ТРЕХФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
THREE-PHASE FREQUENCY CONVERTER

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано, например, в инверторах частоты для управления трехфазными двигателями.
Известен трехфазный усилитель, содержащий три однофазных усилителя, питаемых от сети постоянного напряжения и управляемых от трехфазного источника сигналов, блоки формирования максимального, минимального, среднего между ними значений входных сигналов и три сумматора (патент РФ №2101849 С1, кл. Н03F 3/217, Н02Р 6/14, 1998) - [1].
Недостатком данного линейного усилителя являются большие потери мощности в усилителе.
Наиболее близким к заявляемому объекту по технической сущности и достигаемому результату является преобразователь частоты с трехфазным инвертором и широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), содержащий источник задающих сигналов, первую и вторую группы по три сумматора, первый-третий усилители, формирователь сигнала коррекции, формирователь линейно изменяющегося сигнала, первый-третий компараторы, первый-третий инверторы, драйвер, блок силовых ключей, питаемых от сети постоянного напряжения, блок трехфазной нагрузки, блок датчиков напряжений, причем выходы источника задающих сигналов подключены к первым входам первой группы сумматоров и к первому-третьему входам формирователя сигнала коррекции, выход которого соединен со вторыми входами первой группы сумматоров, выходы которых соединены с первыми входами второй группы сумматоров, вторые входы которых соединены с выходами блока датчиков напряжений, а их выходы соединены с входами первого-третьего усилителей соответственно, выходы которых соединены с первыми входами первого-третьего компараторов, вторые входы которых соединены с выходом формирователя линейно изменяющего сигнала, а их выходы соединены с первым-третьим входами драйвера и с входами первого-третьего инверторов соответственно, выходы которых соединены с четвертым-шестым входами драйвера соответственно, первый-двенадцатый выходы которого соединены с первым-двенадцатым входами блока силовых ключей соответственно, выходы которого соединены с зажимами блока трехфазной нагрузки и с входами блока датчиков напряжений соответственно (см. Keliang Zhou and Danwei Wang. Relationship Between Space-Vector Modulation and Three-Phase Carrier-Based PWM: A Comprehensive Analysis. IEEE transactions on industrial electronics, vol. 49, № 1, February 2002, page 186-196) - [2].
В прототипе расширена линейная зона выходного напряжения на 15% благодаря добавлению сигнала коррекции , но при этом не достигается минимума мощности потерь в системе трехфазного преобразователя частоты - нагрузка от ШИМ.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в минимизации мощности потерь в трехфазной нагрузке, связанной с ШИМ, при сохранении максимальной линейной зоны выходного напряжения.
a
b
c
к
Технический результат достигается тем, что в трехфазном преобразователе частоты, содержащем источник задающих сигналов u, u, u, первую группу из трех сумматоров, вторую группу из трех сумматоров, первый-третий усилители, формирователь сигнала коррекции u, формирователь линейно изменяющегося сигнала, первый-третий компараторы, первый-третий инверторы, драйвер, блок силовых ключей, питаемых от сети постоянного напряжения, блок трехфазной нагрузки, блок датчиков напряжений, причем первый-третий выходы источника задающих сигналов подключены к первым входам первой группы сумматоров и к первому-третьему входам формирователя сигнала коррекции соответственно, вторые входы первого-третьего компараторов соединены с выходом формирователя линейно изменяющего сигнала, а их выходы соединены с первым-третьим входами драйвера и с входами первого-третьего инверторов соответственно, выходы которых подключены к четвертым-шестым входами драйвера соответственно, первый-двенадцатый выходы которого соединены с первым-двенадцатым входами блока силовых ключей соответственно, выходы которого соединены с зажимами блока трехфазной нагрузки и с входами блока датчиков напряжений соответственно, новым является то, что формирователь сигнала коррекции выполнен с возможностью реализации функции
a
k
b
k
c
k
с ограничением величин u+u, u+u, u+u в пределах линейно изменяющегося сигнала, причем вторые входы первой группы сумматоров соединены с выходами блока датчиков напряжений, а их выходы соединены со входами первого-третьего усилителей, выходы которых соединены со вторыми входами второй группы сумматоров, первые входы которых соединены с выходами источника задающих сигналов, а их третьи входы соединены с выходом формирователя сигнала коррекции, выходы второй группы сумматоров соединены с первыми входами первого-третьего компараторов соответственно.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1-5, где:
фиг.1 - функциональная схема трехфазного преобразователя частоты;
m
m
лm
фиг.2 - графики зависимости мощности потерь в нагрузке от амплитуды сигнала коррекции при ее изменении в пределах (0,1-0,3)U и U<U;
фиг.3 - графики мощности потерь в нагрузке с коррекцией, без коррекции и в случае линейного усилителя;
фиг.4 - графики сигнала коррекции в области расширенной линейной зоны выходного напряжения;
фиг.5 - графики сигнала управления по возмущению в области расширенной линейной зоны выходного напряжения.
