RU2269860C2

RU2269860C2 - Method for frequency conversion

Info

Publication number: RU2269860C2
Application number: RU2003127935/09A
Authority: RU
Inventors: Рудольф Теодорович Шрейнер (RU); Рудольф Теодорович Шрейнер; з Владимир Константинович Кривов (RU); Владимир Константинович Кривовяз; Андрей Игоревич Калыгин (RU); Андрей Игоревич Калыгин
Original assignee: Закрытое акционерное общество ЗАО "Автоматизированные системы и комплексы"
Priority date: 2003-09-16
Filing date: 2003-09-16
Publication date: 2006-02-10
Also published as: RU2003127935A

Abstract

FIELD: electrical engineering, applicable for frequency conversion of multiphase alternating current.

SUBSTANCE: the method is based on the fact that the power switches of an active rectifier and self-excited inverter are controlled with the aid of two control channels, in this case the standard modulating signal defining the switching function in one channel is subjected in succession to phase and amplitude premodulations, pulse-length modulation and phase modulation, in the other channel - it is subjected to amplitude and adapting premodulation an in pulse-length modulation with the use of a high-frequency reference signal.

EFFECT: eliminated distortions of the useful components of output voltages.

6 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для преобразования частоты многофазного переменного тока двухзвенным непосредственным преобразователем частоты (ДНПЧ) путем предварительного выпрямления тока источника одной частоты с помощью активного выпрямителя (АВ) и последующего инвертирования выпрямленного тока в переменный ток другой частоты с помощью автономного инвертора (АИ) без промежуточного сглаживающего фильтра между ними и использованием на первом и втором этапах преобразования режимов широтно-импульсной модуляции (ШИМ).The invention relates to electrical engineering and can be used to convert the frequency of a multiphase alternating current by a two-link direct frequency converter (DNPC) by preliminary rectifying the current of a source of one frequency using an active rectifier (AB) and then inverting the rectified current into alternating current of another frequency using an autonomous inverter ( AI) without an intermediate smoothing filter between them and using the pulse-width-pulse modes in the first and second stages of conversion Clear Modulation (PWM).

Известны преобразователи частоты электромеханического типа, в которых переменное напряжение задающей частоты вначале преобразуют в постоянное напряжение (выпрямляют), а затем преобразуют в переменное напряжение заранее заданной амплитуды и частоты, так называемый электромашинный преобразователь, см. "ПТ-500", Машиностроение, 1965, техническое описание и Инструкция по эксплуатации.Known frequency converters of the electromechanical type, in which the alternating voltage of the driving frequency is first converted to direct voltage (rectified), and then converted into alternating voltage of a predetermined amplitude and frequency, the so-called electromachine converter, see "PT-500", Engineering, 1965, Technical Description and Operating Instructions.

Для этого выпрямленное напряжение используется для питания двигателя постоянного тока, на валу которого находится 3-фазный генератор переменного тока.For this, the rectified voltage is used to power the DC motor, on the shaft of which there is a 3-phase alternator.

За внешней простотой этого способа видны следующие явные недостатки:The external simplicity of this method shows the following obvious disadvantages:

- большие габаритно-массовые характеристики (ГМХ);- large overall mass characteristics (GMH);

- малая зона регулирования частоты, всего 10-15% от номинальной;- a small area of frequency regulation, only 10-15% of the nominal;

- низкая надежность из-за большого количества вращающихся и трущихся частей, токоподводов, щеток и пр.- low reliability due to the large number of rotating and rubbing parts, current leads, brushes, etc.

Известна "Система управления мощным высоковольтным электроприводом на базе процессоров ЦОС TMS 320 С3х", см. ж. CHIP NEWS, №5, май 2003, стр.58-62, в которой применена схема преобразователя частоты (ПЧ) с 6-пульсным управляемым выпрямителем и 6-пульсным инвертором тока на однооперационных тиристорах.The well-known "Control system for a powerful high-voltage electric drive based on processors DSP TMS 320 C3x", see. CHIP NEWS, No. 5, May 2003, pp. 58-62, which uses a frequency converter (IF) circuit with a 6-pulse controlled rectifier and a 6-pulse current inverter on single-operation thyristors.

