RU2326486C1

RU2326486C1 - Method of width-pulse signals formation for control of autonomous inverter

Info

Publication number: RU2326486C1
Application number: RU2007112871/09A
Authority: RU
Inventors: Владимир Михайлович Иванов (RU); Владимир Михайлович Иванов
Priority date: 2007-04-06
Filing date: 2007-04-06
Publication date: 2008-06-10

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention is intended for control of autonomous inverters with width-pulse modulation of output voltages and may be used for frequency regulation of induction motor speed. Technical result consists in increase of output voltage quality and as a result expansion of regulation range and reduction of losses in the motor. Specified technical result is achieved by the following: in the known method of centered width-pulse modulation, which is based on comparison of support signal of triangular shape and three modulating sinusoidal signals, additionally simultaneous change of modulating signals type is performed six times per period in points that correspond to natural commutation of output voltages, and logical level of output control signals.

EFFECT: expansion of inverter control range with reduction of losses.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано, например, в преобразователях частоты с широтно-импульсной модуляцией выходных напряжений.The invention relates to the field of converter technology and can be used, for example, in frequency converters with pulse-width modulated output voltages.

Известен способ формирования широтно-импульсных сигналов управления автономным инвертором путем сравнения сигнала несущей частоты треугольной формы и модулирующего напряжения синусоидальной формы [1], результатом которого является формирование серии импульсов, длительность которых изменяется по синусоидальному закону.A known method of generating a pulse-width control signal of an autonomous inverter by comparing a carrier signal of a triangular shape and a modulating voltage of a sinusoidal shape [1], the result of which is the formation of a series of pulses, the duration of which varies according to a sinusoidal law.

Для получения трехфазной системы сигналов управления инвертором используется один источник несущей частоты, задатчик трехфазного управляющего напряжения и три канала сравнения, в каждом из которых формируются два импульса управления ключами фазы инвертора.To obtain a three-phase system of control signals from the inverter, one carrier frequency source, a three-phase control voltage regulator, and three comparison channels are used, in each of which two control pulses of the inverter phase keys are generated.

Недостатком управления трехфазным инвертором по данному способу является наличие четных гармоник в спектре выходных напряжений.The disadvantage of controlling a three-phase inverter by this method is the presence of even harmonics in the spectrum of output voltages.

Известен способ формировании импульсов управления ключами трехфазного инвертора [2] путем сравнения по трем каналам одного цифрового опорного сигнала треугольной формы и трех цифровых сигналов задания, изменяющихся по частоте и амплитуде, причем в каждом из каналов сравнения формируют управляющий сигнал соответствующий логической «1», если опорный сигнал меньше сигнала задания и логическому «0», если опорный сигнал больше сигнала задания, который дополнительно с инверсным используют для управления верхним и нижним ключами соответствующей фазы инвертора. Модулирующие сигнал представляют собой дискретные выборки табличных значений синуса, развертка которых во времени осуществляется по прерываниям процессора, а амплитуда определяется законом частотного управления.A known method of generating control pulses of keys of a three-phase inverter [2] by comparing over three channels of one digital reference signal of a triangular shape and three digital reference signals that vary in frequency and amplitude, and in each of the comparison channels form a control signal corresponding to a logical "1" if the reference signal is less than the reference signal and logical “0”, if the reference signal is larger than the reference signal, which is additionally used with inverse to control the upper and lower keys, respectively phase of the inverter. The signal modulators are discrete samples of tabular sine values, the time sweep of which is carried out by processor interruptions, and the amplitude is determined by the law of frequency control.

Использование цифровых методов для формирования несущего и модулирующих сигналов позволяет повысить точность формирования управляющих сигналов. Однако фазные напряжения на обмотках двигателя несимметричны относительно оси ординат и, следовательно, спектр выходных напряжений содержит четные гармоники, оказывающие наибольшее влияние на момент и потери асинхронного двигателя.The use of digital methods for the formation of the carrier and modulating signals allows to increase the accuracy of the formation of control signals. However, the phase voltages on the motor windings are asymmetric about the ordinate axis and, therefore, the output voltage spectrum contains even harmonics that have the greatest influence on the torque and losses of the induction motor.