Здесь: 1 - источник задающих сигналов; 2-4 - первая группа сумматоров; 5-7 - вторая группа сумматоров; 8-10 - первый-третий усилители; 11 - формирователь сигнала коррекции; 12 - формирователь линейно изменяющегося сигнала; 13-15 - первый-третий компараторы; 16-18 - первый-третий инверторы; 19 - драйвер; 20 - блок силовых ключей; 21 - блок трехфазной нагрузки; 22 - блок датчиков напряжений.
Выходы источника 1 задающих сигналов подключены к первым входам первой и второй группы сумматоров 2-7 соответственно и к первому-третьему входам формирователя 11 сигнала коррекции, выход которого соединен с третьими входами второй группы сумматоров 5-7, вторые входы которых соединены с выходами усилителей 8-10 соответственно, входы которых соединены с выходами первой группы сумматоров 2-4 соответственно, вторые входы которых соединены с выходами блока 22 датчиков напряжений соответственно, выход формирователя 12 линейно изменяющего сигнала соединен со вторыми входами компараторов 13-15, первые входы которых соединены с выходами второй группы 5-7 сумматоров соответственно, а их выходы соединены с первым-третьим входами драйвера 19 и со входами инверторов 16-18, выходы которых соединены с четвертым-шестым входами драйвера 19 соответственно, первый-двенадцатый выходы которого соединены с первым-двенадцатым входами блока 20 силовых ключей соответственно, выходы которого соединены с зажимами блока 21 трехфазной нагрузки и с входами блока 22 датчиков напряжений соответственно.
a
b
c
k
л
0
Трехфазный преобразователь частоты работает следующим образом. На выходе блока задающих сигналов формируются три сигнала u, u, u. Эти сигналы поступают на первый-третий входы формирователь 11 сигнала коррекции, который вырабатывает сигнал коррекции u для минимизации мощности потерь в нагрузке. Сигнал коррекции добавляется к задающим сигналам сумматорами 5-7, результирующие сигналы или сигналы управления по возмущению сравниваются компараторами 13-15 с линейно изменяющимся сигналом u, имеющим частоту ШИМ. Их выходные сигналы с широтно-импульсной модуляцией инвертируются инверторами 16-18. Сигналы компараторов и инверторов подаются на драйвер 19, который вырабатывает сигналы для управления силовыми ключами блока 20, питаемыми от сети постоянного напряжения U.
На выходах блока 20 силовых ключей формируются импульсы напряжений, средние значения которых равны требуемым напряжениям на фазах нагрузки с добавлением требуемого потенциала ее нейтрали. В результате фазные напряжения на сопротивлениях нагрузки изменяются по законам
а напряжение на нейтрали относительно земли
y
0
лm
лm
л
где k=U/2u - коэффициент усиления трехфазного преобразователя частоты, а u - амплитуда линейно изменяющегося сигнала u.
a
b
c
a
b
c
Для повышения точности работы схемы при отклонении ее параметров от номинальных значений на базе сумматоров 5-7 реализуется принцип комбинированного управления по возмущению и по отклонению. Для этого блок 22 датчиков напряжений вырабатывает три сигнала ū, ū, ū, соответствующие напряжениям на трехфазной нагрузке. Эти сигналы вычитаются из задающих сигналов u, u, u сумматорами 2-4 соответственно и усиливаются усилителями 8-10, на выходах которых получаются сигналы управления по отклонению
эти сигналы добавляются к сигналам управления по возмущению сумматорами 5-7.
k
В результате экспериментальных исследований установлено, что сигнал коррекции u в зависимости от задающих сигналов в каждый момент времени t определяется по следующему алгоритму.
