RU219859U1 - Устройство управления трехфазным инвертором, ведомым сетью - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к преобразовательной технике и предназначена для использования в трехфазных зависимых преобразователях (например, ведомых сетью инверторах).

Задача полезной модели - обеспечение помехозащищенности ведомого сетью инвертора, при работе в условиях помех в промышленной трехфазной сети, с одновременным упрощением устройства управления ключами трехфазной мостовой схемы.

Поставленная задача решается тем, что в устройство управления трехфазным инвертором, ведомым сетью, состоящим из ключей 1А, 2А, 1В, 2В, 1С, 2С, содержащее фильтры 2-4, на входы которых поданы линейные напряжения, синхронизированные с фазными напряжениями сети, компараторы 5-7, задающий генератор 13 и логическую схему формирования импульсов 16, введены шесть дифференцирующих цепочек 11 и счетчик импульсов 12, при этом задающий генератор 12 выполнен в виде генератора прямоугольных импульсов, первый вход каждого компаратора предназначен для подключения к выходу фильтра соответствующей фазы питающего напряжения, обеспечивающего фазовый сдвиг на 60 градусов, а вторые входы - для подключения к нулевой шине, выходы компараторов 5-7 снабжены инверсными элементами 8-10, тактовый вход счетчика 12 соединен с выходом задающего генератора 13, а выход сброса счетчика - с дифференцирующими цепочками, соединенными с выходами компараторов и инверсных элементов, соответствующих полуволнам линейных напряжений АВ, ВС, СА, ВА, СВ и АС, в свою очередь соединенных с логической схемой формирования импульсов 16, состоящей из двенадцати элементов 3И, попарно соединенных с RS-триггерами 17, являющимися выходами схемы управления, предназначенными для ключей инвертора 1А, 2А, 1В, 2В, 1С, 2С, при этом, в каждой паре указанных элементов 3И первые и вторые входы определенным образом соединены с выходами компараторов, а третьи входы - с выводами «ВКЛ» и «ОТКЛ», образованными соединением первого Q-выхода счетчика с первым входом тринадцатого элемента 3И 14, третьего и четвертого Q-выходов счетчика - с первым и вторым входами элемента 2И 15 и вторым и третьим входами тринадцатого элемента 3И 14, при этом выход тринадцатого элемента 3И является выводом «ВКЛ», а выход элемента 2И является выводом «ОТКЛ»; причем соединения компараторов и выводов «ВКЛ» и «ОТКЛ» с элементами 3И логической схемы формирования импульсов, и соединения указанных элементов 3И с триггерами соответствующих ключей ведомого инвертора образованы таким образом, что импульсы включения и выключения ключей ведомого инвертора поступают на входы RS-триггеров 17 через логический узел 16 в соответствии с фазами линейных напряжений по следующему закону.

Триггер ключа 1А: S-вход - АВ+СВ+ ВКЛ; R- вход - АВ+ВС+ ОТКЛ

Триггер ключа 2А: S-вход - ВА+ВС+ ВКЛ; R- вход - ВА+СВ+ ОТКЛ

Триггер ключа 1В: S-вход - ВС+АС+ ВКЛ; R- вход - ВС+СА+ ОТКЛ

Триггер ключа 2В: S-вход - СВ+СА+ ВКЛ; R- вход - СВ+АС+ ОТКЛ

Триггер ключа 1С: S-вход - СА+ВА+ ВКЛ; R- вход - СА+АВ+ ОТКЛ

Триггер ключа 2С: S-вход - АС+АВ+ ВКЛ; R- вход - АС+ВА+ ОТКЛ

Description

Полезная модель относится к преобразовательной технике и предназначена для использования в трехфазных зависимых преобразователях (например, ведомых сетью инверторах).