Недостатком этой системы является большая схемная сложность, так число дискретных сигналов управления равно 24, число сигналов обратной связи - 12, еще несколько сигналов задания частоты, управления возбуждения и др., отладочных входов/выходов, внешних защит и блокировок, сигнальных выходов ≈16-24 и еще ряд сигналов. Все это потребовало целого ряда многослойных печатных плат, контроллера ЦОС, модулей нормализации сигналов, интерфейсной платы ввода/вывода, гальванического разделения и ряд других.The disadvantage of this system is the large circuit complexity, since the number of discrete control signals is 24, the number of feedback signals is 12, several more signals for setting the frequency, excitation control, etc., debugging inputs / outputs, external protections and interlocks, signal outputs ≈16- 24 and a number of signals. All this required a number of multilayer printed circuit boards, a DSP controller, signal normalization modules, an input / output interface board, galvanic isolation, and a number of others.

Эта схемная сложность влечет за собой трудности в настройке, периодической подстройке во время эксплуатации, также низкую надежность (вероятность безотказной работы). Несмотря на такую сложность, преобразователь формирует несинусоидальный ток двигателя.This circuit complexity entails difficulties in tuning, periodic adjustment during operation, and also low reliability (probability of failure-free operation). Despite this complexity, the converter generates a non-sinusoidal motor current.

Известны электронные двухзвенные преобразователи частоты (ДПЧ) с промежуточным звеном постоянного тока, состоящие из двух автономных инверторов напряжения (АИН), первый из которых работает в режиме активного выпрямителя, а второй - в режиме автономного инвертора; в звене постоянного тока устанавливается сглаживающий фильтр, см. "Двухзвенный преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока" в книге "Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты", автор Р.Т.Шрейнер, г.Екатеринбург, 2003 г., стр.278-280.Known electronic two-link frequency converters (DCF) with an intermediate DC link, consisting of two autonomous voltage inverters (AIN), the first of which operates in the active rectifier mode, and the second in the autonomous inverter mode; a smoothing filter is installed in the DC link, see "Two-link frequency converter with an intermediate DC link" in the book "Mathematical Modeling of AC Drives with Semiconductor Frequency Converters", author R.T.Shreiner, Yekaterinburg, 2003, pp. .278-280.

Данный тип преобразователей обладает следующими недостатками:This type of converter has the following disadvantages:

- наличие громоздкого фильтра звена постоянного тока, состоящего из дросселей и конденсаторов большой емкости;- the presence of a bulky filter DC link, consisting of chokes and capacitors of large capacity;

- недостаточная надежность, присущая электролитическим конденсаторам.- lack of reliability inherent in electrolytic capacitors.

Известен "Способ управления обратным преобразователем энергии переменного тока в энергию постоянного тока", в котором с целью формирования заданной формы и фазы переменных токов преобразователя, например синусоидальных сетевых токов с единичным коэффициентом мощности, из задающего обобщенного вектора переменных токов выделяют результативную составляющую. Затем по условию совпадения знаков компонент результативной составляющей путем выделения модулей формируют два времязадающих сигнала. Формируют два кусочно-линейных однополярных несущих сигнала, отличающихся знаками производных и, сравнивая каждый из них с одним из двух опорных сигналов, определяют моменты коммутации ключей мостовой схемы, см. Решение о выдаче Патента РФ по заявке №2001103591 с приоритетом от 07.02.2001 г.The well-known "Method of controlling the inverse converter of alternating current energy into direct current energy", in which, for the purpose of forming a predetermined shape and phase of alternating converter currents, for example, sinusoidal network currents with a unit power factor, an effective component is extracted from the generalized vector of alternating currents. Then, according to the condition for the signs of the components of the effective component to coincide, by isolating the modules, two time-generating signals are formed. Two piecewise linear unipolar carrier signals are formed that differ in the signs of the derivatives and, comparing each of them with one of the two reference signals, the switching points of the bridge circuit keys are determined, see Decision on the grant of a RF Patent by Application No. 2001103591 with priority of February 7, 2001 .

Недостатком его при всех положительных качествах является невозможность его использования в чистом виде для непосредственного преобразования частоты переменного входного напряжения в частоту выходного: для этого требуется значительное усложнение схемы.With all its positive qualities, its disadvantage is the impossibility of using it in its pure form for directly converting the frequency of an alternating input voltage to the output frequency: this requires significant complication of the circuit.

Известен способ преобразования частоты, см. статью "Концепция построения двухзвенных непосредственных преобразователей частоты для электроприводов переменного тока", ж. Электротехника, М., №12, 2002 г., стр.30-39. В данной концепции двухзвенный непосредственный преобразователь частоты (ДНПЧ) состоит из двух последовательно соединенных звеньев: активного выпрямителя (АВ) и автономного инвертора (АИ), между которыми отсутствует какой-либо сглаживающий фильтр, и только на входе устанавливается сетевой LC-фильтр. Коммутаторы АВ и АИ выполняются на полностью управляемых ключах с двухсторонней проводимостью. Нагрузкой преобразователя являются активно-индуктивные цепи, например, обмотки электрических двигателей переменного тока - ПРОТОТИП.A known method of frequency conversion, see the article "The concept of constructing a two-link direct frequency converters for AC electric drives", g. Electrical Engineering, M., No. 12, 2002, pp. 30-39. In this concept, a two-link direct frequency converter (DNFC) consists of two series-connected links: an active rectifier (AB) and an autonomous inverter (AI), between which there is no smoothing filter, and only an LC line filter is installed at the input. The AB and AI switches are run on fully managed keys with two-way conductivity. The load of the converter is active-inductive circuits, for example, windings of AC electric motors - PROTOTYPE.

