СПОСОБ МНОГОЗОННОГО ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОГО УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ Российский патент 2000 года по МПК G05F5/00 G05F5/02 

Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике и может быть применено для регулирования напряжения или частоты на выходе многофазного вентильного преобразователя с непосредственной связью сети и нагрузки /управляемые выпрямители, непосредственные преобразователи частоты, регуляторы переменного напряжения/, силовая схема которых выполняется на полностью управляемых вентилях типа GTO, JGBT и др.

Известны способы управления преобразователями указанного класса на основе широтно-импульсной модуляции второго рода /ШИМ-2/, реализация которой осуществляется путем поочередного подключения с тактовой частотой цепи нагрузки к двум фазам сети, имеющим на каждом такте минимальные отклонения мгновенных значений напряжения по сравнению с управляющим сигналом, приведенным к выходной цепи преобразователя. Подобные способы регулирования предпочтительны тем, что обеспечивают минимальные перепады выходного напряжения при коммутациях, а значит, уменьшают глубину пульсаций тока и скачки обратного напряжения на вентилях /см., например, Повышение качества электрической анергии. Под ред. А.К. Шидловского. Киев; "Наук. думка", 1963, с. 140/.

Наиболее близким по технической сущности можно признать способ управления, который предполагает отыскание так называемых амплитудных зон в многофазной системе напряжений сети и соответствующее изменение алгоритма переключений вентилей в каждой из указанных зон /см. Способы управления преобразователями частоты с непосредственной связью и искусственной коммутацией. Рутманис Л.А., Дрейманис Я.П., Аржаник О.И. г. Рига; "Зинатне", 1976 г., с. 83/. Для реализации данного способа используется специальный анализатор амплитудных зон сетевых напряжений, наличие которого, на наш взгляд, усложняет систему широтно-импульсного управления преобразователем. Общие существенные признаки предлагаемого технического решения и указанного прототипа состоят в выделении тактовых интервалов длительностью 2π/m, границы которых совпадают с моментами перехода сетевых напряжений через нулевое значение и поочередном подключении цепи нагрузки к двум фазам сети, имеющим напряжения в течение такта в одной фазе большее, а в другой - меньшее по сравнению с приведенным к выходной цепи преобразователя сигналом управления, а также в регулировании длительности подключений на основе вертикального принципа путем отыскания моментов включения очередных и одновременного выключения работавших вентилей в моменты равенства управляющего и периодически изменяющихся синхронно с пульсирующим выпрямленным напряжением опорных сигналов.

Предлагаемое решение отличается тем, что опорные сигналы количеством m, равным числу пульсаций на периоде сети, и амплитудой отклонений, в m раз меньшей по сравнению с амплитудой изменения управляющего сигнала при регулировании выпрямленного напряжения во всем диапазоне от максимального отрицательного до максимального положительного значений (U_ум), формируют на выходе генератора первичного опорного сигнала непрерывной с периодом 2π/m формы, образованной чередованием линейно возрастающего участка в течение первой половины такта и линейно убывающего участка в течение второй половины этого же такта, а также на выходах m повторителей опорного сигнала, обладающих способностью смещения и инвертирования фазы выходного сигнала, так что у каждого повторителя с нечетным порядковым номером к = 1,3,...m-1 опорный сигнал на выходе смещен по уровню на величину, составляющую часть амплитуды управляющего сигнала, имея границы тактов, совпадающие с моментами перехода через нуль фазных напряжений сети, а у каждого повторителя с четным порядковым номером к 2,4,...m сигнал на выходе кроме смещения на указанную величину подвергнут фазовому сдвигу на 180 эл. градусов по сравнению с первичным опорным сигналом, имея при атом границы тактов, совпадающие с моментами перехода через нуль линейных напряжений сети, причем, если управление осуществляется в к-ой зоне, то есть управляющий сигнал изменяется в пределах и управляющие импульсы вырабатываются на выходе к-го повторителя, порядковий номер которого удовлетворяет условию то эти импульсы направляются для поочередного включения на каждом такте вентилей двух фаз сети, имеющих междуфазовый сдвиг и точку пересечения отрицательных полуволн на каждом периоде, совпадающую с серединой такта, причем включение вентилей одной из этих фаз в течение такта осуществляется дважды в моменты совпадения управляющего и опорного сигналов, а включение вентилей другой фазы - однократно в указанный момент пересечения отрицательных полуволн сетевых напряжений, совпадающий с серединой такта, если же управляющие импульсы будут вырабатываться на выходе повторителя с порядковым номером алгоритм включения вентилей будет аналогичным, с той лишь разницей, что в тактовые моменты будут включаться вентили тех фаз, у которых с серединой каждого такта будут совпадать точки пересечения не отрицательных, а положительных полуволн сетевых напряжений.