Управление работой таких схем происходит таким образом, что в течение периода питающего напряжения происходит шесть коммутаций, каждая через π/3 (60 электрических градусов), причем три из них происходят в группе ключевых элементов, подключенных к плюсовой шине и три - в группе ключей, подключенных к отрицательной шине. При работе в режиме ведомого инвертора управляющие импульсы, подаваемые на ключевые элементы изменяются в моменты времени, близкие к точке естественной коммутации, т.е., прохождению через ноль синусоид линейных напряжений U_AB, U_BC, и U_CA.

Известно устройство для управления преобразователем, содержащее формирователь синхронизирующих импульсов, формирователь управляющих импульсов и узел сравнения (Писарев А.Л., и Деткин Л.П. Управление тиристорными преобразователями. "Энергия", 1975, с. 23.) Недостатком данного устройства является ограниченность применения.

Известны схемы управления преобразователями такого типа, в которых импульсы управления ключевыми элементами моста синхронизируют с напряжением питающей сети в моменты перехода через ноль фазного напряжения, сформированные импульсы подают на управляющие входы ключевых элементов трехфазного преобразователя (например, патент DE №2,119,525, US №4,347,562).

В таких схемах возникает проблема определения точного положения точек перехода через ноль фазных напряжений, поскольку из-за нестабильности питающей сети, моменты перехода через ноль часто сопровождаются значительными пульсациями. Такие пульсации могут давать несколько ложных переходов через ноль, вносящих ошибки в работу схемы, из-за несвоевременной подачи управляющих импульсов на вентили преобразователя.

Известна схема трехфазного преобразователя, в котором производится сглаживание фазных напряжений с помощью фильтра (см. патент US №4797802). В этом случае устраняются пульсации в моменты перехода через ноль питающих напряжений, а, следовательно, и неточности формирования импульсов управления. При этом такое сглаживание сопровождается фазовым сдвигом в 90 градусов и, следовательно, смещением точек перехода через ноль фазными напряжениями на 90 градусов. Для компенсации постоянного фазового сдвига на 90 градусов, вносимого фильтром 62, цифровой фазокомпенсатор 64 фазового сдвига вносит заданный фазовый сдвиг, независимый от частоты, к выходу компаратора 40 для компенсации фазового сдвига, вносимого фильтром 62 (Фиг.2 описания к патенту US4797802). Сигнал, VA -VB, используется в качестве опорного сигнала.

Цифровой компенсатор сдвига фазы реализован с помощью комбинации контура фазовой автоподстройки частоты, задающего генератора (генератор пилообразного напряжения) и регистра сдвига, как описано ниже со ссылкой на Фиг.4 описания к патенту US4797802. Фазокомпенсатор, связан со схемой формирования импульсов управления ключевыми элементами, Логическая схема формирования импульсов управления соединена с драйверами управления 50 ключевыми элементами с 1 по 6 (Фиг. 2 описания указанного патента), пронумерованными в традиционном порядке их включения в работу. Данное устройство выбрано нами в качестве прототипа заявляемой полезной модели.

Недостатком указанного устройства является усложнение и удорожание схемы формирования импульсов управления; кроме того, в данном устройстве существует необходимость строгого согласования между собой параметров фильтра (который является аналоговым устройством) и фазокомпенсирующего устройства (цифрового), что также вносит сложность при проектировании и отладке такого устройства.

Задача полезной модели - обеспечение помехозащищенности ведомого сетью инвертора, при работе в условиях помех в промышленной трехфазной сети, с одновременным упрощением устройства управления ключами трехфазной мостовой схемы.

