ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ С ПОНИЖЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ВЫСШИХ ГАРМОНИК

ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ С ПОНИЖЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ВЫСШИХ ГАРМОНИК


RU (11) 2172057 (13) C2

(51) 7 H02M7/525, H02M7/527 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 07.12.2007 - прекратил действие, но может быть восстановлен 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 99120947/09 
(22) Дата подачи заявки: 1999.10.04 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 1999.10.04 
(45) Опубликовано: 2001.08.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 2012989 C1, 15.05.1994. RU 2001495 C1, 15.10.1993. ШИБАЕВА С.Н. и др. Моделирование сетевых вентильных преобразователей. -Киев: ИМСТ и ТИТ Электродинамики АН УССР, 1989, С.96-98. WO 90/090056 А1, 09.08.1990. 
(71) Заявитель(и): Открытое акционерное общество "Чебоксарский электроаппаратный завод" 
(72) Автор(ы): Поздеев Д.А.; Лазарев С.А. 
(73) Патентообладатель(и): Открытое акционерное общество "Чебоксарский электроаппаратный завод" 
Адрес для переписки: 428000, г.Чебоксары, пр-т И. Яковлева 5, ОАО ЧЭАЗ, директору по развитию В.П.Жукову 

(54) ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ С ПОНИЖЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ВЫСШИХ ГАРМОНИК 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для независимого регулирования частоты и напряжения многофазной нагрузки, например статорной обмотки асинхронного двигателя. Технический результат - получение более качественных выходных характеристик инвертора, выражающихся в существенном снижении уровня содержания высших гармоник в его выходном напряжении. Сущность изобретения состоит в том, что инвертор напряжения, содержащий задатчик напряжения и задатчик частоты инвертора, логическое устройство, блок силовых ключей, многофазный генератор, вход 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, 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. 10 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



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 Uзад, 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 fзад 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 Uзад 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 fзад 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 fзад инвертора. Генератор опорного напряжения 19 вырабатывает двухполярное пилообразное напряжение 27 несущей частоты fоп (фиг. 5), которое сравнивается на входах компараторов 22 и 23 соответственно с прямым 28 и инверсным 29 сигналами задания напряжения Uзад 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 U1н - действующее значение первой гармоники напряжения на нагрузке;

Uдн - 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 Uи - 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 fзад инвертора. Генератор опорного напряжения 19 вырабатывает двухполярное пилообразное напряжение 39 несущей частоты fоп (фиг. 9), которое сравнивается на входах компараторов 22 и 23 соответственно с прямым 40 и инверсным 41 сигналами задания напряжения Uзад инвертора. Скважность полученных на выходах компараторов 22 и 23 сигналов 24 и 25 определяет амплитудное значение Umax выходного напряжения инвертора. Уровень второй ступени выходного напряжения образуется аналогично компараторами 28 и 29 путем сравнения на их входах пилообразного напряжения 39 несущей частоты fоп 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 Umax выходного напряжения инвертора. Уровень третьей ступени напряжения 0.268 Umax 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 Uи - 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. 


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




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Электроника и электротехника




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+автомобильная -сигнализация".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "датчик" будут найдены слова "датчик", "датчики" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("датчик!").


Металлоискатели и металлодетекторы | Электронные устройства охраны и сигнализации | Электронные устройства систем связи | Приемные и передающие антенны | Электротехнические и радиотехнические контрольно-измерительные приборы и способы электроизмерений | Электронные устройства пуска, управления и защиты электродвигателей постоянного и переменного тока | Электродвигатели постоянного и переменного тока | Магниты и электромагниты | Кабельно-проводниковые и сверхпроводниковые изделия


Рейтинг@Mail.ru