Патент на изобретение №2159985

(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТЬЮ НА СЕТЕВОМ ВХОДЕ ОДНОФАЗНОГО ВЕНТИЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

(57) Реферат:

Способ управления мощностью на сетевом входе однофазного вентильного преобразователя реализуется на основе вертикального принципа путем трехкратного включения каждого вентиля на периоде сетевого напряжения в моменты равенства периодически изменяющихся синхронно с сетью опорных напряжений и управляющих напряжений. Последние представляют собой нелинейную функциональную зависимость от двух управляющих воздействий, с помощью которых обеспечивается независимое в установленных пределах пропорциональное регулирование активной и реактивной составляющих мощности на сетевом входе однофазного двухполупериодного преобразователя, при условии выполнения его на двухоперационных вентилях и его работы на нагрузку индуктивного характера при постоянстве сглаженного тока нагрузки и сохранения синусоидальности сетевого напряжения. Варианты реализации способа отличаются величиной и формой сравниваемых напряжений в системе импульсно-фазового управления вентилями. Способ может быть применен для компенсации реактивной мощности, например с целью демпфирования толчкообразных изменений тока и искажений напряжения на сетевом входе вентильного преобразователя. Технический результат – расширение функциональных возможностей. 4 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть применено, например, для повышения коэффициента мощности одиночно работающего вентильного преобразователя переменного тока в постоянный /режим компенсированного преобразователя/ или групповой компенсации реактивной мощности /режим компенсационного преобразователя/. В указанных областях, в связи с развитием элементной базы, большое применение начинают получать сетевые преобразователи на полностью управляемых вентилях / транзисторных ключах типа JG-BT MOSFET, двухоперационных, а также искусственно или комбинированно выключаемых тиристорах/. Одним из главных достоинств данных преобразователей является возможность плавного регулирования выпрямленного напряжения с одновременный изменением по желаемому закону объема потребляемой или генерируемой в питающую сеть реактивной мощности. Это свойство может найти применение для быстродействующей компенсации реактивной мощности, с целью демпфирования толчкообразных изменений тока и соответствующих искажений напряжения на сетевом входе вентильных преобразователей и устройств на их основе и т.п. [1-3].

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению следует признать “способ управления регулируемым двухполупериодным вентильным преобразователем” [1] , основывающийся на идее многократного включения каждого вентиля на периоде сетевого напряжения. Сходные существенные признаки в данном случае состоят в возможности регулирования реактивной мощности на сетевом входе при неизменном выпрямленном напряжении за счет соответствующего изменения углов управления вентилями при первом и втором включениях на каждом периоде сети. К недостаткам прототипа следует отнести ограниченные возможности регулирования, в связи с отсутствием в указанном алгоритме информации об изменениях управляющего сигнала на входе системы импульсно-фазового управления /СИФУ/ и способе фазовой модуляции. Кроме того, указанный способ управления не позволяет решать обратную задачу, а именно, регулировать выпрямленное напряжение при сохранении постоянства заданной величины и знака реактивной мощности. Вместе с тем, на практике наибольшее применение получают сравнительно простые устройства импульсно-фазового управления и широтно-импульсной модуляции 2-го рода, работа которых основывается на так называемом вертикальном принципе, предполагающем формирование импульсов управления в моменты равенства управляющего и периодически изменяющегося синхронно с сетевым напряжением опорного /развертывающего/ сигналов. Универсальность данного принципа состоит в возможности его реализации как программным, так и аппаратным способами на основе аналоговых или цифровых элементов.

Таким образом, технический результат – расширение функциональных возможностей вентильного преобразователя при регулировании средневыпрямленного напряжения, а также активной и реактивной составляющих полной мощности на сетевом входе простыми средствами управления, работающими по вертикальному принципу.

