Патент на изобретение №2166831

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АМПЛИТУДЫ, ФАЗЫ И ЧАСТОТЫ СО ЗВЕНОМ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

(57) Реферат:

Предложен преобразователь параметров переменного напряжения (амплитуды, фазы, частоты) со звеном постоянного тока и двухсторонним обменом энергии. Он может быть применен в частотно-регулируемом электроприводе переменного тока с асинхронными короткозамкнутыми двигателями и двигателями с фазным ротором, а также в стабилизаторах трехфазного напряжения и компенсаторах реактивной мощности с вольтодобавочными трансформаторами. В зависимости от применения преобразователь может регулировать как все три параметра переменного напряжения, так и только два (амплитуду с частотой и (или) с фазой). Преобразователь содержит трехфазный инвертор с системой регулирования частоты и (или) фазы и реверсивный выпрямитель с системой раздельного управления амплитудой. В состав реверсивного выпрямителя входит трехфазный управляемый выпрямитель и трехфазный инвертор ведомой сетью. Эти три устройства, входящие в силовую часть преобразователя имеют взаимосвязанные зажимы постоянного тока и несвязанные зажимы переменного тока. Разделение зажимов переменного тока и применение специальной системы управления с возможностью регулирования частоты и (или) фазы позволило расширить функциональные возможности и область применения преобразователя, что является техническим результатом. 2 ил.

Использование: в компенсаторах отклонений напряжения и реактивной мощности.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано в машинах двойного питания, испытательных стендах, а также в стабилизаторах трехфазного напряжения и компенсаторах реактивной мощности.

В настоящее время электротехнической промышленностью не выпускаются тиристорные преобразователи фазы. Ограниченное внимание уделяется им в литературе. Но вместе с тем, особенно в последнее время, потребность в этих статических преобразователях непрерывно возрастает. Это связано, прежде всего, с необходимостью создания устройств повышения качества электроэнергии и ее экономии в условиях роста цен на электроэнергию, в частности, в России.

В стабилизаторах трехфазного напряжения, кроме регулирования амплитуды, требуется регулирование фазы для компенсации реактивной мощности. В машинах двойного питания также для компенсации реактивной мощности, кроме регулирования амплитуды и частоты, необходимо управление по третьей координате – фазе. Трехкоординатное (объемное) управление по всем (трем) параметрам переменного тока является целесообразным и в испытательных стендах.

Наиболее распространенными устройствами для регулирования параметров переменного тока являются преобразователи со звеном постоянного напряжения на базе управляемого выпрямителя и инвертора напряжения.

Они в различных модификациях выпускаются на электротехнических заводах в г.г. Саранске, Запорожье и предназначаются для частотно-регулируемых электроприводов.

Известен преобразователь со звеном постоянного напряжения серии ТПЧ (см. “Справочник по преобразовательной технике” под ред. Чиженко И.М., К., Техника, 1978, стр. 383, рис. 8.21), содержащий нереверсивный мостовой тиристорный выпрямитель с системой управления амплитудой, фильтр и автономный инвертор напряжения с системой управления частотой. В этом преобразователе инвертор выполнен с отсекающими диодами и междуфазной емкостной коммутацией, а его система управления частотой построена по 120-градусному алгоритму. Система управления амплитудой также построена по 120-градусному алгоритму и содержит выходные каскады и синхронизированную с сетью систему импульсно-фазового управления, трехфазный синхровход которой подключен к соответствующим фазам сети.

К недостаткам устройства следует отнести ограниченность функциональных возможностей и области применения вследствие того, что он не обеспечивает регулирование фазы выходного напряжения и двухсторонний обмен энергией между сетью и нагрузкой.

В устройстве применен инвертор напряжения с междуфазной коммутацией, который не универсален в управлении и может работать только по 120-градусному алгоритму, что также ограничивает возможности устройства.

