СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В КВАЗИСИНУСОИДАЛЬНОЕ С ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR CONVERTING CONSTANT VOLTAGE INTO QUASI-SINUSOIDAL VOLTAGE WITH PULSE-WIDTH MODULATION (VERSIONS)

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах управления преобразователями частоты.
Известны способы преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), в основе которых лежит принцип наложения синусоидального сигнала задания на пилообразный сигнал несущей частоты ШИМ, реализованные по принципу двуполярной широтно-импульсной модуляции (Н02М 7/527, Н02Р 5/175, RU 2012989 C1, 20.06.2004). Указанный способ имеет недостаток - большое искажение напряжения по сравнению с инверторами с однополярной широтно-импульсной модуляцией (ОШИМ).
Наиболее близким взятым за прототип является способ управления преобразователем напряжения с ОШИМ (Н02М 7/527, RU 2071634 C1, 01.10.1997 и фиг.1). Квазисинусоидальное напряжение формируется путем однополярной широтно-импульсной модуляции при сравнении пилообразного сигнала несущей частоты с синусоидальным сигналом задания с инвертированной отрицательной полуволной, что отображено на фиг.1,
где
U - напряжение;
t - время;
З
U - сигнал задания;
П
U - опорный пилообразный сигнал;
F - коммутационная функция управления силовыми ключами.
Данный способ преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное с широтно-импульсной модуляцией реализуется путем сравнения по модулю задающего синусоидального сигнала с опорным пилообразным сигналом, по результату сравнения формируется сигнал управления силовыми ключами.
Недостатком данного способа является ухудшение качества работы электропривода в установившемся режиме и переходных режимах за счет появления, при определенных соотношениях частоты пилообразного сигнала и частоты сигнала задания, постоянных составляющих в выходном напряжении автономного инвертора напряжения (АИН), ухудшающих работу электроприводов в установившемся режиме и в переходных процессах за счет возникновения постоянных составляющих в токах фаз (до 20% от номинала) и, как следствие, дополнительных пульсаций вращающегося момента.
З
П
КР
Постоянные составляющие появляются в том случае, если в периоде управляющего напряжения (T) на входе АИН укладывается целое (четное или нечетное в зависимости от способа организации ШИМ) число периодов опорного пилообразного напряжения (T), вольт-секундная площадь работы верхних и нижних силовых ключей (см. фиг.1) неодинакова. Если же в периоде управляющего напряжения укладывается дробное число периодов пилообразного напряжения, то возможно появление биений (постоянная составляющая изменяется по уровню и знаку с некоторой частотой, зависящей от соотношения частот управляющего и пилообразного напряжений), среднее значение постоянной составляющей при этом равно нулю. Критические (субгармонические) частоты (f), на которых возникают наибольшие постоянные составляющие, можно определить как
где  - целые числа;
П
f - частота пилы широтно-импульсной модуляции.
Чем меньше n, тем больше постоянные составляющие.
Технический результат предлагаемого способа - повышение качества работы электропривода в установившемся режиме и переходных режимах за счет исключения постоянных составляющих в выходном напряжении автономного инвертора на субгармонических частотах, что позволит исключить постоянные составляющие в токах фаз и вызванные ими колебания вращающего момента.
Технический результат достигается двумя вариантами способа.
По первому варианту способ осуществляется следующим образом:
преобразование постоянного напряжения в квазисинусоидальное реализуется путем сравнения опорного пилообразного сигнала с положительной и инвертированной отрицательной полуволнами задающего (синусоидального) сигнала, причем при каждом переходе синусоидального сигнала задания через ноль пилообразный сигнал должен сбрасываться в начальное состояние. Начальное состояние должно быть постоянно, а величина его находиться в диапазоне от нуля до максимума пилы.
Структурная схема АИН по предложенному способу показана на фиг.2. Временные диаграммы, поясняющие предложенный способ, представлены на фиг.3, в них начальным состоянием выбрано нулевое значение пилы, где приняты следующие обозначения:
1 - блок вычисления перехода через ноль;
2 - блок формирования пилы;
3, 4 - сумматор;
5, 6 - нуль-орган;
7 - блок силовой части АИН;
S - сигнал сброса пилы в начальное состояние;
1
2
F, F - коммутационная функция управления силовыми ключами верхнего и нижнего плеча АИН соответственно;
АИН
U - выходное напряжение АИН.
