Способ управления автономным инвертором напряжения
AUTONOMOUS VOLTAGE INVERTER CONTROL METHOD

Изобретение относится к области полупроводниковой преобразовательной техники и предназначено для управления автономными инверторами напряжения (АИН) и может быть использовано в электротехнических установках. Предложенный способ может быть использован для управления мостовыми однофазными и трехфазными автономными инверторами напряжения.
Известен способ управления автономным инвертором напряжения, 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 1-й гармоники фазного напряжения АИН, что приводит к недоиспользованию источника питания, ограничению момента и мощности управляемого автономным инвертором напряжения асинхронного двигателя.
Известен способ управления автономным инвертором напряжения, заключающийся в использовании принципа релейного регулирования тока нагрузки, в котором в синусоидальный сигнал задания на ток нагрузки введен треугольный сигнал третьей гармоники [Reza Davoodnezhad, A thesis of the degree of Doctoral of Philosophy: Hysteresis current regulation of voltage source inverters with constant switching frequency, 2014 (стр. 94, рис. 4.13)].
Недостатком этого способа управления является узкая область его применения: фазное напряжение преобразователя формируется только при наличии нагрузки, которая к тому же должна иметь активно-индуктивный характер.
Известен способ управления автономным инвертором напряжения (прототип), заключающийся в интегрировании разностного сигнала, т.е. сигнала между синусоидальным сигналом задания на фазное напряжение АИН и импульсным сигналом обратной связи фазного напряжения АИН, сравнении интегрированного разностного сигнала с двумя пороговыми уровнями, результатом чего является формирование прямой и инверсной последовательностей импульсов управления ключами полумоста автономного инвертора напряжения, обеспечивающих поддержание интегрированного разностного сигнала внутри зоны, ограниченной упомянутыми пороговыми уровнями [Олещук В.И., Чаплыгин Е.Е. Вентильные преобразователи с замкнутым контуром управления. - Кишинев: Штиинца, 1982. - 146 с. (стр. 45, рис. 2.2 а)].
Недостатком этого способа управления является ограниченный линейный диапазон регулирования амплитуды 1-й гармоники фазного напряжения АИН, что приводит к недоиспользованию источника питания.
Задача (технический результат) заключается в расширении линейного диапазона регулирования амплитуды 1-й гармоники фазного напряжения автономного инвертора напряжения.
Указанная задача достигается тем, что в известном способе управления автономным инвертором напряжения, основанном на интегрировании разностного сигнала между синусоидальным сигналом задания на фазное напряжение АИН и соответствующим импульсным сигналом обратной связи фазного напряжения АИН, а также сравнении интегрированного разностного сигнала с двумя пороговыми уровнями, результатом чего является формирование прямой и инверсной последовательностей импульсов управления ключами полумоста автономного инвертора напряжения, в синусоидальный сигнал задания на фазное напряжение АИН предварительно вводят сигнал третьей гармоники с амплитудой, равной 1/4.5 от амплитуды синусоидального сигнала задания на фазное напряжение в АИН.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 - пример устройства управления, реализующего способ управления автономным инвертором напряжения (для примера трехфазным двухуровневым АИН); на фиг. 2 - схема (для примера) трехфазного двухуровневого АИН для реализации способа управления; на фиг. 3 и фиг. 4 - диаграммы, на которых представлены сигналы задания на фазное напряжение АИН, импульсные сигналы обратной связи фазного напряжения АИН, проинтегрированные разностные сигналы, линейные напряжение АИН; на фиг. 5 - зависимость амплитуды 1-й гармоники фазного напряжения автономного инвертора напряжения от глубины модуляции; на фиг. 6 - зависимость амплитуды 1-й гармоники фазного напряжения автономного инвертора напряжения от глубины модуляции для области перемодуляции 1<М<1.2.
Устройство управления автономным инвертором напряжения (фиг. 1) содержит трехфазный генератор 1 сигнала синусоидального напряжения (ГСН); генератор 2 сигнала третьей гармоники (ГТГ); источник 3 постоянного напряжения (ИПН); потенциометр 4 (П); источник 5 постоянного напряжения (ИПН); потенциометр 6 (П); фазные каналы сравнения 7-9, каждый из которых содержит сумматор 10 (С), блок умножения 11 (У), блок вычитания 12 (В), блок 13 интегрирования разностного сигнала (И), блок 14 гистерезисных компараторов (ГК), блок 15 делителя напряжения (ДН), блок 16 импульсного сигнала обратной связи фазного напряжения АИН (ОС).