Известен также преобразователь со звеном постоянного напряжения, который обеспечивает регулирование фазы выходного напряжения. Такой фазорегулятор описан в а.с. СССР N 1515316, БИ N 38, 1989. Он выполнен на базе предыдущего аналога серии ТПЧ, в котором для управления фазой выходного напряжения инвертора с междуфазной коммутацией применена (без каких-либо изменений) система управления от трехфазного мостового выпрямителя, обеспечивающая для данного инвертора требуемый 120-градусный алгоритм управления, путем формирования шести последовательностей сдвоенных импульсов, регулируемых по фазе относительно напряжения сети в диапазоне от 0 до 180 градусов.

Однако и это устройство имеет ограниченные функциональные возможности и область применения, т.к. не обеспечивает двухсторонний обмен энергией через звено постоянного напряжения и возможность регулирования амплитуды и частоты в процессе регулирования фазы.

Наиболее близким к заявляемому является преобразователь со звеном постоянного напряжения серии ЭКТ2Р (см. “Электротехнический справочник”, в 3-х т. ; Т. 3: в 2-х кн.; кн. 2 “Использование электрической энергией”, под общей ред. профессоров МЭИ: Орлова И.Н. (гл. ред.) и др., 7-е изд., М.: Энергоатомиздат, 1988 г., 616 с: ил., стр. 35, таб. 50.8), который взят за прототип. Он содержит входные и выходные зажимы, управляемый выпрямитель и первый инвертор с общей для них системой раздельного управления для двухстороннего обмена энергией между сетью и нагрузкой. Преобразователь содержит также фильтр и второй инвертор, представляющий собой автономный инвертор напряжения с пофазной коммутацией и системой 180-градусного управления частотой (см. “Справочник по наладке электрооруборудования пром. предприятий”, под ред. Зименкова М.Г. и др., 3-е изд. М.: Энергоатомиздат, 1983 г., стр. 429, рис. 11-29). Система раздельного управления выпрямителем и первым инвертором содержит (см. “Электропривод ЭКТ2Р. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ИАВК. 655427.002Т0”, г. Запорожье, 1991 г., тип “ДМ”, зак. 792): датчик тока звена постоянного напряжения, датчик состояния вентилей выпрямителя, активный фильтр, формирователь опорных напряжений, фазосдвигающее устройство, блок передачи управления и распределения импульсов и выходные каскады первого инвертора и управляемого выпрямителя. Выход выпрямителя и вход первого инвертора объединены и через фильтр подключены к входу второго инвертора, вход выпрямителя подключен к входным зажимам, а выход второго инвертора к выходным зажимам, выход активного фильтра через формирователь опорных напряжений подключен к синхронизирующему входу фазосдвигающего устройства, управляющий вход которого подключен к сигналу управления амплитудой, выход блока предварительного формирования импульсов подключен к первому входу блока передачи управления и распределения импульсов, второй вход которого подключен к выходу датчика тока звена постоянного тока, а выходы к выходным каскадам первого инвертора и выпрямителя, управляющий вход задающего генератора подключен к сигналу управления частотой, а выход формирователей отпирающих и запирающих импульсов к выходным каскадам второго инвертора.

Особенностью системы раздельного управления выпрямителем и первым инвертором является то, что она имеет синхронизирующий вход, подключенный к одной из фаз напряжения сети, например фазе А. Их этого напряжения после фильтрации активным фильтром формируется синусоидальное опорное напряжение для первого канала управления. Для второго и третьего каналов системы раздельного управления выпрямителем и первым инвертором опорные напряжения формируются формирователем опорных напряжений соответственно фазосдвижением опорного напряжения первого канала на 120^o и суммированием опорных напряжений первого и второго каналов.

Таким образом, в преобразователе этого типа из одного синхронизирующего напряжения формируется симметричная трехфазная система опорных синусоидальных напряжений.

Система управления инвертором содержит задающий генератор, формирователь предварительных импульсов, формирователь отпирающих и запирающих импульсов, выходные каскады второго инвертора.

