Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние и перспективы развития систем управления преобразователями частоты 12
1.1 Обзор современных полупроводниковых преобразователей 12
1.2 Непосредственные преобразователи частоты 13
1.3 Принцип формирования выходного напряжения системами управления НПЧ
1.3.1 Способ слежения за эталонным синусоидальным напряжением 18
1.3.2 Прямое преобразование частоты
1.3.3 Недостатки устройства формирования переключающих функций МПЧ с прямым преобразованием частоты 34
1.3.4 Способ ШИМ в системах управления матричными преобразователями частоты 35
1.3.5 Недостатки устройства формирования переключающих функций системы управления МПЧ с ШИМ 43
1.4 Выводы
Глава 2 Разработка имитационной модели выходного напряжения МПЧ 46
2.1 Математическое описание выходного напряжения МПЧ 46
2.2 Определение моментов переключения двухпроводных ключей
2.2.1 Определение времени переключения с линейными синхронизирующими кривыми 51
2.2.2 Определение времени переключения с синусоидальными синхронизирующими кривыми 2.3 Последовательность значений выходных частот преобразователя 58
2.4 Алгоритм формирования выходного напряжения системой управления матричных преобразователей
2.5 Алгоритм построения выходного напряжения устройством формирования переключающих функций системы управления МПЧ с ШИМ 72
2.6 Выводы 75
Глава 3 Спектральный анализ выходного напряжения матричных преобразователей частоты 76
3.1 Разложение в ряд Фурье выходного напряжения матричных преобразователей частоты при n-фазном входном 76
3.2 Разложение в ряд Фурье выходного напряжения матричных преобразователей частоты при 3-фазном входном 79
3.3 Спектральный состав выходного напряжения трехфазно-трехфазного МПЧ с однотактной схемой подключения и системой управления на основе прямого преобразования частоты 81
3.4 Спектральный состав выходного напряжения n-фазно-трехфазного МПЧ с однотактной схемой подключения и системой управления на основе прямого преобразования частоты 88
3.5 Спектральный состав выходного напряжения трехфазно-трехфазного МПЧ с двухтактной схемой подключения и системой управления на основе прямого преобразования частоты 96
3.6 Анализ гармонического состава выходного напряжения, формируемого системой управления МПЧ на основе ШИМ 98
3.7 Влияние алгоритмов работы устройства формирования переключающих функций системы управления на качественные показатели МПЧ 102
3.8 Выбор алгоритма модуляции устройства формирования переключающих функций системы управления 112
3.9 Выводы 118
Глава 4. Устройство формирования переключающих функций системы управления МПЧ на основе амплитудной модуляции 120
4.1 Способ формирования выходного напряжения МПЧ на основе амплитудной модуляции 120
4.2 Гармонический анализ выходного напряжения МПЧ на основе амплитудной модуляции .. 128
4.3 Разработка устройства формирования переключающих функций системы управления МПЧ на основе амплитудной модуляции 1 4.3.1 Блок квантования и записи эталонного модулирующего напряжения 131
4.3.2 Идентификация ступеней, формируемых входными двенадцатифазными сигналами 138
4.4 Выводы 156
Заключение 157
Список литературы
- Способ слежения за эталонным синусоидальным напряжением
- Определение времени переключения с синусоидальными синхронизирующими кривыми
- Спектральный состав выходного напряжения n-фазно-трехфазного МПЧ с однотактной схемой подключения и системой управления на основе прямого преобразования частоты
- Гармонический анализ выходного напряжения МПЧ на основе амплитудной модуляции
Введение к работе
Актуальность темы исследования. На сегодняшний день достижения в науке и технике привели к тому, что управляемый электропривод является основой всех используемых приводных устройств. Электропривод обеспечивает высокие показатели работы технологических механизмов и, как следствие, качество технологических процессов. В качестве одного из элементов электропривода, преобразующего электрическую энергию в механическую, используется асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.