Поставленная задача решается тем, что в устройство управления трехфазным инвертором, ведомым сетью, состоящим из ключей 1А, 2А, 1В, 2В, 1С, 2С, содержащее фильтры, на входы которых поданы линейные напряжения, синхронизированные с фазными напряжениями сети, компараторы, задающий генератор и логическую схему формирования импульсов, введены шесть дифференцирующих цепочек и счетчик импульсов, при этом задающий генератор выполнен в виде генератора прямоугольных импульсов, первый вход каждого компаратора предназначен для подключения к выходу фильтра соответствующей фазы питающего напряжения, обеспечивающего фазовый сдвиг на 60 градусов, а вторые входы - для подключения к нулевой шине, выходы компараторов снабжены инверсными элементами, тактовый вход счетчика соединен с выходом задающего генератора, а выход сброса счетчика - с дифференцирующими цепочками, соединенными с выходами компараторов и инверсных элементов, соответствующих полуволнам линейных напряжений АВ, ВС, СА, ВА, СВ и АС, в свою очередь соединенных с логической схемой формирования импульсов, состоящей из двенадцати элементов 3И, попарно соединенных с RS-триггерами, являющимися выходами схемы управления, предназначенными для ключей инвертора 1А, 2А, 1В, 2В, 1С, 2С, при этом, в каждой паре указанных элементов 3И первые и вторые входы определенным образом соединены с выходами компараторов, а третьи входы - с выводами «ВКЛ» и «ОТКЛ», образованными соединением первого Q-выхода счетчика с первым входом тринадцатого элемента 3И, третьего и четвертого Q-выходов счетчика - с первым и вторым входами элемента 2И и вторым и третьим входами тринадцатого элемента 3И, при этом выход тринадцатого элемента 3И является выводом «ВКЛ», а выход элемента 2И является выводом «ОТКЛ»; причем соединения компараторов и выводов «ВКЛ» и «ОТКЛ» с элементами 3И логической схемы формирования импульсов, и соединения указанных элементов 3И с триггерами соответствующих ключей ведомого инвертора образованы следующим образом:

первый и второй входы первой схемы 3И соединены с выходами компаратора, соответствующими сигналам АС и АВ, соответственно, третий вход соединен с выводом «ВКЛ», а выход соединен с S-входом триггера, соответствующего ключу 2С;

первый и второй входы второй схемы 3И соединены с выходами компаратора, соответствующими сигналам АС и ВА, третий вход - с выводом «ОТКЛ», а выход соединен с R- входом триггера, соответствующего ключу 2С;

первый и второй входы третьей схемы 3И соединены с выходами компаратора, соответствующими сигналам СА и ВА, третий вход - с выводом «ВКЛ», выход соединен с S-входом триггера, соответствующего ключу 1С;

первый и второй входы четвертой схемы 3И соединены с выходами компаратора, соответствующими сигналам СА и АВ, третий вход - с выводом «ОТКЛ», а выход соединен с R- входом триггера, соответствующего ключу 1С;

первый и второй входы пятой схемы 3И соединены с выходами компаратора, соответствующими сигналам ВА и ВС, третий вход - с выводом «ВКЛ», а выход соединен с S-входом триггера, соответствующего ключу 2А;

первый и второй входы шестой схемы 3И соединены с выходами компаратора, соответствующими сигналам ВА и СВ, третий вход - с выводом «ОТКЛ», а выход соединен с R- входом триггера, соответствующего ключу 2А;

первый и второй входы седьмой схемы 3И соединены с выходами компаратора, соответствующими сигналам АВ и СВ, третий вход - с выводом «ВКЛ», а выход соединен с S-входом триггера, соответствующего ключу 1А;

первый и второй входы восьмой схемы 3И соединены с выходами компаратора, соответствующими сигналам АВ и ВС, третий вход - с выводом «ОТКЛ», а выход соединен с R- входом триггера, соответствующего ключу 1А;

первый и второй входы девятой схемы 3И соединены с выходами компаратора, соответствующими сигналам СВ и СА, третий вход - с выводом «ВКЛ», а выход соединен с S-входом триггера, соответствующего ключу 2В;

первый и второй входы десятой схемы 3И соединены с выходами компаратора, соответствующими сигналам СВ и АС, третий вход - с выводом «ОТКЛ», а выход соединен с R- входом триггера, соответствующего ключу 2В;

первый и второй входы одиннадцатой схемы 3И соединены с выходами компаратора, соответствующими сигналам ВС и АС, третий вход - с выводом «ВКЛ», а выход соединен с S-входом триггера, соответствующего ключу 1В;

первый и второй входы двенадцатой схемы 3И соединены с выходами компаратора, соответствующими сигналам ВС и СА, третий вход - с выводом «ОТКЛ», а выход соединен с R- входом триггера, соответствующего ключу 1В.