Приведенный на фиг.2 АИН работает следующим образом.
З
П
П
З
З
П
П
1
2
АИН
Синусоидальный сигнал задания U поступает на блок вычисления перехода через ноль 1, представляющий из себя набор логических операций, определяющих момент перехода через ноль, и формирующий в этот момент логический сигнал S, который вместе с сигналом f поступает на блок вычисления пилы 2. Выходом блока 2 является пилообразный сигнал U, сбрасываемый в начальное значение в моменты перехода сигнала задания U через ноль. Далее синусоидальный сигнал задания U вычитается из пилообразного сигнала U в сумматоре 3, а в сумматоре 4 складывается с U. Результирующие сигналы с сумматоров поступают на два независимых нуль-органа 5 и 6 соответственно, выходом которых являются коммутационные функции F и F для управления верхними и нижними ключами соответственно, находящимися в блоке силовой части АИН 7, выходом которого является квазисинусоидальное напряжение требуемой частоты U.
По второму варианту способ осуществляется следующим образом:
преобразование постоянного напряжения в квазисинусоидальное реализуется путем сравнения положительной полуволны задающего (синусоидального) сигнала с опорным пилообразным сигналом, а инвертированной отрицательной полуволны с дополнительным пилообразным сигналом. Причем опорный пилообразный сигнал сбрасывается в начальное состояние при переходе сигнала задания сигнал через ноль с отрицательной плоскости в положительную, а дополнительный при переходе с положительной плоскости в отрицательную. Начальное состояние должно быть постоянно, а величина его находиться в диапазоне от нуля до максимума пилы.
Структурная схема АИН по предложенному способу показана на фиг.4. Временные диаграммы, поясняющие предложенный способ, представлены на фиг.5, в них начальным состоянием выбрано нулевое значение пилы, где приняты следующие обозначения:
1 - блок вычисления перехода через ноль;
2, 8 - блок вычисления пилы;
3, 4 - сумматор;
5, 6 - нуль-орган;
7 - блок силовой части АИН;
П1
П2
U, U - сигнал пилообразного напряжения;
1
2
S, S - сигнал сброса пилы в начальное состояние.
Приведенный на фиг.4 АИН работает следующим образом.
З
1
П
П1
П2
З
З
П1
П2
1
2
АИН
Синусоидальный сигнал задания U поступает на блок вычисления перехода через ноль 1, представляющий из себя набор логических операций, определяющих момент перехода через ноль, и формирующий в зависимости от направления перехода (с отрицательной в положительную или с положительной плоскости в отрицательную) логический сигнал S или 52, который вместе с сигналом f поступает на блоки вычисления пилы 2 и 8. Выходом блоков 2 и 8 являются пилообразные сигналы U и U соответственно, сбрасываемые в начальное значение в моменты перехода сигнала задания U через ноль. Далее синусоидальный сигнал задания U вычитается из пилообразного сигнала U в сумматоре 3 и складывается с пилообразным сигналом U в сумматоре 4. Результирующие сигналы с сумматоров поступают на два независимых нуль-органа 5 и 6 соответственно, выходом которых являются коммутационные функции F и F для управления верхними и нижними ключами соответственно, находящимися в блоке силовой части АИН 7, выходом которого является квазисинусоидальное напряжение требуемой частоты U.
В силу того, что величина постоянных составляющих пропорциональна частоте задания, наибольший эффект от предложенного способа достигается на частотах, близких к максимальным.
Таким образом, предложенный способ преобразования в сравнении с прототипом позволяет при сохранении всех достоинств ОШИМ значительно снизить колебания токов двигателя в переходных процессах, полностью исключить несимметрию фазных токов в установившихся режимах, связанную с соотношением частот задания и опорной пилы ШИМ, и тем самым улучшить качество переходных процессов в электроприводе за счет исключения постоянных составляющих в выходном напряжении автономного инвертора на субгармонических частотах.
Реализация заявленного способа в опытном образце дала положительные результаты и предполагается к использованию с 2008 года.