Выходы трехфазного генератора 1 подключены к первым входам (нумерация сверху) каналов сравнения 7-9 соответствующих фаз. Выход генератора 2 подключен ко вторым входам каналов сравнения 7-9. Выход источника 3 подключен к потенциометру 4. Выход (бегунок) потенциометра 4 подключен к третьим входам каналов сравнения 7-9. Выход источника 5 подключен к потенциометру 6. Выход (бегунок) потенциометра 6 подключен к четвертым входам каналов сравнения 7-9. Структура каналов сравнения 7-9 аналогична и будет описана на примере канала сравнения 7. В канале сравнения 7 первый вход (нумерация сверху) подключен к первому входу сумматора 10. Второй вход канала сравнения 7 подключен ко второму входу сумматора 10. Выход сумматора 10 подключен к первому входу блока умножения 11. Ко второму входу блока умножения 11 подключен третий вход канала сравнения 7. Выход блока умножения 11 подключен к суммирующему входу блока вычитания 12. К вычитающему входу блока вычитания 12 подключен выход блока делителя напряжения 15. К входу блока 15 делителя напряжения подключен выход блока 16 ОС, который является импульсным сигналом обратной связи фазного напряжения АИН. Выход блока вычитания 12 подключен к входу блоку 13 интегрирования разностного сигнала. Выход блока 13 интегрирования разностного сигнала подключен к первому входу блока 14 гистерезисных компараторов. Четвертый вход канала сравнения 7 подключен ко второму входу блока гистерезисных компараторов 14. Прямой (S1) и инверсный (S2) выходы блока 14 гистерезисных компараторов далее подключаются соответственно к управляющим входам 1-го и 2-го ключа соответствующего полумоста (фазы) автономного инвертора напряжения.
Генератор 1 сигнала синусоидального напряжения и генератор 2 сигнала третьей гармоники могут быть построены по схеме операционного усилителя с RC-цепью [Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. – Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980. - 248 с., ил. (стр. 149, рис. 6-16)]. Или на основе ступенчатой аппроксимации гармонического сигнала путем использования постоянной программируемой памяти и цифроаналогового преобразователя [Казмерковский М., Вуйцак А. Схемы управления и измерения в промышленной электронике. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 224 с. (стр. 121, рис. 3.49)].
Блок 14 гистерезисных компараторов может быть построен на операционных усилителях [Шило В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Сов. Радио, 1979. - 368 с., ил. (стр. 210, рис. 4.37)].
Автономный инвертор напряжения, для примера рассмотрен трехфазный двухуровневый автономный инвертор напряжения 17 (фиг. 2), содержит три полумоста полностью управляемых ключей 18-23 и три полумоста неуправляемых обратных диодов 24-29. Каждый из полумостов фазы автономного инвертора напряжения содержит последовательно соединенные ключи. Для фазы А это ключ 18 и ключ 19, подключенный соответственно к первому (положительному) и второму (отрицательному) выводу источника питания (Е), а общей точкой (средней точкой полумоста) к соответствующей фазе нагрузки 30. Фазное напряжение автономного инвертора напряжения формируется в средней точке соответствующего плеча АИН относительно средней точки источника питания N. Импульсный сигнал обратной связи фазного напряжения АИН измеряется датчиками напряжения (Д) 31-33, соответствующим образом подключенными к средней точке источника питания и средней точке соответствующего полумоста автономного инвертора напряжения.
Рассмотрим способ управления автономным инвертором напряжения на примере трехфазного двухуровневого АИН 17. Способ управления АИН осуществляется следующим образом. Генератор 1 формирует сигнал синусоидального напряжения единичной амплитуды (в относительных единицах) и частоты ƒ. Для трехфазного двухуровневого автономного инвертора напряжения 17 формируются три сигнала задания () в соответствии с выражением:
где t - текущее время.
К сигналу генератора 1, через сумматор 10, прибавляется сигнал третьей гармоники генератора 2, который имеет синусоидальную форму с частотой в три раза выше, чем у сигнала генератора 1, и амплитудой К:
3h
u=K⋅sin(2π-3⋅ƒ⋅t),
где К - амплитуда сигнала третьей гармоники.
В результате сложения сигналов генератора 1 и генератора 2 получается синусоидальный сигнал с добавлением третьей гармоники, который поступает на первый вход блока умножения 11. На второй вход блока умножения 11 подается сигнал глубины модуляции, поступающий на третий вход канала сравнения 7. Выходной сигнал блока умножения 11 будем называть сигналом задания на фазное напряжение АИН. Глубина модуляции (М) задается блоком 3 в относительных единицах и регулируется потенциометром 4. Единичному значению глубины модуляции М=1 будет соответствовать амплитуда фазного напряжения, равная Е/2.
