Способ обработки сигналов с широтно-импульсной модуляцией

1 Предмет изобретения Настоящее изобретение относится к способу обработки сигналов с широтноимпульсной модуляцией (ШИМ), предназначенному для использования в преобразователе или управляемом выпрямителе, в частности с целью достижения уменьшения гармоник. Настоящее изобретение также относится к устройствам для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением. Известный уровень техники,относящийся к изобретению Преобразователи, в частности преобразователи напряжения, предназначены для получения напряжения переменного тока из напряжения постоянного тока, в то время как управляемые выпрямители предназначены для получения напряжения постоянного тока из напряжения переменного тока. В следующем ниже описании более подробно будут рассмотрены преобразователи, но в точности те же проблемы возникают и для управляемых выпрямителей. В качестве примера преобразователи могут быть использованы для управления с переменной скоростью синхронными и асинхронными машинами. В этом случае необходимо питать нагрузку, в частности каждую фазу синхронного или асинхронного электродвигателя, от системы трехфазного напряжения, как можно более близкой к уравновешенной синусоидальной трехфазной системе, которая может меняться по частоте и амплитуде. Преобразователи напряжения являются хорошо известными устройствами, которые, в общем, используют цепи силовых компонентов,таких как тиристоры, твердотельные выключатели с выключением по управляющему входу и т.д., которые переключаются особенно быстро. Преобразователь управляется модулятором и дискриминатором. Роль модулятора заключается в создании задающего сигнала, в то время как дискриминатор делает возможным разбить этот сигнал на множество сигналов, которые предназначены для управления разными ключами по отдельности. Простейшие преобразователи имеют два уровня и состоят из двух ключей (тиристоры,твердотельные выключатели с выключением по управляющему входу и т.д.), которые поочередно питают нагрузку. Так как эта нагрузка имеет индуктивный характер, то необходимо параллельно с ключом установить диод, называемый"диодом холостого хода", для того, чтобы позволить току нагрузки протекать тогда, когда соответствующий ключ разомкнут. Обычно в качестве задающего сигнала используют простой сигнал прямоугольной формы для того, чтобы дать возможность переключения того или иного ключа на каждом фронте импульса. Этот сигнал должен последовательно 2 замыкать какой-либо из ключей и одновременно размыкать противоположный ключ. По очевидным причинам, связанным с коротким замыканием источника, весьма важно контролировать, чтобы два ключа никогда не были замкнуты в одно и то же время. И здесь вводят дискриминатор, имеющий целью внесение задержки в замыкание соответствующих ключей, такой, что всегда существует определенность, что тогда, когда дана команда замкнуть один ключ, противоположный ключ уже разомкнут. Это означает, что всегда существует незначительная задержка, называемая "мертвым временем", между моментом, когда размыкается один ключ, и моментом, когда замыкается противоположный ключ, поэтому эти две операции никогда не являются одновременными. Это является причиной присутствия нежелательных гармоник, в частности 5-ой и 7-ой гармоник, которые появляются в токах электродвигателей, вызывая присутствие 6-ой гармоники в источнике и вращающем моменте. В действительности наиболее проблематичной является 6-я гармоника вследствие того,что для электродвигателя, питаемого на 1/6 частоты, используемой в сигнале, будет возникать риск возникновения помех. В качестве примера: электродвигатель, питаемый с частотой 8 1/3 Гц,создает опасность вызова возмущения в генерирующей сигнал системе, которая использует 50 Гц. Другая проблема заключается в том факте,что различные ключи не могут мгновенно переключиться из нулевого значения (ток протекает,соответствует замыканию) в положительное значение напряжения (ток отключен и соответствует размыканию) и наоборот. Это означает,что для некоторого промежутка времени одновременно существуют не нулевое напряжение и не нулевой ток и, поэтому наблюдается потеря мощности каждый раз, когда происходит переключение. Известно предложение, решающее эту проблему в случае, когда различные компоненты не могут выдерживать потерю мощности этого типа, и заключающееся во введении ячейки, способствующей переключению. Пример ячейки этого типа может просто состоять из демпфера, который, в сущности, включает в себя