Суть технического решения заключается в том, что, схема управления соединена с ключевыми элементами мостовой схемы таким образом, что импульс управления, синхронизированный с точками перехода через ноль фильтрованного (а значит, сдвинутого на 60 эл. градусов) синусоидального напряжения, например U_AB поступает на ключевой элемент, находящийся в группе ключевых элементов фазы С, т.е., предыдущий по порядку чередования фаз, ключевой элемент 2С, и т.д.

При таком выполнении устройства управления получаем стабильную фильтрацию, устраняющую помехи, которые влияют на синхронизацию ключевых элементов моста, при этом, не внося других изменений в схему. За счет того, что изначально импульсы управления ключами преобразователя разнесены на 60 электрических градусов, фазовый сдвиг в 60 электрических градусов не вносит изменений в схему управления, импульсы синхронизации «остались» на месте, и нет необходимости вводить фазокомпенсирующее устройство, усложняющее схему.

Далее сущность полезной модели поясняется рисунками, на которых показана блок-схема устройства управления инвертором, ведомым сетью (фиг.1а и 1б) и временные диаграммы, поясняющие алгоритм управления ключами инвертора (фиг.2).

На Фиг. 1а показан трехфазный преобразователь, образованный ключами 1А, 2А, 1В, 2В, 1С, 2С в порядке чередования фаз А, В и С. Ключевые элементы 1А-2с трехфазного мостового преобразователя управляются импульсами схемы формирования импульсов управления, показанной на Фиг.1б по заданному алгоритму.

Схема управления содержит источник напряжений синхронизации 1, фильтры 2, 3, 4, обеспечивающие сдвиг на 60 эл. градусов, на входы которых поданы линейные напряжения ВА, СВ и АС, синхронизированные с фазными напряжениями сети, компараторы 5, 6, 7, первые входы которых соединены с выходами фильтров 2, 3, 4, соответственно, а вторые входы соединены с нулевым проводом. Выходы компараторов 5, 6 и 7 снабжены инверсными элементами 8, 9, 10. Выходы компараторов и инверсных элементов соединены с входами соответствующих дифференцирующих цепей блока 11, выход которого соединен с входом сброса счетчика 12. Тактовый вход счетчика 12 соединен с выходом задающего генератора 13. Первый Q-выход счетчика соединен с первым входом элемента 3И 14, третий и четвертый Q-выходы счетчика соединены с первым и вторым входами элемента 2И 15, а также со вторым и третьим входами элемента 3И 14. Выходы элементов 14 и 15 образуют выводы «ВКЛ» и «ОТКЛ», соответственно. Выходы компараторов и инверсных схем соответствующие положительным и отрицательным полуволнам линейных напряжений АВ, ВС, СА, ВА, СВ и АС, в свою очередь определенным образом соединены с логической схемой формирования импульсов 16, состоящей из двенадцати элементов 3И (16₁ - 16₁₂), попарно соединенных с RS-триггерами 17, являющимися выходами схемы управления, предназначенными для ключей инвертора 1А, 2А, 1В, 2В, 1С, 2С.