Анализ использования асинхронных двигателей для управления технологическими процессами на предприятиях Российской Федерации показывает, что их количество составляет в среднем 135 миллионов единиц. Потребление электроэнергии, используемое данными двигателями, составляет 60 % от всех потребителей. Из них 70 % асинхронных двигателей используются в энергоемких отраслях промышленности.
Массовость использования асинхронных электроприводов требует разработки для них энергоэффективных режимов работы. Применение энергоэффективных режимов работы асинхронных электроприводов позволяет уменьшить энергопотребление на 6 ТВтч. Экономия выраженная в денежном эквиваленте, при этом составит более 12 миллиардов рублей в год.
В настоящее время проблема создания энергоэффективных асинхронных электроприводов связана с проблемой синтеза выходного синусоидального напряжения системы частотного управления электропривода в соответствии с требуемым значением такого показателя качества, как коэффициент гармоник.
За формирование выходного синусоидального напряжения системы частотного управления электропривода отвечает такой элемент системы управления электропривода, как устройство формирования переключающих функций управляющего блока матричного преобразователя частоты.
Устройство формирования переключающих функций является основным элементом, обеспечивающим синтез выходного синусоидального напряжения системы частотного управления электропривода.
В современных системах управления устройства формирования переключающих функций имеют однотипную структуру, состоящую из трех идентичных каналов. Основой данных каналов является элемент сравнения. Работа устройства основана на сравнении модулирующего и синхронизирующего сигналов, в соответствии с определенным алгоритмом.
Структура современного устройства, а также алгоритмы формирования переключающих функций, основанные на сравнении сигналов, не позволяют получать выходное синусоидальное напряжение системы частотного управления электропривода в соответствии с требуемым значением такого показателя качества, как коэффициент гармоник. В свою очередь, развитие современных электронных компонентов привело к возникновению новых принципов управления, которые не могли быть реализованы до недавнего времени. Это дает возможность вести разработку систем управления, позволяющих снизить значение коэффициента гармонических составляющих.
Несинусоидальность выходного напряжения системы частотного управления электропривода приводит к возникновению высших гармоник. При этом высшие гармоники обратной последовательности создают тормозной момент асинхронного двигателя. Высшие гармоники прямой последовательности – полезный момент двигателя, а гармоники нулевой последовательности создают пульсирующее поле.
В результате, высшие гармоники выходного напряжения системы частотного управления приводят к потерям электроэнергии в асинхронном двигателе. Происходит перегрев асинхронного двигателя, уменьшается полезный момент и возникают существенные помехи в электрической сети.
Поэтому улучшение качества выходного напряжения системы частотного управления электропривода путем уменьшения коэффициента гармоник является актуальной задачей.
Решению этой задачи посвящена данная диссертационная работа.
Исследованиям в данной области посвящены работы таких ученых, как Г. В. Грабовецкий, Л. А. Рутманис, Р. Т. Шрейнер, А. А. Ефимов, А. Г. Народицкий, Е. Е. Чаплыгин, L. Gyugyi, B. R. Pelly.
Работа выполнена в рамках НИОКР № 115011460049 от 14.01.2015 «Устройство формирования переключающих функций системы управления матричным преобразователем частоты» на кафедре электроснабжения промышленных предприятий ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» филиал в г. Кумертау.
Целью диссертационной работы является разработка устройства формирования переключающих функций управляющего блока матричного преобразователя частоты, позволяющего синтезировать синусоидальное выходное напряжение системы частотного управления электропривода с существенным снижением значения коэффициента гармоник.
Основные задачи исследования:
-
Разработка алгоритма формирования, а также компьютерных имитационных моделей выходного напряжения системы частотного управления электроприводом, позволяющих осуществлять его гармонический анализ.
-
Формирование зависимостей коэффициентов гармонических составляющих сигналов от частоты для определения возможности улучшения качества выходного напряжения системы частотного управления электропривода.
-
Разработка способа формирования переключающих функций, обеспечивающего синтез выходного напряжения системы частотного управления электропривода в соответствии с требуемым значением коэффициента гармоник.