Наиболее близким по технической сущности и по совокупности принципов реализации к заявляемому изобретению является способ формирования широтно-импульсных сигналов управления автономным инвертором [3], выбранный в качестве прототипа.The closest in technical essence and in the totality of the principles of implementation to the claimed invention is a method for generating pulse-width control signals of an autonomous inverter [3], selected as a prototype.

Способ формирования широтно-импульсных сигналов управления автономным инвертором, содержащим две трехфазные группы силовых ключей с индивидуальной коммутацией и обратными диодами, основанный на сравнении несущего треугольного сигнала постоянной частоты и трех сдвинутых относительно друг от друга на треть периода модулирующих синусоидальных сигналов, квантованных по уровню и изменяющихся по частоте и амплитуде, причем в каждом из каналов сравнения формируется два широтно-импульсных сигнала управления нижним и верхним ключами фазы инвертора, дополняющих друг друга до периода опорного сигнала, длительность одного из них определяется моментами времени, когда значения несущего сигнала меньше модулирующего сигнала, а второго - значениями несущего сигнала большими модулирующего сигнала. Формирование модулирующих сигналов осуществляется кольцевым счетчиком импульсов, частота которых определяет период выходных напряжений инвертора, и перемножающим цифроаналоговым преобразователем, весовые сопротивления которого распределены по синусоидальному закону, а опорное напряжение пропорционально частоте импульсов.A method for generating pulse-width control signals of an autonomous inverter containing two three-phase groups of power switches with individual switching and reverse diodes, based on a comparison of a carrier triangular signal of constant frequency and three modulating sinusoidal signals shifted from each other by a third of the period, quantized in level and changing in frequency and amplitude, and in each of the comparison channels two pulse-width control signals are generated for controlling the lower and upper phase keys nvertora, complementary to the reference signal period, the length of one of them is determined by the times at which the values of the carrier signal is less than the modulating signal, and the second - greater values the carrier signal of the modulating signal. The formation of modulating signals is carried out by an annular pulse counter, the frequency of which determines the period of the output voltages of the inverter, and by a multiplying digital-to-analog converter, the weight resistances of which are distributed according to a sinusoidal law, and the reference voltage is proportional to the frequency of the pulses.

Недостатком данного способа формирования управляющих сигналов является то, что выходные напряжений инвертора асимметричны относительно оси ординат и, следовательно, их спектр содержит четные гармоники.The disadvantage of this method of generating control signals is that the output voltages of the inverter are asymmetric with respect to the ordinate axis and, therefore, their spectrum contains even harmonics.

Сущность изобретения заключается в решении задачи формирования выходных напряжений трехфазного инвертора с минимальным содержанием высших гармоник в случае центрированной широтно-импульсной модуляции.The essence of the invention is to solve the problem of forming the output voltages of a three-phase inverter with a minimum content of higher harmonics in the case of centered pulse-width modulation.

Технический результат заключается в повышении качества выходного напряжения и, как следствие, расширения диапазона регулирования и снижения потерь в двигателе.The technical result consists in improving the quality of the output voltage and, as a result, expanding the control range and reducing losses in the motor.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе формирования широтно-импульсных сигналов управления ключами трехфазного инвертора, содержащего в каждой фазе полумост из последовательно соединенных первого и второго силового ключа и полумост обратных вентилей, состоящий в том, что формирование импульсов управления осуществляют путем сравнения одного опорного сигнала треугольной формы и трех модулирующих синусоидальных сигналов задания, изменяющихся по частоте и амплитуде, причем в каждом из трех каналов сравнения формируют высокий уровень широтно-импульсного сигнала, если опорный сигнал меньше сигнала задания и низкий уровень, если опорный сигнал больше сигнала задания, а затем формируют два сопряженных, дополняющих друг друга до периода несущей частоты, выходных сигнала, которые подают на управляющие входы первого и второго ключа соответствующей фазы инвертора, согласно изобретению изменяют знак модулирующих сигналов на противоположный шесть раз за период в моменты времени соответствующие точкам естественной коммутации и одновременно с коммутацией модулирующих сигналов инвертируют выходные сигналы канала по отношению к широтно-импульсному сигналу канала сравнения.The specified technical result is achieved by the fact that in the known method of generating pulse-width pulse control signals of the keys of a three-phase inverter, containing in each phase a half-bridge from the first and second power switches connected in series and a half-bridge of check valves, consisting in the fact that the formation of control pulses is carried out by comparing one a triangular reference signal and three modulating sinusoidal reference signals, varying in frequency and amplitude, and in each of the three channels inputs form a high level of the pulse-width signal if the reference signal is less than the reference signal and low if the reference signal is larger than the reference signal, and then two conjugate output signals that complement each other before the carrier frequency period are fed to the control inputs of the first and the second key of the corresponding phase of the inverter, according to the invention change the sign of the modulating signals in the opposite six times during the period at time points corresponding to the points of natural switching and simultaneously Switched inverted baseband output channel signals with respect to the PWM pulse signal comparison channel.

