СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СТАБИЛИЗАТОРОМ ТРЕХФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК H02M5/257 G05F1/24 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для узкодиапазонного регулирования или стабилизации трехфазного синусоидального напряжения в системах электроснабжения объектов промышленности, агропромышленного комплекса, культурно-бытового назначения.

Известен способ управления стабилизатором трехфазного напряжения [1] который основан на суммировании при помощи трехфазного вольтодобавочного агрегата напряжения сети с увеличивающейся отрицательной вольтодобавочной и уменьшающейся положительной вольтодобавкой в процессе увеличения угла управления тиристорным ключом, который формирует отрицательную вольтодобавку в результате чередования режима "закоротки" с дроссельным режимом первого трехфазного трансформатора и положительную вольтодобавку в результате чередования дроссельного режима с режимом "вольтодобавки" второго трехфазного трансформатора.

Способ управления стабилизатором включает операции измерения выходного напряжения стабилизатора, сравнения его с напряжением заданного уровня, формирования управляющего сигнала из полученного разностного сигнала, воздействуя управляющим сигналом на угол управления тиристорным ключом и регулирования этого угла от 0 до π рад.

Недостатками способа являются низкие энергетические показатели и большая установленная мощность стабилизатора трехфазного напряжения.

Известен также способ управления стабилизатором переменного напряжения, основанный на суммировании при помощи вольтодобавочного трансформатора напряжений двух источников, одним из которых можно считать сеть, а другим - источник, выполненный по схеме аккумулятор-инвертор или выпрямитель-инвертор [2] Стабилизация напряжения нагрузки производится изменением фазы напряжения одного из источников относительно напряжения другого источника на угол a, который можно регулировать при помощи инвертора от 0 до p рад. В операции способа также входит получение разностного сигнала обратной связи и сигнала задания, формирование из разностного сигнала управляющего сигнала и воздействие управляющим сигналом на угол a.

Однако и при этом способе управления устройство имеет низкие энергетические показатели и большую установленную мощность.

Наиболее близким по технической сущности является способ управления стабилизатором трехфазного напряжения, содержащим трехфазный вольтодобавочный трансформатор, инвертор и преобразователь переменного напряжения в постоянное с двухсторонним обменом энергией [3]
Способ основан на суммировании при помощи трехфазного вольтодобавочного трансформатора напряжения сети с уменьшением в коэффициент трансформации раз напряжением инвертора, на вход которого подается выпрямленное напряжение сети с выхода преобразователя переменного напряжения в постоянное, при этом измеряют выходное напряжение стабилизатора, сравнивают его с напряжением заданного уровня и получают разностный сигнал, из разностного сигнала формируют управляющий сигнал, которым, воздействуя на инвертор, изменяют фазу напряжения на выходе инвертора в сторону опережения относительно напряжения сети на угол a, регулируемый от 0 до p рад.

К недостаткам способа-прототипа относятся низкие энергетические показатели, на которые влияют прежде всего, большой ток потребления, а также увеличение фазы и ухудшение формы выходного напряжения устройства в процессе регулирования a, особенно в области p/2 рад. К недостаткам способа также следует отнести необходимость увеличения установленной мощности вольтодобавочного трансформатора и стабилизатора в целом, вследствие возможности развития процесса одностороннего подмагничивания магнитопровода при быстром изменении угла управления инвертором и неизменном угле управления преобразователем переменного напряжения в постоянное.

Цель изобретения повышение энергетических показателей и снижение установленной мощности стабилизатора.

Поставленная цель достигается тем, что из разностного сигнала формируют второй сигнал управления и им, воздействуя на преобразователь переменного напряжения в постоянное, изменяют среднее значение его выходного напряжения и фазу его входного тока β относительно напряжения сети, причем в режиме вольтодобавки среднее значение выпрямленного напряжения регулируется углом выключения тиристоров, обеспечивая одновременное регулирование угла b в сторону опережения относительно напряжения сети, а в режиме вольтовычета регулирование среднего значения выпрямленного напряжения осуществляется углом включения тиристоров, обеспечивая одновременное регулирование угла b в сторону отставания относительно напряжения сети.

Способ управления стабилизатором включает операции измерения выходного напряжения стабилизатора, сравнения его с напряжением заданного уровня, формирования первого и второго управляющих сигналов из полученного разностного сигнала. Первый управляющий сигнал, воздействуя на инвертор, изменяет фазу напряжения на выходе инвертора в сторону опережения относительно напряжения сети. Второй управляющий сигнал, воздействуя на преобразователь переменного напряжения в постоянное, изменяет фазу тока на входе этого преобразователя относительно напряжения сети, одновременно регулируя величину его постоянного выходного напряжения, преобразованного из напряжения сети.

