способ управления трехфазным мостовым преобразователем

Формула изобретения

Способ управления трехфазным мостовым преобразователем, выполненным на полностью управляемых ключевых элементах с односторонней проводимостью, заключающийся в масштабировании сигналов заданных фазных токов к значению тока на стороне постоянного тока преобразователя, сравнении опорных сигналов с несущим пилообразным сигналом широтно-импульсного модулятора (ШИМ) и в логическом преобразовании выходных импульсов ШИМ модуля, определяя моменты переключения ключей, отличающийся тем, что по масштабированным сигналам заданных фазных токов определяют их знаки, которые меняются каждую шестую часть периода заданных фазных токов, согласно которым определяют соответствующий номер сектора s=1-6, на котором в текущий момент времени находится вектор тока, причем каждому сектору соответствует два активных, ненулевых вектора тока, каждый из которых определяется проводящим состоянием двух ключей преобразователя, посредством преобразования трехфазной системы координат вычисляют проекции i_a , i сигналов фазных токов на оси и ортогональной системы координат, по полученному номеру вектора тока и сигналам i_a, i вычисляют два опорных сигнала a и b, которые рассчитывают как значения составляющих вектора заданных фазных токов по направлению активных векторов данного сектора, причем эти опорные сигналы пропорциональны относительным временам действия активных векторов данного сектора на периоде модуляции, при движении вектора от начала каждого сектора к концу увеличивается составляющая одного активного вектора, на четных секторах - компонента b, на нечетных - a, и уменьшается составляющая второго вектора сектора, на четных секторах - компонента a, на нечетных - b, что соответствует увеличению и уменьшению интервалов работы на такте ШИМ соответствующих активных векторов сектора, т.е. изменяется ширина импульсов действия векторов x₁, x₃, выходные импульсы ШИМ модуля x ₁, x₂, x₃, x₄ совместно с логическими сигналами, определяющими номер сектора вектора тока y₁, y₂, y₃, y₄ , y₅, y₆, перекодируют в сигналы управления ключами путем логических преобразований, при этом сигналы x ₁ и x₃ - это импульсы действия, соответствующих текущему сектору активных векторов, а сигналы x₂ и x₄ являются инверсиями сигналов x₁ и x ₃ соответственно, причем сигналы y_i поочередно принимают значение «1» в соответствии с изменением сектора вектора тока, на каждом секторе выходные фазные токи преобразователя определяются состоянием четырех ключей, например на 1-ом секторе векторы тока преобразователя определяются состоянием ключей А+, А-, В-, С-, один из которых включен в течение всего времени нахождения вектора тока в секторе, проводящее состояние двух других ключей соответствует действию активных векторов, например векторов [А+, С-] и [А+, В-] на первом секторе, а включенное состояние еще одного ключа формирует нулевой вектор, например вектор [А+, А-] на первом секторе, при этом, если на текущем секторе ключ находится в проводящем состоянии на протяжении всего сектора, когда состояние проводимости указанного ключа участвует в формировании и активных и нулевого вектора сектора, например ключ А+ на первом секторе, то его управление осуществляют одним из сигналов y, равным логической единице на данном секторе, так на первом секторе ключ А+ управляется сигналом y₁=«1», когда проводящее состояние ключа соответствует включению одного из активных векторов сектора, то управление этим ключом производят соответствующим выходным сигналом ШИМ модуля, так на первом секторе ключом С - управляют сигналом x₁, а ключом В- - посредством сигнала x₃, когда на текущем секторе включенное состояние ключа соответствует нулевому вектору, как, например ключ А - на первом секторе, то сигнал x₅ управления ключом получают путем логического перемножения и инвертирования выходных сигналов ШИМ модуля и равным .

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области управления преобразователями электрической энергии постоянного/переменного тока и может быть использовано для управления трехфазным мостовым четрехквадрантным преобразователем тока, выполненным на полностью управляемых ключевых элементах с односторонней проводимостью.

Известен способ управления трехфазным мостовым преобразователем напряжения, описанный в книге Основы силовой электроники./Зиновьев Г.С. - Изд. 3-е, испр. и доп. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. - С.536-537, заключающийся в векторном управлении преобразователем напряжения с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Способ управления заключается в том, что по заданному вектору напряжения трехфазного инвертора вычисляют номер сектора и относительные временные интервалы включения базовых векторов на такте ШИМ, по которым с помощью арифметико-логических преобразований определяют сигналы управления силовыми ключами преобразователя.