В качестве прототипа может быть принят также преобразователь третьего поколения со звеном постоянного напряжения серии ЭКТ3Р, выпуск которого начат в 1992 г. на Запорожском электроаппаратном заводе. Этот преобразователь отличается от преобразователя серии ЭКТ2Р только тем, что инвертор выполнен на запираемых тиристорах и для них применена специальная схема выходных каскадов запирающих импульсов.

Итак, за прототип выбран преобразователь серии ЭКТ2Р или ЭКТ3Р, второй инвертор которого выполнен на полностью управляемых вентилях.

Недостаток устройства-прототипа в том, что оно не обеспечивает регулирование фазы выходного напряжения задания начальной фазы этого напряжения в процессе регулирования частоты и амплитуды и не позволяет реализовать трехкоординатное (объемное) управление по трем параметрам переменного тока (амплитуде, фазе, частоте), что ограничивает его функциональные возможности и область применения. Система управления вторым инвертором не обеспечивает ему работу в зависимом режиме (режиме ведомого сетью), что также можно отнести к недостаткам, ограничивающим область применения преобразователя.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей и области применения.

Поставленная цель достигается тем, что введены дополнительные выходные зажимы, к которым присоединен выход первого инвертора, а также в состав системы раздельного управления выпрямителем и первым инвертором введены датчик состояния вентилей первого инвертора, логический элемент, переключающее устройство с двумя синхровходами, одним управляющим входом и двумя выходами, дополнительный выход блока передачи управления и распределения импульсов, сумматор. В состав системы управления вторым инвертором введены дополнительный активный фильтр, переключатель синхронизирующего сигнала, дополнительный формирователь опорных напряжений, дополнительное фазосдвигающее устройство и дополнительный блок предварительного формирования импульсов. Причем выходы датчиков состояния вентилей выпрямителя и первого инвертора через логический элемент подключены к третьему входу блока передачи управления и распределения импульсов, дополнительный выход которого подключен к управляющему входу переключающего устройства. Два синхровхода переключающего устройства подключены соответственно к одной из фаз входных зажимов и к одной из фаз дополнительных выходных зажимов. Входы сумматоров подключены к двум выходам переключающего устройства, а его выход к входу активного фильтра. Вход дополнительного активного фильтра системы управления вторым инвертором подключен к одной из фаз дополнительных выходных зажимов, а его выход и выход задающего генератора соединены с соответствующими входами переключателя синхронизирующего сигнала, выход которого в свою очередь подключен к синхронизирующему входу дополнительного фазосдвигающего устройства, управляющий вход которого соединен с сигналом управления фазой, а выход через формирователь отпирающих и запирающих импульсов и выходные каскады второго инвертора подключены к тиристорам второго инвертора.

Предлагаемое устройство поясняется нижеследующими описаниями и прилагаемыми чертежами, где на фиг. 1 приведена структурная схема до уровня известных функциональных элементов. На фиг. 2 представлена принципиальная схема узлов 13, 14 и 15. Данная схема является примером реализации заложенных в эти узлы функций.

Устройство (см. фиг. 1) содержит следующие элементы: входные зажимы 1, дополнительные выходные зажимы 2, выходные зажимы 3, управляемый выпрямитель 4 и первый инвертор 5 в комплекте с датчиком тока звена постоянного напряжения 6 и системой раздельного управления выпрямителем и первым инвертором 7, обеспечивающей синхронизацию управляющих импульсов с входными зажимами или дополнительными выходными зажимами, фильтр 8 и второй инвертор 9 с системой управления вторым инвертором 10, которая обеспечивает синхронизацию от напряжения дополнительных выходных зажимов или от задающего генератора.

Система раздельного управления выпрямителем и первым инвертором 7 содержит датчик состояния вентилей выпрямителя 11, датчик состояния вентилей первого инвертора 12, логический элемент 13, устройство выбора синхронизации, состоящее из переключающего устройства 14 и сумматора 15, активный фильтр 16, формирователь опорных напряжений 17, фазосдвигающее устройство 18, блок предварительного формирования импульсов 19, блок передачи управления и распределения импульсов 20, выходные каскады 21 и 22 соответственно первого инвертора и управляемого выпрямителя.