Для этого предлагается независимое регулирование активной составляющей мощности /средневыпрямленного напряжения/ и реактивной составляющей мощности на сетевом входе однофазного двухполупериодного преобразователя осуществлять при трехкратном включении каждого вентиля на периоде сетевого напряжения, а именно: первый раз – с отстающим относительно начала положительной полуволны сетевого напряжения на аноде вентиля углом управления 0 ₁ , второй раз – постоянно в момент начала отрицательной полуволны сетевого напряжения ₂ = с одновременным запиранием работавших вентилей и в третий раз – с опережающим углом управления – ₃ 0 и одновременным запиранием работавших вентилей, на основе вертикального принципа в моменты равенства периодически изменяющегося синхронно с сетевым напряжением опорных напряжений и управляющих напряжений вида:

U_y3^* = -U_y2^*,
при условии сохранения синусоидальной формы напряжения на сетевом входе вентильного преобразователя и его работы на нагрузку индуктивного характера при постоянстве сглаженного выпрямленного тока I_d = const.

Реализация способа возможна в нескольких вариантах, различающихся величиной, формой или знаком сравниваемых в СИФУ напряжений. Все варианты обеспечивают возможность независимого регулирования в установленных пределах активной /средневыпрямленного напряжения/ и реактивной мощностей по произвольному закону, в том числе, возможность пропорционального регулирования активной составляющей мощности /средневыпрямленного напряжения/ P^* = U_d^* = U_y^*(p) с помощью управляющего сигнала U_y^*(p) при сохранении постоянства реактивной составляющей мощности Q^* = const или пропорционального регулирования реактивной составляющей мощности Q^* = U_y^*(q) с помощью управляющего сигнала U_y^*(q) при сохранении постоянства активной составляющей мощности P^* = U_d^* = const.

Первый вариант отличается тем, что на каждом периоде сети первое включение вентилей осуществляют в момент равенства опорного напряжения косинусоидальной формы с вершиной, синхронизированной с началом положительной полуволны сетевого напряжения на аноде вентиля и управляющего напряжения U_y1^*, причем включение происходит с отстающим углом управления ₁ = arccos U_y1^*, а третье включение осуществляют в момент равенства опорного напряжения косинусоидальной формы, с вершиной, синхронизированной с началом отрицательной полуволны сетевого напряжения на аноде и управляющего напряжения U_y2^*, при этом включение производят с опережающим углом управления, по модулю равным |₃| = arccos U_y2^*.

Таким образом, данный вариант предполагает наличие двух пар опорных и управляющих напряжений. Второй вариант обеспечивает формирование управляющих импульсов при наличии одного опорного напряжения косинусоидальной формы с вершиной, синхронизированной с началом положительной полуволны сетевого напряжения на аноде. Отличие состоит в том, что третье включение вентиля на каждом периоде сети осуществляют в момент равенства данного опорного напряжения с управляющим напряжением U_y3^* с опережающим углом управления, по модулю равным |₃| = -arccosU^*_y3.
Третий вариант отличается тем, что на каждом периоде сети первое включение вентиля осуществляют в момент равенства опорного напряжения периодической линейно убывающей формы двойной частоты с управляющим напряжением U_y1^*, прием включение вентиля происходит с отстающим углом управления

а третье включение осуществляют в момент равенства опорного напряжения периодической линейно возрастающей формы двойной частоты с управляющим напряжением U_y2^* и опережающим углом управления, по модулю равным

Для реализации данного варианта также требуется две пары опорных и управляющих напряжений. Четвертый вариант может быть реализован при наличии одного опорного напряжения периодической линейно убывающей формы двойной частоты. Отличие состоит в том, что третье включение вентиля на каждом периоде сети осуществляют в момент равенства данного опорного напряжения с управляющим напряжением U_y3^*, а включение вентиля при этом происходит с опережающим углом управления, по модулю равным
На фиг. 1 представлены временные диаграммы выпрямленного напряжения U_d(v) и сетевого тока i(v) вентильного преобразователя, иллюстрирующие его работу во всевозможных энергетических режимах. На фиг. 2 даны диаграммы опорных U_оп1, U_оп2 и управляющих U_y1, U_y2, U_y3 напряжений, поясняющие предложенный способ управления. На фиг. 3 приведена траектория граничных значений управляющих сигналов, обуславливающая пределы независимого пропорционального регулирования активной и реактивной мощностей. На фиг. 4 представлена упрощенная схема одного из возможных вариантов реализации нового способа управления.

