым входом - к выходу блока 14 формирования низкочастотного модулирующего сигнала первой ветви однофазного мостового АИН, третьим входом - к выходу блока 16 формирования высокочастотного пилообразного сигнала. Первый, второй, третий и четвертый выходы блока 15 формирования импульсов управления управляемых ключей подключены, соответственно, к управляемым ключам 6, 7, 8, 9 однофазного мостового АИН 1.

Заявляемый способ управления осуществляется следующим образом.

Выходное напряжение однофазного мостового АИН 1 (фиг. 1) определяется разностью потенциалов точек соединения управляемых ключей 6, 7 первой ветви 4 и управляемых ключей 8, 9 второй ветви 5, которые в разные моменты времени соединяют с шиной положительной полярности 2 или шиной отрицательной полярности 3 однофазного мостового АИН 1 путем управления управляемыми ключами 6, 7, 8, 9. В каждый момент времени приводят в проводящее состояние только управляемый ключ 6 или управляемый ключ 7 первой ветви 4 и управляемый ключ 8 или управляемый ключ 9 второй ветви 5. Управление управляемыми ключами 6, 7, 8, 9 однофазного мостового АИН 1 осуществляют с помощью блока 15 формирования импульсов управления управляемых ключей, в котором производят сравнение низкочастотных модулирующих сигналов первой 4 и второй 5 ветвей, формируемых, соответственно, блоком 14 формирования низкочастотного модулирующего сигнала первой ветви однофазного мостового АИН и блоком 13 формирования низкочастотного модулирующего сигнала второй ветви однофазного мостового АИН с высокочастотным пилообразным сигналом, формируемого блоком 16 формирования высокочастотного пилообразного сигнала.

Блок 13 формирования низкочастотного модулирующего сигнала второй ветви однофазного мостового АИН по сигналам, поступающим с блока 12 задания параметров управления управляемыми ключами, формирует низкочастотный модулирующий сигнал второй ветви 5 однофазного мостового АИН 1. Низкочастотный модулирующий сигнал второй ветви 5 должен содержать интервалы, в течение которых управляемые ключи 8, 9 поочередно не замыкаются с высокой частотой.

К параметрам, которые задает блок 12 задания параметров управления управляемыми ключами, относятся длительность интервалов, в течение которых управляемые ключи 8, 9 поочередно не замыкаются с высокой частотой, содержащиеся в низкочастотном модулирующем сигнале второй ветви 5, и низкочастотный сигнал, задающий закон изменения выходного напряжения однофазного мостового АИН 1 и ограниченный амплитудой высокочастотного пилообразного сигнала.

Блок 14 формирования низкочастотного модулирующего сигнала первой ветви однофазного мостового АИН по сигналам, поступающим с блока 13 формирования низкочастотного модулирующего сигнала второй ветви однофазного АИН и блока 12 задания параметров управления управляемыми ключами, формирует низкочастотный модулирующий сигнал первой ветви однофазного мостового АИН, который определяется как сумма низкочастотного модулирующего сигнала второй ветви 4 и низкочастотного сигнала, задающего закон изменения выходного напряжения однофазного мостового АИН 1 и ограниченного амплитудой высокочастотного пилообразного сигнала.

Блок 15 формирования импульсов управления управляемых ключей по сигналам с блока 13 формирования низкочастотного модулирующего сигнала второй ветви, блока 14 формирования низкочастотного модулирующего сигнала первой ветви и блока 16 формирования высокочастотного пилообразного сигнала формирует управляющие импульсы для управляемых ключей 6, 7, 8, 9 однофазного мостового АИН 1.

