СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТРЕХФАЗНЫМ АВТОНОМНЫМ ИНВЕРТОРОМ
INDEPENDENT THREE-PHASE INVERTER CONTROL METHOD

Изобретение относится к области преобразовательной техники и предназначено для управления трехфазными автономными инверторами с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и может быть использовано, в частности, для частотного регулирования скорости асинхронного двигателя. Предложенный способ предназначен для управления трехфазными автономными инверторами, управляемыми посредством биполярных модулирующих и опорных сигналов. Предложенный способ управления может быть использован для управления трехфазными автономными инверторами как с синусоидальными модулирующими сигналами, так и с введенными в синусоидальный модулирующий сигнал компонентами нулевой последовательности.
Известен способ управления автономным инвертором, заключающийся в сравнении высокочастотного опорного напряжения треугольной или пилообразной формы и низкочастотного модулирующего напряжения прямоугольной формы, результатом которого является формирование серии импульсов одинаковой длительности, величина которой зависит от амплитуды прямоугольного модулирующего напряжения [Руденко B.C., Сенько В.И., Чиженко И.М. Основы преобразовательной техники: Учебник для вузов. - М.: Высш. школа, 1980. - 424 с. (стр.267, рис.4.63)].
Недостатком известного способа управления является низкое качество выходного напряжения, а именно неудовлетворительный спектральный состав напряжения во всем диапазоне его регулирования.
Известен способ управления автономным инвертором (прототип), заключающийся в сравнении высокочастотного опорного напряжения треугольной или пилообразной формы и низкочастотного модулирующего напряжения, например синусоидальной формы, результатом которого является формирование серии импульсов, длительность которых изменяется по закону модулирующего сигнала [Руденко B.C., Сенько В.И., Чиженко И.М. Основы преобразовательной техники: Учебник для вузов. - М.: Высш. школа, 1980. - 424 с. (стр.244, рис.4.45)].
Недостатком этого способа управления является ограниченный линейный диапазон регулирования амплитуды первой гармоники выходного напряжения, что приводит к недоиспользованию источника питания и ограничению мощности, отдаваемой инвертором в нагрузку.
Линейный диапазон регулирования первой гармонии имеет место до тех пор, пока амплитуда модулирующего напряжения не превышает амплитуды опорного сигнала. При дальнейшем увеличении модулирующего напряжения (область перемодуляции) амплитуда первой гармоники также будет возрастать, но по резко выраженному нелинейному закону, что мало приемлемо для целей управления. Упомянутая нелинейность в области перемодуляции обусловлена тем, что по мере увеличения амплитуды модулирующего напряжения происходит слияние соседних импульсов управления ключами автономного инвертора и, соответственно, импульсов выходного напряжения инвертора. И на этих участках теряется управляемость - зависимость ширины импульсов от амплитуды модулирующего сигнала.
Задача изобретения заключается в расширении линейного диапазона регулирования амплитуды первой гармоники выходного напряжения трехфазного автономного инвертора.
Указанная задача достигается тем, что в известном способе управления трехфазным автономным инвертором, основанном на сравнении высокочастотного опорного напряжения треугольной или пилообразной формы и низкочастотного трехфазного модулирующего напряжения, предварительно производят модуляцию амплитуды положительных и отрицательных полуволн опорного напряжения соответственно положительной и отрицательной огибающими максимальных фазных модулирующих напряжений, и далее полученное опорное напряжение сравнивают с фазными модулирующими напряжениями.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами, где на фиг.1 показано устройство для реализации предложенного способа управления, на фиг.2 - схема трехфазного автономного инвертора для реализации способа, на фиг.3 - диаграммы сигналов, поясняющие принцип формирования модулированного опорного напряжения, на фиг.4 - диаграммы опорного и модулирующих сигналов, а также выходных напряжений и токов трехфазного автономного инвертора, на фиг.5 - выходные характеристики трехфазного автономного инвертора.