Для определенности будем считать, что представленный на фиг. 4 реверсивный вентильный преобразователь по однофазной двухмостовой встречно-параллельной схеме выпрямления работает на нагрузку индуктивного характера с противоЭДС, например на якорную обмотку двигателя постоянного тока, при постоянстве сглаженного тока нагрузки I_d = const. Особенность состоит в том, что силовая схема данного преобразователя должна быть выполнена на двухоперационных вентилях, что, наряду с другими достоинствами, позволяет существенно упростить алгоритм совместного согласованного управления вентильными мостами. Известно, что для этого управляющие импульсы должны подаваться одновременно на каждые два встречно-параллельных тиристора, расположенных в разных мостах, что исключает появление уравнительного тока между мостами, а при условии достаточной длительности управляющих импульсов исключается также возможность режима прерывистого тока нагрузки. Диаграммы на фиг. 1 показывают работу данного преобразователя при трехкратном включении каждого вентиля на периоде сетевого напряжения. Видно, что соответствующим изменением углов управления при первом ₁ и третьем ₃ включениях вентиля и постоянстве второго включения ₂= можно обеспечивать не только регулирование и изменение знака средневыпрямленного напряжения, но и изменять величину и знак фазового сдвига ₁ между сетевым напряжением U и первой гармоникой тока i₁(v) на сетевом входе вентильного преобразователя. Последнее означает возможность работы преобразователя как с отстающим, так и с опережающим коэффициентом сдвига cos₁, то есть с потреблением или генерированием реактивной мощности в питающую сеть. При этом, в зависимости от соотношения полярностей средних значений выпрямленного напряжения и тока, работа преобразователя будет происходить в выпрямительном или инверторном режимах, то есть с потреблением или генерированием активной мощности в сеть. Например, изменением углов управления в диапазонах 0<₁</2,-/2<₃<0 обеспечивается регулирование выпрямленного напряжения положительного знака в выпрямительном /фиг.1а,д/ и в инверторном /фиг.1б,е/ режимах, а регулирование в диапазонах /2<₁<;-<₃< –/2 – при отрицательном знаке средневыпрямленного напряжения в выпрямительном /фиг.1г,з/ и в инверторном /фиг. 1в,ж/ режимах. При условии (фиг. 1г,е,ж/ работа будет происходить с опережающей фазой сетевого тока относительно напряжения, то есть с отдачей реактивной мощности в сеть, а при условии наоборот, то есть с отстающей фазой тока относительно напряжения и соответственно, с потреблением реактивной мощности. В частном случае при установке получаем компенсированный вариант преобразователя, потребляющий из сети лишь активную мощность (фиг. 1а).

Представленные диаграммы помогают получить аналитические зависимости, необходимые для организации импульсно-фазового управления во всех представленных режимах. Осуществляя разложение кривой тока i(v) в ряд Фурье, запишем выражение для косинусного и синусного коэффициентов при первом слагаемом тригонометрического ряда в относительной системе координат

что дает возможность рассчитывать действующее значение основной гармоники сетевого тока

фазовый сдвиг этой гармоники относительно сетевого напряжения

а также активную и реактивную мощности на сетевом входе преобразователя

После подстановки (1), (2) в (3) – (5), относительные значения активной и реактивной мощностей выразятся

Замечаем, что относительное значение средневыпрямленного напряжения совпадает с относительным значением активной мощности /при условии I_d = const/

Вводя понятия управляющих сигналов для осуществления пропорционального регулирования активной и реактивной мощностей
U_y^*(p) = P^* = U_d^*(g); U_y^*(g) = Q²,
запишем закон управления указанными составляющими полной мощности на сетевом входе однофазного двухполупериодного преобразователя

Данная система уравнения совместима и ее решение относительно углов управления ₁,₃ позволит осуществить независимое пропорциональное регулирование активной и реактивной мощности в пределах

Граничные значения управляющих сигналов и угла управления _гр можно получить, подставляя в (9), (10) нулевое /предельное/ значение одного из углов управления

В результате получены параметрические уравнения (11), (12) окружности, с помощью которой, задаваясь граничным значением одной координаты, можно получить граничное значение другой /см. фиг. 3/.

Решая систему уравнений (9), (10) относительно одной из тригонометрических функций, представленных слева, получаем

Данное выражение можно рассматривать как уравнение точки встречи представленного справа управляющего напряжения, являющегося функционалом следующего вида.