Проведенный заявителем поиск по патентным и научно-техническим источникам информации позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков, изложенных в формуле изобретения.A search by the applicant for patent and scientific and technical sources of information made it possible to establish that the applicant did not find an analogue characterized by features identical to all the essential features of the claimed invention. The definition from the list of identified analogues of the prototype, as the closest in the set of essential features of the analogue, allowed us to identify the set of essential in relation to perceived by the applicant the technical result of the distinguishing features set forth in the claims.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "Новизна".Therefore, the claimed invention meets the condition of "Novelty."

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию «Изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от Прототипа признаками заявленного устройства.To verify the compliance of the claimed invention with the condition “Inventive step”, the applicant conducted an additional search for known solutions in order to identify signs that match the distinctive features of the claimed device.

Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижения технического результата, в частности заявленное изобретение не основано на изменении дополнительных признаков, характеризующих конструктивные особенности реализации способа.The search results showed that the claimed invention does not follow explicitly from the prior art, since the prior art determined by the applicant has not revealed the effect of the transformations provided for by the essential features of the claimed invention on the achievement of the technical result, in particular, the claimed invention is not based on a change in additional features characterizing design features of the implementation of the method.

Не зависимо от типа используемых сигналов (аналоговых, цифроаналоговых, цифровых) особенности способа модуляции связаны с изменением алгоритма формирования импульсов управления инвертором.Regardless of the type of signals used (analog, digital-to-analog, digital), the features of the modulation method are associated with a change in the algorithm for generating control pulses of the inverter.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «Изобретательский уровень».Therefore, the claimed invention meets the condition of "Inventive step".

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, на которых представлены: на фиг.1 - схема автономного трехфазного инвертора для реализации способа, на фиг.2 - пример устройства для реализации предложенного способа модуляции, на фиг.3 - диаграммы управляющих импульсов и напряжений.The invention is illustrated by graphic materials on which: FIG. 1 is a diagram of an autonomous three-phase inverter for implementing the method, FIG. 2 is an example of a device for implementing the proposed modulation method, and FIG. 3 is a diagram of control pulses and voltages.

Автономный инвертор содержит три полумоста полностью управляемых ключей V1-V6 и три полумоста неуправляемых обратных вентилей D7-D12. Каждый из полумостов фазы инвертора содержит последовательно соединенные первый и второй ключ, подключенных соответственно к первому и второму выводу источника питания, а средней точкой к соответствующей фазе асинхронного двигателя М.Autonomous inverter contains three half-bridge fully controlled keys V1-V6 and three half-bridge uncontrolled check valves D7-D12. Each of the inverter phase half-bridges contains the first and second switches connected in series, respectively connected to the first and second output of the power source, and the middle point to the corresponding phase of the asynchronous motor M.

Устройство управления автономным инвертором (фиг.2) содержит задатчик 1 частоты, выход которого подключен через последовательно соединенные блок 2 формирования фазы и трехфазный формирователь 3 синусоидальных напряжений к трем первым входам блока 4 перемножения, а к его четвертому входу - через функциональный преобразователь 5. Три выхода блока 4 в одном случае подключены через последовательно соединенные трехканальные коммутатор 6 знака, блок 7 сравнения и коммутатор 8 уровня к трем входам формирователя 9 импульсов управления ключами инвертора, а в другом - к блоку 10 формирования коммутационных интервалов, выход которого подключен к управляющим входам коммутаторов 6 и 8. К четвертому входу блока 7 сравнения подключен выход генератора 11 опорного треугольного сигнала.The autonomous inverter control device (Fig. 2) contains a frequency adjuster 1, the output of which is connected through a series-connected phase forming unit 2 and a three-phase sinusoidal voltage generator 3 to the first three inputs of the multiplication unit 4, and to its fourth input through a functional converter 5. Three the outputs of block 4 in one case are connected through series-connected three-channel switch 6 of the sign, the comparison unit 7 and the switch of level 8 to three inputs of the shaper 9 impulses of key management torus, and the other - to the unit 10 forming the switching intervals, the output of which is connected to the control inputs of the switches 6 and 8. The fourth comparison input unit 7 connected to the output of the generator 11, a reference triangular signal.

