СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В КВАЗИСИНУСОИДАЛЬНОЕ С ВЕКТОРНОЙ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ
METHOD OF DIRECT TO QUASISINUSOIDAL VOLTAGE CONVERSION WITH VECTOR PULSE-WIDTH MODULATION

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;
1
2
U, U - сигналы уровней переключения УП1 и УП2 соответственно;
П
U - опорный пилообразный сигнал;
1
2
F, F - 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;
m
U - амплитуда заданного напряжения;
d
U - 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.
З
KP
Постоянные составляющие появляются в том случае, если в периоде управляющего напряжения (T) 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), на которых возникают наибольшие постоянные составляющие, можно определить как
,
где  - целые числа;
П
f - 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;
ОБ
S - сигнал сброса пилы в начальное состояние;
1-6
S - сигналы определения сектора работы;
З
f - задание частоты напряжения;
A
B
C
F, F, F - коммутационные функции управления силовыми ключами АИН фазы А, В, С соответственно;
A
B
C
U, U, U - выходное напряжение АИН фазы А, В, С соответственно.
Приведенный на фиг.3 АИН работает следующим образом.
З
m
1-6
ОБ
П
П
ОБ
П
1
1
2
1
2
1-6
A
B
C
A
B
C
Сигналы задания частоты f и амплитуды напряжения U 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 и по достижении углом α величины, кратной π/n, формируют сигнал сброса пилы в начальное состояние S, который вместе с сигналом частоты пилы широтно-импульсной модуляции f поступает на вход блока формирования пилы 1. Выходом блока 1 является пилообразный сигнал U, сбрасываемый в начальное значение сигналом S. Далее сигнал U подается на входы нуль-органа 3 вместе с сигналом уровня приключения УП1 U и на нуль-органа 4 вместе с сигналом уровня приключения УП2 U+U, выходом которых являются сигналы коммутационных функций F, F соответственно, в свою очередь поступающие вместе с сигналами определения сектора работы S на блок логики 5. В результате работы блока 5 на его выходе образуются коммутационные функции F, F, F управления силовыми ключами АИН, находящимися в блоке силовой части АИН 6, выходом которого является квазисинусоидальное напряжение требуемой частоты U, U, U.
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.