Устройство управления трехфазным автономным инвертором (фиг.1) содержит: источник 1 эталонного постоянного напряжения, генератор 2 однополярного опорного напряжения, трехфазный генератор 3 постоянного по амплитуде модулирующего напряжения, потенциометр 4, диодную сборку 5 (3 шт.) с общим катодом, диодную сборку 6 (3 шт.) с общим анодом, блоки 7-9, 11, 13 умножения, сумматоры 10 и 14, формирователь 12 модуля, компараторы 15-17 с прямым и инверсным выходами.
Генератор однополярного опорного напряжения, например пилообразной формы, может быть построен, например, по схеме RC-генератора на операционном усилителе [Казьмерковский М., Вуйцак А. Схемы управления и измерения в промышленной электронике: Пер. с польск. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 224 с. (стр.76, рис.3.6)]. Трехфазный генератор модулирующего напряжения, например синусоидальной формы, может быть реализован, например, на основе ступенчатой аппроксимации гармонического сигнала путем использования постоянной программируемой памяти и цифроаналогового преобразователя [Казьмерковский М., Вуйцак А. Схемы управления и измерения в промышленной электронике: Пер. с польск. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 224 с. (стр.121, рис.3.49)].
Выход источника 1 эталонного постоянного напряжения подключен к входу генератора 2 опорного напряжения, к входу трехфазного генератора 3 модулирующего напряжения, к вычитающему входу сумматора 10, а также через потенциометр 4 к одному из входов блоков 7-9 умножения, три выхода трехфазного генератора 3 модулирующего напряжения подключены к соответствующим входам диодных сборок с общим катодом 5 и с общим анодом 6, а также к вторым входам блоков 7-9 умножения, выход генератора 2 опорного напряжения подключен к одному из входов блока 11 умножения и к суммирующему входу сумматора 10, выход которого подключен к одному из входов блока 13 умножения, выход диодной сборки 5 с общим катодом подключен к второму входу блока 11 умножения, выход диодной сборки 6 с общим анодом подключен к входу формирователя 12 модуля, выход которого подключен к второму входу блока 13 умножения, выходы блоков 11 и 13 умножения подключены к входам сумматора 14, выход которого подключен к первому (нумерация снизу) входу компараторов 15-17, выходы блоков 7-9 умножения подключены соответственно к вторым входам компараторов 15-17. Прямой и инверсный выходы компараторов 15-17 далее подключены соответственно к управляющим входам верхнего и нижнего ключа соответствующего полумоста трехфазного автономного инвертора.
Трехфазный автономный инвертор (фиг.2) содержит три полумоста полностью управляемых ключей 18-23 и три полумоста неуправляемых обратных вентилей 24-29. Каждый из полумостов фазы инвертора содержит последовательно соединенные верхний и нижний ключи, подключенные соответственно к положительному и отрицательному выводу источника питания, а средней точкой - к соответствующей фазе нагрузки, например асинхронному двигателю 30.
Способ управления трехфазным автономным инвертором осуществляют следующим образом. Регулирование питающих напряжений на нагрузке осуществляют трехфазным автономным инвертором. Формирование и регулирование напряжений осуществляют инвертором (фиг.2) за счет коммутации силовых ключей 18-23, порядок работы которых определяет направление тока в фазах нагрузки, а рассогласование времен включения между верхним и нижним ключом фазы инвертора - величину среднего напряжения фазы на интервале периода опорного напряжения. Для формирования синусоидальных токов в фазах нагрузки используют широтно-импульсную модуляцию напряжений по заданному, например синусоидальному, закону. Расширение линейного диапазона регулирования амплитуды первой гармоники выходного напряжения трехфазного автономного инвертора достигают за счет предварительной модуляции амплитуды положительных и отрицательных полуволн опорного напряжения соответственно положительной и отрицательной огибающими максимальных фазных модулирующих напряжений, и далее полученное опорное напряжение сравнивают с фазными модулирующими напряжениями. В результате этого формируются модулированные по длительности импульсы управления ключами автономного инвертора. Вариант устройства управления трехфазным автономным инвертором для реализации предложенного способа при использовании ШИМ (для примера синусоидальной, далее СШИМ) показан на фиг.1.