Технический результат предлагаемого решения состоит в упрощении системы управления преобразователем за счет устранения указанного выше анализатора амплитудных зон.

На фиг. 1 изображены временные диаграммы управляющего U_у, опорных U_опк и выпрямленного U_d напряжений, а также синхронизирующих импульсных сигналов временных зон 12, 22, 32, 42, 52, 62 и управляющих импульсов 1, 2, 3, 4, 5, 6, направляемых для включения очередных и одновременного выключения ранее работавших двухоперационных вентилей. Диаграммы иллюстрируют предложенный способ на примере управления 3-фазной мостовой схемой выпрямления. На фиг. 2 приведены блок-схема управляемого преобразователя /a/ и его регулировочные характеристики /б/, полученные интегрированием мгновенных значений выпрямленного напряжения на периоде пульсаций. На фиг. 3 изображена упрощенная схема цепей управления рассматриваемым преобразователем, иллюстрирующая один из возможных примеров ее исполнения, в данном случае на анологовой элементной базе.

С целью общности рассмотрения диаграммы на фиг. 1 изображают процесс отработки 3-фазным мостовым преобразователем управляющего сигнала, увеличивающегося от 0 до максимума. Полагается, что преобразователь выполнен по реверсивной двухмостовой встречно-параллельной схеме выпрямления на двухоперационных вентилях /см. фиг. 3/. Управление вентильными комплектами в подобных схемах может быть осуществлено путем одновременной подачи отпирающих импульсов на каждые два встречно-параллельных вентиля разных мостов, подключенных к одной фазе. Известно, что подобная реализация совместного согласованного управления вентильными комплектами возможна лишь при наличии запираемых вентилей, обеспечивая мгновенную готовность к возникновению выпрямительного или инверторного режима без появления уравнительных токов. С целью наглядности указанные противопараллельные вентили разных мостов обозначены на фиг. 3 одинаковыми номерами. Отыскание моментов переключения вентилей осуществляется по вертикальному принципу, то есть в точках равенства управляющего и опорных сигналов U_у = U_опк, где к = 1, 2, 3,...6 - номер опорного сигнала, совпадающий с порядковым номером зоны управления. Полагается, что при работе в зонах к = 1, 2, 5, 6 каждое включение очередных вентилей сопровождается одновременным выключением ранее работавших вентилей, а в зонах с номерами к = 3, 4 указанное выключение вентилей не производится, что обеспечивает кратковременное шунтирование нагрузки, способствующее получению формы выпрямленного напряжения с минимальными пульсациями.