-
Разработка устройства формирования переключающих функций управляющего блока матричного преобразователя частоты для системы частотного управления электроприводом.
Методологическая база и методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы математического и имитационного моделирования, ряды Фурье, аналитические и численные методы анализа с использованием ЭВМ. При разработке компьютерных имитационных моделей был использован пакет «MathCad».
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Алгоритм формирования выходного напряжения системы частотного управления электропривода, полученный на основе математических моделей.
-
Зависимости коэффициентов гармонических составляющих сигналов от частоты, определяющие возможности улучшения качества выходного напряжения системы частотного управления электропривода.
-
Способ формирования переключающих функций, обеспечивающего синтез синусоидального выходного напряжения системы частотного управления электропривода в соответствии с требуемым значением коэффициента гармоник.
-
Устройство формирования переключающих функций управляющего блока матричного преобразователя частоты для системы частотного управления электроприводом.
Научная новизна:
-
На основе компьютерных имитационных моделей выходного напряжения системы частотного управления электроприводом было доказано, что коэффициент гармоник, независимо от структуры устройства формирования переключающих функций, практически не зависит от частоты. Установлена зависимость среднего значения коэффициента гармоник выходного напряжения системы частотного управления электроприводом от числа фаз входного напряжения матричного преобразователя частоты для устройства формирования переключающих функций с алгоритмом циклического переключения фаз.
-
Разработан способ формирования переключающих функций, обеспечивающий синтез синусоидального выходного напряжения системы частотного управления электропривода, в соответствии с требуемым значением коэффициента гармоник.
-
Разработано устройство формирования переключающих функций управляющего блока матричного преобразователя частоты для системы частотного управления электроприводом.
Практическая значимость результатов исследований. Предложенный способ и устройство формирования переключающих функций управляющего блока матричного преобразователя частоты, обеспечивающее синтез выходного напряжения системы частотного управления электропривода в соответствии с требуемым значением коэффициента гармоник.
Реализация результатов работы. Материалы диссертационной работы внедрены в учебный процесс на кафедре электроснабжения промышленных предприятий Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» филиал в г. Кумертау.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах: Международной научно-практической конференции «Роль технических наук в развитии общества» (Уфа, 2014), XII Международной научно-практической конференции «Новое слово в науке и практике: гипотезы и апробация результатов исследований» (Новосибирск, 2014), XXXVII Международной научно-практической конференции «Технические
науки – от теории к практике» (Новосибирск, 2014), VII Международной научно-практической конференции «Теория и практика актуальных исследований» (Краснодар, 2014), XIV Международной научно-практической конференции «Техника и технология: новые перспективы развития» (Москва, 2014).
Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 24 печатные работы, в том числе 7 статей в изданиях из перечня, рекомендованного ВАК, 11 публикаций в трудах конференций, получено 6 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, содержит 171 страницу машинописного текста, библиографический список из 103 наименований.
Способ слежения за эталонным синусоидальным напряжением
В настоящее время большинство технологических процессов выполняются с помощью электроприводов, которые являются основными потребителями электроэнергии во многих промышленно развитых странах. Новейшие технологии позволяют применять для этих целей автоматизированные системы управления, позволяющие значительно снизить затраты на электроэнергию за счет оптимизации производственных процессов, а также обеспечить бесперебойную работу самого механизма электропривода. Наибольшее распространение получили частотно-регулируемые электроприводы переменного тока. Преобразователи частоты, которые используют при их работе, разделяют на две группы: двухзвенные преобразователи (ДПЧ), у которых первым звеном является выпрямитель, имеющий входной фильтр, а автономный инвертор выполняет функцию второго звена. Таким образом, происходит двукратное преобразование электроэнергии [41]. Управление звеньями осуществляется независимо друг от друга, так как потребляемая мощность для инвертора и выпрямителя одинакова. Между основными звеньями ДПЧ устанавливают промежуточный элемент постоянного тока, который стабилизирует мгновенное значение разности мощностей на входе и выходе, накапливая электрическую энергию. Это способствует значительному увеличению показателя реактивной мощности и снижению энергоэффективности. Поскольку преобразователи частоты такого типа являются нелинейными потребителями электроэнергии, то они искажают питающую сеть, что отрицательно сказывается на работе всей системы и неблагоприятно действует на окружающее пространство [30, 46]; непосредственные частотные преобразователи (НПЧ) – осуществляют однократное преобразование энергии [4, 8, 9, 56]. При работе данного вида преобразователей нет необходимости в промежуточном аккумулировании энергии. Наиболее перспективным развитием НПЧ является матричный преобразователь частоты (МПЧ).