Напряжение с источника 1 эталонного постоянного напряжения задает амплитуду треугольного опорного напряжения, а также амплитуду выходных сигналов трехфазного генератора 3 синусоидального модулирующего напряжения. Частота синусоидальных модулирующих напряжений, при необходимости ее изменения, может регулироваться внешним сигналом, поступающим на дополнительный вход (на фиг.1 не показан) генератора 3 синусоидального модулирующего напряжения. Примем для простоты величину эталонного напряжения в относительных величинах, равной единице. Пусть амплитуда однополярного опорного напряжения и амплитуда биполярных модулирующих напряжений будут равны величине эталонного напряжения, т.е. единице. В соответствии с величиной управляющего сигнала, снимаемого с потенциометра 4, и посредством блоков 7-9 умножения амплитуда модулирующих напряжений будет меняться от нуля до единицы. Напомним, что отношение амплитуды модулирующего сигнала к амплитуде опорного сигнала называется глубиной модуляции, и выражение для нее имеет вид:
м
оп
M=Е/Е,
м
где Е - амплитуда модулирующих напряжений;
оп
Е - амплитуда опорного напряжения.
оп
м
Как известно, первая гармоника выходного напряжения трехфазного автономного инвертора пропорциональна глубине модуляции. Поскольку Е=1, то Е=М.
На выходе сумматора 10, за счет смещения однополярного опорного напряжения на минус единицу, будет формироваться отрицательная полуволна опорного напряжения.
На выходе диодной сборки 5 с общим катодом формируют огибающую положительных полуволн максимального (единичного) по амплитуде трехфазного модулирующего напряжения. На выходе диодной сборки 6 с общим анодом формируют огибающую отрицательных полуволн максимального (единичного) по амплитуде трехфазного модулирующего напряжения, которая после прохождения формирователя 12 модуля становится положительной по знаку. Полученные две огибающие, положительных и отрицательных полуволн максимального трехфазного модулирующего напряжения, являются модулирующими сигналами соответственно для отрицательных и положительных полуволн опорного напряжения. Упомянутая модуляция амплитуды опорного напряжения происходит в блоках 11, 13 умножения. Полученные промодулированные полуволны суммируются в сумматоре 14, на выходе которого формируют требуемое биполярное опорное напряжение, а именно: максимальное значение амплитуд полуволн равно единице, огибающая амплитуд положительных полуволн опорного напряжения равна огибающей положительных полуволн максимального трехфазного модулирующего напряжения, а огибающая амплитуд отрицательных полуволн опорного напряжения равна огибающей отрицательных полуволн максимального трехфазного модулирующего напряжения.
Далее сформированное опорное напряжение сравнивается с изменяемым (в общем случае) по амплитуде трехфазным модулирующим напряжением в компараторах 15-17, на выходе которых формируют три комплементарные (противофазные) последовательности модулированных по длительности импульсов управления ключами трехфазного автономного инвертора.
Такая форма опорного треугольного напряжения обеспечивает следующее. Во-первых, обеспечивается тот факт, что амплитуды положительных и отрицательных полуволн опорного напряжения «следуют» за амплитудой полуволны той фазы единичного трехфазного модулирующего напряжения, которая в настоящий момент (по модулю) максимальная. В течение периода модулирующего напряжения амплитуда полуволн каждой полярности опорного напряжения модулируется последовательно, через треть периода (120 градусные зоны), каждой фазой (А, В, С). Таким образом, при изменении трехфазного модулирующего напряжения от нуля до единицы все его фазы будут находиться в области существования опорного напряжения, т.е. перемодуляции не будет.
Во-вторых, уменьшение амплитуды треугольного опорного напряжение по краям упомянутых выше 120-градусных зон приводит, согласно выражению для глубины модуляции (см. выше), к локальному ее увеличению, следовательно, к локальному увеличению амплитуды первой гармоники фазного напряжения, а значит, и к увеличению первой гармоники в целом. Другими словами, при М=1, с точки зрения управляющего сигнала, снимаемого с потенциометра 4, фактическая величина глубины модуляции будет больше, и больше будет амплитуда 1-й гармоники. Но так как при этом перемодуляции нет, то сохраняется линейная зависимость между глубиной модуляции и амплитудой первой гармоники.
