СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ
METHOD OF FREQUENCY CONVERTER CONTROL

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при проектировании узлов управления инверторами, входящими в состав систем генерирования энергии переменного тока с жесткими требованиями по электромагнитной совместимости.
В качестве первичных источников питания инверторов могут быть использованы генераторы стабильной или нестабильной частоты и напряжения, промышленные и бортовые сети (например, летательных аппаратов), аккумуляторные батареи и т.д. При всех модификациях первичных источников электропитания функции обеспечения качества выходной энергии системы генерирования возлагаются на узлы управления инверторами и выходные фильтры.
Известны способы управления преобразователями частоты, в которых для решения проблем электромагнитной совместимости используются различные методики управления их полупроводниковыми ключами. При этом сами преобразователи во всех случаях выполняются со специально синтезируемыми фильтрами выходного напряжения («Проблемы электромагнитной совместимости силовых полупроводниковых преобразователей» Тезисы докладов второго межведомственного научно-технического совещания. Академия наук Эстонской ССР, Институт термофизики и электрофизики. Таллин, 1982 г, с.53-54; 66-67; 161-162).
Общим недостатком известных методов управления инверторами являются повышенные массогабаритные показатели их выходных фильтров и, как следствие, низкое качество выходного напряжения из-за перенапряжений, возникающих при коммутациях нагрузки (из-за большой индуктивности дросселей фильтров).
2кр
1
2
1
2
21p
1
2
Наиболее близким к изобретению является способ управления преобразователем частоты с широтно-импульсной модуляцией, заключающийся в формировании импульсов управления ключами инвертора в моменты равенства опорного высокочастотного пилообразного и управляющего низкочастотного сигналов («Силовая интеллектуальная электроника» №1, 2005 г., с.31-34). Недостатком известного способа является присутствие в спектре выходного напряжения высокочастотных комбинационных гармоник с частотами f=кf±pf, где к,р=1,2,3… - ряд натуральных чисел, f - частота опорного пилообразного сигнала, f - частота управляющего сигнала. Однако гармоники первой группы комбинационных гармоник с частотами f=f±pf имеют достаточно большую амплитуду, что приводит к увеличению массы и габаритов выходного силового фильтра. Кроме того, комбинационные гармоники попадают в частотный поддиапазон радиопомех, что ведет к резкому снижению показателей электромагнитной совместимости как отдельно взятого инвертора, так всей и системы электроснабжения в целом.
Техническим результатом, которого можно достичь при использовании изобретения, является улучшение массогабаритных показателей выходного фильтра преобразователя частоты при одновременном повышении электромагнитной совместимости устройства как самостоятельной единицы, так и в составе системы электроснабжения, например, летательных аппаратов.
оп
оп
Технический результат достигается за счет того, что в способе управления преобразователем частоты, заключающемся в том, что формирование сигналов управления силовыми ключами преобразователя частоты осуществляют с помощью широтно-импульсной модуляции в моменты равенства опорного пилообразного напряжения высокой частоты и управляющего напряжения низкой частоты, моменты формирования сигналов управления силовыми ключами преобразователя частоты дополнительно изменяют на каждом коммутационном интервале по случайному закону, оставляя постоянным на каждом периоде выходного напряжения среднее количество коммутационных интервалов, равное отношению частоты опорного пилообразного напряжения к частоте управляющего напряжения, при этом период выходного напряжения соответствует периоду управляющего напряжения низкой частоты. Изменение моментов формирования сигналов управления силовыми ключами преобразователя частоты может быть осуществлено за счет дополнительной модуляции по случайному закону скорости нарастания опорного пилообразного напряжения высокой частоты на каждом коммутационном интервале, причем изменение угла наклона опорного пилообразного напряжения выбирают в пределах ±(0,1-10)%. Изменение моментов формирования сигналов управления силовыми ключами преобразователя частоты может быть осуществлено за счет дополнительной модуляции управляющего напряжения низкой частоты сигналом, частоту и фазу которого изменяют по случайному закону, причем соотношение частоты дополнительного модулирующего сигнала по отношению к частоте управляющего напряжения выбирают в пределах от 1 до 10 f, где f - частота опорного пилообразного напряжения, а соотношение амплитуд этих сигналов выбирают в пределах от 0,001 до 0,1.
В патентных источниках информации не обнаружено сведений об использовании данного способа управления инвертором, что позволяет сделать вывод о соответствии данного технического решения критериям «новизна» и «изобретательский уровень».
На Фиг.1 изображена функциональная схема системы управления преобразователем частоты, реализующая способ управления, использующий изменение по случайному закону скорости нарастания опорного напряжения.
На Фиг.2 изображена функциональная схема системы управления преобразователем частоты, реализующая способ управления, использующий изменение по случайному закону управляющего напряжения низкой частоты.
На Фиг.3 и 4 представлены эпюры, иллюстрирующие работу данных схем соответственно.