Регулируемое постоянное напряжение подается на вход инвертора, который преобразовывает это напряжение в переменное с частотой, равной частоте сети. Напряжение с выхода инвертора подается на первичную обмотку трехфазного вольтодобавочного трансформатора, вторичная обмотка которого включена между сетью и нагрузкой.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства, реализующая способ управления стабилизатором трехфазного напряжения; на фиг.2 векторные диаграммы, поясняющие работу способа и устройства в режимах вольтодобавки и вольтовычета.

Устройство фиг.1 содержит трехфазный вольтодобавочный трансформатор 1 со вторичной обмоткой 2, включенной между входными и выходными выводами стабилизатора и первичной обмоткой 3, подключенной к выходу инвертора 4, преобразователь 5 переменного напряжения в постоянное, вход которого соединен с входными выводами стабилизатора, а выход подключен к инвертору 4. Система 6 управления инвертором 4 своим выходом соединена с управляющим входом инвертора 4. Система 7 управления преобразователем 5 переменного напряжения в постоянное, в которой осуществляется формирование второго сигнала, управляющего фазой входного тока преобразователя 5 и одновременно величиной выходного напряжения инвертора 4, своим выходом соединена с управляющим входом преобразователя 5 переменного напряжения в постоянное. К выходным выводам стабилизатора подключен также вход датчика 8 выходного напряжения, выход которого соединен с первым входом элемента 9 сравнения, другим входом подключенного к источнику эталонного напряжения, а выходом к управляющим входам систем 6 и 7 управления, синхронизирующие входы которых подключены к входным выводам стабилизатора.

Конструктивное выполнение преобразователя 5 зависит от типа применяемого в устройстве инвертора 4. В устройстве может быть применен как инвертор напряжения, так и инвертор тока. Основу инверторов представляет мост на полностью управляемых тиристорах, причем в инверторе напряжения этот тиристорный мост снабжен обратным диодным мостом и входным LC-фильтром с преобладающей емкостью, а в инверторе тока только входным L-фильтром.

В сочетании с инвертором напряжения преобразователь 5 переменного напряжения в постоянное целесообразно выполнять по мостовой реверсивной схеме с раздельным управлением, при этом для упрощения можно применять смешанную коммутацию тиристоров как прямого, так и обратного выпрямительных мостов, например, выполняя их катодные группы на запираемых тиристорах, а анодные на однооперационных тиристорах.

В сочетании с инвертором тока преобразователь 5 упрощен. Он содержит только один выпрямительный мост, охваченный сильной отрицательной обратной связью по току для обеспечения двухстороннего пропуска энергии. В этом выпрямительном мосте также успешно может быть применена смешанная коммутация тиристоров, за счет применения в одной из групп, например с общим катодом, полностью управляемых тиристоров.

При проектировании конструкции инвертора 4 и преобразователя 5 должное внимание следует уделять частоте коммутации тиристоров собственно выпрямителя 5. Для облегчения входного L-фильтра инвертора тока и повышения быстродействия стабилизатора рекомендуется высокочастотное управление преобразователем 5. В сочетании с инвертором напряжения рекомендуется низкочастотная коммутация тиристоров преобразователя 5 из соображений увеличения срока службы конденсаторов LC-фильтра.

Устройство согласно предложенному способу работает следующим образом.

В режиме вольтодобавки (фиг.2,а) энергия направлена из сети в нагрузку через преобразователь 5 переменного напряжения в постоянное, инвертор 4 и вольтодобавочный трансформатор 1, а в режиме вольтовычета (фиг.2,б) в обратном направлении. Для улучшения коэффициента мощности при указанном энергообмене система управления 6 инвертором обеспечивает опережающий относительно напряжения сети угол a фазового сдвига выходного напряжения инвертора 4, который в режиме вольтодобавки изменяется в области от 0 до p/2 рад, а в режиме вольтовычета от π/2 до π рад. При этом система управления 7 обеспечивает работу преобразователю 5 в режиме выпрямителя с потреблением дополнительной энергии из сети при вольтоприбавлении и в режиме инвертора ведомого сетью с рекуперацией в сеть избыточной энергии звена постоянного тока при вольтовычетании. Кроме этого, система управления 7 преобразователем 5 переменного напряжения в постоянное обеспечивает регулирование напряжения в звене постоянного тока с одновременным регулированием фазы b его входного тока в сторону опережения относительно напряжения сети в режиме вольтодобавки и в сторону отставания от напряжения сети в режиме вольтовычета. Указанное регулирование угла β производится воздействием на углы включения и выключения тиристоров преобразователя 5 для обеспечения по возможности большего уменьшения фазы входного тока всего устройства в режиме вольтодобавки и соответствующего большего ее увеличения в режиме вольтовычета.