Устройство управления ведомым инвертором работает следующим образом: на компараторы 5 - 7, через фильтры 2 - 4, обеспечивающие сдвиг на 60 эл. градусов сети, поданы напряжения с источника напряжения синхронизации 1, в фазе с линейными напряжениями АВ, ВС и СА. С выхода компараторов 5 - 7, с помощью инверсных элементов 8 - 10 получаем 6 последовательностей импульсов, соответствующих положительным и отрицательным полуволнам линейных напряжений АВ, ВС, СА, ВА, СВ и АС (диаграммы 18 - 23 на фиг.2). С помощью дифференцирующего блока 11, получаем импульсы сброса счетчика, которые поступают через каждые 60 эл. градусов сетевого напряжения в фазе с переходом линейных напряжений через «0» (график 24 на фиг.2). На тактовый вход счетчика импульсов 12 заведены импульсы с задающего генератора 13 (25 на фиг.2), с частотой 4,8 кГц, что соответствует 16 импульсам за 60 эл. градусов сети на счетчике. По 12-му импульсу (после сброса счетчика) с элемента 3И 14 подается импульс на включение соответствующего ключа ведомого инвертора (график 26 на фиг.2), а по 13-му импульсу задающего генератора 13, с элемента 2И 15 подается импульс на выключение соответствующего ключа (график 27 на фиг.2), чем обеспечивается выключение соответствующего транзистора ведомого инвертора в нуле напряжения. Подача импульсов к соответствующему ключу обеспечивается за счет соответствующих соединений выходов компараторов с двенадцатью элементами 3И логической схемы формирования импульсов 16, а также соединений между схемами 3И и RS-триггерами 17. С выходов RS-триггеров 17 снимаются импульсы управления ключами ведомого инвертора. Импульсы включения и выключения ключей ведомого инвертора поступают на входы RS-триггеров 17 через логическую схему формирования импульсов 16 в соответствии с фазами линейных напряжений по следующему закону.

Триггер ключа 1А: S-вход - АВ+СВ+ ВКЛ; R- вход - АВ+ВС+ ОТКЛ

Триггер ключа 2А: S-вход - ВА+ВС+ ВКЛ; R- вход - ВА+СВ+ ОТКЛ

Триггер ключа 1В: S-вход - ВС+АС+ ВКЛ; R- вход - ВС+СА+ ОТКЛ

Триггер ключа 2В: S-вход - СВ+СА+ ВКЛ; R- вход - СВ+АС+ ОТКЛ

Триггер ключа 1С: S-вход - СА+ВА+ ВКЛ; R- вход - СА+АВ+ ОТКЛ

Триггер ключа 2С: S-вход - АС+АВ+ ВКЛ; R- вход - АС+ВА+ ОТКЛ

При этом схема управления формирует 6 прямоугольных импульсов управления, с интервалами между ними в 60 электрических градусов, которые синхронизируются с линейными напряжениями питающей сети по моментам перехода напряжений через ноль (графики 28-33 на фиг.2). Поскольку линейные напряжения предварительно фильтруются фильтрами 2 - 4), в них устраняются помехи, вызывающие ложные срабатывания схемы формирования импульсов управления по переходам через ноль линейных напряжений, но при этом все импульсы сдвигаются на 60 электрических градусов. Этими импульсами синхронизируется логическая схема формирования импульсов управления 16, связанная с RS-триггерами 17 управления ключевыми элементами 1А, 2А, 1В, 2В, 1С, 2С. При этом общая картина распределения управляющих импульсов не изменяется, поскольку они изначально разнесены на 60 градусов, но для корректной работы преобразователя необходимо изменить порядок коммутации ключевых элементов таким образом, что каналы управления ключами в обычном порядке чередования фаз коммутации, соединяются каждый с предыдущим в этом порядке коммутации ключом инвертора, компенсируя этим самым сдвиг на 60 градусов без фазокомпенсирующего устройства, усложняющего схему.

Claims (13)