Новейшие разработки в области производства ПЧ позволяют уменьшать габаритные размеры этих устройств с улучшением технических характеристик и без значительных коммутационных потерь. Наиболее перспективным способом уменьшения потребления реактивной мощности, а также обеспечения рекуперации энергии является использование активных преобразователей частоты. Управление данными ПЧ осуществляется импульсно-модуляционными или релейными способами [6, 20, 27, 28, 76, 77, 79].
В отличие от ДПЧ, конструкция НПЧ не включает в себя промежуточный элемент для аккумуляции электроэнергии. Начиная с 70-х гг. прошлого столетия, стали использовать полупроводниковые НПЧ, управление которыми осуществляется тиристорами с частичным управлением и естественной коммутацией. Такие устройства называются циклоконвертерами, которые поначалу применяли лишь в тихоходных электроприводах большой мощности [14, 59].
На рисунке 1.2 представлена схема одного из таких циклоконвертеров. В данной схеме питающая сеть представлена фазами А, В и С, которые, через шесть групп тиристоров Р и N, соединены с выходными фазами а, b и с. Частота и напряжение на выходе данного циклоконвертера регулируются изменением диапазона угла . Ток на входе циклоконвертера не имеет синусоидальной формы, поскольку регулирование работой устройства выполняется по фазе [59].
Помимо этого, прямое соединение входных и выходны х фаз обеспечивает ограничение действия нагрузки на поток реактивной мощности, и направление его в питающую сеть, и поэтому, независимо от характера нагрузки, коэффициент мощности циклоконвертера на входе всегда будет иметь значение ниже единицы.
Преимущество циклоконвертера, если сравнивать с двухзвенным преобразователем, состоит в более низких коммутационных потерях и способности обменивать энергию в двух направлениях. К основным недостаткам относят: применение большого количества тиристоров, небольшой диапазон регулирования частоты на выходе и невысокий входной коэффициент мощности. В современных системах управления электроприводами все чаще применяют схемы НПЧ, которые в своей структуре имеют полностью управляемые ключи: двухзвенные непосредственные преобразователи частоты (ДНПЧ), которые работают так же, как и ДПЧ. Отличием является отсутствие фильтра в промежуточном звене и использование для управления силовых ключей с проводимостью в двух направлениях. Изучением работы ДПНЧ занимаются российские и иностранные ученые [2, 18, 57, 58, 60–63]; непосредственные преобразователи частоты матричного типа. Схема наиболее распространённого МПЧ, для регулирования работы электроприводом, изображена на рисунке 1.3. Рисунок 1.3 – Схема НПЧ матричного типа с ключами, обладающими двунаправленной проводимостью Конструкция силовой части МПЧ состоит из девяти двунаправленных ключей SAa , SAb , SAc , SBa , SBb , SBc , SCa , SCb , SCc , которые соединены между собой таким образом, чтобы любая из трех входных фаз А, В или С имела бы связь с любой из трех выходных фаз а, b или с. В зависимости от топологии силовых ключей различают следующие типы ключей на двух транзисторах:
Определение времени переключения с синусоидальными синхронизирующими кривыми
Принцип работы системы управления заключается в том, что при синусоидально-управляемой ШИМ для управления каждым выходом используется синусоидальное напряжение ( xa ,xb ,xc ). Длительность периода синусоидального напряжения соответствует требуемой основной частоте выходного напряжения. На три синусоидальных напряжения накладывается опорное напряжение ( xОП ).
