SU1767665A1 - Способ управлени инвертором на полностью управл емых вентил х с широтно-импульсной модул цией - Google Patents

Abstract

Способ управлени  инвертором с ШИМ с помощью микропроцессора, при котором в основном режиме по сигналам задани  вычисл ют длительности интервалов нахождени  вентилей в рабочих комбинаци х и соответствующие им коды комбинаций, а в режиме прерываний отрабатывают эти интервалы , обеспечива  при этом выбор оптимального способа широтно-импульсного управлени , переход границ частотных диапазонов без скачка фазы и с минимальной задержкой, вычислени  производ тс  при помощи простейших арифметических операций 2 ил.

Description

Изобретение относитс  к преобразовательной технике и может быть использовано дл  управлени  инверторами напр жени  с полностью управл емыми силовыми вентил ми

Известна система управлени  с парой переключателей, соединенных последовательно-параллельно источнику питани  посто нного тока В рабочем режиме в точке соединени  переключателей вырабатываетс  выходной сигнал С помощью третьего переключател  обща  точка двух переключателей соединена с нейтралью В схеме имеетс  устройство, вырабатывающее сигнал глубина модул ции которого характеризует отклонение выходного сигнала от требуемого уровн . Микропроцессор схемы вычисл ет параметры точек коммутации переключателей инвертора во врем  рабочего

режима Вычисление параметров точек переключател  образуетс  на глубине модулирующего сигнала дл  данного числа импульсов Микропроцессор вырабатывает информацию во врем  каждого полупериода выходного сигнала Микропроцессор имеет центральное устройство обработки информации, которое вычисл ет результат

,0W«Sk Л

а«. рр(« 0 TfOttJ snSda

(1« «I

ЙИ

чо , 1во ,

„nflde,

$Й« I

где SRN - передний фронт импульса N в переключающем управл ющем сигнале,

apN задний фронт импульса N в переключающем управл ющем сигнале;

F - требуема  частота выходного сигнала инвертора,

VI

|0

N

О

о ел

Р - число импульсов, которые вырабатывает инвертор во врем  полупериода;

DM - глубина модул ции.

Устройство, соединенное с микропроцессором , вырабатывает управл ющие переключающие сигналы, используемые дл  отпирани  переключателей.

Недостатком такой схемы  вл ютс  большие затраты программного времени при непрерывном изменении частоты выходного напр жени , что делает ее малоэф- фективной дл  использовани  в частотнорегулируемых электроприводах.

Наиболее близким к предлагаемому способу  вл етс  инверторна система дл  преобразовани  энергии посто нного тока в энергию переменного тока, содержаща  цепь установки выходного напр жени  дл  генерации сигнала значени  выходного напр жени , соответствующего величине задани скорости ,генератор последовательности импульсов с частотой, пропорциональной сигналууправлени  скоростью , цепь делени  частоты последовательности импульсов, вырабатываемых генератором дл  выработки разъединенных импульсов, цепь измерени  временных интервалов между упом нутыми разъединенными импульсами подаваемых из цепи делени  частоты, арифметическое устройство . При поступлении импульсов со схемы делени  на вход арифметического устройства , последнее формирует хронирующий сигнал , в соответствии с которым вводитс  указанный разъединенный импульс, и дополнительные данные, св занные с рабочей фазой тока относительно основной волны. Там формируютс  данные о длительности импульсов

KTcllsin сот

которые от арифметического устройства поступают к схеме преобразовани  длительности ,

где U - величина выходного напр жени , поданного устанавливающей выходное напр жение цепью;

Тс - период повторени  импульсов, определ емый схемой измеревременного интервала между импульсами;

wt - рабоча  фаза относительно основной волны;

К - коэффициент пропорциональности.

Однако, известна  схема, прин та  за прототип имеет следующие недостатки. При необходимости изменени  коэффициента делени  частоты в цепи делени  частоты выходного напр жени , переход к новому значению коэффициента делени  может произойти только при достижении

нул  фазы выходного напр жени , что ухудшает динамические свойства и регулировочные характеристики при работе системы в составе частотнорегулируемого электропривода . Расчет длительностей интервалов производитс  раздельно дл  каждой из 3 фаз выходного напр жени , что увеличивает врем  их расчета арифметическим устройством .