Стабилизация напряжения на нагрузке производится следующим образом. При увеличении напряжения U₁ на входе и соответственно увеличении напряжения U₂ на выходе стабилизатора увеличивается сигнал на выходе датчика 8 напряжения, что приводит к уменьшению сигнала на выходе элемента 9 сравнения. Разностный сигнал с выхода элемента 9 подается на вход системы 6 управления фазой выходного напряжения инвертора 4 и на вход системы 7 управления фазой входного тока и средним значением выпрямленного напряжения преобразователя 5 переменного напряжения в постоянное.

Под действием первого управляющего сигнала, сформированного системой 6 управления инвертором 4 производится увеличение фазы α выходного напряжения инвертора 4 как в режиме вольтодобавки, так и в режиме вольтовычета, а под действием второго управляющего сигнала, сформированного системой 7 управления преобразователем 5 производится уменьшение в режиме вольтодобавки и увеличение в режиме вольтовычета фазы β входного тока преобразователь 5 с одновременным уменьшением в режиме вольтодобавки и увеличением в режиме вольтовычета среднего значения выпрямленного напряжения в звене постоянного тока и в соответствии с ним изменением напряжения на выходе инвертора 4. Это напряжение подается на первичную обмотку 3 трехфазного вольтодобавочного трансформатора 1 и на его вторичной обмотке 2 наводится уменьшенное в коэффициент трансформации К_т раз добавочное напряжение , которое складывается с напряжением U₁ на входе, и одновременно с увеличением α и уменьшением величины в режиме вольтодобавки или увеличением величины в режиме вольтовычета, уменьшает величину напряжения на выходе стабилизатора до требуемого уровня. Аналогично происходит работа устройства и при снижении напряжения U₁ на входе ниже требуемого уровня. Ток , который в зависимости от режима работы устройства является током потребления или генерации, складываясь с током на выходе стабилизатора, уменьшает величину результирующего тока на входе как в режиме вольтодобавки (фиг.2,а), так и в режиме вольтовычета (фиг.2,б).

Источники информации
1. A.C. CCCP N 1056394, H 02 M 5/257, 1982.

2. Энергетическая электроника: Справочное пособие: Перевод с нем. /Под ред. В.А.Лобунцова. М. Энергоатомиздат, 1987, 464 с.

3. A.C. CCCP N 1636833, G 05 F 1/30, H 02 M 5/45, 1987.

Использование: предложен способ управления стабилизатором трехфазного напряжения, позволяющий уменьшить потребление реактивной мощности и установленную мощность элементов силовой схемы. Сущность изобретения: стабилизатор содержит трехфазный вольтодобавочный трансформатор, инвертор с системой управления и выпрямитель с системой управления. Преобразователи выполнены на полностью управляемых вентилях. Суть способа в регулировании выходного напряжения инвертора на угол α и входного тока выпрямителя на угол b в сторону опережения относительно напряжения сети в процессе стабилизации напряжения на нагрузке. Такое регулирование осуществляется путем воздействия первым и вторым сигналами управления соответственно на выпрямитель и инвертор. Сигналы управления формируются из одного разностного сигнала, который получен в результате сравнения сигнала обратной связи с задающим сигналом. 2 ил.

Способ управления стабилизатором трехфазного напряжения, содержащим трехфазный вольтодобавочный трансформатор с вторичной обмоткой, включенной между сетью и нагрузкой, и первичной обмоткой, соединенной в звезду и подключенной к выходу инвертора, вход которого через преобразователь переменного напряжения в постоянное подключен к сети, заключающийся в суммировании напряжения сети с уменьшенным в коэффициент трансформации раз напряжением на выходе инвертора, при этом измеряют выходное напряжение стабилизатора, сравнивают его с напряжением заданного уровня и формируют разностный сигнал, из которого формируют первый сигнал управления и им, воздействуя на инвертор, изменяют фазу выходного напряжения инвертора α от 0 до π рад, в сторону опережения относительно напряжения сети, отличающийся тем, что из разностного сигнала формируют второй сигнал управления и им, воздействуя на преобразователь переменного напряжения в постоянное, изменяют среднее значение его выходного напряжения и фазу его выходного тока β относительно напряжения сети, причем в режиме вольтодобавки среднее значение выпрямленного напряжения регулируют углом выключения тиристоров, обеспечивая одновременное регулирование угла b в сторону опережения относительно напряжения сети, а в режиме вольтовычета регулирование среднего значения выпрямленного напряжения осуществляют углом выключения тиристоров, обеспечивая одновременное регулирование угла b в сторону отставания относительно напряжения сети.