Схемы устройств, реализующих данный способ управления (Фиг.1, 2), содержат генератор случайных колебаний 1, выход которого присоединен через усилитель сигналов 2 к входу интегратора 3. Интегратор 3 выполняет функции преобразователя сигналов с регулируемой постоянной времени, сглаживающего сверхвысокие частоты напряжения, которое поступает с генератора случайных колебаний. Источник постоянного напряжения 4 соединен с формирователем опорного пилообразного напряжения 5, связанным, в свою очередь, с генератором высокочастотного сигнала 6, задающим частоту опорного напряжения. Выход формирователя опорного пилообразного напряжения 5 соединен с первым входом узла сравнения 7, выход которого присоединен к формирователю сигналов управления 8 транзисторами преобразователя частоты 9 с широтно-импульсной модуляцией (инвертора). На Фиг.1 выход интегратора 3 присоединен к входу формирователя 5, а второй вход узла сравнения - к источнику синусоидального управляющего напряжения 10, который задает период выходного напряжения преобразователя частоты 9. На Фиг.2 выход интегратора 3 присоединен к одному из входов сумматора 11, вторым входом связанного с источником синусоидального управляющего напряжения 10, а выходом - со вторым входом узла сравнения 7.
На Фиг.3 и 4 представлены графики 12-16, на которых сплошной линией показаны соответствующие сигналы без введения дополнительной модуляции по случайному закону, а пунктирной - с ее введением. На графиках обозначено:
12) Uоп. - опорное пилообразное напряжение, определяющее частоту переключения силовых ключей преобразователя частоты (формируемое на выходе узла 5);
Uупр.- управляющее напряжение, определяющее частоту выходного напряжения инвертора (формируемое на выходе источника синусоидального управляющего сигнала 10);
8
13) U - напряжение на выходе формирователя сигналов управления 8 транзисторами преобразователя частоты;
1
14) U - напряжение случайного сигнала (в аналоговом виде) на
выходе генератора 1;
3
15) U - напряжение на выходе интегратора 3;
11
16) U - напряжение на выходе сумматора 11.
Устройство работает следующим образом.
8
3
8
При включении источника постоянного напряжения 4 на выходе формирователя опорного пилообразного напряжения 5 формируется опорное напряжение (Uоп.), частота которого определяется генератором высокочастотного сигнала 6, определяющего число коммутационных интервалов в полупериоде выходного напряжения (Фиг.1, 3). В моменты сравнения опорного и управляющего сигналов на выходе узла 8 формируются импульсы управления (U) силовыми транзисторами инвертора 9. При этом на входе формирователя опорного пилообразного напряжения 5 присутствует сигнал (Uоп), определяемый суммой сигналов с источника постоянного напряжения 4 и интегратора 3 (U), изменяемой в каждый момент времени по случайному закону. Под воздействием суммарного сигнала изменяется скорость нарастания переднего фронта опорного пилообразного напряжения (Uоп - пунктирная линия) на выходе узла 5. После сравнения пилообразного и управляющего Uynp. напряжений формирователь сигналов управления 8 соответственно (U) формирует моменты включения силовых транзисторов инвертора. При этом среднее количество коммутаций силовых ключей за период выходного напряжения не изменяется, и их загрузка остается в среднем без изменений.
Установлено, что наиболее целесообразно при использовании данной схемы управления выбирать изменение угла наклона опорного пилообразного напряжения в пределах ±(0,1-10)%.
3
11
Аналогичный результат может быть получен в случае модуляции случайным сигналом не опорного напряжения, а управляющего (Фиг.2, 4). В этом случае сигнал (U) с выхода интегратора 3 (преобразователя с регулируемой постоянной времени) суммируется в сумматоре сигналов 11 с управляющим сигналом, поступающим с выхода узла 10, после чего результат суммирования (U) поступает в узел сравнения 7 и далее - на вход формирователя сигналов управления 8 ключами инвертора.
оп
оп
Установлено, что наиболее целесообразно при использовании данной схемы управления выбирать соотношение частоты дополнительного модулирующего сигнала по отношению к частоте управляющего напряжения в пределах от 1 до 10 f, где f - частота опорного пилообразного напряжения, а соотношение амплитуд этих сигналов - в пределах от 0,001 до 0,1.
Применение данного технического решения приводит к «размазыванию» высокочастотного спектра выходного напряжения инвертора 9, т.е. происходит дробление спектральных составляющих комбинационных гармоник, причем амплитуды отдельно взятых высокочастотных гармоник заметно уменьшаются, следствием чего является значительное снижение габаритов выходного фильтра. Гармонический спектр выходного напряжения инвертора «размывается» одновременно с уменьшением удельной энергии дискретных частот, что приводит к улучшению его электромагнитной совместимости.
Благодаря хорошим массогабаритным показателям и высокой электромагнитной совместимости изобретение может быть наиболее предпочтительным при проектировании инверторов, входящих в состав систем генерирования энергии переменного тока, например, летательных аппаратов.