Однако указанный способ векторного управления трехфазным мостовым преобразователем напряжения не позволяет непосредственно управлять выходным током преобразователя - необходимый ток создается посредством формирования соответствующего выходного напряжения. Поэтому многие силовые электронные устройства электроэнергетики выполняют на базе преобразователей тока, которые позволяют создавать требуемый ток независимо от напряжения сети. Наиболее эффективным способом управления трехфазным мостовым преобразователем тока является метод векторной модуляции выходного тока.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ управления трехфазным мостовым четырехквадрантным преобразователем тока с широтно-импульсным способом формирования кривой выходного тока, описанный в книге Power Electronics Handbook./Muhammad H.Rashid. - Academic Press, 2001, c.243-244, заключающийся в создании каждого полупериода выходного тока трехфазного мостового преобразователя в виде последовательности импульсов тока, длительность которых изменяется по синусоидальному закону. Сигналы заданных фазных синусоидальных токов, масштабированные к значению тока на стороне постоянного тока преобразователя, сравнивают с несущим пилообразным сигналом ШИМ модуля, по выходным импульсам которого путем логических преобразований получают управляющие сигналы ключевых элементов преобразователя.

Однако при использовании синусоидальной широтно-импульсной модуляции не удается получить полный диапазон выходных токов инвертора по основной гармонике. Кроме того, при таком способе управления число каналов управления преобразователем превышает число независимо регулируемых токов в системе без нейтрали, что не позволяет обеспечить полную управляемость фазными токами преобразователя.

Технической задачей изобретения является увеличение диапазона выходных токов трехфазного мостового преобразователя тока по основной гармонике и обеспечение полной управляемости токов в фазах преобразователя в системе без нейтрали.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе управления трехфазным мостовым четырехквадрантным преобразователем тока, выполненным на полностью управляемых ключевых элементах с односторонней проводимостью, по масштабированным сигналам фазных токов определяют их знаки и вычисляют соответствующий номер сектора в текущий момент времени, по полученному номеру сектора вычисляют два опорных сигнала, которые пропорциональны относительным временам действия активных базовых векторов данного сектора на периоде широтно-импульсной модуляции, причем опорные сигналы рассчитывают как значения составляющих вектора заданных фазных токов по направлениям активных векторов данного сектора, и перекодируют выходные импульсы ШИМ модуля в сигналы управления ключами, при этом, если на i-ом секторе, где i - полученный номер сектора и выбрано равным 1-6, ключ находится в проводящем состоянии на протяжении всего сектора, когда состояние проводимости указанного ключа участвует в формировании и активных и нулевого векторов сектора, то его управление осуществляется сигналом у_i, равным логической единице на i-ом секторе, если проводящее состояние ключа формирует один из активных базовых векторов i-го сектора, то управление этим ключом производят соответствующим выходным сигналом ШИМ модуля, а если на i-ом секторе включенное состояние указанного ключа соответствует нулевому вектору, то выходные сигналы ШИМ модуля инвертируют и логически перемножают, получая сигнал управления ключом.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 приведена структурная схема для реализации векторного способа управления преобразователем;

на фиг.2 представлена трехфазная мостовая схема преобразователя тока;

на фиг.3 показана векторная диаграмма для трехфазного мостового преобразователя тока;

на фиг.4 показано распределение знаков сигналов фазных токов задания при их синусоидальности и номера соответствующих секторов;

на фиг.5 приведены временные диаграммы входных и выходных сигналов ШИМ модуля и управляющие сигналы ключевых элементов преобразователя для первого и второго секторов.

Структурная схема для реализации способа управления содержит блок масштабирования 1 информационных сигналов тока задания к току на стороне постоянного тока преобразователя, выходы которого соединены со схемой прямого преобразования координат 2 и блоком вычисления номера сектора 3, выход блока вычисления номера сектора 3 вместе с выходами блока прямого преобразования координат 2 соединяются с входом блока вычисления опорных сигналов 4, выходы которого связаны с блоком ШИМ 5. Выходы блока ШИМ 5 и выход блока вычисления номера сектора 3 являются входами генератора импульсов управления ключами 6.

Трехфазная мостовая схема преобразователя тока содержит источник тока 7 на стороне постоянного тока преобразователя и комплект из шести силовых ключей (запираемых тиристоров) 8, соединенных по мостовой схеме, причем тиристоры анодной группы обозначены как А+, В+, С+, а тиристоры катодной группы имеют обозначения А-, В-, С-, ключи А+, А- образуют плечо фазы а преобразователя, ключи В+ и В- - плечо фазы b, а ключи С+, С- являются плечом фазы с.

На векторной диаграмме для трехфазного мостового преобразователя тока показаны оси А, В, С трехфазной системы координат, оси , стационарной ортогональной системы координат, указаны номера секторов I, II, III, IV, V, VI, каждый из которых ограничивается активными базовыми векторами, которые обозначены символами двух ключей, находящихся в проводящем состоянии при формировании соответствующих активных векторов: [А+, В-], [А+, С-], [В+, С-], [А-, В+], [А-, С+], [В-, С+]. Составляющие (компоненты) вектора токов по направлениям двух активных базовых векторов на каждом секторе обозначены как и .

