УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТОКА ИЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в качестве инвертора напряжения для управления электродвигателями.
Известен преобразователь частоты с трехфазным инвертором и широтно-импульсной модуляцией [1], содержащий генератор задающего сигнала, генератор пилообразного сигнала, нуль-орган, формирователь управляющих воздействий на силовые ключи и собственно сами силовые ключи.
Однако данный преобразователь имеет ограничение по уровням модуляции задающего сигнала и не может использоваться в многоуровневых преобразователях, так как уровни задающего и пилообразного сигнала находятся в одном диапазоне и работают только на один уровень силовых ключей, а это ограничивает применение преобразователя только низким по напряжению классом преобразовательных устройств.
Наиболее близко к заявляемой полезной модели устройство многоуровневого преобразователя частоты[1] (далее ПЧ), где использован метод синусоидальной ШИМ, при котором одновременно рассчитывается желаемая форма выходного напряжения инвертора и текущие состояния силовых ячеек.
Данное устройство содержит многоуровневый трансформатор напряжения, блоки силовых ячеек с выпрямителем и однофазным инвертором, блок генерации задающего сигнала, многоуровневый блок модуляции использующий метод синусоидальной ШИМ, блоки логического «И-НЕ» (сложение и инверсия), при этом многоуровневый трансформатор напряжения соединен с блоками силовых ячеек. Блок генерации задающего сигнала соединен с многоуровневым блоком модуляции, а тот в свою очередь через блоки логического «И-НЕ» соединен с блоками силовых ячеек.
Работает устройство следующим образом. Многоуровневый трансформатор напряжения имеет несколько вторичных обмоток на которых формируется питающее напряжения для каждого уровня силовых ячеек многоуровневого преобразователя. Управляющие воздействия на силовые ячейки формируются следующим образом. Блок генерации задающего сигнала генерирует желаемое значение сигнала на выходе преобразователя. Данный задающий сигнал поступает в блок модуляции. В данном блоке формируются по два сигнала пилообразной формы, для каждого уровня преобразователя, симметричных относительно горизонтали и сдвинутые по фазе на определенный угол. Далее в этом же блоке сравниваются задающий и пилообразные сигналы, при этом получаются два дискретных сигнала для каждого уровня, которые поступают в блок «И-НЕ», где логически складываются и эта сумма инвертируется. На выходе блока модуляции появляется сигнал поступающий в блок силовых ячеек данного уровня, где и происходит коммутация.
Данное устройство принято в качестве прототипа.
Недостаток прототипа в том, что он привязан лишь к одному методу модуляции - синусоидальной ШИМ и не пригоден, например, для векторной ШИМ, релейного регулятора тока, так как состояния силовых ячеек рассчитываются одновременно с модуляцией сигнала.
Предлагаемое устройство решает задачу создания устройства инвертирования напряжения с изменяемыми типами блоков модуляции, что является необходимым условием при построении гибких систем управления, например, электроприводом.
Эта задача решена в предлагаемой полезной модели следующим образом. Устройство, также как и прототип, содержит блок трансформатора, блок силовых ячеек, генератор задающего сигнала, блок модуляции, однако вместо блока «И-НЕ» дополнительно установлен блок генерации выборок, включенный последовательно между блоками модуляции и блоком силовых ячеек, кроме того блок модуляции теперь может быть любого типа (выбирается пользователем исходя из поставленных перед устройством задач), и реализовывать как синусоидальную или векторную ШИМ, так и метод релейного регулятора.
Сущность полезной модели поясняется фигурой 1,2 и таблицей 1. На фигуре 1 обозначено:
1 - блок трансформатора;
2 - генератор задающего сигнала
3 - блок модуляции
4 - блок генерации выборок
5 - блок силовых ячеек
На фигуре 2 приведен алгоритм работы блока генерации выборок, а в таблице 2 указаны данные, которыми оперирует данный блок в процессе своей работы.
Сущность полезной модели сводится к тому, что устройство состоит из блока трансформатора, блока силовых ячеек, генератора задающего сигнала, блока модуляции, блока генерации выборок, при этом блок трансформаторов соединен блоком силовых ячеек, генератор задающего сигнала соединен с блоком модуляции, а блок модуляции соединен с блоком генерации выборок, выход которого соединен с блоком силовых ячеек.
