СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИНВЕРТОРОМ НАПРЯЖЕНИЯ С ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ В СОСТАВЕ СИСТЕМЫ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
METHOD FOR CONTROL OF PWM-CONTROLLED VOLTAGE INVERTER INCLUDED INTO ALTERNATING-CURRENT GENERATION SYSTEM

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, может быть использовано при построении систем генерирования электрической энергии переменного тока или систем гарантированного электропитания переменного тока, в которых для снижения массы и габаритов системы генерирования, повышения качественных показателей генерируемой электрической энергии и электромагнитной совместимости с нагрузкой применяется инвертор напряжения. Первичными источниками с нестабильными параметрами входной энергии в таких системах может служить сеть промышленной частоты, синхронный генератор с переменной скоростью вращения вала или аккумуляторная батарея. Функция обеспечения качественных показателей генерируемой электрической энергии возлагается на инвертор напряжения и выходной силовой низкочастотный фильтр.
Известен способ управления инвертором напряжения [Лабунцов В.А., Ривкин Г.А., Шевченко Г.И. Автономные тиристорные инверторы - М.; Л.: Энергия, 1967. - 160 с.], основанный на управлении вентилями трехфазного инвертора напряжения импульсами длительностью, равной половине периода выходных напряжений инвертора, а фазы импульсов сдвинуты относительно друг друга на 120 эл. град. по частоте выходных напряжений инвертора.
Частота и фазы основных гармоник выходных напряжений инвертора определяются частотой и фазами соответствующих импульсов, подаваемых на вентили. Амплитуда основных гармоник выходных напряжений инвертора определяется величиной постоянного напряжения на входе инвертора напряжения.
Однако в указанном способе в спектре выходных напряжений инвертора присутствуют гармоники, кратные частоте первой гармоники этого напряжения, что приводит к существенному ухудшению качественных показателей генерируемой электрической энергии и к повышению массы и габаритов выходного силового низкочастотного фильтра. Кроме этого, с целью стабилизации амплитуд основных гармоник выходных напряжений при изменении величины нагрузки появляется необходимость регулирования напряжения на входе инвертора напряжения.
Кроме того, известен способ управления инвертором напряжения [Сандлер А.С., Гусяцкий Ю.М. Тиристорные инверторы с ШИМ. - М.: Энергия, 1968. - 95 с.], являющийся прототипом предлагаемого изобретения, заключающийся в том, что формируют три управляющих сигнала, формируют опорный двухполярный сигнал, вырабатывают импульсы управления вентилями инвертора напряжения при превышении нулевого уровня разностями опорного двухполярного сигнала и управляющих сигналов.
В данном способе, который получил название инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), при опорном сигнале, имеющем пилообразную двухполярную форму, изменяющемся с частотой существенно большей частоты управляющих сигналов, имеющих синусоидальную форму, амплитуда, частота и фазы основных гармоник выходных напряжений инвертора определяются амплитудой, частотой и фазами соответствующих управляющих сигналов.
Недостатком данного способа управления является то, что в спектрах выходных напряжений присутствуют высокочастотные комбинационные гармоники с частотами
2kp
1
2
f=kf±pf,
где k=1,2,3,…;
p=1,2,3,…;
1
f - частота опорного пилообразного сигнала (частота ШИМ);
2
f - постоянная частот генератора трехфазного синусоидального напряжения.
21p
1
2
Причем гармоники первой группы комбинационных гармоник с частотами f=f±pf имеют достаточно большую амплитуду, что приводит
к увеличению массы и габаритов выходного силового низкочастотного фильтра. При увеличении частоты ШИМ возрастают динамические потери в вентилях инвертора и, как следствие, увеличиваются масса и габариты системы, кроме этого, комбинационные гармоники попадают в частотный диапазон радиопомех, при этом требуется их значительное уменьшение по величине, в противном случае резко снижается электромагнитная совместимость системы с нагрузкой (потребителями).
Задача изобретения - снижение массы и габаритов системы генерирования, повышение качественных показателей генерируемой электрической энергии и электромагнитной совместимости с нагрузкой (потребителями) путем снижения амплитуд комбинационных гармоник за счет применения случайного изменения частоты опорного двухполярного пилообразного сигнала.
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе управления инвертором напряжения, заключающемся в том, что формируют три управляющих сигнала, формируют опорный двухполярный сигнал, вырабатывают импульсы управления вентилями инвертора напряжения при превышении нулевого уровня разностями опорного двухполярного сигнала и управляющих сигналов, частота опорного двухполярного пилообразного сигнала определяется суммой детерминированного значения частоты и случайного значения частоты с нулевым математическим ожиданием и среднеквадратичным отклонением, меньшим детерминированного значения частоты.