При пересечении опорного напряжения xОП и синусоидального напряжения xa , если при этом синусоидальное напряжение по модулю становится больше пилообразного xa -xОП 0, то открываются ключи V1, V4, V7, подключающие соответствующие фазы входного напряжения (в зависимости, какая зона находится в данный период времени) на нагрузку. Если при пересечении опорного напряжения xОП и синусоидального напряжения ха, синусоидальное напряжение становится меньше пилообразного xa -xОП 0 , то тот ключ, который был замкнут до этого времени, размыкается, и напряжение, приложенное к нагрузке, оказывается равным нулю. В результате выходное напряжение М ПЧ имеет вид, представленный на рисунке 1.27 [34]. 09 а
Основными недостатками использование широтно-импульсной модуляции в системах управления МПЧ, используемой при управлении электроприборами, являются наличие шумов на частоте коммутаций и их повторяемость. Увеличение частоты несущего сигнала не приводит к исключению высших гармоник из спектра выходного напряжения, а ведет их к смещению в более высокочастотную область.
В соответствии с требованиями ГОСТ 32144-2013 суммарный коэффициент гармоник рассчитывается для гармонических составляющих до 40 гармоники включительно. В свою очередь, увеличение частоты коммутации приводит к тому, что гармонические составляющие смещаются в более высокочастотную область, т.е. порядок этих гармоник начинает превышать значение 40. Коэффициент гармоник, рассчитанный для первых 40 гармонических составляющих, при этом существенно уменьшается. Однако полный коэффициент гармоник не соответствует требованиям к качеству выходного напряжения [3].
Высокочастотные гармоники производят радиопомехи и индуцируют возмущения в электроприборах, являются причиной быстрого износа изоляции и нарушений питания потребителей, что приводит к соответствующему экономическому ущербу. Поскольку это крайне нежелательно, то ШИМ и является предметом регулирования. 1.4 Выводы
В ходе проделанной работы были получены следующие выводы:
1. Выявлены следующие недостатки результата работы устройств формирования переключающих функций систем управления МПЧ с прямым преобразованием частоты: выходное напряжение таких систем является несинусоидальным и имеет «пилообразную» форму; несинусоидальное напряжение на выходе ПЧ содержит в своем составе высшие гармоники, вызывающие существенные потери в оборудовании, а также сильные помехи в питающей сети.
2. Выявлены следующие недостатки работы устройств формирования переключающих функций систем управления МПЧ с ШИМ: наличие шумов на частоте коммутаций и их повторяемость; высокочастотные гармоники производят радиопомехи и индуцируют возмущения в электроприборах, являются причиной быстрого износа изоляции и нарушений питания потребителей; увеличение частоты несущего сигнала не приводит к исключению высших гармоник из спектра выходного напряжения, а к смещению их в более высокочастотную область.
Цель диссертационной работы: повышение качества выходного напряжения матричных преобразователей частоты на основе разработки устройства формирования переключающих функций системы управления, реализующего принцип амплитудной модуляции. Достижение поставленной цели связано с решением следующих задач: 1) Разработка алгоритма формирования, а также компьютерных имитационных моделей выходного напряжения преобразователей частоты, позволяющих осуществлять гармонический анализ, для определения коэффициента искажения синусоидальности выходного напряжения. 2) Формирование зависимостей коэффициентов искажения синусоидальности выходного напряжения от частоты для определения возможности существующих принципов по улучшению качества выходного напряжения.
3) Разработка способа формирования переключающих функций системы управления МПЧ в соответствии с требованиями ГОСТ к значению коэффициента искажения синусоидальности кривой выходного напряжения.
