способ управления мостовым инвертором с двухсторонней широтно-импульсной модуляцией и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ управления мостовым инвертором с двухсторонней широтно-импульсной модуляцией, заключающийся в том, что формируют сигнал управления для включения напряжения положительной полярности, сигнал управления для отключения напряжения положительной полярности, сигнал управления для включения напряжения отрицательной полярности, сигнал управления для отключения напряжения отрицательной полярности, отличающийся тем, что дополнительно формируют сигналы положительной и отрицательной полярности тока дросселя LC-фильтра, при сигнале положительной полярности тока дросселя LC-фильтра включение напряжения положительной полярности на выход блока ключевых элементов осуществляется включением ключевых элементов положительной диагонали при появлении сигнала управления для включения напряжения положительной полярности, отключение напряжения положительной полярности с выхода блока ключевых элементов осуществляется отключением одного ключевого элемента при появлении сигнала управления для отключения напряжения положительной полярности, включение напряжения отрицательной полярности на выход блока ключевых элементов осуществляется отключением всех ключевых элементов при появлении сигнала для включения напряжения отрицательной полярности, отключение напряжения отрицательной полярности с выхода блока ключевых элементов осуществляется включением одного ключевого элемента положительной диагонали при появлении сигнала управления для отключения напряжения отрицательной полярности, соответственно при сигнале отрицательной полярности тока дросселя LC-фильтра включение напряжения отрицательной полярности на выход блока ключевых элементов осуществляется включением ключевых элементов отрицательной диагонали при появлении сигнала управления для включения напряжения отрицательной полярности, отключение напряжения отрицательной полярности с выхода блока ключевых элементов осуществляется отключением одного ключевого элемента при появлении сигнала управления для отключения напряжения отрицательной полярности, включение напряжения положительной полярности на выход блока ключевых элементов осуществляется отключением всех ключевых элементов при появлении сигнала управления для включения напряжения положительной полярности, отключение напряжения положительной полярности с выхода блока ключевых элементов осуществляется включением одного ключевого элемента отрицательной диагонали при появлении сигнала управления для отключения напряжения положительной полярности.

2. Устройство для управления мостовым инвертором, реализующее способ управления по п.1, содержит два узла модуляции, каждый узел модуляции предназначен для управления одной стойкой блока ключевых элементов мостового инвертора и состоит из двух RS-триггеров, двух логических элементов 3-И и двух элементов задержки, имеет две выходные шины, три управляющих входа и два режимных входа, прямой выход первого RS-триггера соединен с первой выходной шиной узла модуляции, выход первого логического элемента 3-И соединен с S-входом первого RS-триггера, первый вход первого логического элемента 3-И соединен с инверсным выходом второго RS-триггера через первый элемент задержки, второй вход первого логического элемента 3-И и R-вход второго RS-триггера соединены с первым управляющим входом узла модуляции, третий вход первого логического элемента 3-И соединен с первым режимным входом узла модуляции, R-вход первого RS-триггера соединен со вторым управляющим входом узла модуляции, прямой выход второго RS-триггера соединен со второй выходной шиной узла модуляции, выход второго логического элемента 3-И соединен с S-входом второго RS-триггера, первый вход второго логического элемента 3-И соединен с инверсным выходом первого RS-триггера через второй элемент задержки, второй вход второго логического элемента 3-И соединен с третьим управляющим входом узла модуляции, третий вход второго логического элемента 3-И соединен со вторым режимным входом узла модуляции, выходные шины узлов модуляции соединены с входами управления блока ключевых элементов, при этом первая выходная шина первого узла модуляции и вторая выходная шина второго узла модуляции соединены с входами управления положительной диагональю блока ключевых элементов, а вторая выходная шина первого узла модуляции и первая выходная шина второго узла модуляции соединены с входами управления отрицательной диагональю блока ключевых элементов, первый управляющий вход первого узла модуляции соединен с шиной сигнала управления для включения напряжения положительной полярности, первый управляющий вход второго узла модуляции соединен с шиной сигнала управления для включения напряжения отрицательной полярности, второй управляющий вход первого узла модуляции и третий управляющий вход второго узла модуляции соединены с шиной сигнала управления для отключения положительного напряжения, третий управляющий вход первого узла модуляции и второй управляющий вход второго узла модуляции соединены с шиной сигнала управления для отключения отрицательного напряжения, первый режимный вход первого узла модуляции и второй режимный вход второго узла модуляции соединены с шиной для сигнала положительной полярности тока дросселя LC-фильтра, второй режимный вход первого узла модуляции и первый режимный вход второго узла модуляции соединены с шиной для сигнала отрицательной полярности тока дросселя LC-фильтра.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к автоматическому управлению и предназначено для мостовых инверторов с двухсторонней широтно-импульсной модуляцией, ключевые элементы которых шунтированы обратными диодами, работающих в режимах потребления и рекуперации энергии.