1. Устройство управления трехфазным инвертором, ведомым сетью, включающим ключи 1А, 2А, 1В, 2В, 1С, 2С, содержащее фильтры, на входы которых поданы линейные напряжения, синхронизированные с фазными напряжениями сети, компараторы, задающий генератор и логическую схему формирования импульсов, отличающееся тем, что в него введены шесть дифференцирующих цепочек и счетчик импульсов, при этом задающий генератор выполнен в виде генератора прямоугольных импульсов, первый вход каждого компаратора предназначен для подключения к выходу фильтра соответствующей фазы питающего напряжения, обеспечивающего фазовый сдвиг на 60 градусов, а вторые входы - для подключения к нулевой шине, выходы компараторов снабжены инверсными элементами, тактовый вход счетчика соединен с выходом задающего генератора, а выход сброса счетчика – с дифференцирующими цепочками, соединенными с выходами компараторов и инверсных элементов, соответствующих полуволнам линейных напряжений АВ, ВС, СА, ВА, СВ и АС, в свою очередь соединенных с логической схемой формирования импульсов, состоящей из двенадцати элементов 3И, попарно соединенных с RS-триггерами, являющимися выходами схемы управления, предназначенными для ключей инвертора 1А, 2А, 1В, 2В, 1С, 2С, при этом, в каждой паре указанных элементов 3И первые и вторые входы определенным образом соединены с выходами компараторов, а третьи входы – с выводами «ВКЛ» и «ОТКЛ», образованными соединением первого Q-выхода счетчика с первым входом тринадцатого элемента 3И, третьего и четвертого Q-выходов счетчика - с первым и вторым входами элемента 2И и вторым и третьим входами тринадцатого элемента 3И, при этом выход тринадцатого элемента 3И является выводом «ВКЛ», а выход элемента 2И является выводом «ОТКЛ»; причем соединения компараторов и выводов «ВКЛ» и «ОТКЛ» с элементами 3И логической схемы формирования импульсов, и соединения указанных элементов 3И с триггерами соответствующих ключей ведомого инвертора образованы следующим образом:
2. первый и второй входы первой схемы 3И соединены с выходами компаратора, соответствующими сигналам АС и АВ, соответственно, третий вход соединен с выводом «ВКЛ», а выход соединен с S-входом триггера, соответствующего ключу 2С;
3. первый и второй входы второй схемы 3И соединены с выходами компаратора, соответствующими сигналам АС и ВА, третий вход – с выводом «ОТКЛ», а выход соединен с R-входом триггера, соответствующего ключу 2С;
4. первый и второй входы третьей схемы 3И соединены с выходами компаратора, соответствующими сигналам СА и ВА, третий вход – с выводом «ВКЛ», выход соединен с S-входом триггера, соответствующего ключу 1С;
5. первый и второй входы четвертой схемы 3И соединены с выходами компаратора, соответствующими сигналам СА и АВ, третий вход – с выводом «ОТКЛ», а выход соединен с R-входом триггера, соответствующего ключу 1С;
6. первый и второй входы пятой схемы 3И соединены с выходами компаратора, соответствующими сигналам ВА и ВС, третий вход – с выводом «ВКЛ», а выход соединен с S-входом триггера, соответствующего ключу 2А;
7. первый и второй входы шестой схемы 3И соединены с выходами компаратора, соответствующими сигналам ВА и СВ, третий вход – с выводом «ОТКЛ», а выход соединен с R-входом триггера, соответствующего ключу 2А;
8. первый и второй входы седьмой схемы 3И соединены с выходами компаратора, соответствующими сигналам АВ и СВ, третий вход – с выводом «ВКЛ», а выход соединен с S-входом триггера, соответствующего ключу 1А;
9. первый и второй входы восьмой схемы 3И соединены с выходами компаратора, соответствующими сигналам АВ и ВС, третий вход – с выводом «ОТКЛ», а выход соединен с R-входом триггера, соответствующего ключу 1А;
10. первый и второй входы девятой схемы 3И соединены с выходами компаратора, соответствующими сигналам СВ и СА, третий вход – с выводом «ВКЛ», а выход соединен с S-входом триггера, соответствующего ключу 2В;
11. первый и второй входы десятой схемы 3И соединены с выходами компаратора, соответствующими сигналам СВ и АС, третий вход – с выводом «ОТКЛ», а выход соединен с R-входом триггера, соответствующего ключу 2В;
12. первый и второй входы одиннадцатой схемы 3И соединены с выходами компаратора, соответствующими сигналам ВС и АС, третий вход – с выводом «ВКЛ», а выход соединен с S-входом триггера, соответствующего ключу 1В;
13. первый и второй входы двенадцатой схемы 3И соединены с выходами компаратора, соответствующими сигналам ВС и СА, третий вход – с выводом «ОТКЛ», а выход соединен с R-входом триггера, соответствующего ключу 1В.