Для трехфазного двухуровневого автономного инвертора напряжения сигналы задания на фазные напряжения будут определяться по формуле
Сигнал задания на фазное напряжение после блока 11 поступает на суммирующий вход блока вычитания 12. К вычитающему входу блока вычитания 12 подключен импульсный сигнал обратной связи фазного напряжения 16 через блок 15 делителя напряжения. Импульсный сигнал обратной связи фазного напряжения АИН поступает с блока датчика напряжения. Для каналов сравнения 7-9 это сигнал с датчиков напряжения 31-33. Все сигналы в системе управления представлены в относительных единицах. Для соблюдения этого условия в блоке делителя напряжения 15 происходит деление импульсного сигнала обратной связи фазного напряжения на величину половины источника питания АИН Е/2. В результате, сигнал задания на фазное напряжение АИН и фактические мгновенные значения фазных напряжений автономного инвертора напряжения будут выражаться в относительных единицах. Их разностный сигнал, формируемый блоком вычитания, будет определяться по формуле
1A
1B
1C
где, u, u, u- фактические мгновенные значения фазных напряжений автономного инвертора напряжения. Как было сказано выше, данные напряжения измеряются относительно средней точки источника питания инвертора.
*
*
*
1А
1B
1C
1А
1B
1C
Полученный разностный сигнал (Δu, Δu, Δu) поступает на блок интегрирования 13. Далее, проинтегрированный разностный сигнал (Δu, Δu, Δu) поступает на вход блока гистерезисных компараторов 14. На прямом и инверсном выходах блока гистерезисных компараторов 14 формируются сигналы управления соответствующими ключами. Например, в канале 7 для первого ключа это сигнал S1, для второго ключа это сигнал S2 (на фиг. 2 это будут ключи 18 и 19). Таким образом формируются сигналы управления соответствующего полумоста автономного инвертора напряжения.
Ширина канала гистерезиса обычно принимается равной 5…10% от амплитуды сигнала задания на фазное напряжение АИН и задается блоком 5. Регулирование ширины канала гистерезиса осуществляется потенциометром 6. На основании ширины канала гистерезиса определяются граничные значения (верхнее и нижнее) проинтегрированного разностного сигнала. При равенстве проинтегрированного разностного сигнала с выхода блока интегрирования 13 и нижней границы канала гистерезиса формируется положительный импульс управления S1=1 (S2=0). В случае равенства проинтегрированного разностного сигнала с выхода блока интегрирования 13 и верхней границей канала гистерезиса то формируется нулевой импульс управления S1=0 (S2=1). Для остальных фаз импульсы управления соответствующими ключами автономного инвертора напряжения формируются аналогично.
Классическое гистерезисное управление (с синусоидальным сигналом задания) характеризуется неполным использованием напряжения источника постоянного напряжения, т.е. неоптимальным коэффициентом преобразования по напряжению. Амплитуда первой гармоники фазного напряжения трехфазного автономного инвертора напряжения равна половине напряжения входного источника. При этом относительная максимальная ширина импульсов в кривой линейного напряжения не может превосходить значения sin(π/3)=0.866, так как фазные напряжения двух соседних полумостов сдвинуты по фазе друг относительно друга на 2π/3. Для увеличения предельного значения амплитуды первой гармоники фазного напряжения автономного инвертора напряжения необходимо к синусоидальному сигналу задания на фазное напряжение добавить сигнал нулевой последовательности. Добавление любого сигнала тройной частоты по отношению к частоте первой гармоники выходного напряжения при управлении трехфазным АИН удовлетворяет требованиям к этому сигналу и решает поставленную задачу.
Предложенный способ управления позволяет повысить амплитуду первой гармоники выходного напряжения трехфазного АИН относительно источника питания на 20% за счет введения в синусоидальный сигнал задания на фазное напряжение синусоидального сигнала третьей гармоники с амплитудой 1/4.5. Напомним, что амплитуда синусоидального сигнала задания на фазное напряжение АИН приведена в относительных единицах и равна единице. Величина амплитуды сигнала 3-й гармоники получена экспериментально путем моделирования способа управления автономным инвертором напряжения в среде моделирования PSIM.