Особенность предлагаемого способа управления состоит в наличии нескольких опорных сигналов, из которых первичный опорный сигнал изображен на диаграммах утолщенной линией. Как видно, этот сигнал на каждом периоде /такте/ длительностью 2π/6 имеет форму равнобедренного треугольника с величиной, синхронизированной с точкой пересечения тех полуволн сетевых напряжений, которые участвуют в процессе переключений на данном такте. Амплитуда первичного опорного сигнала в m = 6 раз меньше по сравнению с амплитудой изменения управляющего сигнала U_ум, необходимой для изменения выпрямленного напряжения от максимального отрицательного до максимального положительного значений. Первичный опорный сигнал повторяется на выходах к 1, 2, 3, . . .6 повторителей, причем опорные сигналы на выходах повторителей с нечетными номерами, обозначенные 11, 31, 51, отличаются от первичного смещением по уровню на постоянную величину, равную часть амплитуды управляющего сигнала U_ум, а опорные сигналы на выходах повторителей с четными номерами, обозначенные как 21, 41, 61, отличаются от первичного сигнала еще и тем, что изменены по фазе на 180 эл. градусов. Синхронизирующие импульсы временных зон 12, 32, 52 показывают, что опорные сигналы на выходах повторителей с нечетными номерами имеют границы тактов, совпадающие с моментами перехода через нуль фазных напряжений сети, а опорные сигналы повторителей с четными номерами имеют границы тактов, совпадающие с моментами перехода через нуль линейных напряжений сети. Сравнение управляющего и опорных сигналов осуществляется по параллельному принципу, однако выработка управляющих импульсов будет происходить в течение такта на выходе только одного повторителя-формирователя, порядковый номер которого соответствует зоне управления. Так, если значение управляющего сигнала находится в пределах 0 ≤ U_у ≤ U_ум/6, выработка управляющих импульсов будет происходить с выхода к = 1-го повторителя-формирователя в моменты равенства управляющего U_у и опорного 11 сигналов. В данной зоне широтно-импульсной модуляции должны подвергаться пары сетевых напряжений, имеющие на каждом такте наиболее отрицательные значения по сравнению с напряжениями других фаз, например напряжения U_ac и U_bc на интервале появления синхроимпульса 12. Нетрудно заметить, что указанные линейные напряжения должны иметь минимальный межфазовый сдвиг 2π/6 и точку пересечения отрицательных полуволн, совпадающую с серединой текущего такта, границы которых совпадают с моментами перехода через нуль фазных напряжений сети и определяются синхронизирующими импульсами 12, 32, 52. Как будет показано, данный признак может быть положен в основу работы распределителя управляющих импульсов по вентилям моста. Заявленный алгоритм предусматривает общее 4-кратное переключение вентилей на каждом такте, из них 2-кратное включение одних и тех же вентилей в моменты равенства управляющего и опорного сигналов, чередующееся с включением других пар вентилей в начале и середине такта. Например, 2-кратное включение вентилей 1, 2, подключенных к напряжению U_ac в моменты t₁, t₂, чередуются с включением вентилей 2, 3, находящихся под напряжением U_bc, сдвинутым по фазе 2π/6 в моменты, совпадающие с началом и серединой такта. Если управляющий сигнал возрастет и окажется в пределах U_ум/6 ≤ U_у ≤ U_ум/3, управляющие импульсы начнут вырабатываться с выхода к = 2-го повторителя-формирователя в моменты равенства с опорным сигналом 21. Последний по сравнению с первичным опорным сигналом 11 смещен по уровню на 2π/6 и сдвинут по фазе на 180^o. В данной зоне границы тактов совпадают с моментами перехода через нуль линейных напряжений сети и задаются синхроимпульсами 22, 42, 62. При этом управляющие импульсы должны направляться на вентили тех пар линейных напряжений сети, которые имеют межфазовый сдвиг 4 π /6 и точку пересечения отрицательных полуволн, совпадающую с серединой текущего такта. Например, на интервале появления синхроимпульса 62 включения вентилей 3, 4, находящихся под напряжением U_ba в моменты t₆, t₇, должны чередоваться с включениями вентилей 5, 6, находящихся под напряжением U_cb в начале и середине такта. Если управляющий сигнал начнет изменяться в к = 3-й зоне в пределах U_ум/3 ≤ U_у ≤ U_ум/2, управляющие импульсы будут появляться с выхода повторителя-формирователя в моменты равенства с опорным сигналом 31. Данный опорный сигнал смещен по уровню на величину 2U_ум/3, а границы тактов так же, как и в первой зоне задаются синхроимпульсами 12, 32, 52. В зонах с номерами к = 3, 4 переключениям подвергаются вентили тех линейных напряжений сети, которые имеют на рассматриваемом такте фазовый сдвиг π рад. При этом с целью уменьшения пульсаций включения вентилей указанных фаз должны чередоваться с шунтированием цепи нагрузки противофазными вентилями моста. Как следует из диаграмм на фиг. 1, такая работа вентилей не требует какого-либо изменения алгоритма переключений. Так, например, включение вентилей 2, 3 в середине такта 52 приведет к подключению нагрузки к линейному напряжению. Последующее включение вентилей 5, 6, подключенных к напряжению U_cb в момент t₁₂, приведет к шунтированию цепи нагрузки до следующего переключения. Работа преобразователя в 5 и 6-й зонах управления будет отличаться лишь тем, что в процессе широтно-импульсной модуляции участвуют те напряжения сети, у которых с серединой текущего такта совпадает точка пересечения положительных полуволн.