0 Целью данного изобретени   вл етс  улучшение динамических свойств и регулировочных характеристик, и гармонического состава выходного напр жени .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что при формировании сигналов управлени 

5 полностью управл емыми вентил ми инвертора определенной длительности и определенного сочетани  включени  вентилей в зависимости от заданной частоты , согласно изобретению производим анализ частоты и фазы выходного напр жени ,

0 выбираем способ широтно-импульсного управлени , вычисл ем с использованием имеющейс  информации о длительности временных интервалов синусоидальной ШИМ дл  различных диапазонов выходной

5 частоты длительности временных интервалов нахождени  вентилей инвертора в рабочих комбинаци х и коды этих комбинаций, запоминаем их, с началом нового цикла в режиме прерываний в интервальный тай0 мер поочередно загружаем занесенные в пам ть в течение предыдущего цикла длительности интервалов нового цикла, в формирователь импульсов - соответствующие им коды комбинаций, а в основном режиме

5 ведем расчет параметров следующего цикла , при этом длительности нахождени  вентилей в основной, дополнительной и нулевой комбинаци х определ ем из выражений

0cin(p-o

t UBUX UdHOMor-r

OCH - TT Ц

и

вых.ном

Ud

ДЗТЧ

sin

71

tflOH

Uebix . UdHOM

Sin

UE

Udfla

ТнуЛ - Тц toCH Т.ДОП,

где i 0,1,...P-1 - номер цикла на периоде

re повтор емости

ивых - требуема  величина выходного напр жени ;

ивых.ном. 7 номинальна  величина выходного напр жени ;

UdhOM - номинальна  величина входного напр жени ;

. - величина напр жени  снимаемого с датчика входного напр жени ;

Тц - врем  цикла,

реализу  при этом векторное управление выходным напр жением, кроме того, в области низких частот врем  нахождени  результирующего вектора в некотором фиксированном положении на фазовой плоскости , именуемое временем цикла Тц - ве- личина посто нна , не завис ща  от частоты, а фазу фиксированного положени  результирующего вектора на фазовой плоскости определени  по формуле tpA 2ni Тц ,

где рпр величина фазы вектора дл  предыдущего цикла;

f - частота выходного напр жени , количество циклов Р за период повтор емости к /3 - величина переменна , а в области средних частот величина углового шага р перемещени  вектора на фазой плоскости - величина посто нна , определ ема  из выражени 

тс .

а врем  цикла определ ем из выражени 

т - 1 |ц 6Pf

причем количество циклов Р на периоде пол

втор емости ту- величина посто нна , кроме того, результирующий вектор занимает

тс к на периоде повтор емости ту Р - 2 , где

К 0,1,2...; фиксированных положений в зависимости от диапазона частот, и если при изменении частоты происходит переход границы частотного диапазона так, что число фиксированных положений Р результирующего вектора на периоде повтор емости п /3 предыдущего частотного диапазона больше числа фиксированных положений Р текущего частотного диапазона и номер цикла нечетный, то отрабатывают еще один цикл с предыдущим заданием частоты и значением входного напр жени  без скачка фазы выходного напр жени , во всех остальных случа х отрабатывают новое задание частоты без задержки и без скачка фазы, кроме того дл  каждого частотного диапазона записыт вают значени  коэффициента ШИМ, имеющие вид

, Л-ГР -I)

sin -Vj-p- Udi«M Т ниж

K; . .Uto Uaux ном

где ивых.гран.нижн. - величина выходного напр жени  на нижней границе частотного диапазона;

Тцикл.гоан.нижн. - величина длительности цикла на нижней границе частотного диапа- зона,длительности интервалов определ ем по формулам

Ki

toCH -

Udflarq. К2

1нул Тц - tocH Хдоп.

Обеспечива  при этом выполнение соV отношени  -т- const.

На фиг. 1 приведена векторна  диаграмма выходного напр жени  инвертора на фазовой плоскости.

На фиг.2 приведена фазова  диаграмма

л

на периоде повтор емости -, иллюстрирующа  организацию переходов при изменении зстоты.

Изобретение осуществл етс  следующим образом.