Известно устройство для управления инвертором, в котором для формирования управляющих сигналов, переключающих импульсные элементы, используется широтно-импульсный модулятор, содержащий генератор несущей частоты, импульсы которого синхронизируют блок пилообразных напряжений с прямым и инверсным выходом, два компаратора, на выходе которых формируются идентичные сдвинутые на 180 эл. град. широтно-модулированные сигналы, скважность которых формируется сравнением пилообразных напряжений с сигналом задания, узел определения полярности напряжения задания, два элемента задержки, формирующих прямой и инверсный знак полярности напряжения задания с задержкой по переднему фронту, управляющие сигналы для каждого ключевого элемента инвертора формируются из широтно-модулированных сигналов и сигналов знака полярности [1].

Известный широтно-импульсный модулятор позволяет управлять инвертором посредством двухсторонней однополярной на периоде модуляцией. Для исключения режима сквозных токов в этом модуляторе сигнал знака выходного напряжения разрешает включение только требуемых ключевых элементов, а для исключения сквозного тока при смене полярности разрешающий сигнал формируется с задержкой, достаточной для запирания включенных ключевых элементов.

Недостатком этого модулятора является необходимость формирования сигналов знака выходного напряжения, задержка формирования которых искажает выходное напряжение при смене его полярности, кроме того, для инверторов с ключевыми элементами, шунтированными обратными диодами, не обеспечивается управляемость в режиме рекуперации энергии.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ управления инвертором с двухсторонней широтно-импульсной модуляцией, содержащим мостовой блок ключевых элементов и LC-фильтр, заключающийся в том, что формируют два широтно-модулированных сигнала (по числу стоек мостового инвертора), которые формируют из сигнала управления для включения напряжения положительной полярности, сигнала управления для включения напряжения отрицательной полярности, сигнала управления для отключения напряжения положительной полярности и сигнала управления для отключения напряжения отрицательной полярности [2].

Известный способ управления инвертором с двухсторонней широтно-импульсной модуляцией позволяет управлять выходным напряжением посредством однополярной на периоде модуляции напряжения питания, при этом в мостовом блоке ключевых элементов переключаются ключевые элементы только одной стойки.

Недостатком известного способа управления для мостовых инверторов с ключевыми элементами, шунтированными обратными диодами, является то, что он не обеспечивает управляемость в режиме рекуперации энергии.

Цель технического решения - расширение функциональных возможностей мостового инвертора с ключевыми элементами, шунтированными обратными диодами, для работы в режиме рекуперации энергии.

Поставленная цель достигается тем, что для управления блоком ключевых элементов формируют четыре широтно-модулированных сигнала (по числу ключевых элементов), которые формируют с учетом знака тока дросселя LC-фильтра из сигнала управления для включения напряжения положительной полярности, сигнала управления для включения напряжения отрицательной полярности, сигнала управления для отключения напряжения положительной полярности и сигнала управления для отключения напряжения отрицательной полярности.

На фиг.1 приведена схема мостового инвертора с двухсторонней широтно-импульсной модуляцией; на фиг.2 - устройство (модулятор) реализующее предложенный способ управления.