Система управления вторым инвертором 10 содержит дополнительный активный фильтр 23, задающий генератор 24, переключатель синхронизирующего сигнала 25, дополнительный формирователь опорных напряжений 26, дополнительное фазосдвигающее устройство 27, дополнительный блок предварительного формирования импульсов 28, формирователь отпирающих и запирающих импульсов 29, выходные каскады второго инвертора 30.

На фиг. 2 представлена совмещенная схема логического элемента 13, переключающего устройства 14 и сумматора 15, раскрытая до уровня известных элементов. Эта схема содержит первый и второй синхровходы 31 и 32, два делителя напряжения на резисторах 33, 34 и 35, 36, два инвертирующих усилителя на операционных усилителях 40, 45 и элементах 37, 38, 39, 41, 47 и 42, 43, 44, 46, 48, инвертирующих сумматор на операционном усилителе 53 и элементах 49, 50, 51, 52, 54, первый и второй управляющие входы 65, 66, схему управления на элементе “И-НЕ” 67, триггер 55 на элементе 64, две цепи задержки, состоящей из элементов 56, 58, 60, 62 и 57, 59, 61, 63, и выход 68. Данная схема разрабатывалась применительно к преобразователю, выполненному на базе серии ЭКТ2Р. В качестве логического элемента 13 применен логический элемент ИЛИ.

Устройство работает следующим образом. Процесс преобразования энергии переменного тока с нерегулируемыми параметрами, поступающей на вход преобразователя с входных зажимов 1, в энергию переменного тока с регулирующими параметрами (амплитуда, фаза, частота) протекает в два этапа. На первом этапе энергия переменного тока преобразуется в энергию постоянного тока с регулируемым напряжением и последующим преобразованием в энергию переменного тока на втором этапе.

В процессе передачи энергии от сети к нагрузке участвуют управляемый выпрямитель 4 и второй инвертор 9, выполненный на полностью управляемых вентилях, а при возврате энергии в сеть второй инвертор 9 и первый инвертор 5, выполненный на полууправляемых вентилях. При этом независимо от направления потока энергии преобразователь обеспечивает регулирование всех трех параметров напряжения нагрузки (амплитуда, фаза, частота).

В частности, в зависимости от положения переключателя синхронизирующего сигнала 25, он может регулировать только два параметра (амплитуду, фазу). При отключении сигнала управления фазой преобразователь также регулирует только два параметра (амплитуду, частоту). Это характеризует расширенные функциональные возможности и область применения. Кроме этого, для расширения функциональных возможностей и области применения предусмотрено наличие дополнительных выходных зажимов.

При применении устройства в цепях статора или ротора асинхронного двигателя зажимы 1 и 2 объединяются. При применении в цепях вольтодобавочного трансформатора зажимы 1 подключаются к нагрузке, а зажимы 2 к сети. Кроме этого, в частотно-регулируемом асинхронном приводе с короткозамкнутым ротором сигнал управления фазой U_уф отключается и синхронизация системы управления вторым инвертором 10 осуществляется от задающего генератора. В машинах двойного питания при наличии сигнала управления фазой U_уф синхронизация также осуществляется от задающего генератора. При использовании преобразователя в стабилизаторах трехфазного напряжения и компенсаторах реактивной мощности синхронизация системы управления вторым инвертором 10 осуществляется от сети при наличии сигнала управления фазой _уф.

Во всех случаях применения преобразователя наблюдаются режимы как потребления энергии из сети, так и рекуперации энергии в сеть. Перевод устройства из режима потребления энергии в режим рекуперации осуществляется системой раздельного управления выпрямителем и первым инвертором 7, которая также выполняет регулирование амплитуды напряжения нагрузки. Регулирование частоты и фазы напряжения нагрузки осуществляет система управления вторым инвертором 10.