Трехфазный мостовой преобразователь тока характеризуется девятью рабочими состояниями ключей, шесть из которых соответствует активным (ненулевым) векторам, а три остальных - нулевым. Способ управления заключается в том, что токи на стороне переменного тока преобразователя создаются за счет формирования на периоде широтно-импульсной модуляции двух соседних активных векторов тока и одного нулевого. Каждому нулевому вектору соответствует замкнутое состояние ключей в одном из плеч мостового преобразователя в зависимости от номера сектора. На основе анализа знаков сигналов заданных фазных токов, масштабированных к значению тока на стороне постоянного тока преобразователя, определяют номер сектора, на котором в текущий момент времени находится вектор заданных фазных токов. Сигналы фазных токов преобразуют из трехфазной системы координат а, b, с в стационарную ортогональную систему , -координат и по полученным проекциям заданных токов на оси и вычисляют значения длин компонент вектора токов по направлениям двух активных базовых векторов сектора в текущий момент времени, которые пропорциональны относительным временам действия активных базовых векторов на такте ШИМ. Моменты включения активных базовых векторов определяют путем сравнения несущего пилообразного сигнала ШИМ с опорным сигналом, определяющим относительное время действия соответствующего активного базового вектора на такте ШИМ. На выходах ШИМ модуля возникают импульсы, длительность которых равна относительным временам действия соответствующих активных векторов. Нулевые базовые векторы включают при отсутствии импульсов действия обоих активных базовых векторов. Таким образом, ШИМ модуль управляет переключением не отдельных ключей, а управляет переключением векторов, то есть переключением групп ключей. Выходные импульсы ШИМ модуля перекодируют в сигналы управления ключами посредством логических преобразований. На вход схемы логики подается шесть логических сигналов y₁, y₂, y₃ , y₄, y₅, y₆, определяющих номер текущего сектора: когда пространственный вектор тока задания находится на первом секторе, сигнал y₁ равен единице, а остальные сигналы равны нолю, на втором секторе y₂ =«1», а остальные сигналы - «0», и т.д., а также четыре выходных сигнала ШИМ модуля х₁, х ₂, х₃, х₄; сигналы х₁ и х₃ - это импульсы действия соответствующих текущему сектору активных векторов, а сигналы х₂ и х₄ являются инверсиями сигналов х₁ и х₃ соответственно. На каждом секторе выходные фазные токи преобразователя определяются состоянием четырех ключей, один из которых остается включенным в течение всего сектора, проводящее состояние двух других ключей соответствует действию активных базовых векторов, а включенное состояние еще одного участвует в формировании нулевого вектора, причем каждый ключ работает на четырех из шести секторов, а на двух других - нет. Получение управляющего импульса для каждого ключа реализовано по одинаковому принципу, который заключается в следующем: если на текущем секторе управляемый ключ всегда находится в проводящем состоянии, то он управляется одним из сигналов y, если же на этом секторе замкнутое состояние управляемого ключа соответствует одному из активных базовых векторов, то он управляется сигналами х₁ или х₃, а если на данном секторе включенное состояние этого ключа формирует нулевой вектор, то его управляющим сигналом является сигнал логического умножения х₂·х₄, который равен «1», когда не действует ни один из активных векторов текущего сектора, на двух других секторах рассматриваемый ключ имеет нулевой управляющий сигнал. При задержке выходных сигналов ШИМ модуля x₁ , х₂, х₃, х₄ по заднему фронту на t сигналы x₁ и х₂ (х₃ и х₄) будут перекрываться во времени на величину этой задержки. Тогда управление ключом, замкнутое состояние которого формирует нулевой вектор, осуществляют логическим сигналом , который равен «1» не только при действии нулевого вектора, но и при переключениях между активными векторами и нулевым в течение времени t. Это означает, что в течение t одновременно работает два вектора (активный и нулевой), между которыми происходит переключение. Такое управление ключами гарантированно обеспечивает неразрывность контура для протекания тока источника на стороне постоянного тока преобразователя.

Система управления, реализующая способ управления, работает следующим образом.