4) Разработка устройства формирования переключающих функций системы управления матричным преобразователем частоты. Глава 2 Разработка имитационной модели выходного напряжения МПЧ 2.1 Математическое описание выходного напряжения МПЧ
Рассмотрим общий случай n-фазного по входу и 3-фазного по выходу матричного преобразователя частоты, содержащего 3 группы идеальных двухпроводных ключей по n в каждой группе.
Преобразователь частоты присоединен к n-фазному источнику переменного напряжения с частотой f ВХ и управляется таким образом, чтобы получить 3-фазное выходное напряжение с желаемой частотой fВЫХ (рисунок 2.1).
В качестве источника многофазного входного напряжения можно использовать напряжение с выхода многофазного фазообразующего трансформатора [64]. Так как кривые выходного напряжения образуются из участков следующих друг за другом кривых входного напряжения, то мгновенное вы ходное напряжение UВЫХ1 , UВЫХ2 , UВЫХ3 может быть описано соотношениями:
Спектральный состав выходного напряжения n-фазно-трехфазного МПЧ с однотактной схемой подключения и системой управления на основе прямого преобразования частоты
Проведем анализ спектрального состава выходного напряжения трехфазно-трехфазного МПЧ при различных видах модулирующей и синхронизирующей функций с целью определения возможностей уменьшения коэффициента искажения синусоидальности выходного напряжения согласно ГОСТ 32144-2013 для МПЧ с помощью существующих алгоритмов модуляции и систем управления, реализующих данные алгоритмы, на основе разработанных моделей.
Результатом анализа спектрального состава выходного напряжения МПЧ стал совмещенный график коэффициентов гармоник для линейных синхронизирующих функций (рисунок 3.2) [44, 45, 52].
На рисунке 3.2 приведены зависимости KГ от номера частоты N: 1 – совмещенный график коэффициента гармоник KГ от номера частоты выходного напряжения N при треугольной модуляции для линейной положительной и отрицательной синхронизации; 2 – совмещенный график коэффициента гармоник KГ от номера частоты выходного напряжения N при синусоидальной модуляции для линейной положительной и отрицательной синхронизации; 3 – совмещенный график коэффициента гармоник KГ от номера частоты выходного напряжения N при трапецеидальной модуляции для линейной положительной и отрицательной синхронизации; 4 – совмещенный график коэффициента гармоник KГ от номера частоты выходного напряжения N при линейной модуляции для линейной положительной и отрицательной синхронизации. Рисунок 3.2 – Совмещенные графики коэффициентов гармоник выходного напряжения при линейной синхронизации
Анализ графиков рисунка 3.2 позволяет сделать следующие выводы: 1. Поскольку для одной и той же модулирующей функции при положительной и отрицательной синхронизации коэффициент гармоник практически не изменяется, то можно сказать, что он не зависит от типа синхронизирующей функции. 2. В области низких частот (7V 5 или соВЫХ 0,6соВХ) коэффициент гармоник, независимо от типа модулирующей функции, слабо изменяется, поэтому можно принять его независящим от частоты. 3. Коэффициент гармоник зависит от типа модулирующей функции, а, следовательно, от алгоритмов модуляции. 4. Изменение алгоритма модуляции системы управления не позволяет получить на выходе трехфазно-трехфазного МПЧ качественного напряжения с требуемым коэффициентом гармоник (согласно ГОСТ 32144-2013). Результатом анализа спектрального состава выходного напряжения МПЧ для синусоидальных синхронизирующих функций стал совмещенный график коэффициентов гармоник, приведенный на рисунке 3.3 [53].
