инвертор напряжения с пониженным содержанием высших гармоник

Формула изобретения

Инвертор напряжения с пониженным содержанием высших гармоник, содержащий задатчик напряжения и задатчик частоты инвертора, логическое устройство, блок силовых ключей, многофазный генератор, входом которого является выход задатчика частоты инвертора, а девять его выходов подключены к первым девяти входам логического устройства, генератор опорного напряжения, инвертирующий усилитель, входом которого является выход задатчика напряжения инвертора, два компаратора, первые входы которых соединены соответственно с выходом задатчика напряжения и выходом инвертирующего усилителя, вторые входы объединены и связаны с выходом генератора опорного напряжения, а выходы подключены к десятому и одиннадцатому входам логического устройства, три выхода которого являются входами формирователя "мертвых" зон, а шесть выходов последнего подключены к шести входам управления блока силовых ключей, питающего нагрузку, отличающийся тем, что в него введены третий, четвертый, пятый и шестой компараторы, первые входы которых соединены с выходом генератора опорного напряжения, а выходы - с дополнительными входами логического устройства, два масштабирующих усилителя с коэффициентами передачи 0,732 и 0,268, соединенные входами с выходом задатчика напряжения инвертора, а выходами - соответственно со вторыми входами третьего и пятого компараторов и входами дополнительно введенных второго и третьего инвертирующих усилителей, чьи выходы подключены ко вторым входам соответственно четвертого и шестого компараторов

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для независимого регулирования частоты и напряжения многофазной нагрузки, например статорной обмотки асинхронного двигателя.

Известен инвертор напряжения с пониженным содержанием высших гармоник [1] , содержащий систему управления и два или более каскадно-соединенных отдельных инвертора через вторичные обмотки их трансформаторов (фиг. 1). Напряжение на нагрузке является в этом случае геометрической суммой напряжений отдельных инверторов и может плавно регулироваться от нуля до максимального значения смещением фаз открытия отдельных инверторов, а частота выходного напряжения зависит от частоты переключения коммутирующих приборов.

К недостаткам такого устройства относится его сложность, практическая невозможность получения качественной формы напряжений низкой частоты из-за необходимости увеличения габаритов трансформаторов, большое число силовых коммутирующих приборов, особенно для многофазной нагрузки.

Известен m-фазный инвертор напряжения с пониженным содержанием высших гармоник [2], содержащий блок формирования сигналов управления (БФСУ), блок управления ключами (БУК) и преобразователь частоты с непосредственной связью (ПЧНС), к выходу которого подключена нагрузка (фиг. 2). БФСУ служит для выработки m сдвинутых по фазе на 2 /m радиан (где m - число фаз нагрузки) ступенчатых сигналов напряжения. Величина ступенек и их количество n на полупериоде выходной частоты выбраны таким образом, что в спектре напряжений отсутствует возможно больший ряд высших гармоник. БФСУ содержит многофазный генератор, логическое устройство, инвертирующий усилитель, резистивный делитель напряжения, и m одинаковых формирователей Ф1...Фm, каждый из которых содержит n ключей Кл1...Клn и сумматор . Каждая комбинация сигналов на выходе многофазного генератора определяет номер i интервала на периоде формируемого сигнала управления (i = 1...2n). В соответствии с этим номером логическое устройство включает нужный ключ в каждом формирователе для передачи на входы сумматоров необходимых уровней напряжений с выходов резистивного делителя напряжения. Величины всех ступенек в сформированном сигнале управления на выходе сумматоров пропорциональны заданному сигналу U_зад, поэтому соотношения между ними, а следовательно, и форма сигнала остаются неизменными. Для примера на фиг. 2 приведена схема, формирующая сигнал управления с числом ступеней n = 6.

Блок управления ключами содержит генератор опорного напряжения, представляющего собой участки синусоид питающей сети, m компараторов К1...Кm, на выходе которых в соответствии с принципом вертикального управления формируются импульсы управления ключами в моменты равенства соответствующего сигнала управления и опорного напряжения, и усилитель-распределитель импульсов, который преобразует выходные сигналы компараторов до уровня, необходимого для управления силовыми ключами, и с учетом сигнала датчика тока ДТ распределяет их между анодной и катодной вентильными группами силовой части ПЧНС каждой фазы.