Нужно отметь, что ввод сигнала третьей гармоники в синусоидальный сигнал задания на фазное напряжение трехфазного АИН искажает выходное напряжение, повышая в нем гармоники кратные трем. Однако при соединении нагрузки трехфазного инвертора напряжения в звезду без нулевого провода (или в треугольник) в фазных напряжениях не могут присутствовать гармоники тройной частоты, образующие сигнал нулевой последовательности. Поэтому спектры фазных напряжений трехфазного автономного инвертора напряжения не искажаются.
На фиг. 3 и 4 показаны диаграммы сигнала задания на фазное напряжение АИН, импульсный сигнал обратной связи фазного напряжения АИН, проинтегрированный разностный сигнал, линейное напряжение АИН. Диаграммы представлены для двух значений глубины модуляции, но для одного значения ширины канала гистерезиса (5%): М=1 (фиг. 3) и М=1.2 (фиг. 4). Данные диаграммы получены в процессе моделирования предлагаемого способа управления автономного инвертора напряжения в среде моделирования PSIM, при работе на пассивную RL-нагрузку, частоте выходного напряжения 50 Гц, напряжении источника питания АИН 100 В.
На диаграммах используется следующие обозначения:
1A
**
u - сигнал задания на фазное напряжение АИН фазы А;
1A
u - импульсный сигнал обратной связи фазного напряжения АИН фазы А;
1A
Δu - проинтегрированный разностный сигнал фазы А;
h - граница канала гистерезиса;
АB
u - линейное напряжение АИН фаз А и В.
(1)m
(1)m
На фиг. 5 приведена зависимость амплитуды 1-й гармоники фазного напряжения автономного инвертора напряжения (U) от глубины модуляции (М), полученные в PSIM (см. сплошную линию под номером 1 на фиг. 5). Все параметры приведены в относительных единицах (базовая величина Е/2). Добавление сигнала третьей гармоники в синусоидальный сигнал задания на фазное напряжение АИН для гистерезисного управления по напряжению обеспечивает линейный диапазон регулирования амплитуды 1-й гармоники фазного напряжения в области перемодуляции, вплоть до М=1.2, в отличие от гистерезисного управления по напряжению без добавления сигнала третьей гармоники в синусоидальный сигнал задания на фазное напряжение АИН (см. пунктирную линию под номером 2 на фиг. 5). На фиг. 6 приведена зависимость амплитуды 1-й гармоники фазного напряжения автономного инвертора напряжения (U) от глубины модуляции (М), полученные в PSIM для области перемодуляции 1<М<1.2. Линии под номерами 1 и 2 аналогичны линиям, обозначенным на фиг. 5.
Стоит отметить, что амплитуда сигнала 3-й гармоники не равна 1/6, как это имеет место, например, при управлении АИН с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и опорным сигналом, и что обеспечивает расширение линейного диапазона регулирования амплитуды 1-й гармоники фазного напряжения АИН на 15%. Амплитуда сигнала 3-й гармоники в предлагаемом способе получена эмпирическим путем, составляет 1/4.5 и обеспечивает увеличение линейного диапазона регулирования амплитуды 1-й гармоники фазного напряжения АИН на 20%. Данное обстоятельство можно объяснить тем, что процесс ШИМ в кривой фазного напряжения с гистерезисным управлением по напряжению в предлагаемом способе отслеживает уже не синусоидальную форму, а примерно трапецеидальную, для фазного напряжения с основанием боковой стороны в 30 электрических градусов (см. фиг. 4). Как показывает гармонический анализ, по сравнению с синусоидой подобная трапеция той же амплитуды обеспечивает выход 1-й гармоники фазного напряжения больше на 20%.
Предлагаемый способ управления автономным инвертором напряжения может быть использован для управления мостовыми однофазными, а также трехфазными АИН при соединении нагрузки в трехфазную звезду без нулевого провода или с нулевым проводом (если нагрузка не критична к ухудшению качества питающего напряжения, обусловленного гармониками кратными трем).
Для получения фазного напряжения синусоидальной формы на выходе автономного инвертора напряжения ставят сглаживающий LC-фильтр. При работе на электропривод переменного тока необходимость в таких фильтрах, как правило, отпадает в силу фильтрующих свойств самой нагрузки.
Таким образом, из-за того что в синусоидальный сигнал задания на фазное напряжение автономного инвертора напряжения с гистерезисным управлением по напряжению был введен синусоидальный сигнал третьей гармоники с амплитудой 1/4.5, достигается расширение линейного диапазона регулирования амплитуды 1-й гармоники фазного напряжения автономного инвертора напряжения на 20%.