Регулирование амплитуды осуществляется следующим образом. Напряжения синхронизации от одной из фаз входных зажимов 1 и дополнительных выходных зажимов 2 поступают на переключающее устройство 14, которое осуществляет переключение синхронизирующих напряжений. В режиме потребления энергии из сети переключающее устройство пропускает напряжение, поступающее от входных зажимов 1. Это напряжение обрабатывается сумматором 15 и фильтруется активным фильтром 16, который выделяет первую гармонику из синхронизирующего напряжения. Из выходного напряжения активного фильтра 16 формирователем опорных напряжений 17 формируется трехфазная система опорных напряжений, которая поступает на синхронизирующий вход фазосдвигающего устройства 18. На управляющий вход фазосдвигающего устройства 18 поступает напряжение управления амплитудой U_уп. Изменение этого напряжения вызывает изменение амплитуды выходного напряжения преобразователя. Выходное напряжение фазосдвигающего устройства 18 обрабатывается блоком предварительного формирования импульсов 19, выполняющего формирование импульсов нормированной длительности. Эти импульсы, поступающие на управляющий вход блока передачи управления и распределения импульсов 20, перераспределяются и между тиристорами и подаются через выходные каскады управляемого выпрямителя 22 на тиристоры управляемого выпрямителя. Выходные каскады управляемого выпрямителя и первого инвертора осуществляют усиление импульсов и гальваническую развязку цепей управления тиристоров.

При изменении направления потока энергии осуществляется передача управления от управляемого выпрямителя к первому инвертору. Эту функцию выполняет блок передачи управления и распределения импульсов 20. Изменения сигнала датчика тока звена постоянного напряжения 6, поступающего на первый контролирующий вход блока передачи управления и распределения импульсов 20, и появление сигнала датчика состояния вентилей, поступающего от логического элемента 13, который осуществляет формирование одного сигнала из двух, поступающих от датчика вентилей выпрямителя 11 и датчика состояния вентилей первого инвертора 12, вызывает снятие импульсов управления с выпрямителя 4, переключение синхронизирующих напряжений и подачу управляющих импульсов через выходные каскады первого инвертора 21 на тиристоры первого инвертора. Переключение синхронизирующих напряжений осуществляется переключающим устройством 14 под воздействием сигнала переключения, поступающего с дополнительного выхода блока передачи управления и распределения импульсов 20, и происходит в два этапа. На первом этапе переключающее устройство пропускает на второй вход сумматора 15 второе синхронизирующее напряжение, поступающее от дополнительных выходных зажимов 2. При этом выходное напряжение сумматора 15 дискретно сместится по фазе на некоторый угол. На втором этапе первое синхронизирующее напряжение снимается с первого входа сумматора, что приводит к дальнейшему смещению выходного напряжения сумматора по фазе. После окончания описанных процессов на выходе сумматора 15 присутствует синхронизирующее напряжение, поступающее от дополнительных выходных зажимов 2.

Работа в режиме рекуперации энергии в сеть аналогична работе в режиме потребления энергии из сети за исключением того, что в работе участвует первый инвертор 5 и его выходные каскады 21, а синхронизация осуществляется от дополнительных выходных зажимов.

Переключение из режима рекуперации энергии в режим потребления энергии аналогично переключению из режима потребления энергии в режим рекуперации, описанному выше.

Регулирование частоты и фазы осуществляется следующим образом. Напряжение управления частотой U_уф задает частоту выходного напряжения задающего генератора 24, из которого дополнительным формированием опорных напряжений 26 формируется трехфазная система опорных напряжений, поступающая на синхронизирующий вход дополнительного фазосдвигающего устройства 28. На управляющий вход дополнительного фазосдвигающего устройства 27 подается напряжение управления фазой U_уф значение которого определяет фазу выходного напряжения преобразователя. Дополнительный блок предварительного формирования импульсов 28 осуществляет начальное формирование импульсов, которые с помощью формирователя отпирающих и запирающих импульсов 29 преобразуются в отпирающие (основные) и запирающие (коммутирующие) импульсы.