1. Формируется сигнал
a,
b
c
В случае, когда u u, u являются трехфазной системой синусоидальных напряжений, уравнение (4) примет вид
2. Вырабатываются сигналы
3. Вырабатываются сигналы
max
лm
4. а) Если U>u, вырабатываются сигнал разницы
min
лm
б) Если u<-u, вырабатывается сигнал разницы
в) Иначе
к
к
раз
5. Вырабатывается сигнал коррекции u=ū-u на выходе формирователя 11 сигнала коррекции.
0
a
m
и
лm
и
H
H
A
m
и
m
m
лm
При условиях U=300 В, u=Usin(ωt), , , U=1 В, частота выходного напряжения ƒ=50 Гц, частота линейно изменяющегося сигнала ƒ=5 кГц, нагрузка включает в себя резистор r=5 Ом, индуктивность L=5 мГн и источник ЭДС. ЭДС формируют трехфазную систему e=Еsin(ωt), , , где E=140 В. Были проведены численные эксперименты для U<U и для .
m
m
лm
На фиг.2 показаны результаты первого эксперимента: зависимость мощности потерь в нагрузке от амплитуды сигнала коррекции при ее изменении в пределах (0,1-0,3)U при U<U. Здесь видно, что минимальная средняя мощность потерь в нагрузке получается при амплитуде сигнала коррекции . При коррекции с амплитудой, предлагаемой в прототипе , средняя мощность потерь в нагрузке увеличивается.
m
лm
На фиг.3 показаны результаты второго эксперимента с U<U: 1 - средняя мощность потерь в нагрузке без коррекции за период ШИМ; 2 - средняя мощность потерь в нагрузке без коррекции за треть периода синусоидального напряжения; 3 - средняя мощность потерь в нагрузке с коррекцией  за период ШИМ; 4 - средняя мощность потерь в нагрузке с коррекцией  за треть периода; 5 - средняя мощность потерь в нагрузке при линейном усилителе, т.е. без пульсаций тока из-за ШИМ. На фиг.3 видно, что дополнительная средняя мощность потерь в нагрузке из-за ШИМ с коррекцией снизилась на 33,33% сравнительно с этой мощностью без коррекции.
На фиг.4 показаны результаты третьего эксперимента: 1 - сигнал коррекции без сохранения максимальной линейной зоны выходного напряжения; 2 - сигнал коррекции при сохранении максимальной линейной зоны выходного напряжения. Здесь амплитуда задающих сигналов равна , которая соответствует максимальной линейной зоне выходного напряжения на уровне 1,15 В.
На фиг.5 показаны для четвертого эксперимента, при , сигналы управления по возмущению при отсутствии сигналов управления по отклонению: 1 - сигнал управления без сохранения максимальной линейной зоны выходного напряжения; 2 - сигнал управления при сохранении максимальной линейной зоны выходного напряжения. Видно, что при управлении без учета линейной зоны выходного напряжения сигналы управления по возмущению превышают максимальную амплитуду, и в выходном напряжении появляются насыщение и искажение. С учетом линейной зоны выходного напряжения сигналы управления по возмущению не выходят из пределов линейно изменяющегося сигнала, что сохраняет линейную зону выходного напряжения.
Таким образом, благодаря выполнению формирователя сигнала коррекции с возможностью реализации функции
a
к
b
к
c
к
с ограничением величин u+u, u+u, u+u в пределах линейно изменяющегося сигнала, трехфазный преобразователь частоты способен работать с лучшими энергетическими показателями, т.е. снижение мощности потерь в нагрузке из-за ШИМ при уравновешенных законах изменения трехфазных задающих напряжений при сохранении максимального линейного зона выходного напряжения.