Применительно к ДНПЧ стандартные стратегии ШИМ требуют введения дополнительного этапа адаптации, устраняющей искажения значений управляемых координат из-за взаимного влияния высокочастотных составляющих дискретных коммутационных функций АВ и АИ. В ПРОТОТИПЕ задача адаптации решается на основе векторной стратегии ШИМ, предусматривающей расчет длительностей реализации ненулевых векторов коммутационных функций АВ и АИ на периоде ШИМ по стандартным методикам и взаимную адаптацию моментов коммутации ключей АВ и АИ на этапе формирования последовательности реализации соответствующих состояний ключей коммутаторов.In relation to the MILF, standard PWM strategies require the introduction of an additional adaptation stage that eliminates distortions in the values of controlled coordinates due to the mutual influence of the high-frequency components of the discrete switching functions of the AV and AI. In the PROTOTYPE, the adaptation problem is solved on the basis of the PWM vector strategy, which provides for calculating the implementation durations of nonzero vectors of the switching functions of AB and AI during the PWM period using standard methods and mutual adaptation of the switching moments of the AB and AI keys at the stage of formation of the sequence of implementation of the corresponding states of the switch keys.

Недостатками векторной стратегии являются эвристический характер решения задачи адаптации на этапе формирования последовательности реализации состояний силовых ключей АВ и АИ, относительно высокие требования к вычислительным ресурсам управляющего устройства, отсутствие аппаратной поддержки стратегии адаптированной векторной ШИМ в современных серийно выпускаемых управляющих микропроцессорных устройствах.The disadvantages of the vector strategy are the heuristic nature of the solution to the adaptation problem at the stage of forming the sequence of implementation of the states of power switches AB and AI, the relatively high requirements for the computing resources of the control device, the lack of hardware support for the strategy of adapted vector PWM in modern commercially available control microprocessor devices.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности ДНПЧ за счет устранения отмеченных выше недостатков ПРОТОТИПА.An object of the invention is to increase the efficiency of the MILF by eliminating the above disadvantages of the PROTOTYPE.

Указанная цель достигается на основе координатной стратегии ШИМ, предусматривающей адаптацию на этапе формирования модулирующих функций, основные положения которой раскрываются в заявляемом способе преобразования частоты следующим образом.This goal is achieved on the basis of the PWM coordinate strategy, which provides for adaptation at the stage of formation of modulating functions, the main provisions of which are disclosed in the inventive frequency conversion method as follows.

Предлагается способ преобразования частоты многофазного переменного тока путем предварительного выпрямления тока источника одной частоты с помощью активного выпрямителя и последующего инвертирования выпрямленного тока в переменный ток другой частоты с помощью автономного инвертора, использующий для первого и второго названных этапов преобразования широтно-импульсную модуляцию с формированием в каналах управления силовыми ключами активного выпрямителя и автономного инвертора модулирующих и высокочастотных опорных сигналов. В обеспечении вышеупомянутой адаптации один из каналов управления (например, канал управления силовыми ключами либо АВ, либо АИ) выполняет функцию ведущего, а второй канал управления (соответственно канал управления силовыми ключами АИ либо АВ) функцию ведомого. Сигналы управления силовыми ключами в ведущем канале формируются независимо от процессов формирования сигналов управления в ведомом, поэтому коммутационная функция силового коммутатора ведущего канала не зависит от коммутационной функции ведомого. Сигналы управления силовыми ключами в ведомом канале управления формируются с учетом сигналов управления в ведущем канале управления, поэтому коммутационная функция силового коммутатора ведомого канала зависит от коммутационной функции ведущего таким образом, что обеспечивается адаптация, устраняющая искажения значений управляемых координат (полезных составляющих выходных напряжений и входных токов преобразователя частоты) из-за взаимного влияния высокочастотных составляющих дискретных коммутационных функций АВ и АИ.A method is proposed for converting the frequency of a multiphase alternating current by pre-rectifying the current of a source of one frequency using an active rectifier and then inverting the rectified current into alternating current of another frequency using an autonomous inverter, using pulse-width modulation for the first and second stages of conversion with formation in control channels power switches of the active rectifier and autonomous inverter of modulating and high-frequency reference signals. In providing the aforementioned adaptation, one of the control channels (for example, the power key control channel of either AB or AI) performs the function of the master, and the second control channel (respectively, the power key control channel of AI or AV) is the slave. The power switch control signals in the master channel are generated independently of the processes of generating the control signals in the slave, therefore, the switching function of the power switch of the master channel is independent of the switching function of the slave. The power switch control signals in the slave control channel are formed taking into account the control signals in the master control channel, therefore, the switching function of the power switch of the slave channel depends on the switching function of the master in such a way that adaptation is provided that eliminates distortion of the values of the controlled coordinates (useful components of the output voltages and input currents frequency converter) due to the mutual influence of the high-frequency components of the discrete switching functions of the AV and AI.