Сигнал задани  частоты через задатчик интенсивности поступает на вход аналого- цифрового преобразовател . Величина входного напр жени  автономного инвертора снимаетс  при помощи датчика и также

подаютс  на вход АЦП

АЦП подает цифровую информацию о выходной частоте и входном напр жении на центральный процессор. ЦП в начале каждого цикла, т.е. интервала времени, в течение которого отрабатываетс  одно фиксированное положение результирующего вектора выходного напр жени  на фазовой плоскости, запрашивает с АЦП новые значени  частоты и напр жени . Производитсч анализ частоты и фазы выходного напр жени . Интервал рабочих частот 0-100 Гц разбит на р д диапазонов, дл  каждого из которых характерен свой способ широт- но-импульсного управлени . Так, в области

низких частот примен етс  асинхронна  ШИМ, в области средних частот - синхронна  ШИМ, в области частот несколько ниже номинальной (50 Гц) - широтно-импульсное регулирование (ШИР), в области частот выше номинальной - поочередное управление вентилей без регулировани  величины выходного напр жени . Причем дл  синхронной ШИМ в зависимости от частоты результирующий вектор занимает на периЛ

оде повтор емости -п различное число фик- о

сированных положений Р. Как известно, результирующий вектор может занимать 6 устойчивых положений на фазовой плоскости , каждому из которых соответствует определенна  комбинации вентилей (фиг,1). Кроме того, инвертор может сформировать две нулевых комбинации (включаютс  1, 3, 5 или 2, 4, 6 вентили), при которых выходное напр жение инвертора устанавливаетс  в ноль.

Дл  формировани  промежуточных положений вектора на фазовой плоскости необходимо поочередно устанавливать основную дл  данного интервала комбинацию вентилей, дополнительную (формуюл щучо вектор, отсто щий от основного на

и нулевую комбинацию вентилей,

В общем случае длительность нахождени  вен гилей в основной, дополнительной и нуле вой комбинаци х определ етс  по формулам

-

UdHOM Udflarn

sm

Я(Р -I

sin

О

Тдоп -

и

вых

Udlsin

ж

ЗР

Тп

(2) (3)

UBBIX ном Udflai4 Sin Л/3 ул Тц Хосн - tflon ,

где i 0,1Р-1 - номер цикла на периоде

л повтор емости ту;

ивых - требуема  величина выходного напр жени ;

ивыхном - номинальна  величина выходного напр жени ;

UdHow - номинальна  величина входного напр жени ;

UdAain - величина снижаема  с датчика входного напр жени ;

Тц - врем  цикла.

В большинстве случаев, когда требуетс 

U

регулирование -г const эта формула может быть упрощена

Дл  синхронного способа длительность

цикла определ етс  по формуле Тц 1

(4). Так как нам необходимо выпол6 Pf

нение соотношени 

UE

f

КУвых ном, ТО ДЛЯ

этого предварительно рассчитывают дл  любой частоты данного диапазона (например нижней границы) величину

- т

Лтт И ГР

UdHOM

s,n

(5)

t/  ых «2р,

Ud«oMтг Тц грани (6)

где 11вых.гран.н. - величина выходного напр жени  на нижней границе частотного диапазона;

Тцикл.гран н. - величина длительности цикла на нижней границе частотного диапазона .

Рассчитанные заранее величины К1 и К2 дл  различных частотных диапазонов занос тс  в пам ть, и затем вычисл ютс  по фор- мулам:

Ki

tocH UdflaiH

К2

tAOn UdA3TM.

уЛ - Тц - toCH - tflOfl.

(7) (8)

30

25

Вычислени  по этим формулам требуют минимальных затрат программного времени и обеспечивают выполнение соотношени 

и

-г const

В соответствии  чейки пам ти записывают рассчитанные по формулам (7), (8), (3) длительности интервалов и соответствующие им комбинации вентилей.

Так дл  вектора с окончанием в точке А на фазовой плоскости основной комбинацией будет 1,4,6 (включени  1,4,6 вентили), дополнительной - 1, 3, 6, нулевой - 1, 3, 5.