Представленный алгоритм управления отвечает необходимому условию плавного изменения среднего выпрямленного напряжения в процессе регулирования при переходе из одной зоны в другую. Получим выражения регулировочной характеристики, связывающей среднее значение выпрямленного напряжения с управляющим напряжением U_d = f(U_у), полагая, что структурная схема преобразователя состоит из двух последовательно включенных звеньев: системы управления /СУ/ с характеристикой α = f(U_у) и собственно вентильного преобразователя /ВП/ с характеристикой Ud = f(α) /см. фиг. 2а/. Записывая уравнения точки встречи управляющего и опорного сигналов и осуществляя после этого интегрирование и усреднение выпрямленного напряжения за период пульсаций 2π/6, приведем уравнения регулировочных характеристик указанных звеньев:
в первой зоне 0 ≤ U_у ^* ≤ 5/30


во второй зоне 5/30 ≤ U_у ^* ≤ 10/30


в третьей зоне 10/30 ≤ U_у ^* ≤ 15/30


Ввиду симметрии напряжения выражения регулировочных характеристик в остальных зонах регулирования будут аналогичными. Результаты расчета приведенных уравнений сведены в таблицу.

График регулировочной характеристики U_d ^* = f(U_у ^*), построенный на фиг. 2б, свидетельствует, что отклонения данной зависимости от идеальной линейной формы не превышают нескольких процентов.

Реализация преложенного способа управления возможна с помощью устройства, изображенного на фиг. 3. Устройство содержит реверсивный преобразователь по 3-фазной мостовой схеме выпрямления на встречно-параллельных тиристорах 1 - 6, потенциометрический задатчик управляющего напряжения 7 с цепью смещения U_ум/2, необходимой для согласования знакопеременного задающего сигнала U_з с однополярной характеристикой системы управления, генератор первичного опорного сигнала 8, подключенный входом с целью синхронизации к обмоткам сетевого согласующего трансформатора, а выходом - к параллельным входам повторителей опорного сигнала 9-14, выполняющим одновременно функции формирователей управляющих импульсов. Полагается, что последние вырабатывают управляющие импульсы на своих выходах в соответствии с вертикальным принципом в моменты равенства управляющего и опорных сигналов. В связи с этим вторые параллельные входы указанных повторителей-формирователей подключены к выходу потенциометрического задатчика. Управляющие импульсы, в каждый момент выделяющиеся на одном из выходов повторителей-формирователей, поступают на входы распределителя управляющих импульсов, который содержит формирователи синхронизирующих импульсов, фронты которых совпадают с моментами перехода через нулевое значение фазных /15/ и линейных /16/ напряжений сети, которые также подключены своими входами к обмоткам согласующего трансформатора, а выходами к формирователям синхронизирующих импульсов временных зон 17, 18. На выходах формирователя 17 выделяются синхроимпульсы, границы которых определяют длительность тактов опорных сигналов, с нечетными порядковыми номерами, а на выходе формирователя 18 - синхроимпульсы, определяющие длительность тактов опорных сигналов с четными номерами. Распределитель состоит из шести идентичных каналов управления, каждый из которых предназначен для выработки импульсов управления определенной пары силовых вентилей. Так, например, канал управления вентилями 1, 2 содержит десять логических схем совпадения, первые входы которых подключаются к выходам повторителей-формирователей управляющих импульсов. Вторые входы указанных схем совпадения служат для подачи синхроимпульсов временных зон. Тогда, если управляющие импульсы будут формироваться на выходе повторителя 9 /первая зона управления/, то они будут поступать на вентили 1, 2 в течение тех интервалов времени, пока на выходе формирователя 17 будут выделяться синхроимпульсы 12. Аналогично работают остальные каналы распределителя импульсов. Включение вентилей в тактовые моменты происходит с помощью специального формирователя тактовых импульсов, который также состоит из шести одинаковых каналов. Полагается, что выработке импульса в начале каждого такта должно предшествовать появление управляющего импульса с одного из выходов рассмотренного выше распределителя. Поступление последнего на S-вход триггера 19 приведет к появлению разрешающего сигнала на входе логической схемы совпадения 20. В результате появление очередного тактового импульса с общего выхода формирователя 15 приведет к тому, что этот импульс будет пропущен на выход логической схемы 20, а далее - на управляющие электроды силовых вентилей 2, 3, что необходимо в соответствии с указанным алгоритмом. Одновременно с этим произойдет сброс триггера 19 в исходное состояние. Аналогично работают цепи формирования управляющих импульсов в середине такта, содержащие триггер 21 и логическую схему совпадения 22. Полагается, что таким же образом могут быть выполнены остальные каналы распределителя.