На рисунке 3.3 приведены следующие зависимости коэффициента гармоник KГ от номера частоты выходного напряжения N: 1 – совмещенный график коэффициента гармоник KГ от номера частоты выходного напряжения N при треугольной модуляции для синусоидальной положительной и отрицательной синхронизации; 2 – совмещенный график коэффициента гармоник KГ от номера частоты выходного напряжения N при синусоидальной мод уляции для синусоидальной положительной и отрицательной синхронизации; 3 – совмещенный график коэффициента гармоник KГ от номера частоты выходного напряжения N при трапецеидальной модуляции для синусоидальной положительной и отрицательной синхронизации; Рисунок 3.3 – Совмещенные графики коэффициентов гармоник выходного напряжения при синусоидальной синхронизации Анализ графиков рисунка 3.3 позволяет сделать следующие выводы: 1. Поскольку для одной и той же модулирующей функции при положительной и отрицательной синхронизации коэффициент гармоник практически не изменяется, то можно сказать, что он не зависит от типа синхронизирующей функции. 2. В области низких частот (7V 5 или соВЫХ 0,6соВХ) коэффициент гармоник, независимо от типа модулирующей функции, слабо изменяется, поэтому можно принять его независящим от частоты. 3. Коэффициент гармоник зависит от типа модулирующей функции, а, следовательно, от алгоритмов модуляции. 4. Изменение алгоритма модуляции системы управления не позволяет получить на выходе трехфазно-трехфазного МПЧ качественного напряжения с требуемым коэффициентом гармоник (согласно ГОСТ 32144-2013). На рисунке 3.4 совмещены графики коэффициентов гармоник для линейной и синусоидальной синхронизации, где: 1с – совмещенный график коэффициента гармоник KГ от номера частоты выходного напряжения N при треугольной модуляции для синусоидальной положительной и отрицательной синхронизации; 2с – совмещенный график коэффициента гармоник KГ от номера частоты выходного напряжения N при синусоидальной мод уляции для синусоидальной положительной и отрицательной синхронизации; 3с – совмещенный график коэффициента гармоник KГ от номера частоты выходного напряжения N при трапецеидальной модуляции для синусоидальной положительной и отрицательной синхронизации; 1л – совмещенный график коэффициента гармоник KГ от номера частоты выходного напряжения N при треугольной модуляции для линейной положительной и отрицательной синхронизации; 2л – совмещенный график коэффициента гармоник KГ от номера частоты выходного напряжения N при синусоидальной модуляции для линейной положительной и отрицательной синхронизации; 3л – совмещенный график коэффициента гармоник KГ от номера частоты выходного напряжения N при трапецеидальной модуляции для линейной положительной и отрицательной синхронизации; 4л – совмещенный график коэффициента гармоник KГ от номера частоты выходного напряжения N при линейной модуляции для линейной положительной и отрицательной синхронизации. Рисунок 3.4 – Совмещенные графики коэффициентов гармоник выходного напряжения при линейной и синусоидальной синхронизации
Гармонический анализ выходного напряжения МПЧ на основе амплитудной модуляции
Поскольку общее количество уровней квантования выходного напряжения 12, то чтобы их закодировать, требуется 4-разрядный код (24=16 значений). Поэтому на выходе компараторов необходимо синтезировать кодирующее устройство. Данное устройство должно преобразовывать 11-разрядный код с выхода компараторов в 4-разрядный, т.е. иметь 11 входов и 4 выхода (рисунок 4.13).
Принцип работы данной системы состоит в следующем. Входное двенадцатифазное напряжение (на схеме U ВХ1 (t) , U ВХ 2 (t) , …, U ВХ12 (t)) подается на входы нуль-детекторов (компараторов) K. Компараторы K настраиваются так, чтобы их выходные сигналы изменялись от 0 до 1 каждый раз, когда знак их входных сигналов изменяется с отрицательного на положительный в окрестности точки пересечения нуля вольт, т.е. при пересечении какого-либо входного напряжения нуля. Образовавшийся в момент пересечен ия входного сигнала с нулем, сигнал 1 с компаратора поступает в генератор импульсов ГИ. Генератор импульсов вырабатывает единичный импульс. Единичные импульсы с выходов ГИ, образованные пересечением входных напряжений и оси времени, поступают на логический элемент ИЛИ (1), в результате чего образуется импульс, фиксирующий переход через ноль какого-либо напряжения U ВХ1 (t) –U ВХ12 (t) . Далее этот импульс с выхода элемента ИЛИ (1) (на схеме UC – напряжение синхронизации) поступает на синхронизирующий вход С регистра RG блока БКиЗм (блок квантования и записи модулирующего сигнала). В момент поступления этого импульса в регистре записывается двоичный четырехразрядный код с выход а КУМ , т.е. записывае тся код текущей ступени квантованного напряжения UМ (t) в соответствии с таблицей 4.4.