При этом блок трансформатора предназначен для преобразования напряжения питания устройства, блок силовых ячеек - для формирования требуемого напряжения или тока на выходе устройства, генератор задающего сигнала - для генерации желаемого значения тока или напряжения на выходе устройства, блок модуляции - для преобразования непрерывного сигнала в дискретный, блок генерации выборок - для преобразования дискретного сигнала в управляющие сигналы блока силовых ячеек.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Рассмотрим силовую часть устройства. На блок трансформатора устройства поступает напряжение питания извне, которое трансформируется в несколько, гальванически развязанных между собой, вторичных напряжений. Далее эти напряжения поступают в соответствующий силовой модуль блока силовых ячеек. В простейшем случае каждый силовой модуль представляет из себя выпрямитель с транзисторным мостом. Все модули в блоке силовых ячеек соединены последовательно, образуя многоуровневую структуру, позволяющую в конечном итоге получать высокое напряжение на выходе устройства, оперируя транзисторами, рассчитанными на пониженное напряжение, в каждом из мостов.
Управляющая часть устройства работает следующим образом. Генератор задающего сигнала формирует требуемое значение сигнала на выходе устройства. Этот сформированный сигнал поступает на блок модуляции, где преобразуется каким либо методом модуляции в дискретный по времени и по уровню сигнал. Этот сигнал поступает на блок генерации выборок, который работает следующим образом. Дискретный сигнал, поступающий с блока, обрабатывается с помощью алгоритма (фиг.2) и специальной, заранее рассчитанной таблицей.
l,n·
Таблица представляет собой матрицу, размерностью [2L+1×l] элементами которой являются выходные состояния данного блока С Элементы таблицы предварительно вычисляются по формуле:
,
где
L - равно числу уровней блока силовых ячеек (фактически это число означает количество выходных линий связи, идущих до блока силовых ячеек конкретной фазы) в фазе инвертора;
l - принимает целочисленные значения от -L до L;
n - принимает целочисленные значения от 1 до L.
Таким образом, элемент таблицы равен базовой комбинации состояний выхода блока для данного уровня , циклически смещенному либо вправо, либо влево.
Базовая комбинация определяется по формуле:
где z - состояние блока при нулевом входном дискретном сигнале;
s - состояние силовой ячейки: при l>0 происходит формирование положительного уровня сигнала-«р», при l<0 отрицательного уровня сигнала-«m».
Таким образом, элементы таблицы представляют из себя вектор-строку, размерностью [1×L], элементы которой, в свою очередь, определяют состояние каждой ячейки в фазе.
Пример для структуры с L=5 приведен в Табл. 1.
Выборка из таблицы происходит по алгоритму, представленному на Фиг.2
Алгоритм работает следующим образом. Берется задающий дискретный сигнал и его уровень сравнивается с уровнем сигнала на предыдущей итерации алгоритма. Если уровень сигнала остался прежним, то осуществляется возврат в начало алгоритма, ожидая следующую выборку задающего дискретного сигнала. Если уровень сигнала изменился, то оценивается его уровень по системе «четный/нечетный». Например, допустим входной диапазон сигнала состоит из значений -5;-4;-3;-2;-1;0;+1;+2;+3;+4;+5. Тогда уровни -4;-2;0;+2;+4; будут четными, а уровни -5;-3;-1;+1;+3;+5 нечетными. Если сигнал нечетный, то происходит ворзврат на начало алгоритма. Если же уровень четный то, инкрементируется переменная п, по кольцу значений от 1 до 5. Таким образом, зная значения 1 и п, по таблице 1 находится состояния выхода блока генерации выборок. Например, при n=2 и 1=3, значение выхода будет [z z p p z]. Это означает, что на первый уровень блока силовых ячеек будет подан управляющий сигнал z, формирующий нулевое значение сигнала ячейки; на второй уровень также будет подан управляющий ноль; на третий и четвертый уровень - сигнал формирования положительного сигнала; пятый - нулевого.
Таким образом, последовательно соединенные в нашем случае 5 уровней силовых ячеек, составляющие в совокупности блок силовых ячеек, формируют сигнал, с помощью которого можно управлять, допустим двигателем.
Описанное устройство реализовано в преобразователях частоты на среднее напряжение серии ЭСН предприятия ООО «HПП ЭКРА», и успешно эксплуатируется уже более 2-х лет, и показало свою работоспособность.
Технический результат, который достигается полезной моделью, состоит в появлении возможности реализации устройства преобразования тока или напряжения с различными видами модуляции задаваемого сигнала.
Источники:
[1] Г.Г.Соколовский, Электроприводы переменного тока с частотным регулированием.
[2] Патент США US5625545, http://www.google.com/patents/US5625545