Напряжение на фазах нагрузки Z1...Zm складывается из участков синусоид напряжения сети в соответствии со сформированным на выходе формирователей Ф1...Фm сигналом управления.

Основным недостатком указанного устройства является тот факт, что эффект от пониженного содержания высших гармоник в специально сформированном сигнале управления уменьшается, так как при использовании силовой части преобразователя частоты с непосредственной связью напряжение на нагрузке складывается из участков синусоид питающей сети, вследствие чего в его гармонический спектр вновь добавляются высшие гармоники, частота которых кратна частоте питающей сети.

Другим недостатком устройства является его повышенная сложность, связанная с последовательным преобразованием сигнала задания сначала в двухполярные ступенчатые сигналы управления и только затем - в импульсы управления ключами.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа инвертор напряжения [3] (фиг. 3), содержащий блок силовых ключей 1, выполненный в виде трех одинаковых стоек из двух последовательно соединенных ключей, питающихся постоянным напряжением, который соединен с нагрузкой 2 инвертора, формирователь "мертвых" зон 3, логическое устройство 4, выходы которого 5, 6, 7 связаны со входами формирователя "мертвых" зон 3, многофазный генератор 8, вход которого связан с выходом f_зад задатчика частоты 9 инвертора, а девять его выходов 10...18 подключены к первым девяти входам логического устройства 4, генератор опорного напряжения 19, инвертирующий усилитель 20, входом которого является выход U_зад задатчика напряжения 21 инвертора, два компаратора 22 и 23, первые входы которых соединены соответственно с выходом задатчика напряжения 21 и выходом инвертирующего усилителя 20, вторые входы объединены и связаны с выходом генератора опорного напряжения 19, а выходы подключены к десятому 24 и одиннадцатому 25 входам логического устройства 4. Отметим, что в некоторых случаях генератор опорного напряжения 19 и задатчик напряжения 21 могут иметь входы управления и управляться вспомогательным устройством регулирования 26 в функции сигнала задания частоты f_зад от задатчика частоты 9.

Принцип работы устройства поясняется диаграммами на фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6. Многофазный генератор 8 вырабатывает три сдвинутых на 120 эл. градусов сигнала 10, 11, 12 типа "меандр", а также последовательность из шести сдвинутых на 60 эл. градусов прямоугольных импульсов 13...18 длительностью 60 эл. градусов и частотой, равной заданной частоте f_зад инвертора. Генератор опорного напряжения 19 вырабатывает двухполярное пилообразное напряжение 27 несущей частоты f_оп (фиг. 5), которое сравнивается на входах компараторов 22 и 23 соответственно с прямым 28 и инверсным 29 сигналами задания напряжения U_зад инвертора. Выходы компараторов 22 и 23, на которых присутствуют сигналы 24 и 25, подключаются логическим устройством 4 к его выходам 5, 6, 7 в моменты времени, определяемые состоянием сигналов 10...18 в соответствии со следующими логическими уравнениями:







Формирователь "мертвых" зон 3 формирует три прямых 30, 31, 32 и три инверсных 33, 34, 35 сигнала управления стойками блока силовых ключей 1 так, что между прямым и инверсным сигналами каждой стойки существует небольшая задержка ("мертвое" время) для исключения возможности одновременного включения верхнего и нижнего ключей стойки. Для примера на фиг. 6 приведены диаграммы сигналов 5, 30, 35, управляющих стойкой фазы А. Аналогичные диаграммы имеют группы сигналов 6, 31, 34 и 7, 32, 33, управляющие стойками фаз В и C соответственно. Формируемое напряжение 36 фазы А показано на фиг. 4. Аналогичные напряжения, сдвинутые на 120 эл. градусов, образуются в фазах В и C.

Основным недостатком указанного устройства является повышенное содержание высших гармоник в кривой фазного напряжения инвертора и, как следствие, - повышенный коэффициент искажения, характеризующий степень отдаления кривой напряжения на нагрузке от синусоидальной:



где U1_н - действующее значение первой гармоники напряжения на нагрузке;

U_дн - действующее значение напряжения на нагрузке.