и представленного слева опорного напряжения косинусоидальной формы. Решение уравнения точки встречи дает искомый угол управления при первом включении вентиля на периоде сети ₁= arccosU^*_y1.
Аналогичным образом отыскивается уравнение точки встречи управляющего и опорного напряжений при третьем включении вентиля на периоде

Принимая первую часть (15) за управляющее напряжение

а левую часть – за выражение опорного сигнала косинусоидальной формы, отыскиваем угол управления, а вернее, его модульное значение при третьем включении вентиля на периоде сети = arccos U_y2^*.

Геометрическая трактовка решения системы уравнений (9), (10) дана на графике фиг. 2а в виде временных диаграмм управляющих U_y1, U_y2, U_y3 и опорных напряжений СИФУ, работающей по вертикальному принципу. Согласно данному принципу, изменение управляющего напряжения по величине /вертикали/ приводит к необходимому изменению угла управления вентилями. Видно, что в данном случае для управления требуется иметь два опорных напряжения косинусоидальной формы, находящихся в противофазе. Вершины этих косинусоид должна быть синхронизированы с моментами перехода сетевого напряжения через нулевое значение. Этот же рисунок показывает, как можно получить аналогичный результат при наличии одного опорного напряжения U_оп1 косинусоидальной формы с вершиной, синхронизированной с моментом перехода сетевого напряжения через нуль в положительном направлении. Отличие в данном случае будет лишь в том, что третье включение вентиля необходимо производить в момент равенства данного опорного напряжения с управляющим напряжением вида U_y3 = -U_y2.

Косинусоидальная форма опорных напряжений, наряду с известными достоинствами, затрудняет формирование управляющих импульсов при малых углах управления _ 0. Поэтому в ряде случаев более целесообразно использовать опорные напряжения линейной формы удвоенной по отношению к сетевой частоты /см. фиг. 3б/. При этом ошибка в реализации пропорционального управления, ввиду близости косинусоидальной и линейной форм, не превышает нескольких процентов. Записывая уравнение точки встречи линейно убывающего опорного напряжения U_оп1^* и управляющего напряжения U_y1^*

получаем значение угла управления при первом включении вентиля на периоде сети

Аналогично, записывая уравнение точки встречи линейно возрастающего опорного напряжения U_оп2^* и управляющего напряжения U_y2^*

получаем модульное значение угла управления при третьем включении

Диаграммы на фиг. 2б показывают, что аналогичный результат может быть получен при наличии не двух, а одного опорного напряжения, например, линейно убывающей формы. Здесь отличие будет состоять также лишь в том, что третье включение необходимо производить в момент равенства данного опорного напряжения с управляющим напряжением вида U_y3^* = -U_y2^*.

Предлагаемый способ управления может быть применен в реверсивном электроприводе постоянного тока, функциональная схема которого изображена на фиг. 4. Устройство может быть выполнено с применением согласующего трансформатора 1, к вторичным обмоткам которого подключена силовая схема преобразователя 2, выполненная по однофазной встречно-параллельной двухмостовой схеме выпрямления на двухоперационных тиристорах с подключенной на выходе якорной обмоткой 3 двигателя постоянного тока. Система импульсно-фазового управления содержит потенциометрические задатчики активной мощности /средневыпрямленного напряжения/ 4 и реактивной мощности 5. Сигналы управления U_y(p), U_y(q) с задатчиков поступают на входы функционального построителя 6, реализующего зависимости между входными и выходными напряжениями согласно математическим выражениям для управляющих напряжений (14), (16). Данные напряжения поступают на входы компараторов 7, 8, где они сравниваются с опорными напряжениями U_оп1, U_оп2, поступающими с вторичных обмоток трансформатора 1, если эти напряжения должны иметь косинусоидальную форму, посредством фазорасщепителя 9. Последний может также представлять собой генератор периодического напряжения линейной формы. Переключения компараторов в точках встречи управляющих и опорных напряжений будут приводить к появлению на выходах формирователя 10 управляющих импульсов, в соответствии с предложенным способом. В результате применение данного технического решения будет способствовать существенному расширению функциональных возможностей устройства и повышению его энергетических показателей.