Регулирование скорости асинхронного двигателя осуществляется путем изменения частоты питающих напряжений с одновременным изменением их амплитудных значений. Формирование напряжений осуществляется инвертором (фиг.1) за счет коммутации силовых ключей V1-V6, порядок работы которых определяет направление тока в обмотках двигателя, а рассогласование времен включения между верхним и нижним ключом фазы инвертора величину среднего напряжения фазы на интервале коммутации. Для формирования синусоидальных токов в фазах двигателя используется широтно-импульсная модуляция напряжений по синусоидальному закону. Улучшение гармонического состава выходных напряжений достигается за счет использования модифицированной центрированной широтно-импульсной модуляция. Вариант устройства управления инвертором для реализации предложенного способа показан на фиг.1.The speed control of an induction motor is carried out by changing the frequency of the supply voltage with a simultaneous change in their amplitude values. The formation of voltages is carried out by the inverter (Fig. 1) due to the switching of power switches V1-V6, the operation procedure of which determines the direction of current in the motor windings, and the mismatch of the switching times between the upper and lower keys of the inverter phase is the average phase voltage on the switching interval. For the formation of sinusoidal currents in the phases of the motor, pulse-width modulation of voltages is used according to a sinusoidal law. Improving the harmonic composition of the output voltages is achieved through the use of a modified centered pulse-width modulation. An embodiment of an inverter control device for implementing the proposed method is shown in FIG.

Частота выходных напряжений формируется задатчиком 1, а соотношение между частотой и выходным напряжением инвертора, определяющее закон частотного регулирования, задается с помощью функционального преобразователя. Опорная фаза модулирующих сигналов формируется С помощью блока 2, а с помощью блока 5 задается их амплитудное значение. Формирование системы трехфазных модулирующих сигналов сдвинутых относительно друг друга на угол 2π/3, осуществляется формирователем 3, а модуляция их по амплитуде - блоком перемножения 4.The frequency of the output voltages is generated by the setter 1, and the ratio between the frequency and the output voltage of the inverter, which determines the law of frequency regulation, is set using the functional converter. The reference phase of the modulating signals is formed using block 2, and using block 5 sets their amplitude value. The formation of a system of three-phase modulating signals shifted relative to each other by an angle of 2π / 3 is carried out by the shaper 3, and their amplitude modulation is performed by the multiplication unit 4.

Формирование широтно-импульсных сигналов управления осуществляется с помощью трехканального блока сравнения 7. Причем в каждом из каналов производят сравнение модулирующего сигнала соответствующей фазы с общим для всех каналов несущим сигналом треугольной формы, вырабатываемым генератором 11. Модулирующий и несущий сигналы канала фазы о блока 7 показаны на фиг.3, там же представлены широтно-импульсные сигналы а, b, с на выходах каналов сравнения. Для улучшения формы выходных напряжений U_a, U_b, U_с инвертора знак модулирующих сигналов: изменяют; шесть раз за период, в моменты времени соответствующие точкам естественной коммутации, когда напряжения двух фаз равны друг другу. Определение данных интервалов осуществляется с помощью блока 10. Одновременно с изменением знака модулирующих сигналов производят изменение логического уровня широтно-импульсных сигналов блока 7 на противоположный уровень. Это осуществляется с помощью блока 8, которой подключает на свой выход прямой или инверсный сигнал блока 7 в зависимости от интервала коммутации. Выходные сигналы a^~, b^~, c^~блока 8 поступают на блок 9, где производится формирование для каждой фазы пар, комплиментарных сигналов a1, а2, b1, b2, с1, с2 управления верхними и нижними ключами инвертора. Для исключения сквозных токов передний фронт сигнала, по которому производится переключение работы с верхнего на нижний ключ фазы инвертора или наоборот, формируют с задержкой.The pulse-width control signals are generated using a three-channel comparison unit 7. Moreover, in each channel, the modulating signal of the corresponding phase is compared with the carrier signal of a triangular shape common to all channels, generated by the generator 11. The modulating and carrier signals of the phase channel of phase o block 7 are shown in figure 3, there are presented pulse-width signals a, b, c at the outputs of the comparison channels. To improve the shape of the output voltages U _a , U _b , U _{from the} inverter, the sign of the modulating signals: change; six times per period, at times corresponding to the points of natural switching, when the voltage of the two phases are equal to each other. The determination of these intervals is carried out using block 10. Simultaneously with the change in the sign of the modulating signals, the logical level of the pulse-width signals of block 7 is changed to the opposite level. This is done using block 8, which connects a direct or inverse signal of block 7 to its output, depending on the switching interval. The output signals a ^~ , b ^~ , c ^{~ of} block 8 are sent to block 9, where for each phase pairs are formed, complementary signals a1, a2, b1, b2, c1, c2 control the upper and lower keys of the inverter. To eliminate through currents, the leading edge of the signal, by which the operation is switched from the upper to the lower key of the inverter phase or vice versa, is formed with a delay.