конденсатор, подсоединенный параллельно каждому ключу. Целью этого демпфера является демпфирование потерь мощности за счет ограничения напряжения, а в частности, ограничения его роста при переключении. Другим примером ячейки, которая часто используется в сочетании с демпфером, является так называемая ячейка "di/dt", которая, в сущности, включает в себя катушку индуктивности, установленную последовательно с ключами. Вследствие присутствия этих различных ячеек, способствующих переключению, наблюдается более 3 медленный рост напряжения, что делает возможным ограничение потерь мощности на переключение. Проблема присутствия гармоник в сущности одна и та же для преобразователя с ячейкой,способствующей переключению, или без нее. В частности, присутствие 5-ой и 7-ой гармоник в электродвигателе наблюдается и в случае использования преобразователя с демпфером,также как присутствие 6-ой гармоники в источнике и вращающем моменте. Следует заметить, что в случае управляемых выпрямителей возникают в точности такие же проблемы, за исключением того, что нагрузку в этом случае следует рассматривать как источник, а источник питания - как нагрузку. Цели изобретения Целью настоящего изобретения является предоставление способа, который делает возможным снижение или устранение влияния мертвого времени в преобразователе или управляемом выпрямителе и поэтому делает возможным снижение влияния нежелательных гармоник. Целью настоящего изобретения, в частности, является предоставление способа, который может быть применен в преобразователях или управляемых выпрямителях с ячейкой, способствующей переключению, или без нее, вне зависимости от того, имеют они два уровня или множество уровней. Целью настоящего изобретения, в частности, является, в случае трехфазного преобразователя, питающего синхронный или асинхронный электродвигатель, предоставление способа,который делает возможным уменьшение нежелательных гармоник, например 5-ой и 7-ой гармоник, появляющихся в токах электродвигателя, и, за счет этого, 6-ой гармоники, появляющейся в источнике питания и вращающем моменте. Основные характерные элементы изобретения Настоящее изобретение относится к способу обработки сигналов с ШИМ, предназначенных для включающего в себя, по крайней мере, одну пару ключей преобразователя напряжения или управляемого по напряжению выпрямителя, причем этим преобразователем или выпрямителем управляют модулятор и дискриминатор, отличающемуся тем, что два задающих сигнала, скорректированных в виде функции направления тока в нагрузке или в источнике, подаются на дискриминатор, причем задающий сигнал, скорректированный для выходного тока, имеет состояние высокого уровня,дополненное задержкой во времени на переход из состояния высокого уровня в состояние низкого уровня, а задающий сигнал, скорректированный для входного тока, имеет состояние низкого уровня, дополненное задержкой на переход из состояния низкого уровня в состояние 4 высокого уровня, состояние высокого уровня задается тем обстоятельством, что ключ, подсоединенный к наиболее положительной нагрузке, замкнут, в то время как ключ, подсоединенный к наиболее отрицательной нагрузке,разомкнут, а состояние низкого уровня задается как обратное. В случае, когда преобразователь или выпрямитель не имеет ячейки, способствующей переключению, скорректированные задающие сигналы вносят задержки, которые соответствуют мертвому времени, созданному самим дискриминатором. В случае, включающем преобразователь или выпрямитель с ячейкой, способствующей переключению, задержка, вносимая в скорректированные задающие сигналы, зависит не только от направления тока, но также и от его величины. Следует заметить, что настоящий способ может быть применен одинаково хорошо к преобразователям или выпрямителям с двумя уровнями и к многоуровневым преобразователям или выпрямителям. Настоящее изобретение также относится к устройству для осуществления способа. Краткое описание чертежей Настоящее изобретение будет описано более подробно с обращением к следующим чертежам: фиг.1 представляет схематичный вид ветви обычного двухуровневого преобразователя; фиг.2 представляет задающий сигнал (фиг. 2 а), созданный модулятором для преобразователя, изображенного на фиг.1, а также сигналы,которые получены на выходе дискриминатора и предназначены для прямого управления ключами (фиг.2b и 2 с), и соответствующие напряжения, приложенные в этом случае к электродвигателю (фиг.2d и 2 е); фиг.3 представляет блок-схему устройства для осуществления способа в соответствии