Список литературных источников
1. Авт. св. СССР N 436430, H 02 P 13/16, H 02 M 7/18. Способ управления регулируемым двухполупериодным вентильным преобразователем / Голубев Ф.H., Латышко В.Д. Опубл. в БИ N 26, 1974 г.

2. Ф. Н. Голубев, В.Д. Латышко. Регулировочные и энергетические характеристики двухполупериодных преобразователей с комбинированной коммутацией вентилей. Изв. вузов. Энергетика, 1974 г., N 10, с. 52-57.

3. А.П. Иванов, В.Я. Балыкин. Энергетические характеристики вентильного преобразователя c управлением по двум параметрам. “Горная электромеханика”. Сб. трудов Пермского политехн. инcт., 1971 г., вып. 96.

Формула изобретения

1. Способ управления, обеспечивающий импульсно-фазовое регулирование средневыпрямленного напряжения U*_d однофазного двухполупериодного преобразователя на двухоперационных вентилях при одновременно изменении или стабилизации активной P* или реактивной Q* составляющей мощности на его сетевом входе с помощью управляющих сигналов с задатчиков активной и реактивной мощности U*_у(p), U*_у(q) путем многократного включения каждого вентиля на периоде сетевого напряжения при условии сохранения синусоидальности сетевого напряжения на входе преобразователя и его работы на нагрузку индуктивного характера при постоянстве сглаженного тока, отличающийся тем, что осуществляют трехкратное включение каждого вентиля на периоде сети, а именно: первый раз – с отстающим относительно начала положительной полуволны сетевого напряжения на аноде вентиля углом управления 0 ₁ , второй раз – постоянно в момент начала отрицательной полуволны сетевого напряжения на аноде ₂ = с одновременным запиранием работавших вентилей и третий раз – с опережающим углом управления – < ₃ 0 с одновременным запиранием работавших вентилей на основе вертикального принципа путем включения вентилей в моменты равенства периодически изменяющихся синхронно с сетевым напряжением опорных напряжений и управляющих напряжений вида

U*_у3 = -U*_у2.

2. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что на каждом периоде сети первое включение вентиля осуществляют в момент равенства опорного напряжения косинусоидальной формы с вершиной, синхронизированной с началом положительной полуволны сетевого напряжения на аноде, и управляющего напряжения U*_у1 с отстающим углом управления ₁ = arccos U*_у1, а третье включение вентиля осуществляют в момент равенства опорного напряжения косинусоидальной формы с вершиной, синхронизированной с началом отрицательной полуволны сетевого напряжения на аноде, и управляющего напряжения U*_у2 с опережающим углом управления, по модулю равным |₃| = arccos U*_у2.

3. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что на каждом периоде сети первое включение вентиля осуществляют в момент равенства опорного напряжения косинусоидальной формы с вершиной, синхронизированной с началом положительной полуволны сетевого напряжения на аноде, и управляющего напряжения U*_у1 с отстающим углом управления ₁ = arccos U*_у1, а третье включение вентиля осуществляют в момент равенства указанного опорного напряжения и управляющего напряжения U*_у3 с опережающим углом управления, по модулю равным |₃| = -arccos U^*_у3.
4. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что на каждом периоде сети первое включение вентиля осуществляют в момент равенства опорного напряжения периодической линейно убывающей формы двойной по отношению к сетевой частоте и управляющего напряжения U*_у1 с отстающим углом управления

а третье включение вентиля осуществляют в момент равенства опорного напряжения периодической линейно возрастающей формы двойной по отношению к сетевой частоте и управляющего напряжения U*_у2 с опережающим углом управления, по модулю равным

5. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что на каждом периоде сети первое включение вентиля осуществляют в момент равенства опорного напряжения периодической линейно убывающей формы, двойной по отношению к сетевой частоте, и управляющего напряжения U*_у1 с отстающим углом управления

а третье включение вентиля осуществляют в момент равенства указанного опорного напряжения и управляющего напряжения U*_у3 с опережающим углом управления, по модулю равным

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 22.10.2001

Номер и год публикации бюллетеня: 10-2003

Извещение опубликовано: 10.04.2003