Отработка этих интервалов происходит

в режиме прерываний с началом следующего цикла. В интервальный таймер загружаетс  число из пам ти, соответствующее длительности первого интервала, а в формирователь - код комбинации вентилей дл 

данного интервала, открыва  тем самым соответствующие вентили инвертора. По окончании счета таймером до нул  в него загружаетс  величина длительности следующего интервала, а в формирователь - соответствующий ему код комбинации вентилей. В начале этого цикла по основной программе процессор запрашивает новые значени  выходной частоты и выходного напр жени  и вычисл ет параметры следующего интервала цикла, которые занос тс  в пам ть. Таким образом, в каждом цикле отрабатываютс  сигналы задани  запрошенные и вычисленные в предыдущем цикле, и запрашиваютс  и вычисл ютс  параметры следующего цикла.

1767665

10

На низких частотах (менее 6-4 Гц) незначительное изменение частоты, вызывает согласно формуле:

ТЦ g-p-f

оиень большое изменение времени цикла при посто нном Р, либо требует разбиени  низко частотного участка на р д поддиапазонов с различным числом Р, а отработка частот близкой к нулевой и нулевой (результирующий вектор не измен ет своего положени  на фазовой плоскости по формуле (4) представл етс  невозможной.

Поэтому задаем посто нное врем  цикла Тц а фазу цикла определ ем по формуле:

PA, 2nfJu ,(9)

где - величина фазы вектора дл  предыдущего цикла;

f- частота выходного напр жени .

Дл  того, чтобы можно было пользоватьс  записанными величинами К1 и К2 и переходить к синхронному режиму, полученную величину округл ют (отбрасывают дробную часть) до вида

л - Л

Рь -ТГР

(10)

3 Р где i 0,1,2Р-1

Р 2К, где К 0,1,2,3,.,

Дл  асинхронного метода обычно выбираем Р 32, что обеспечивает высокую точ- ность отработки при относительно небольшом массиве коэффициентов К1 и К2.

Однако, при высоких частотах применение асинхронного способа ШИМ может вызвать по вление субгармоник, поэтому примен ем синхронный способ, при котором величина углового шага посто нна ,

тс Рцс -3 р

а врем  цикла равно

При синхронном способе производ т разбивку на частотные диапазоны со значени ми Р 2.

При изменении задани  частоты происходит переход границы частотных диапазонов , при которых измен етс  число Р. При любых переходах необходимо, чтобы на интервале ту укладывалось целое число циклов , и не происходило скачка фазы выходного напр жени .

Дл  этого частотные диапазоны дл  всех способов широтно-импульсного регулировани  построены таким образом, чтобы число Р частотного диапазона, примыкающего к верхней границе данного диапазона было в 2 раза меньше, а число Р частотного

диапазона, примыкающего к нижней границе было в 2 раза больше числа Р дл  данного частотного диапазона, т.е. число Р имеет вид

Р 2К, К-0,1,2,..„

Кроме того, задатчик интенсивности настраивают таким образом, чтобы при изменении частоты за врем  цикла пересекалось не более одной границы между частотными

диапазонами, т.е. не было их пропуска.

При уменьшении частоты с переходом границы частотных диапазонов не возникает проблем с переводом номеров циклов, так, например

i 3 при Р 4 соответствует i 6, при Р 8 (фиг.2)

При увеличении частоты с переходом границы частотных диапазонов при четном номере цикла также легко происходит

перевод номера цикла, например

i 6 при Р 8 соответствует i 3 при Р 4. Во всех указанных выше случа х в следующем цикле отрабатываетс  заданна  величина частоты без задержки и скачка фазы.

При увеличении частоты с переходом границы частотных диапазонов при нечетном номере цикла пр мой переезд номера цикла невозможен, так как при этом на интервале у будет у клады ватьс  нецелое чисJ

ло циклов. Чтобы избежать скачка фазы, при старой величине задани  частоты отрабатываетс  еще один цикл с предыдущим значением Р, а затем переходим к новому значению Р с новым заданием частоты, Например

И 5 при Р 8

2 и+1 6 при Р 8

2 3 при Р 4

Таким образом, происходит переход к новому значению Р с задержкой на один цикл, но без скачка фазы.

Указанный выше способ позвол ет быстро осуществл ть переходы от одной часто- ты к другой, что необходимо при работе в системе частотнорегулируемого электропривода .