Так, для максимального сигнала задания напряжения 28, 29, равного амплитуде пилообразного напряжения 27, разложение в ряд Фурье фазного напряжения 36 дает следующий спектральный состав:



где U_и - напряжение в звене постоянного тока. Из (2) видно, что амплитуды наиболее выраженных пятой и седьмой гармоник составляют соответственно 20% и 14,3% от амплитуды первой гармоники.

Действующее значение такого ступенчатого напряжения равно



коэффициент искажения по (1) с учетом (2) и (3):



что является достаточно большой величиной.

Цель изобретения - получение более качественных выходных характеристик инвертора, выражающихся в существенном снижении уровня содержания высших гармоник в его выходном напряжении.

Поставленная цель достигается тем, что в инвертор напряжения, содержащий задатчик напряжения и задатчик частоты инвертора, логическое устройство, блок силовых ключей, многофазный генератор, входом которого является выход задатчика частоты инвертора, а девять его выходов подключены к первым девяти входам логического устройства, генератор опорного напряжения, инвертирующий усилитель, входом которого является выход задатчика напряжения инвертора, два компаратора, первые входы которых соединены соответственно с выходом задатчика напряжения и выходом инвертирующего усилителя, вторые входы объединены и связаны с выходом генератора опорного напряжения, а выходы подключены к десятому и одиннадцатому входам логического устройства, три выхода которого являются входами формирователя "мертвых" зон, а шесть выходов последнего подключены к шести входам управления блока силовых ключей, питающего нагрузку, согласно изобретению дополнительно введены третий, четвертый, пятый и шестой компараторы, первые входы которых соединены с выходом генератора опорного напряжения, а выходы - с дополнительными входами логического устройства, два масштабирующих усилителя с коэффициентами передачи 0,732 и 0,268, соединенные входами с выходом задатчика напряжения инвертора, а выходами - соответственно со вторыми входами третьего и пятого компараторов и входами дополнительно введенных второго и третьего инвертирующих усилителей, чьи выходы подключены ко вторым входам соответственно четвертого и шестого компараторов. Отметим, что в некоторых случаях задатчик напряжения и генератор опорного напряжения могут иметь входы управления и управляться вспомогательным устройством регулирования в функции сигнала задания частоты от задатчика частоты.

Преимуществом настоящего изобретения является тот факт, что за счет введения двух дополнительных делителей напряжения, инвертирующих усилителей и четырех компараторов образуются два дополнительных уровня в ступенчатой кривой выходного фазного напряжения инвертора. Соответствующим выбором коэффициентов передачи масштабирующих усилителей 0,732 и 0,268 удается получить существенное снижение содержания высших гармоник в выходном напряжении инвертора и, следовательно, снижение коэффициента искажения его формы.

На фиг. 7 показана схема устройства, а на фиг. 8, 9, 10 - диаграммы сигналов его основных узлов.

Инвертор напряжения с пониженным содержанием высших гармоник (фиг. 7) содержит блок силовых ключей 1, выполненный в виде трех одинаковых стоек из двух последовательно соединенных ключей, питающихся постоянным напряжением, который соединен с нагрузкой 2 инвертора, формирователь "мертвых" зон 3, логическое устройство 4, выходы которого 5, 6, 7 связаны со входами формирователя "мертвых" зон 3, многофазный генератор 8, вход которого связан с выходом задатчика частоты 9 инвертора, а девять его выходов 10...18 подключены к первым девяти входам логического устройства 4, генератор опорного напряжения 19, первый инвертирующий усилитель 20, вход которого соединен с выходом задатчика напряжения 21 инвертора, первый и второй компараторы 22 и 23, первые входы которых соединены соответственно с выходом задатчика напряжения 21 и выходом инвертирующего усилителя 20, а выходы подключены к десятому (24) и одиннадцатому (25) входам логического устройства 4, два масштабирующих усилителя 26 и 27 с коэффициентами передачи 0,732 и 0,268 соответственно, входы которых связаны с выходом задатчика напряжения 21, третий, четвертый, пятый и шестой компараторы 28, 29, 30, 31, причем первые входы компараторов 28 и 30 соединены соответственно с выходами масштабирующих усилителей 26 и 27, а первые входы компараторов 29 и 31 связаны с выходами масштабирующих усилителей 26 и 27 через второй и третий инвертирующие усилители 32 и 33 соответственно, вторые входы всех компараторов объединены и связаны с выходом генератора опорного напряжения 19, а выходы компараторов 28...31 связаны соответственно со входами 34...37 логического устройства 4.