Выходные каскады второго инвертора 30 выполняют усиление отпирающих (основных) и запирающих (коммутирующих) импульсов, а также гальваническую развязку цепей управления тиристоров.

В случае работы второго инвертора 9 в режиме ведомого сетью, синхронизация системы управления вторым инвертором 10 осуществляется от напряжения одной из фаз дополнительных выходных зажимов 2. При этом в работе участвует дополнительный активный фильтр 23, а задающий генератор 24 отключен.

Преобразователь прошел испытания в условиях промышленной эксплуатации в системе компенсации отклонений напряжения и реактивной мощности на КТП мощностью 630 кВА.

Формула изобретения

Преобразователь амплитуды, фазы и частоты со звеном постоянного напряжения, содержащий входные и выходные зажимы, тиристорные выпрямитель и первый инвертор с общей для них системой раздельного управления, фильтр, второй инвертор на полностью управляемых вентилях с системой управления, причем в состав системы раздельного управления выпрямителем и первым инвертором входят активный фильтр, формирователь опорных напряжений, фазосдвигающее устройство с синхронизирующим и управляющим входами, блок предварительного формирования импульсов, блок передачи управления и распределения импульсов с тремя входами и двумя выходами, выходные каскады выпрямителя, выходные каскады первого инвертора, датчик состояния тиристоров выпрямителя и датчик тока звена постоянного напряжения, в состав системы управления вторым инвертором входят задающий генератор, формирователь отпирающих и запирающих импульсов, выходные каскады, при этом выход выпрямителя и вход первого инвертора объединены и через фильтр подключены к входу второго инвертора, вход выпрямителя подключен к входным зажимам, а выход второго инвертора – к выходным зажимам, выход активного фильтра через формирователь опорных напряжений подключен к синхронизирующему входу фазосдвигающего устройств, на управляющий вход которого поступает сигнал управления амплитудой, выход блока предварительного формирования импульсов подключен к первому входу блока передачи управления и распределения импульсов, второй вход которого подключен к выходу датчика тока звена постоянного напряжения, а выходы – к выходным каскадам первого инвертора и выпрямителя, управляющий вход задающего генератора подключен к сигналу управления частотой, а выход формирователей отпирающих и запирающих импульсов – к выходным каскадам второго инвертора, отличающийся тем, что в устройство введены дополнительные выходные зажимы, к которым присоединен выход первого инвертора, а также в состав системы раздельного управления выпрямителем и первым инвертором введены датчик состояния тиристоров первого инвертора, логический элемент ИЛИ, переключающее устройство с двумя синхровходами, одним управляющим входом и двумя выходами, дополнительный выход блока передачи управления и распределения импульсов, сумматор и в состав системы управления вторым инвертором введены дополнительный активный фильтр, переключатель синхронизирующего сигнала, дополнительный формирователь опорных напряжений, дополнительное фазосдвигающее устройство и дополнительный блок предварительного формирования импульсов, причем выходы датчиков состояния тиристоров выпрямителя и первого инвертора через логический элемент ИЛИ подключены к третьему входу блока передачи управления и распределения импульсов, дополнительный выход которого подключен к управляющему входу переключающего устройства, причем два синхровхода переключающего устройства подключены соответственно к одной из фаз входных зажимов и к одной из фаз дополнительных выходных зажимов, входы сумматора подключены к двум выходам переключающего устройства, а его выход – к входу активного фильтра, вместе с тем вход дополнительного активного фильтра системы управления вторым инвертором подключен к одной из фаз дополнительных выходных зажимов, а его выход и выход задающего генератора соединены с соответствующими входами переключателя синхронизирующего сигнала, выход которого, в свою очередь, подключен к синхронизирующему входу дополнительного фазосдвигающего устройства, управляющий вход которого подключен к сигналу управления фазой, а выход через формирователь отпирающих и запирающих импульсов и выходные каскады второго инвертора подключены к тиристорам второго инвертора.

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: 09.07.2001

Номер и год публикации бюллетеня: 2-2003

Извещение опубликовано: 20.01.2003