Дальнейшая задача – определить, какое из входных напряжений U ВХ1 (t) –U ВХ12 (t) в данный момент времени формирует данную ступень (рисунок 4.5) и, соответственно, подключить данное напряжение к выходу МПЧ. Данную задачу решает вторая часть системы управления МПЧ, осуществляющая идентификацию номера ступени, образуемой каждым из 12 входных напряжений в момент пересечения с нулем.
Номер ступени формируемой линейным напряжением однозначно можно определить по значению напряжения в момент переключения и знаку производной данного напряжения. На рисунке 4.15 показаны точки, обозначающие значения линейного напряжения в моменты переключения. В качестве линейного выбрано напряжение U АС (t) .
Т.е. если в момент дискретизации значение напряжения U АС (t) соответствует точке 1, то данное линейное напряжение формирует 2 ступень. Но значение напряжения в точке дискретизации 7 также равно напряжению в точке 1. При этом в точке 7 напряжение U АС (t) формирует –2 ступень. Такая же ситуация возникает в парных точках 2, 6; 3, 5; 8, 12; 9, 11. Так, в точках 2 и 6 значение напряжения одно и то же, но в точке 2 напряжение U АС (t) формирует 5 ступень, а в точке 6 – вторую ступень.
В точках 3 и 5 значение напряжения одно и то же, но в точке 3 напряжение U АС (t) формирует 6 ступень, а в точке 5 – пятую ступень. В точках 8 и 12 значение напряжения одно и то же, но в точке 8 напряжение U АС (t) формирует –5 ступень, а в точке 12 – минус вторую ступень. В точках 9 и 11 значение напряжения одно и то же, но в точке 9 напряжение U АС (t) формирует –6 ступень, а в точке 11 – минус пятую ступень.
Таким образом, чтобы при одном и том же значении напряжения определить номер ступени, необходимо определить также скорость этого напряжения. Так, в точке 1 скорость напряжения положительна, а в точке 7 – скорость отрицательна.
Значения линейногонапряжения в точкахпереключения, В Значения скоростилинейного напряжения вточках переключения, В/с Знак скорости линейного напряжения в точках переключения Номер уровняформируемогонапряжением
Т.е. задача идентификации сводится к определению значения напряжения и знака производной. Определение значения осуществим с помощью квантования по уровню. Поскольку имеется 7 значений напряжения, весь диапазон входного сигнала разделим на участки так, чтобы все эти значения оказались в середине данных участков (рисунок 4.16).
Уровни квантования входного линейного напряжения На рисунке 4.16 уровни квантования показаны пунктирными линиями. В результате получаем 6 уровней квантования: 355 В; 260,263 В; 95,263 В; –95,263В; –260,263 В; –355 В.
В качестве устройства, реализующее данное квантование, возьмем схему (рисунок 4.17) из 6 компараторов напряжения ( K1 , K2 , K3 , K4 , K5 , K6 ) и компаратора скорости, состоящего из дифференциатора и компаратора KД .
Каждый компаратор настраивается на определенный уровень входного напряжения так, чтобы выходной сигнал изменялся от 0 до 1 каждый раз, когда входное напряжение превысит заданный уровень.
Схема квантования линейного сигнала UЛ (t) по уровню Таким образом, при квантовании сигнала UЛ (t) сигналы на выходе компараторов напряжения и компаратора скорости, соответствующие номеру ступени, формируемой линейным напряжением в момент переключения, примут следующие значения (таблица 4.6).