с изобретением; фиг.4 представляет скорректированные сигналы (фиг.4b и 4 с) для данного задающего сигнала (фиг.4 а), предназначенного для подачи на двухуровневый преобразователь, изображеннный на фиг.1, для того, чтобы осуществить способ в соответствии с настоящим изобретением, а также выходные напряжения, приложенные в этом случае к электродвигателю (фиг.4d и 4 е); фиг.5 представляет схематичный вид ветви обычного преобразователя с демпфером; фиг.6 представляет задающий сигнал(фиг.6 а), созданный модулятором и предназначенный для управления преобразователем, изображенным на фиг.5, а также выходные напряжения, приложенные в этом случае к электродвигателю, для низкого или высокого входного тока (фиг.6b и 6 с) и для низкого или высокого 5 выходного тока (фиг. 6d и 6 е), фиг.6f и 6g представляют подробности фиг.6b и 6 с; фиг.7 представляет общую форму тока электродвигателя, с одной стороны, когда не применен способ в соответствии с настоящим изобретением (фиг.7 а) и, с другой стороны, когда применен этот способ (фиг. 7b); фиг.8 представляет гармоники, в частности 5-ю и 7-ю гармоники в электродвигателе, а также 6-ю гармонику в источнике, с одной стороны, когда не применен способ в соответствии с настоящим изобретением (фиг.8 а и 8b) и, с другой стороны, когда применен этот способ(фиг.8 с и 8d). Описание нескольких предпочтительных реализаций изобретения В этом разделе описание ограничено двухуровневым преобразователем. Специалист легко найдет, как распространить это описание на многоуровневый преобразователь, а также на двухуровневый или многоуровневый выпрямитель. Фиг.1 представляет схематичный вид ветви обычного двухуровневого преобразователя,который используется в контексте настоящего изобретения. В обычной форме этот преобразователь включает в себя два ключа S1 и S2, которые поочередно питают нагрузку, которая может быть, например, фазным или асинхронным электродвигателем. В этом случае нагрузка имеет индуктивный характер и необходимо, чтобы каждый из двух ключей S1 и S2 был соединен параллельно с диодом DR1 или DR2, называемым "диодом холостого хода", который позволяет току нагрузки протекать тогда, когда соответствующий ключ разомкнут. Конечно, присутствие этого диода позволяет уменьшаться току индуктивной нагрузки и поэтому предоставляет возможность избежать любого разрушительного перенапряжения тогда, когда соответствующий ключ разомкнут. Работой преобразователя управляют модулятор и дискриминатор. Фиг.2 а представляет задающий сигнал М,который имеет форму последовательности импульсов. Когда сигнал достигает высокого уровня 1, то это означает, что ключ S1 должен быть замкнут, а ключ S2 - разомкнут. И наоборот, когда сигнал достигает низкого уровня 2,ключ S2 должен быть замкнут, в то время, как ключ S1 - разомкнут. Следовательно, на каждом переднем и заднем фронте необходимо мгновенно переключать ключ S1 для того, чтобы замкнуть его, и переключать ключ S2, для того,чтобы разомкнуть его, или наоборот. Конечно необходим контроль того, что два ключа (S1 и S2) никогда одновременно не находятся в замкнутом состоянии, что могло бы вызвать короткое замыкание источника. Для того чтобы избежать этой ситуации, момент, когда один ключ замыкается, задерживается на некоторый промежуток времени после того, как по 000501 6 дается задающий сигнал. В действительности эта работа выполняется дискриминатором. Фиг.2b и 2 с представляли видоизмененные дискриминатором сигналы, которые будут управлять двумя ключами S1 и S2. Как можно увидеть, замыкание ключа, открывающего ветвь, не происходит немедленно, а осуществляется с задержкой, называемой "мертвым временем", в то время как размыкание, ведущее к разрыву ветви, может считаться мгновенным. Как можно видеть на фиг.2b и 2 с, два ключа одновременно никогда не находятся в замкнутом состоянии. И наоборот, в некоторых случаях два ключа S1 и S2 могут рассматриваться как одновременно разомкнутые. Результатом этого является то, что, по крайней мере, один из двух диодов холостого хода DR1 или DR2 будет открыт в течение промежутков мертвого времени, причем это зависит от направления тока. Конкретно, когда ток является выходным током, тогда в течение мертвого времени включен нижний диод DR2,уменьшая тем самым длительность высокого уровня выходного напряжения (см. кривую 2d). В обратном случае, для входного тока в течение мертвого времени включен верхний диод DR1,увеличивая в этом случае тем самым длительность высокого уровня выходного напряжения(см. кривую 2 