На фиг.1 представлена одна из возможных структурных схем, реализующая предлагаемый способ управления инвертором напряжения.
Она условно может быть разделена на силовую схему и систему управления. Силовая схема содержит инвертор напряжения (блок 23), три выхода стоек соединены со входами низкочастотного фильтра (блок 24), а выходы последних соединены со входами нагрузки (блок 25). Система управления включает в себя генератор управляющих сигналов (блок 1), три выхода которого соединены с инвертирующими входами схем вычитания (блоки 8, 9, 10), к неинвертирующим входам которых подключен выход генератора опорного двухполярного пилообразного напряжения (блок 2). Выходы схем вычитания соединены со входами компараторов (блоки 11, 12, 13), выходы последних соединены со входами первой группы драйверов непосредственно (блоки 18, 20, 22) и через логические элементы «не» (блоки 14, 15, 16) со входами второй группы драйверов (блоки 17, 19, 21). Выходы первой группы драйверов (блоки 18, 20, 22) соединены с затворами верхних транзисторов стоек инвертора напряжения (блок 23), а выходы второй группы драйверов (блоки 17, 19, 21) соединены с затворами нижних транзисторов стоек инвертора напряжения (блок 23). Один вход генератора опорного двухполярного пилообразного напряжения (блок 2) соединен с выходом источника постоянного напряжения (блок 6), а второй - с выходом сумматора (блок 5). Один вход сумматора (блок 5) соединен с выходом источника постоянного напряжения (блок 3), а второй соединен с выходом источника случайных напряжений (блок 4), вход которого соединен с выходом блока 7.
2
Блоки схемы выполняют следующие функции. Генератор управляющих сигналов (блок 1), в простейшем случае, представляющий собой генератор трехфазного синусоидального напряжения с постоянной частотой f. Амплитуда этих сигналов может изменяться в зависимости от величины и характера нагрузки (блок 25), подключенной к выходным зажимам силового низкочастотного фильтра (блок 24), функции которого может выполнять LC Г-образный фильтр низкой частоты. Блоки 3, 6 и 7 - источники постоянного напряжения; блок 4 - источник случайных значений напряжений с нулевым математическим ожиданием и средним квадратичным отклонением, ограниченным по величине сигналом с выхода блока 7; блок 5 - сумматор; блок 2 - генератор опорного двухполярного пилообразного напряжения, частота которого задается напряжением с выхода сумматора 5, а амплитудное значение задается напряжением с выхода блока 6. Блоки 8, 9, 10 реализуют схему вычитания, вычисляют разницу между опорным сигналом и сигналами управления. Блоки 11, 12, 13 реализуют функцию sign(x), где х - входной сигнал блока, и представляют собой компаратор, т.е. усилитель с большим коэффициентом усиления. Логические элементы «не» (блоки 14, 15, 16) представляют собой обычные импульсные (цифровые) инверторы уровня сигнала. Блоки 17, 18, 19, 20, 21, 22 - драйверы, усиливают сигнал по мощности, осуществляют гальваническую развязку между электрическими цепями системы управления и силовой схемой инвертора напряжения (блок 23). Инвертор напряжения может быть выполнен на любых управляемых вентилях, в качестве примера изображен инвертор напряжения на IGBT транзисторах VT1, VT2, VT3, VT4, VT5 и VT6. Схема нагрузки может быть выполнена как с нулевым проводом, так и без него.
2
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом: генератор управляющих сигналов (блок 1) вырабатывает три синусоидальных напряжения с постоянной частотой f, сдвинутых друг относительно друга на 120 эл. град. Эти напряжения подаются на первые входы схем вычитания (блоки 8, 9, 10). На вторые входы схем вычитания поступает опорное двухполярное пилообразное напряжение. Частота этого напряжения определяется соотношением
1
10
f=f+ξ,
10
10
2
где f - детерминированное значение частоты, удовлетворяющее условию f>>f;
10
ξ - случайное значение частоты с плотностью распределения вероятностей φ(ξ), имеющее нулевое математическое ожидание и среднеквадратичное отклонение меньше детерминированного значения частоты f.