На фиг.1 изображена структурная схема преобразователя частоты, реализующего заявляемый способ для случая, когда ведущим является канал управления силовыми ключами АВ, а ведомым - канал управления силовыми ключами АИ. На фиг.2 изображены временные графики сигналов, получаемые на этапах преобразования, осуществляемых в канале управления силовыми ключами АВ. На фиг.3 представлены графики изменения во времени параметров мультипликативно-аддитивной адаптирующей предмодуляции, формируемых по сигналам в ведущем канале управления. Фиг.4 показаны основные этапы преобразования сигналов, осуществляемых в ведомом канале управления. На фиг.5 приведены временные диаграммы напряжений и токов в силовой схеме преобразователя. Реализуемость предлагаемого способа подтверждается приведенными на фиг.6 осциллограммами входных и выходных токов и напряжений, полученными на экспериментальной установке ДНПЧ с микропроцессорной системой управления.Figure 1 shows a structural diagram of a frequency Converter that implements the inventive method for the case where the leading is the control channel of the power keys AB, and the slave is the control channel of the power keys AI. Figure 2 shows the time graphs of the signals obtained at the stages of the conversion carried out in the control channel power keys AB. Figure 3 presents graphs of the time variation of the parameters of the multiplicatively additive adaptive premodulation generated by the signals in the leading control channel. Figure 4 shows the main stages of signal conversion carried out in the slave control channel. Figure 5 shows the timing diagram of voltages and currents in the power circuit of the Converter. The feasibility of the proposed method is confirmed by the waveforms of the input and output currents and voltages shown in Fig.6, obtained on the experimental setup of a low-voltage filter with a microprocessor control system.

На фиг.1 изображены следующие элементы: 1 - сеть, 2 - датчики напряжения (ДН), 3 - блок синхронизации (БС), 4 - сетевой фильтр, 5 - блок фазовой предмодуляции (БФП), 6 и 12 - первый и второй блоки амплитудной предмодуляции (БАП1 и БАП2) соответственно, 7, 14 - первый и второй широтно-импульсные модуляторы (ШИМ1 и ШИМ2) соответственно, 8 - блок фазовой демодуляции (БФД), 9 и 15 - силовые коммутаторы активного выпрямителя (АВ) и автономного инвертора (АИ), 10 - блок адаптации (БА), 11 - генератор опорных сигналов (ГОС), 13 - блок мультипликативно-аддитивного преобразования (БМАП), 16 - нагрузка (например, асинхронный электродвигатель). Расшифровка условных обозначений на временных диаграммах фиг.2, фиг.3 и фиг.4 дается ниже в расшифровке формул, описывающих основные этапы преобразования сигналов. На фиг.5 и фиг.6 обозначаются: u_a, i_a - сетевые фазные напряжение и ток; i_1а - входной ток коммутатора АВ; u_d, i_d - напряжение и ток на выходе АВ; u_2a, i_2a - фазные напряжение и ток на выходе АИ.Figure 1 shows the following elements: 1 - network, 2 - voltage sensors (DN), 3 - synchronization unit (BS), 4 - line filter, 5 - phase premodulation unit (BFP), 6 and 12 - the first and second blocks amplitude premodulation (BAP1 and BAP2), respectively, 7, 14 - the first and second pulse-width modulators (PWM1 and PWM2), respectively, 8 - phase demodulation unit (BFD), 9 and 15 - power switches of the active rectifier (AB) and autonomous inverter (AI), 10 - adaptation unit (BA), 11 - reference signal generator (GOS), 13 - multiplicative additive conversion unit (BMA) P), 16 - load (for example, an induction motor). The interpretation of the symbols on the time diagrams of FIG. 2, FIG. 3 and FIG. 4 is given below in the interpretation of the formulas describing the main stages of the signal conversion. In Fig.5 and Fig.6 are indicated: u _a , i _a - network phase voltage and current; i _1a is the input current of the AB switch; u _d , i _d - voltage and current at the output of AB; u _2a , i _2a - phase voltage and current at the output of the AI.