Таким образом, вышеизложенное свидетельствует о выполнении при использовании заявленного способа следующей совокупности условий:Thus, the foregoing indicates that when using the claimed method the following set of conditions:

- признаки, характеризующие сущность изобретения, в принципе, могут быть многократно использованы в преобразователях частоты для управления скоростью электродвигателей в различных областях промышленности с получением технического результата, заключающегося в повышении качества выходных напряжений трехфазного инвертора и снижения потерь в двигателе;- the features characterizing the essence of the invention, in principle, can be repeatedly used in frequency converters to control the speed of electric motors in various industries with obtaining a technical result, which consists in improving the quality of the output voltages of a three-phase inverter and reducing losses in the motor;

- для реализации способа могут быть использованы как аналоговые, так и аналого-цифровые средства управления, преимущество при этом имеют специализированные микроконтроллеры с трехканальными ШИМ генераторами;- to implement the method, both analog and analog-to-digital controls can be used, while specialized microcontrollers with three-channel PWM generators have an advantage;

- средства, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, независимо от их вида способны обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.- means embodying the claimed invention in its implementation, regardless of their type, can ensure the achievement of the technical result perceived by the applicant.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "Промышленная применимость".Therefore, the claimed invention meets the condition of "Industrial applicability".

Источники информацииInformation sources

1. Булгаков А.А. Частотное управление асинхронными двигателями. - М.: Энергоатомиздат, 1982, с.155-157, рис.3.70.1. Bulgakov A.A. Frequency control of induction motors. - M.: Energoatomizdat, 1982, p. 155-157, Fig. 3.70.

2. Казаченко В.Ф. Микроконтроллеры: руководство по применению 16-разрядных микроконтроллеров Intel MCS-196/296 во встроенных системах управления. - М.: Издательство ЭКОМ, 1997, с.342-361, рис.11.6, рис.11.14.2. Kazachenko V.F. Microcontrollers: A guide for using 16-bit Intel MCS-196/296 microcontrollers in embedded control systems. - M.: Ekom Publishing House, 1997, p.342-361, fig. 11.6, fig. 11.14.

3. Патент Великобритании №1190847, кл. Н02m 7/72, 1970.3. UK patent No. 1190847, CL H02m 7/72, 1970.

Claims

A method for generating pulse-width control signals of an autonomous inverter containing in each phase a half bridge of serially connected first and second power switches and a half bridge of check valves connected respectively to the first and second terminals of the power source, and the midpoint to the corresponding phase of the induction motor, which consists in that the formation of control pulses is carried out by comparing one reference signal of a triangular shape and three modulating sinusoidal reference signals, changing frequency and amplitude, and in each of the three comparison channels form a high level of the pulse-width signal if the reference signal is less than the reference signal, and low if the reference signal is larger than the reference signal, and two conjugate inverse form in each of the three output channels relative to each other, the output control signal of the first and second keys of the corresponding phase of the inverter, characterized in that the sign of the modulating signals is reversed six times in a period at time instants, respectively which correspond to the points of natural switching of the output voltages, and simultaneously with the switching of modulating signals, invert the signals of the output channels with respect to the pulse-width signals of the comparison channels.