Отметим, что в некоторых случаях задатчик напряжения 21 и генератор опорного напряжения 19 могут иметь входы управления и управляться вспомогательным устройством управления 38 в функции сигнала задания частоты от задатчика частоты 9.

Устройство работает следующим образом.

Многофазный генератор 8 вырабатывает три сдвинутых на 120 эл. градусов сигнала 10, 11, 12 типа "меандр" (фиг. 8), а также последовательность из шести сдвинутых на 60 эл. градусов прямоугольных импульсов 13...18 длительностью 60 эл. градусов и частотой, равной заданной частоте f_зад инвертора. Генератор опорного напряжения 19 вырабатывает двухполярное пилообразное напряжение 39 несущей частоты f_оп (фиг. 9), которое сравнивается на входах компараторов 22 и 23 соответственно с прямым 40 и инверсным 41 сигналами задания напряжения U_зад инвертора. Скважность полученных на выходах компараторов 22 и 23 сигналов 24 и 25 определяет амплитудное значение U_max выходного напряжения инвертора. Уровень второй ступени выходного напряжения образуется аналогично компараторами 28 и 29 путем сравнения на их входах пилообразного напряжения 39 несущей частоты f_оп генератора 19 с прямым 42 и инверсным 43 сигналами масштабирующего усилителя 26 с коэффициентом передачи К=0.732. Скважность полученных на выходах компараторов 28 и 29 сигналов 34 и 35 определяет уровень 0,732 U_max выходного напряжения инвертора. Уровень третьей ступени напряжения 0.268 U_max определяется скважностью сигналов 36 и 37 на выходах компараторов 30 и 31, сравнивающих сигналы опорного напряжения 39 генератора 19 с прямым 44 и инверсным 45 сигналами масштабирующего усилителя 27 с коэффициентом передачи К=0,268.

Полученные на выходе компараторов сигналы 24, 25 и 34...37 передаются логическим устройством 4 на его выходы 5, 6, 7 в моменты времени, определяемые состоянием сигналов 10...18 в соответствии со следующими логическими уравнениями:







Формирователь "мертвых" зон 3 формирует три прямых 46, 47, 48 и три инверсных 49, 50, 51 сигнала управления стойками блока силовых ключей 1 инвертора так, что между прямым и инверсным сигналами каждой стойки существует небольшая задержка ("мертвое" время) для исключения возможности одновременного включения верхнего и нижнего ключей стойки. Для примера на фиг. 10 приведены диаграммы сигналов 5, 46, 51, управляющих стойкой фазы А. Аналогичные диаграммы имеют группы сигналов 6, 47, 50 и 7, 48, 49, управляющие стойками фаз В и С. Среднее значение сформированного выходного напряжения фазы А 52 показано на фиг. 8. Аналогичные напряжения, сдвинутые на 120 эл. градусов, образуются в фазах В и C.

Разложение в ряд Фурье фазного напряжения 52 дает следующий спектральный состав:



где U_и - напряжение в звене постоянного тока инвертора;

₀ - отношение величины сигнала 40 задания напряжения к амплитуде пилообразного напряжения ШИМ;.

k = 12n 1 - номер гармоники (n = 1,2,3...).

Из сравнения (5) и (2) видно значительное снижение содержания высших гармоник в выходном напряжении инвертора. Следовательно, выходное фазное напряжение инвертора имеет шесть уровней, а выбор коэффициентов передачи масштабирующие усилителей 0.732 и 0.268 обеспечивает исключение из кривой выходного напряжения инвертора кроме четных гармоник также гармоник с номерами 3k, 6k-1 и 6k+1, где k = 1,3,5... Коэффициент искажения, рассчитанный по (1) с учетом (5), равен 0,1505, что почти вдвое меньше, чем у прототипа (0,2953).

Источники информации

1. Ю. К. Розанов. Основы силовой электроники. - М.: Энергоатомиздат, 1992, 296 с.

2. Г.Г. Жемеров. Тиристорные преобразователи частоты с непосредственной связью. - М.: Энергия, 1977, 280 с.

3. Калашников, С. О. Кривицкий, И.И. Эпштейн. Системы управления автономными инверторами. - М.: Энергия, 1974, 105 с.