Сеть 1 через сетевой LC-фильтр 4 соединена с коммутатором АВ 9 и через датчики напряжения 2 с блоком синхронизации 3, на вход U_d которого поступают сигналы, задающие величину выходного напряжения и фазу входного тока АВ, его выход соединен с блоком фазовой предмодуляции 5, выход которого соединен со входом блока БАП1 6, выход последнего соединен с модулирующим входом блока ШИМ1 7 и со входом блока адаптации 10, синхровыход которого соединен с блоком генератора опорных сигналов 11, выходы которого соединены со входами для опорных сигналов блоков ШИМ1 7 и ШИМ2 14, а управляющие выходы блока адаптации 10 соединены с соответствующими входами блока мультипликативно-аддитивного преобразования 13; модулирующий сигнал, задающий коммутационную функцию АИ, поступает на вход блока БАШ 12, выход которого соединен с БМАП 13, два выхода последнего соединены с модулирующими входами блока ШИМ2 14; выход блока ШИМ1 7 через блок фазовой модуляции 8 соединен со входом управления состоянием силовых ключей коммутатора АВ 9, выход блока ШИМ2 14 соединен со входом управления состоянием силовых ключей коммутатора АИ 15, в свою очередь коммутатор АВ 9 соединен с коммутатором АИ 15, а силовой выход последнего соединен с нагрузкой 16.Network 1 through a network LC filter 4 is connected to the switch AB 9 and through the voltage sensors 2 with the synchronization unit 3, to the input U _d which receives signals specifying the magnitude of the output voltage and phase of the input current AB, its output is connected to the phase premodulation unit 5, the output of which is connected to the input of the BAP1 6 unit, the output of the latter is connected to the modulating input of the PWM1 block 7 and to the input of the adaptation unit 10, the clock output of which is connected to the block of the reference signal generator 11, the outputs of which are connected to the inputs for the reference signals of the PWM1 blocks 7 and PWM2 14, and the control outputs of the adaptation unit 10 are connected to the corresponding inputs of the multiplicative additive transform unit 13; a modulating signal specifying the switching function of the AI is fed to the input of the BACH 12, the output of which is connected to the BMAP 13, the two outputs of the latter are connected to the modulating inputs of the PWM2 14; the output of the PWM1 block 7 through the phase modulation unit 8 is connected to the input of the state control of the power keys of the switch AB 9, the output of the PWM block 14 is connected to the input of the state control of the power keys of the switch AI 15, in turn the switch AB 9 is connected to the switch AI 15, and the power output last connected to the load 16.

Работа устройства по заявляемому способу. Синхронизация работы каналов управления силовыми ключами АВ и АИ осуществляется блоком ГОС 11. Модулирующие функции

и

(эталонные модулирующие функции), задающие коммутационные функции соответственно АВ и АИ, формируются в виде следующих гармонических колебаний:The operation of the device according to the claimed method. The synchronization of the operation of the power key control channels AB and AI is carried out by the GOS 11. The modulating functions

and

(reference modulating functions) defining the switching functions of AB and AI, respectively, are formed in the form of the following harmonic oscillations:

и

.

and

.

Здесь Ф₁, Ф₂, φ₁ и φ₂ заданные модули (длины) и фазы (углы поворота) векторов, изображающих эталонные модулирующие функции

и

, соответственно.Here Ф ₁ , Ф ₂ , φ ₁ and φ _{2 are} given modules (lengths) and phases (rotation angles) of vectors depicting standard modulating functions

and

, respectively.

В канале управления силовыми ключами АВ выполняют следующие преобразования его эталонной модулирующей функции:In the power key control channel AB, the following transformations of its reference modulating function are performed:

Формула (1) описывает реализуемую в блоке БФП 5 процедуру фазовой предмодуляции эталонной модулирующей функции АВ с поворотом ее изображающего вектора на угол π/6. Для этого используется матрица поворотаFormula (1) describes the phase premodulation procedure of the reference modulating function AB with the rotation of its image vector by an angle π / 6 implemented in the BFP block 5. The rotation matrix is used for this.

, где

.

where

.