Мостовой инвертор с двухсторонней широтно-импульсной модуляцией (фиг.1) содержит блок ключевых элементов 1, LC-фильтр 2, формирователь управляющих сигналов 3, узел обработки сигнала тока 4, модулятор 5, узел обработки сигнала тока 4 формирует из сигнала тока дросселя LC-фильтра 2 сигнал пульсирующей составляющей тока дросселя , сигнал положительной полярности тока дросселя I(+) и сигнал отрицательной полярности тока дросселя I(-), формирователь управляющих сигналов 3 формирует из сигнала напряжения задания U_on, сигнала, пропорционального значению входного напряжения питания инвертора U_n , сигнала, пропорционального значению выходного напряжения инвертора U_n, синхронизирующего сигнала С и сигнала пульсирующей составляющей тока дросселя управляющий сигнал F(+) для включения напряжения положительной полярности, управляющий сигнал F(0+) для отключения напряжения положительной полярности, управляющий сигнал F(-) включения напряжения отрицательной полярности и управляющий сигнал F(0-) для отключения напряжения отрицательной полярности, модулятор 5 формирует широтно-модулированные сигналы Y_1H, Y_1B, Y _2H, Y_2B из сигналов I(+), I(-), F(+), F(0+), F(-) и F(0-), широтно-модулированные сигналы Y _1H, Y_1B, Y_2H , Y_2B поступают на управляющие входы блока ключевых элементов 1, на входные шины блока ключевых элементов 1 поступает напряжение питания U_п, выходные шины блока ключевых элементов 1 соединены с входными шинами LC-фильтра 2, выходные шины LC-фильтра 2 являются выходными шинами мостового инвертора.

Сущность изобретения заключается в том, что режим потребления энергии при положительном выходном напряжении реализуется включением ключевых элементов положительной диагонали блока ключевых элементов 1, а режим паузы - отключением одного из включенных ключевых элементов, при этом ток дросселя LC-фильтра 2 замыкается по цепи «включенный ключевой элемент - обратный диод», режим рекуперации осуществляется отключением всех ключевых элементов, при этом ток дросселя LC-фильтра 2 замыкается по цепи «обратный диод - источник питания - обратный диод», а режим паузы - включением одного из ключевых элементов отрицательной диагонали, соответственно режим потребления энергии при отрицательном напряжении реализуется включением ключевых элементов отрицательной диагонали блока ключевых элементов 1, режим паузы - отключением одного из включенных ключевых элементов, режим рекуперации энергии - отключением всех ключевых элементов, режим паузы - включением одного из ключевых элементов положительной диагонали.

Управление блоком ключевых элементов мостового инвертора осуществляется по следующему алгоритму:

При наличии сигнала I(+) положительной полярности тока дросселя LC-фильтра 2 включение напряжения положительной полярности на выход блока ключевых элементов 1 осуществляется включением ключевых элементов Y_1B, Y _2H (наименование ключевого элемента соответствует наименованию его управляющего сигнала) при появлении сигнала управления F(+); отключение напряжения положительной полярности с выхода блока ключевых элементов 1 осуществляется отключением ключевого элемента Y_1B при появлении сигнала управления F(0+); включение напряжения отрицательной полярности на выход блока ключевых элементов 1 осуществляется отключением всех ключевых элементов при появлении сигнала управления F(-); отключение напряжения отрицательной полярности с выхода блока ключевых элементов 1 осуществляется включением ключевого элемента Y _2H при появлении сигнала управления F(0-).

При наличии сигнала I(-) отрицательной полярности тока дросселя LC-фильтра 2 включение напряжения отрицательной полярности на выход блока ключевых элементов 1 осуществляется включением ключевых элементов Y_1H, Y_2B при появлении сигнала управления F(-); отключение напряжения отрицательной полярности с выхода блока ключевых элементов 1 осуществляется отключением ключевого элемента Y_2B при появлении сигнала управления F(0-); включение напряжения положительной полярности на выход блока ключевых элементов 1 осуществляется отключением всех ключевых элементов при появлении сигнала управления F(+); отключение напряжения положительной полярности с выхода блока ключевых элементов 1 осуществляется включением ключевого элемента Y_1H при появлении сигнала управления F(0+).