Способ обеспечивает непрерывное регулирование напряжения на выходе многофазного вентильного преобразователя, выполненного на двухоперационных ключах, путем сочетания амплитудной и широтно-импульсной модуляции. Возрастание управляющего сигнала сопровождается ступенчатым изменением амплитуды среднего значения выходного напряжения при переходе из одной зоны регулирования в другую, дополняемое плавным регулированием этого напряжения внутри каждой зоны способом широтно-импульсной модуляции. Выработка управляющих импульсов осуществляется на основе вертикального принципа в результате одновременного сравнения управляющего и периодически изменяющихся синхронно с пульсациями выпрямленного напряжения опорных сигналов количеством, равным числу амплитудных зон, и формой, отличающейся друг от друга смещением по уровню и начальной фазой. Переключение вентилей в указанные моменты чередуется с переключением в тактовые моменты, совпадающие с началом и серединой каждого такта. Может быть использован в преобразователях с непосредственной связью сети и нагрузки для расширения частотной полосы пропускания и уменьшения амплитуды пульсаций напряжения и тока, что является техническим результатом. 3 ил., 1 табл.

Способ многозонного широтно-импульсного управления вентильным преобразователем путем выделения тактовых интервалов длительностью 2π/m, границы которых совпадают с моментами перехода напряжений сети через нулевое значение и поочередного подключения выходной цепи нагрузки к двух фазам сети, имеющим напряжения на указанном тактовом интервале в одной фазе большее, а в другой - меньшее по сравнению с приведенным к выходной цепи преобразователя сигналом управления, а также регулирование длительности подключений на основе вертикального принципа отысканием моментов включения и одновременного выключения ранее работавших вентилей в точках равенства управляющего и периодически изменяющихся синхронно с пульсирующим выпрямленным напряжением опорных сигналов, отличающийся тем, что, опорные сигналы количеством m, равным числу пульсаций на периоде сети и амплитудой отклонений, в m раз меньшей по сравнению с амплитудой изменения управляющего сигнала при регулировании выпрямленного напряжения во всем диапазоне от максимального отрицательного до максимального положительного значения (U_ум), формируют на выходе генератора первичного опорного сигнала непрерывной с периодом 2π/m формы, образованной чередованием линейно возрастающего участка в течение первой половины такта и линейно убывающего участка в течение второй половины этого же такта, также на выходах m повторителей опорного сигнала, обладающих способностью смещения по уровню и инвертирования фазы выходного сигнала, так, что у каждого повторителя с нечетным порядковым номером к = 1, 3, ...m-1 опорный сигнал на выходе имеет границы тактов, совпадающие с моментами перехода через нуль фазных напряжений сети, причем каждый смещен по уровню на величину, составляющую ую часть амплитуды управляющего сигнала U_ум, а у каждого повторителя с четным порядковым номером к = 2, 4, ...m опорный сигнал на выходе кроме смещения на указанную величину подвергнут фазовому сдвигу на 180 эл.град. по сравнению с первичным опорным сигналом, имея при этом границы тактов, совпадающие с моментами перехода через нуль линейных напряжений сети, причем, если управление осуществляется в к-ой зоне, то есть управляющий сигнал изменяется в пределах и управляющие импульсы вырабатывают на выходе к-го повторителя-формирователя, порядковый номер которого удовлетворяет условию то эти импульсы направляются для поочередного включения на каждом такте вентилей двух фаз сети, имеющих междуфазовый сдвиг и точку пересечения отрицательных полуволн на каждом периоде, совпадающую с серединой текущего такта, при этом включение вентилей одной из этих фаз в течение такта осуществляется дважды в момент совпадения управляющего и опорных сигналов, а включение вентилей другой фазы - однократно в указанный момент пересечения отрицательных полуволн сетевых напряжений, совпадающий с серединой такта, если же управляющие импульсы будут вырабатываться на выходе повторителя-формирователя с порядковым номером , алгоритм включения вентилей будет аналогичным, с той лишь разницей, что в тактовые моменты будут включаться вентили тех фаз, у которых с серединой текущего такта будут совпадать точки пересечения положительных полуволн сетевых напряжений.