В случае

формируется векторWhen

vector is formed

Последующая симметричная аддитивная предмодуляция (2), реализуемая блоком БАП1 6:The following symmetric additive premodulation (2), implemented by the BAP1 6 block:

обеспечивает расширение диапазона регулирования АВ за счет добавления нейтральной составляющей

, для формирования которой может быть использована третья гармоника, либо другие известный решения.provides expansion of the range of regulation of AB by adding a neutral component

, for the formation of which the third harmonic, or other known solutions, can be used.

Далее в блоке ШИМ1 7 производится широтно-импульсная модуляция (3):Next, in the PWM1 7 block, pulse-width modulation (3) is performed:

с использованием высокочастотного опорного сигнала φ_1oп(t) симметричной пилообразной формы.using a high-frequency reference signal φ _1oп (t) of a symmetrical sawtooth shape.

Последующее линейное преобразование (4), реализуемое в блоке БФД 8, обеспечивает фазовую демодуляцию и нормирование сигналов, в результате чего формируются сигналы управления силовыми ключами АВThe subsequent linear transformation (4), implemented in the BFD block 8, provides phase demodulation and normalization of signals, as a result of which the power key control signals AB are generated

В канале управления силовыми ключами АИ реализуют алгоритм ШИМ, дополненный процедурой адаптацииAI implements the PWM algorithm in the power key control channel, supplemented by the adaptation procedure

Формула (5) описывает реализуемую в блоке БАП2 12 процедуру симметричной аддитивной предмодуляции модулирующей функции

, расширяющей диапазон регулирования выходного напряжения АВFormula (5) describes the procedure for the symmetric additive premodulation of the modulating function implemented in the unit BAP2 12

expanding the range of regulation of the output voltage AB

где

- нейтральная составляющая.Where

- neutral component.

Выражения (6), (7) описывают мультипликативно-аддитивное преобразование, осуществляемое в блоке БМАП 13 с целью адаптации коммутационной функции АИ к коммутационной функции АВExpressions (6), (7) describe the multiplicative-additive transformation carried out in the block BMAP 13 in order to adapt the switching function of the AI to the switching function of AB

;

.

;

.

Параметры данного преобразования k₁, k₂,

,

определяются по сигналам канала управления силовыми ключами АВ

,

с учетом амплитуд опорных сигналов Ф_1оп и Ф_2оп в каналах управления АВ и АИ следующим образом:The parameters of this transformation k ₁ , k ₂ ,

,

are determined by the signals of the power key control channel AB

,

taking into account the amplitudes of the reference signals _{f 1op} and _{f 2op} in the control channels AB and AI as follows:

;

гдеWhere

;

- максимальное, минимальное и промежуточное текущие значения компонент вектора

, соответственно.

;

- maximum, minimum and intermediate current values of the vector components

, respectively.

По своему физическому смыслу k₁ и k₂ определяют сжатие, а

и

временное смещение неадаптированной коммутационной функции АИ с целью ее адаптации к коммутационной функции АВ.By their physical meaning, k ₁ and k ₂ determine compression, and

and

temporary displacement of the non-adapted switching function of the AI in order to adapt it to the switching function of the AB.

Формулы (8), (9) определяют закон широтно-импульсной модуляции, реализуемый блоком ШИМ2 14:Formulas (8), (9) determine the law of pulse width modulation, implemented by the PWM2 14 block:

;

.

;

.

Формируемые на выходе ШИМ2 14 сигналы управления силовыми ключами АИ (10) определяется какThe control signals of the AI power switches (10) generated at the PWM2 14 output are defined as

Принципиальная реализуемость предлагаемого способа преобразования частоты проверена методом компьютерного математического моделирования работы ДНПЧ с системой управления, построенной в соответствии со структурной схемой, приведенной на фиг.1. На фиг.2, фиг.3, фиг.4 и фиг.5 представлены некоторые результаты моделирования, иллюстрирующие основные этапы преобразования сигналов в каналах управления силовыми ключами АВ и АИ по заявляемому способу, а также осциллограммы обеспечиваемых им напряжений и токов в элементах силовой схемы ДНПЧ.The principal feasibility of the proposed method of frequency conversion is verified by the method of computer mathematical modeling of the operation of the MHPS with a control system built in accordance with the structural diagram shown in figure 1. Figure 2, figure 3, figure 4 and figure 5 presents some simulation results illustrating the main stages of signal conversion in the control channels of power switches AB and AI according to the claimed method, as well as the waveforms of the voltage and currents provided by it in the elements of the power circuit DNHR.

Практическая реализуемость предлагаемого способа преобразования частоты проверена на экспериментальном образце ДНПЧ с микропроцессорной системой управления. Некоторые результаты эксперимента представлены на фиг.6.The practical feasibility of the proposed method of frequency conversion is tested on an experimental sample of a low-pass filter with a microprocessor control system. Some experimental results are presented in Fig.6.