Устройство (модулятор 5) (Фиг.2), реализующее предложенный способ управления мостовым инвертором с односторонней широтно-импульсной модуляцией, содержит: два узла модуляции 6, 7, каждый из которых предназначен для управления одной стойкой блока ключевых элементов 1 мостового инвертора и состоит из двух RS-триггеров 8, 9, двух логических элементов 3-И 10, 11 и двух элементов задержки 12, 13, имеет две выходные шины В, Н, три управляющих входа F _y1, F_y2, F_y3 и два режимных входа F_p1, F _p2, прямой выход RS-триггера 8 соединен с выходной шиной В узла модуляции, выход логического элемента 10 соединен с S входом RS-триггера 8, первый вход логического элемента 10 соединен с инверсным выходом RS-триггера 9 через элемент задержки 12, второй вход логического элемента 10 и R вход RS-триггера 9 соединены с управляющим входом F_y1 узла модуляции, третий вход логического элемента 10 соединен с режимным входом F_p1 узла модуляции, R вход RS-триггера 8 соединен с управляющим входом F_y2 узла модуляции, прямой выход RS-триггера 9 соединен с выходной шиной Н узла модуляции, выход логического элемента 11 соединен с S входом RS-триггера 9, первый вход логического элемента 11 соединен с инверсным выходом RS-триггера 8 через элемент задержки 13, второй вход логического элемента 11 соединен с управляющим входом F_y3 узла модуляции, третий вход логического элемента 11 соединен с режимным входом F_p2 узла модуляции, выходная шина В узла модуляции 6 соединена с выходной шиной Y_1B, выходная шина Н узла модуляции 6 соединена с выходной шиной Y_1H , выходная шина В узла модуляции 7 соединена с выходной шиной Y_2B, выходная шина Н узла модуляции 7 соединена с выходной шиной Y_2H, управляющий вход F_y1 узла модуляции 6 соединен с шиной сигнала управления F(+), управляющий вход F_y1 узла модуляции 7 соединен с шиной сигнала управления F(-), управляющий вход F_y2 узла модуляции 6 и управляющий вход F_y3, узла модуляции 7 соединены с шиной сигнала управления F(0+), управляющий вход F _y3 узла модуляции 6 и управляющий вход F _y2 узла модуляции 7 соединены с шиной сигнала управления F(0-), режимный вход F_p1 узла модуляции 6 и режимный вход F_p2 узла модуляции 7 соединены с шиной сигнала I(+), режимный вход F _p2 узла модуляции 6 и режимный вход F_p1 узла модуляции 7 соединены с шиной сигнала I(-).

Устройство (модулятор 5), реализующее предложенный способ управления мостовым инвертором с двухсторонней модуляцией, работает следующим образом: на входах RS-триггеров 8, 9 узлов модуляции 5, 6 формируются сигналы в соответствии с логическим выражением:

где F(+) и F(-) - сигналы управления для включения положительной и отрицательной полярности напряжения питания, формируются блоком управления 3 мостового инвертора. F(0+) и F(0-) - сигналы управления для отключения положительной и отрицательной полярности напряжения питания, формируются блоком управления 3 мостового инвертора; выходные сигналы Y_1B , Y_2H широтно-импульсного модулятора управляют состоянием ключевых элементов мостового инвертора формирующих напряжение положительной полярности, а сигналы Y _1H, Y_2B - отрицательной полярности, при этом сигналы Y_1B, Y _1H управляют состоянием ключевых элементов первой стойки мостового инвертора, а сигналы Y_2B, Y _2H - второй (индекс указывает адрес выходного сигнала), для исключения короткого замыкания в стойках ключевых элементов мостового инвертора введена блокировочная цепь защиты на включение двух ключевых элементов одной стойки, защита осуществляется первым входом логических элементов 10, 11 в каждом узле модуляции 6, 7 запрещением прохождения сигнала на S-входы RS-триггеров 8 при наличии сигнала Н и запрещением прохождения сигнала на S-входы RS-триггеров 9 при наличии сигнала В, защита осуществляется с задержкой (элементами задержки 12, 13), достаточной для надежного отключения включенного ключевого элемента.

Таким образом управление блоком ключевых элементов 1 мостового инвертора формированием четырех широтно-модулированных сигналов (для раздельного управления каждым ключевым элементом) позволило формировать выходное напряжение не переключением стойки ключевых элементов, а включением и отключением только одного необходимого для формирования выходного напряжения ключевого элемента, что исключает возможность возникновения сквозных токов, а использование сигналов знака полярности тока дросселя LC-фильтра 2 позволило управлять процессом рекуперации энергии.

Литература

1. Авторское свидетельство СССР № 1603509, Н02М 7/48 30.10.1990.

2. Патент РФ № 2223529, G05В 13/02, G05F 1/56, Н03R 7/08 10.02.2004.