В процессе работы на управляемых ключах 6, 7, 8, 9 возникают потери электрической энергии, которые состоят из потерь электрической энергии в проводящем состоянии E_cond и потерь электрической энергии при переключении E_dyn. Причем потери электрической энергии при переключении складываются из потерь электрической энергии при включении E_on и потерь электрической энергии при выключении E_off. Как правило, в однофазных мостовых автономных инверторах напряжения в качестве управляемых ключей используют полупроводниковые управляемые ключи. Потери электрической энергии в проводящем состоянии и потери электрической энергии при переключении полупроводникового управляемого ключа определяются соответственно, как

где I_M - амплитуда тока, протекающего через управляемый ключ, U_cond -напряжение на управляемом ключе в проводящем состоянии, U_rev -напряжение на управляемом ключе в непроводящем состоянии, K - коэффициент, определяемый типом нагрузки, t_P - время проводящего состояния управляемого ключа, t_R - время нарастания прямого тока, t_F - время спада прямого тока. Мощность потерь электрической энергии (мощность потерь) каждого управляемого ключа 6, 7, 8, 9 на периоде выходного напряжения однофазного мостового АИН 1 определяется как

где ƒ_out - частота выходного напряжения однофазного мостового АИН, N - количество переключений управляемого ключа за один период выходного напряжения однофазного мостового

где ƒ_switch - частота переключения управляемых ключей),

- потери электрической энергии в проводящем состоянии за i-й период переключения управляемого ключа,

- потери электрической энергии при переключении за i-й период переключения управляемого ключа, P_cond - мощность потерь в проводящем состоянии, P_dyn - мощность потерь при переключении.

При использовании прототипа мощность потерь в проводящем состоянии управляемых ключей 6, 7 совпадает с мощностью потерь в проводящем состоянии управляемых ключей 8, 9. При этом мощность потерь при переключении управляемых ключей 8, 9 больше, чем мощность потерь при переключении управляемых ключей 6, 7, т.к. частота переключения управляемых ключей 8, 9 выше частоты переключения управляемых ключей 6, 7. На основе вышесказанного можно сделать вывод, что мощности потерь управляемых ключей 8, 9 больше, чем мощность потерь управляемых ключей 6, 7. В результате возникает неравномерное распределение мощности потерь по управляемым ключам 6, 7, 8, 9.

Использование предлагаемого способа управления позволяет обеспечить равномерное распределение мощности потерь по управляемым ключам однофазного мостового АИН. На фиг. 2 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие формирование импульсов управления управляемых ключей 6, 7, 8, 9 по предлагаемому способу управления для случая, когда происходит равномерное распределение мощности потерь по управляемым ключам 6, 7, 8, 9. Временные диаграммы обозначены следующим образом:

1 - низкочастотный сигнал, задающий закон изменения выходного напряжения однофазного мостового АИН;

2 - высокочастотный пилообразный сигнал;

3 - низкочастотный модулирующий сигнал второй ветви однофазного мостового АИН;

4 - низкочастотный модулирующий сигнал первой ветви однофазного мостового АИН;

5 - импульсы управления управляемого ключа 6;

6 - импульсы управления управляемого ключа 7

7 - импульсы управления управляемого ключа 8;

8 - импульсы управления управляемого ключа 9.

Из приведенных на фиг. 2 временных диаграмм видно, что импульсы управления управляемых ключей 6, 7, 8, 9 содержат интервалы импульсов управления с высокой частотой (для управляемых ключей 6, 7 интервалы t1-t2, t3-t4, для управляемых ключей 8, 9 интервалы 0-t1, t2-t3, t4-t5) и интервалы импульсов управления с низкой частотой (для управляемых ключей 6, 7 интервалы 0-t1, t2-t3, t4-t5, для управляемых ключей 8, 9 интервалы t1-t2, t3-t4). При этом длительности интервалов импульсов управления с высокой частотой и интервалов импульсов управления с низкой частой равны и одинаковы для каждого управляемого ключа 6, 7, 8, 9. Следовательно, согласно формулам (1) и (2), на периоде повторения выходного напряжения однофазного мостового АИН потери электрической энергии в проводящем состоянии одинаковы для каждого управляемого ключа 6, 7, 8, 9 и потери электрической энергии при переключении также одинаковы для каждого управляемого ключа 6, 7, 8, 9, а соответственно, одинаковы мощности потерь управляемых ключей 6, 7, 8, 9.