Можно констатировать, что заявляемый способ преобразования частоты обладает рядом преимуществ. Он органично связан с традиционными способами синусоидальной ШИМ, использующими опорный сигнал, и поэтому позволяет использовать при его практической реализации более развитую аппаратную поддержку современных серийно выпускаемых микропроцессорных средств управления, требует меньших вычислительных ресурсов управляющего устройства. В сравнении с ПРОТОТИПОМ заявляемый способ обладает строго обоснованной процедурой решения задачи адаптации на этапе формирования модулирующих функций для широтно-импульсной модуляции, а также автономностью процедуры адаптации от вида предмодулирующих воздействий, используемых для расширения диапазонов регулирования АВ и АИ.It can be stated that the inventive method of frequency conversion has several advantages. It is organically connected with traditional methods of sinusoidal PWM, using the reference signal, and therefore allows using its more advanced hardware support for modern mass-produced microprocessor-based controls, and requires less computing resources of the control device. Compared with the PROTOTYPE, the claimed method has a strictly justified procedure for solving the adaptation problem at the stage of generating modulating functions for pulse-width modulation, as well as the autonomy of the adaptation procedure from the type of pre-modulating effects used to expand the control ranges of AV and AI.

Как видно из приведенных результатов математического моделирования и экспериментальных исследований, заявляемый способ обеспечивает формирование синусоидальных входных и выходных токов ДНПЧ, что позволяет квалифицировать его и как высококачественного регулируемого источника питания нагрузки, так и высококачественного потребителя электрической энергии переменного тока. Кроме того, заявляемый способ обеспечивает работу преобразователя как в режиме потребления электрической энергии из питающей сети, так и в режиме ее рекуперации в питающую сеть, что весьма важно для реализации энергосберегающих пуско-тормозных режимов в системах электроприводов переменного тока.As can be seen from the results of mathematical modeling and experimental studies, the inventive method provides the formation of sinusoidal input and output currents of the MHP, which allows us to qualify it as a high-quality regulated load power source and a high-quality consumer of alternating current electric energy. In addition, the inventive method ensures the operation of the converter both in the mode of consumption of electric energy from the supply network, and in the mode of its recovery in the supply network, which is very important for the implementation of energy-saving start-brake modes in AC electric drive systems.

Claims

1. Способ преобразования частоты многофазного переменного тока путем предварительного выпрямления тока источника одной частоты с помощью активного выпрямителя и последующего инвертирования выпрямленного тока в переменный ток другой частоты с помощью автономного инвертора без промежуточного сглаживающего фильтра между ними, использующий для первого и второго названных этапов преобразования широтно-импульсную модуляцию с формированием в каналах управления силовыми ключами активного выпрямителя и автономного инвертора модулирующих и высокочастотных опорных сигналов, отличающийся тем, что эталонный модулирующий сигнал, задающий коммутационную функцию активного выпрямителя, последовательно подвергают фазовой и амплитудной предмодуляциям, затем широтно-импульсной модуляции с использованием высокочастотного опорного сигнала и последующей фазовой демодуляции полученного широтно-импульсного сигнала, в результате чего формируют сигналы управления силовыми ключами активного выпрямителя, эталонный модулирующий сигнал, задающий коммутационную функцию автономного инвертора, последовательно подвергают амплитудной и адаптирующей предмодуляциям и широтно-импульсной модуляции с использованием высокочастотного опорного сигнала, в результате чего формируют сигналы управления силовыми ключами автономного инвертора.1. The method of converting the frequency of a multiphase alternating current by pre-rectifying the current of a source of one frequency with an active rectifier and then inverting the rectified current into alternating current of another frequency using a stand-alone inverter without an intermediate smoothing filter between them, using for the first and second named stages of the conversion pulse modulation with the formation in the channels of power switches of the active rectifier and autonomous inverter modulating x and high-frequency reference signals, characterized in that the reference modulating signal defining the switching function of the active rectifier is sequentially subjected to phase and amplitude premodulations, then pulse-width modulation using a high-frequency reference signal and subsequent phase demodulation of the obtained pulse-width signal, resulting in form control signals of the power keys of the active rectifier, a reference modulating signal that sets the switching function autonomously of the inverter, and sequentially subjected adapting predmodulyatsiyam amplitude and pulse-width modulation using the high-frequency reference signal, whereby the power control signals formed autonomous inverter switches.