Входные сигналы системы управления - это сигналы заданных фазных токов i_a, i_b, i_c, являющиеся информацией о токе, который необходимо генерировать, выходные сигналы i_a ^*, 4_b ^*, i_с ^* блока масштабирования 1 токов задания к току на стороне постоянного тока преобразователя имеют амплитуду, не превышающую единицу, по знакам этих сигналов в блоке 3 выполняется вычисление номера s сектора, в котором в текущий момент времени находится вектор фазных токов. По значениям проекций вектора тока задания i , i на оси и , полученных при помощи схемы прямого преобразования координат 2, рассчитываются опорные сигналы а и b в блоке 4, значения которых пропорциональны относительным значениям времен действия активных базовых векторов на такте модуляции, реализуемой в блоке ШИМ 5. При движении вектора токов с круговой частотой от начала первого сектора к концу увеличивается составляющая одного активного вектора, которая определяется опорным сигналом а, и уменьшается величина второго опорного сигнала b, что соответствует увеличению длительности действия базового вектора [А+, С-] на периоде несущего сигнала с и уменьшению интервалов работы вектора [А+, В-] на такте ШИМ, т.е. ширина импульсов действия активного вектора [А+, В-] уменьшается (импульсы х₃ на фиг.5), а ширина импульсов действия активного вектора [А+, С-] увеличивается (импульсы х₁ на фиг.5). Вектор выходного тока при этом создается переключением между активными векторами [А+, С-] и [А+, В-] и нулевым вектором [А+, А-]. При движении вектора токов от начала второго сектора к концу уменьшается составляющая одного активного вектора, которая определяется опорным сигналом а, и увеличивается величина второго опорного сигнала b, что соответствует увеличению длительности действия базового вектора [В+, С-] на периоде несущего сигнала с и уменьшению интервалов работы вектора [А+, С-] на такте ШИМ, т.е. ширина импульсов действия активного вектора [А+, С-] уменьшается (импульсы х₁ на фиг.5), а ширина импульсов действия активного вектора [В+, С-] увеличивается (импульсы х₃ на фиг.5). Вектор выходного тока при этом создается переключением между активными векторами [А+, С-] и [В+, С-] и нулевым вектором [С+, С-]. Для третьего и пятого секторов опорные сигналы ШИМ модуля совпадают с опорными на первом секторе, а на четвертом и шестом секторах опорные сигналы идентичны опорным на втором секторе. Опорные сигналы вычисляют так, что на нечетных секторах они имеют убывающий характер, а на четных - возрастающий. При этом каждый опорный сигнал определяет относительное время действия одного и того же активного вектора в течение двух секторов, на границе которых находится этот активный вектор. Тогда опорные сигналы не изменяются скачком при изменении номера сектора, что позволяет избежать переключения векторов и соответствующих им ключей при смене секторов. Изменение номера сектора, связанное с изменением знака одного из заданных фазных токов, происходит при действии соответствующего активного вектора, при этом изменяются управляющие сигналы всех ключей, но коммутации ключей не происходит. Генератор импульсов управления ключами 6 преобразует выходные сигналы ШИМ модуля в управляющие импульсы силовыми ключами, которые формируются как комбинация логических сигналов x₁, х₂, х₃, х₄, а также импульсов y₁, y₂, y₃, y₄, y ₅, y₆. На втором секторе выходные фазные токи преобразователя определяются состоянием четырех ключей преобразователя: А+, В+, С+, С-, при этом ключ С- остается включенным в течение всего сектора, проводящее состояние ключей А+ и В+ формирует активные базовые векторы, а замкнутый ключ С+ соответствует нулевому вектору (фиг.3). Поэтому на втором секторе ключ С- управляется сигналом y₂=«1», ключ А+ управляется сигналом x₁, ключ В+ - сигналом х₃, а управляющим сигналом ключа С+, включение которого формирует нулевой вектор выходного тока, является сигнал логического умножения .

Выходные токи в фазах преобразователя, который управляется представленным способом, имеют импульсный характер, при этом основные гармоники генерируемых токов соответствуют сигналам заданных фазных синусоидальных токов. Для регулирования фазы и амплитуды генерируемых преобразователем токов необходимо изменять фазу и амплитуду компонент вектора заданных фазных токов.

Предлагаемый способ управления трехфазным мостовым четырехквадрантным преобразователем тока обеспечивает максимальный выход основной гармоники выходного тока (отношение амплитуды основной гармоники выходного тока к току на стороне постоянного тока преобразователя), на 15% больший, чем при использовании способа управления на основе синусоидальной широтно-импульсной модуляции, позволяет реализовать точное и согласованное управление токами в фазах преобразователя, обеспечивая полную управляемость фазных токов в системе без нейтрали, что невозможно при синусоидальном ШИМ управлении, при котором управление каждой фазой преобразователя осуществляется независимо от двух других. В системе управления используются стандартные модули ШИМ, имеющиеся в большинстве современных микроконтроллеров, что значительно упрощает реализацию векторного управления в преобразователях тока. Векторный способ управления преобразователем тока обеспечивает неразрывность контура для протекания тока источника на стороне постоянного тока преобразователя в любой момент времени, обеспечивает управление преобразователем с высокой эффективностью при минимизации возможности возникновения ошибок управления, так как часть вычислений осуществляется автоматически аппаратными модулями ШИМ микроконтроллера. Способ управления переключением ключевых элементов преобразователя, основанный на методе векторной модуляции тока, может быть реализован в микропроцессорных системах управления преобразовательных устройств, выполненных на базе трехфазного мостового преобразователя тока.