В качестве примера может быть использовано равномерное распределение вероятностей, в этом случае плотность распределения вероятностей величины ξ определяется соотношением
<mrow><mi>ϕ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>ξ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>{</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>α</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow></mtd><mtd><mrow><mrow><mo>|</mo><mi>ξ</mi><mo>|</mo></mrow><mo><</mo><mi>α</mi><mo>;</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mn>0,</mn></mrow></mtd><mtd><mrow><mrow><mo>|</mo><mi>ξ</mi><mo>|</mo></mrow><mo>></mo><mi>α</mi><mo>,</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow></mrow>
<mrow><mi>σ</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>α</mi><mrow><msqrt><mn>3</mn></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
10
(-α, α) - интервал частот, на котором ξ распределена равномерно, при этом среднеквадратичное отклонение определяется выражением
[Корн Г. Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). - М.:  Наука, 1974. - 832 с.]. Величина α может быть выбрана, например, из соотношения α≈f.
2
Выходные напряжения схем вычитания (блоки 8, 9, 10) поступают на компараторы (блоки 11, 12, 13), которые вырабатывают положительные импульсы при превышении опорного напряжения над управляющими напряжениями. Эти импульсы поступают на логические элементы «не» (блоки 14, 15, 16) и драйверы (блоки 18, 20, 22) верхних транзисторов (VT1, VT3, VT5) инвертора напряжения (блок 23). Напряжения с выходов логических элементов «не» подаются на драйверы (блоки 17, 19, 21) нижних транзисторов (VT2, VT4, VT6) инвертора напряжения (блок 23). Выходные напряжения инвертора снимаются со средних точек стоек А, В, С и подаются на вход силового низкочастотного фильтра (блок 24). Низкочастотный фильтр подавляет высокочастотные гармоники, практически синусоидальное трехфазное напряжение с частотой f подается на нагрузку (блок 25). В предлагаемом способе реализуется широтно-импульсная модуляция, при которой транзисторы коммутируются с высокой частотой
1
10
f=f+ξ.
В спектре выходных напряжений будут присутствовать основные гармоники, сдвинутые друг относительно друга на 120 эл. град., а также высокочастотные комбинационные гармоники с частотами
2kp
1
2
f=kf±pf, где k=1, 2, 3,…, p=1, 2, 3,….
Амплитуды комбинационных гармоник с ростом номера p  достаточно быстро уменьшаются. В первой группе комбинационных гармоник с частотами
21p
1
2
f=f±pf,
max
если обозначить через р номер, при котором амплитуда гармоники с частотой
21pmin
1
max
2
f=f-pf
21pmin
0
1
0
становится незначительной, то выбор резонансной частоты низкочастотного LC фильтра (блок 24) производится с помощью соотношения f>f. При высокой частоте f резонансная частота низкочастотного фильтра f также получается высокой, что приводит к уменьшению массы и габаритов фильтра и, как следствие, всей системы генерирования электрической энергии.
Кроме этого, малое значение индуктивности и емкости низкочастотного фильтра приводит к улучшению качества переходного процесса при сбросе-набросе нагрузки как за счет относительно невысоких значений реактивной мощности, циркулирующей между индуктивностью и емкостью, так и за счет того, что низкочастотный фильтр обладает высоким значением резонансной частоты, что позволяет повысить быстродействие регуляторов контура стабилизации выходных напряжений.
0
Однако комбинационные гармоники попадают в диапазон радиотехнических помех, требования к их величине резко повышаются [ГОСТ 19705-89. Системы электроснабжения самолетов и вертолетов. Общие требования и нормы качества электроэнергии. - М. Издательство стандартов, 1989]. Уменьшение этих составляющих до уровня требований стандарта приводит к требованию снижения резонансной частоты силового низкочастотного фильтра (f) и, как следствие, к увеличению массы и габаритов фильтра и системы.
Предложенный способ позволяет снизить величину радиопомех более чем в три раза. Это наглядно иллюстрируется с помощью фиг.2, где показан результат сравнения спектров выходного напряжения инвертора с ШИМ, при детерминированной (фиг.2а) и случайно изменяющейся частоте (фиг.2б) опорного двухполярного пилообразного сигнала. Видно, что амплитуды группы комбинационных гармоник с центром на частоте 40400 Гц существенно уменьшаются.
Таким образом, предложенный способ управления инвертором напряжения со случайно изменяющейся частотой опорного двухполярного пилообразного сигнала в составе системы генерирования электрической энергии переменного тока приводит к снижению массы и габаритов системы генерирования, повышению качественных показателей генерируемой электрической энергии и электромагнитной совместимости с нагрузкой (потребителями) за счет уменьшения амплитуд комбинационных гармоник.