2. Способ преобразования частоты по п.1, отличающийся тем, что адаптирующая предмодуляция в канале управления силовыми ключами автономного инвертора представляет собой мультипликативно-аддитивное преобразование, параметры которого формируют по сигналам, полученным в результате амплитудной предмодуляции модулирующего сигнала в канале управления силовыми ключами активного выпрямителя и с учетом амплитуд опорных сигналов в каналах управления силовыми ключами активного выпрямителя и автономного инвертора.2. The frequency conversion method according to claim 1, characterized in that the adaptive premodulation in the power switch control channel of the autonomous inverter is a multiplicative additive conversion, the parameters of which are generated by the signals obtained as a result of the amplitude premodulation of the modulating signal in the power switch control channel of the active rectifier and taking into account the amplitudes of the reference signals in the power switch control channels of the active rectifier and autonomous inverter.

3. Способ преобразования частоты по п.1, отличающийся тем, что опорный сигнал широтно-импульсной модуляции в канале управления силовыми ключами автономного инвертора синхронизируют по фазе с опорным сигналом широтно-импульсной модуляции в канале управления силовыми ключами активного выпрямителя.3. The frequency conversion method according to claim 1, characterized in that the reference pulse width modulation signal in the power switch control channel of the autonomous inverter is synchronized in phase with the pulse width modulation reference signal in the power switch control channel of the active rectifier.

4. Способ преобразования частоты многофазного переменного тока путем предварительного выпрямления тока источника одной частоты с помощью активного выпрямителя и последующего инвертирования выпрямленного тока в переменный ток другой частоты с помощью автономного инвертора без промежуточного сглаживающего фильтра между ними, использующий для первого и второго названных этапов преобразования широтно-импульсную модуляцию с формированием в каналах управления силовыми ключами активного выпрямителя и автономного инвертора модулирующих и высокочастотных опорных сигналов, отличающийся тем, что эталонный модулирующий сигнал, задающий коммутационную функцию автономного инвертора, последовательно подвергают амплитудной предмодуляции и широтно-импульсной модуляции с использованием высокочастотного опорного сигнала, в результате чего формируют сигналы управления силовыми ключами автономного инвертора, эталонный модулирующий сигнал, задающий коммутационную функцию активного выпрямителя, последовательно подвергают фазовой, амплитудной и адаптирующей предмодуляциям, затем широтно-импульсной модуляции с использованием высокочастотного опорного сигнала и последующей фазовой демодуляции полученного широтно-импульсного сигнала, в результате чего формируют сигналы управления силовыми ключами активного выпрямителя.4. A method of converting the frequency of a multiphase alternating current by pre-rectifying the current of a source of one frequency using an active rectifier and then inverting the rectified current into alternating current of another frequency using a stand-alone inverter without an intermediate smoothing filter between them, using for the first and second named stages of the conversion pulse modulation with the formation in the channels of power switches of the active rectifier and autonomous inverter modulating x and high-frequency reference signals, characterized in that the reference modulating signal defining the switching function of the autonomous inverter is sequentially subjected to amplitude premodulation and pulse-width modulation using a high-frequency reference signal, as a result of which power control signals of the autonomous inverter are generated, a reference modulating signal, specifying the switching function of the active rectifier, sequentially subjected to phase, amplitude and adaptive premodulation m, then pulse-width modulation using a high-frequency reference signal and subsequent phase demodulation of the received pulse-width signal, resulting in the formation of control signals of the power keys of the active rectifier.

5. Способ преобразования частоты по п.4, отличающийся тем, что адаптирующая предмодуляция в канале управления силовыми ключами активного выпрямителя представляет собой мультипликативно-аддитивное преобразование, параметры которого формируют по сигналам, полученным в результате амплитудной предмодуляции модулирующего сигнала в канале управления силовыми ключами автономного инвертора и с учетом амплитуд опорных сигналов в каналах управления силовыми ключами активного выпрямителя и автономного инвертора.5. The frequency conversion method according to claim 4, characterized in that the adaptive premodulation in the power switch control channel of the active rectifier is a multiplicative additive conversion, the parameters of which are generated from the signals obtained as a result of the amplitude premodulation of the modulating signal in the power switch control channel of the autonomous inverter and taking into account the amplitudes of the reference signals in the power switch control channels of the active rectifier and autonomous inverter.

6. Способ преобразования частоты по п.4, отличающийся тем, что опорный сигнал широтно-импульсной модуляции в канале управления силовыми ключами активного выпрямителя синхронизируют по фазе с опорным сигналом широтно-импульсной модуляции в канале управления силовыми ключами автономного инвертора.6. The frequency conversion method according to claim 4, characterized in that the reference pulse width modulation signal in the power switch control channel of the active rectifier is synchronized in phase with the pulse width modulation reference signal in the power switch control channel of the autonomous inverter.