Экспериментальные исследовани  за-  вл емого способа управлени  инвертором на полностью управл емых вентил х с ШИМ показали, что по сравнению с прототипом , предложенный способ обеспечивает высокое быстродействие и обеспечивает хо- рошие регулировочные характеристики.

По сравнению с примен емыми в насто щее врем  системами управлени  на логических элементах, предлагаемое решение обеспечивает улучшенный гармонический состав выходного напр жени , лучшие динамические и регулировочные характеристики .

Claims (2)

1. Формула изобретени  1. Способ управлени  инвертором на полностью управл емых вентил х с широт- но-импульсной модул цией, заключающийс  в том, что каждый период повтор емости работы инвертора, равный n/З, делитс  на Р циклов, в каждом из которых осуществл етс  чередование комбинаций включенных вентилей в следующем пор дке: основна , при которой включены вентили, формирующие-выходные напр жени , соответствующие данному интервалу повтор емости, нулева , при которой включены вентили анодной (катодной) группы, дополнительна , котора   вл етс  основной дл  следующего интервала повтор емости, и нулева , при которой включены вентили катодной (анодной) группы, так что результирующий вектор выходного напр жени  перемещаетс  по фазовой плоскости по квазигармоническому закону, отличающийс  тем, что, с целью улучшени  динамичес(их свойств и регулировочных характеристик и гармонического состава выходного напр жени , разбивают область регулировани  выходной частоты инвертора на области низких и средних частот, область средних частот разбивают на диапазоны, в каждом цикле фиксируют значени  частоты и фазы выходного напр жени  инвертора и его значение , определ ют частотную область и диапазон , в области низких частот врем  цикла устанавливают посто нным Тц const) фазу результирующего вектора выходного напр жени  на фазовой плоскости определ ют по формуле рн 2 rf Тц ,

   где рпр - фаза вектора дл  предыдущего цикла, f - частота выходного напр жени , количество циклов на периоде повтор емости устанавливают в зависимости от частоты , в области средних частот число циклов устанавливают посто нным в каждом диапазоне , врем  цикла определ ют из выражени  Тц 1/6Pf, величину углового шага перемещени  вектора на фазовой плоскости определ ют как рцс -л/3 Р, при переходе в диапазон с более низкими частотами число циклов Р скачкообразно увеличиваетс , при переходе в диапазон с более высокими частотами - уменьшаетс , вычисл ют длительности tocH, т.Доп, Тнул временных интервалов нахождени  вентилей в основной, дополнительной и нулевой комбинаци х по формулам

   ..т. к, ™тз т« - щ

   tny/l Тц toCH tflOfl,

   где i 0,1Р-1 - номер цикла на периоде

   повтор емости;

   Квых - требуема  величина выходного напр жени ;

   UdHOM - номинальна  величина выходного напр жени ;

   Ыс)дат измеренна  величина выходного напр жени , запоминают комбинации и их длительности

   и с началом нового поочередно воспроизвод т их, одновременно с этим ведут расчет параметров дл  следующего цикла, если очередное i Р, то задают i 0, и производ т изменение комбинаций вентилей, вызывающее сдвиг на л:/3 против часовой стрелки вектора выходного напр жени , обеспечива  тем самым векторное управление выходным напр жением..
2. 2.Способ по п.1,отличающийс  тем, что результирующий вектор выходного

   напр жени  занимает на периоде повтор емости Р 2К, где К 0,1,2... фиксированных положений в зависимости от диапазона частот , если при изменении частоты происходит переход границы частотного диапазона так, что число Р в предыдущем диапазоне больше, чем в текущем, и номер i нечетный, то отрабатывают один цикл с предыдущим заданием частоты и значением величины

   выходного напр жени , во всех остальных случа х отрабатывают новое значение частоты без задержки.

   3,Способ по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с   тем, что при расчете Тосн и Хдоп коэффициенты Ki и К2 задают равными

   К

   sin 7Г(Р -1) ЗР

   sin  /3

   К2 К

   sin Л I 3 Р

   Sin Л/3

   50

   где К - посто нный дл  данного частотного диапазона коэффициент, обеспечива  при этом выполнение соотношени  U/f const.

   8(2,3,8)

   Д(2,3,5)

   сгшгч 0(/A5j

   Фиг/

   ;Г(Ш)

   Ц(1А,6)

   Фиг 2