Одним из параметров полупроводниковых управляемых ключей является максимальная допустимая температура кристалла T_J(max), при превышении которой управляемый ключ выходит из строя. Для поддержания температуры управляемого ключа в допустимом диапазоне применяют охладитель. При размещении всех управляемых ключей 6, 7, 8, 9 на одном охладителе его тепловое сопротивление определяется следующим образом:

где T_S - температура поверхности охладителя, T_A - температура окружающей среды, P_∑ - сумма мощностей потерь управляемых ключей 6, 7, 8, 9. Расчет температуры поверхности охладителя необходимо проводить для максимального значения мощности потерь из всех значений мощностей потерь управляемых ключей 6, 7, 8, 9, чтобы обеспечить оптимальный тепловой режим самого нагретого управляемого ключа. Т.е. температура поверхности охладителя рассчитывается как

где Τ_J - температура кристалла управляемого ключа, P_max - максимальное значение мощности потерь из всех значений мощностей потерь управляемых ключей 6, 7, 8, 9, R_thJC - тепловое сопротивление кристалл-корпус (справочное значение). Из формул (4) и (5) тепловое сопротивления охладителя определяется следующим образом:

Тепловое сопротивление охладителя обратно пропорционально площади поверхности охладителя, т.е. уменьшение теплового сопротивления охладителя, приводит к увеличению его массогабаритных показателей. При использовании прототипа расчет теплового сопротивления охладителя необходимо проводить при P_max равной мощности потерь управляемых ключей 8, 9 второй ветви 5, т.к. мощность потерь управляемых ключей 8, 9 второй ветви 5 больше, чем мощность потерь управляемых ключей 6, 7 первой ветви 4. Использование предлагаемого способа управления позволяет снизить максимальное значение мощности потерь за счет распределения потерь электрической энергии по управляемым ключам 6, 7, 8, 9. По формуле (6) тепловое сопротивление охладителя увеличивается с уменьшением P_max, следовательно, массогабаритные параметры охладителя становятся ниже. Помимо этого, в справочной литературе приводятся зависимости интенсивности отказов полупроводниковых управляемых ключей от их температуры кристалла. С уменьшением температуры кристалла полупроводникового управляемого ключа интенсивность отказов уменьшается.

Таким образом, использование предлагаемого способа управления однофазным мостовым автономным инвертором напряжения позволяет повысить надежность работы однофазного мостового АИН за счет снижения рабочей температуры управляемых ключей, снизить массогабаритные показатели АИН и его экономические показатели за счет снижения массогабаритных параметров охладителя.

Claims

Способ управления однофазным мостовым автономным инвертором напряжения, содержащим параллельно соединенные две ветви, каждая из которых состоит из последовательно соединенных двух управляемых ключей, и подключенные к источнику постоянного напряжения, при этом выходное напряжение однофазного мостового автономного инвертора напряжения определяется разностью потенциалов в местах соединения управляемых ключей каждой ветви, а изменение потенциалов осуществляется с помощью управления управляемыми ключами, заключающийся в том, что импульсы управления для управляемых ключей первой ветви формируются путем сравнения первого низкочастотного модулирующего сигнала и высокочастотного пилообразного сигнала, отличающийся тем, что импульсы управления для управляемых ключей второй ветви формируются путем сравнения второго низкочастотного модулирующего сигнала, ограниченного амплитудой высокочастотного пилообразного сигнала, и высокочастотного пилообразного сигнала, при этом форма первого низкочастотного модулирующего сигнала определяется как сумма форм второго низкочастотного модулирующего сигнала и низкочастотного сигнала, задающего закон изменения выходного напряжения и ограниченного амплитудой высокочастотного пилообразного сигнала.