На фиг.3 приведены диаграммы сигналов, поясняющие принцип формирования модулированного по амплитуде опорного напряжения. На фиг.4 показаны диаграммы сигналов системы управления, а также выходных напряжений и токов трехфазного автономного инвертора для разных величин глубины модуляции: М=0.5 (фиг.4,а) и М=0.9 (фиг.4,б). Данные кривые получены в процессе моделирования предлагаемого способа управления в среде моделирования PSIM, при работе на пассивную RL-нагрузку. На диаграммах используются следующие обозначения, обусловленные особенностями синтаксиса использованной программы:
Vcar - модулированное по амплитуде треугольное опорное напряжение;
Vcar1, Vcar2 - модулированные по амплитуде соответственно положительные и отрицательные полуволны треугольного опорного напряжения;
Vma, Vmb, Vmc - синусоидальные модулирующие напряжения соответственно фаз А, В, С;
Vm_car1, Vm_car2 - сигналы модуляции амплитуды соответственно положительных и отрицательных полуволн треугольного опорного напряжения фазы;
Ua - напряжение на нагрузке фазы А;
Ia - ток в нагрузке фазы А.
На фиг.5 приведены выходные характеристики трехфазного автономного инвертора напряжения, также снятые в PSIM, для способов управления СШИМ, синусоидальной ШИМ с добавлением 3-й гармоники (СШИМ + 3) и предложенного способа (ПрСШИМ) в зависимости от глубины модуляции М. Кривые сняты при отношении частот опорного и модулирующего напряжений, равном 18, частоте выходного напряжения 50 Гц, напряжении источника питания автономного инвертора 100 В.
На фиг.5,а представлены регулировочные характеристики - зависимости амплитуды 1-й гармоники линейного напряжения автономного инвертора (U(1)m) от глубины модуляции. Предложенный способ управления обеспечивает линейную регулировочную характеристику. Вертикальной штрихпунктирной линией на фиг.5,а обозначен предел линейной зоны регулирования для способа СШИМ + 3. По сравнению со способом СШИМ выигрыш при использовании предложенного способа управления составляет 21% (от 86.6 В к 105 В), а по сравнению со способом СШИМ + 3 выигрыш составляет 5% (от 100 В к 105 В). Как показали результаты моделирования, модуляция амплитуды опорного сигнала в соответствии с огибающими, соответствующими способу управления СШИМ + 3 (синусоида с добавлением третьей гармоники), приводит к той же регулировочной характеристике, что и для огибающих чисто синусоидального сигнала.
Кроме того, в широком диапазоне изменения глубины модуляции предложенный способ управления обеспечивает и лучшее качество выходного тока по сравнению с СШИМ и СШИМ + 3. На фиг.5,б для упомянутых выше способов управления и условий представлены графики зависимости от глубины модуляции взвешенного коэффициента гармоник (WTHD) выходного напряжения. Последний учитывает как амплитуду гармоник, так и их номер в спектре выходного напряжения. Коэффициент определяется следующим образом:
где k - номер гармоники в спектре выходного напряжения;
(1)m
(k)m
U и U - соответственно амплитуды 1-й и k-й гармоники.
Данный коэффициент по своему значению близок к коэффициенту гармоник тока в RL-нагрузке, поэтому он более информативен, чем обычный коэффициент гармоник. Из приведенных кривых видно, что в диапазоне изменения глубины модуляции 0.4<М<1.0 предложенный способ управления обеспечивает меньшее значение взвешенного коэффициента гармоник выходного напряжения трехфазного автономного инвертора (а значит, и выходного тока) по сравнению со способом СШИМ, а в диапазоне 0.45<М<0.93 - по сравнению со способом СШИМ + 3.
Таким образом, предложенный способ управления трехфазным автономным инвертором обеспечивает расширение линейного диапазона регулирования амплитуды первой гармоники выходного напряжения трехфазного автономного инвертора.