е). Следует, однако, заметить, что это явление непостоянно, так как оно зависит от направления тока. При допущении, что ключи мгновенно срабатывают на задающий сигнал М, то есть при допущении, что отсутствует мертвое время между задающим сигналом М и срабатыванием ключей, установлено, что уровни 5-ой и 7-ой гармоник соответствуют теории и не искажают существенно токи двигателя. Тем не менее, вследствие присутствия этого мертвого времени на переключение в замкнутое состояние, наблюдается возрастание 5-ой и 7-ой гармоник в токах двигателя, а также 6-ой гармоники в источнике и вращающем моменте. Эта гармоника особенно проблематична по причинам, приведенным выше. Целью настоящего изобретения является обеспечение решения этой проблемы за счет предложения использовать два скорректированных управляющих задающих сигнала, один для случая, когда ток является выходным током, а другой для случая, когда ток является входным током. Фиг.3 представляет блок-схему устройства, управляющего обычным двухуровневым преобразователем путем использования способа в соответствии с настоящим изобретением. В этом случае дискриминатор либо управляется задающим сигналом, скорректированным для выходного тока, либо задающим сигналом,скорректированным для входного тока. Именно направление тока в нагрузке будет определять 7 использование того или иного из двух скорректированных задающих сигналов. Фиг.4 представляет идеальный задающий сигнал М (фиг.4 а) и каждый из двух скорректированных задающих сигналов, с одной стороны,для выходного тока (фиг.4b) и, с другой стороны, для входного тока (фиг.4 с). Как можно видеть, в случае задающего сигнала, скорректированного для выходного тока, высокий уровень 1 дополняется по времени промежутком Тm, который в данном случае соответствует мертвому времени на заднем фронте, иными словами - на переход из состояния высокого уровня 1 в состояние низкого уровня 2. Этот переход в действительности соответствует размыканию ключа 1 и замыканию ключа 2. Задающий сигнал,скорректированный для входного тока, имеет высокий уровень 1, уменьшенный во времени на промежуток Тm, который также соответствует мертвому времени на каждом переднем фронте,иными словами - на переход из состояния низкого уровня 2 в состояние высокого уровня 1. Кроме тог, фиг.4d и 4 е представляют выходные напряжения в случае, когда используются скорректированные задающие сигналы для входного тока или выходного тока. Видно, что коррекция позволяет сделать в обоих случаях выходное напряжение преобразователя тем же самым, что и в течение задержки Тm, и идентичным тому выходному напряжению, которое было бы без мертвого времени. Фиг.5 представляет схематичный вид ветви обычного двухуровневого преобразователя с демпфером. Этот демпфер в действительности является ячейкой, способствующей переключению, которая за счет ограничения напряжения, и в частности ограничения его роста, делает возможным демпфирование потерь мощности, которые происходят каждый раз, когда переключаются ключи S1 и S2. Как показано на фиг.5, эта ячейка включает емкость С 1 (или С 2), подсоединенную параллельно каждому ключу, причем этот конденсатор установлен последовательно с резисторомR1 (или R2) и вторым диодом D1 (или D2), который установлен в направлении, противоположном направлению диода холостого ходаDR1 (или DR2). Когда ключ S1 (или S2) разомкнут, это делает возможным отвести ток в соответствующий конденсатор С 1 (или С 2), который в исходном состоянии не заряжен. Когда ключ S1 (или S2) замкнут, соответствующий конденсатор С 1 (или С 2) разряжается через него. В этом случае ток разряда будет ограничен присутствием резистора R1 (или R2),установленного последовательно с конденсатором С 1 (или С 2), образуя тем самым RC цепь. В общем видно, что каждый раз, когда происходит переключение, один из двух конденсаторов будет заряжаться, в то время, как 8 другой начинает разряжаться через соединенный с ним резистор. Затем наблюдается медленный рост напряжения, что ограничивает потерю мощности при переключении. Фиг.6 представляет задающий сигнал М(фиг. 6 а), а также соответствующие напряжения,приложенные к двигателю в случае низкого входного тока (фиг.6b), в случае высокого входного тока (фиг. 6 с), в случае низкого выходного тока (фиг.6d) и в случае высокого выходного тока (фиг.6 е). Давайте проанализируем более глубоко случай входного тока при переходе задающего сигнала М из низкого уровня в высокий, иными словами в случае, когда ключ S1 должен замкнуться, в то время как ключ S2 должен разомкнуться (фиг.6f и 6g). В этом представленном на рисунках случае обнаруживается, что исходное нулевое выходное напряжение не может возрастать мгновенно. Это происходит вследствие того, что сначала необходимо, используя ток, зарядить конденсатор С 2 нижнего демпфера. Если ток большой, то напряжение растет быстро и выходное напряжение быстро достигает значения напряжения источника. В этом случае верхний диод холостого хода DR1 является проводящим и позволяет току протекать к источнику (фиг.6g). В случае, когда ток низок, выходное напряжение, приложенное к двигателю, остается в конце мертвого времени меньшим напряжения источника. В этот момент происходит переключение верхнего ключа S1, и конденсатор С 2 нижнего демпфера заряжается скачкообразно(фиг.6f). Это означает, что наблюдается искажение напряжений, подаваемых на двигатель, причем оно зависит от направления тока, а также его величины. По этой причине следует предложить скорректированный задающий сигнал, который,в случае управления преобразователем с ячейкой, способствующей переключению, зависит не только от направления тока, но также и от его силы. В частности, в зависимости от того, какой ток подразумевается - выходной или входной,скорректированный задающий сигнал должен иметь уровень 1, увеличенный или уменьшенный во времени на промежуток, соответствующий времени, называемому "эффективным временем", которое принимает в расчет величину тока. На практике, для некоторого тока IT, время зарядки демпфера эквивалентно мертвому времени, а именно 9 Для IIT влияние мертвого времени эквивалентно задержке Tэфф: Для IIT влияние мертвого времени эквивалентно задержке Тэфф: Таким образом, осуществляется компенсация фактически существующего влияния мертвого времени на переключение в замкнутое состояние, а уровень 6-ой гармоники в источнике понижается. Следует заметить, что в некоторых случаях, а в частности в случае, когда ток низок, и вне зависимости от направления этого тока можно не предусматривать использование скорректированных задающих сигналов. Это возможно вследствие того, что в случае низких токов влияние этих корректировок сравнительно ограниченно. Кроме того, на фиг.7 представлена общая характеристика токов двигателя для преобразователя без демпфера в случае, когда не применяется способ по настоящему изобретению(фиг.7 а), или в случае, когда этот способ применяется (фиг.7b). Благодаря применению способа по настоящему изобретению наблюдается устранение искажений, вызванных наличием мертвого времени, которое существует в случае, когда не используются скорректированные задающие сигналы. На фиг.8 представлены 5-я и 7-я гармоники тока, а также 6-я гармоника в источнике, с одной стороны, когда не применен способ в соответствии с настоящим изобретением (фиг.8 а и 8b) и, с другой стороны, в случае, когда применен этот способ (фиг.8 с и 8d). И опять видно, что 5-я и 7-я гармоники в двигателе, вызванные присутствием мертвого 10 времени при переключении, были в значительной степени уменьшены, в то время как 6-я гармоника, наблюдаемая в источнике, сведена до незначительных значений. В точности такая же характеристика может быть получена для преобразователя с демпфером. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ обработки сигналов с широтноимпульсной модуляцией, предназначенных для преобразователя напряжения или управляемого по напряжению выпрямителя, включающего, по крайней мере, одну ветвь с, по крайней мере,одной парой соединенных последовательно ключей, причем этим преобразователем или выпрямителем управляют, по крайней мере,одним сигналом, имеющим последовательность состояний высокого уровня и состояний низкого уровня, которые получены с помощью модулятора, состояние высокого уровня задается тем обстоятельством, что ключ, подсоединенный к наиболее положительному напряжению, замкнут, в то время как ключ, подсоединенный к наиболее отрицательному напряжению, разомкнут, а состояние низкого уровня задается как обратное, отличающийся тем, что с помощью дискриминатора подают два задающих сигнала,скорректированных в виде функции направления тока, выходящего из ветви или входящего в нее, причем задающий сигнал, скорректированный для выходного тока, имеет состояние высокого уровня, дополненное во времени задержкой на переход из состояния высокого уровня в состояние низкого уровня, а задающий сигнал,скорректированный для входного тока, имеет состояние низкого уровня, дополненное во времени задержкой на переход из состояния низкого уровня в состояние высокого уровня.