СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТЬЮ НА СЕТЕВОМ ВХОДЕ ОДНОФАЗНОГО ВЕНТИЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Российский патент 2000 года по МПК H02M7/12 H02M7/155 

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 ≤ α₁ ≤ π, второй раз - постоянно в момент начала отрицательной полуволны сетевого напряжения α₂ = π с одновременным запиранием работавших вентилей и в третий раз - с опережающим углом управления -π ≤ α₃≤ 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 α₁ = 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 |α₃| = 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 |α₃| = π-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 α₁ и третьем α₃ включениях вентиля и постоянстве второго включения α₂= π можно обеспечивать не только регулирование и изменение знака средневыпрямленного напряжения, но и изменять величину и знак фазового сдвига ϕ₁ 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 cosϕ₁, 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<α₁<π/2,-π/2<α₃<0 обеспечивается регулирование выпрямленного напряжения положительного знака в выпрямительном /фиг.1а,д/ и в инверторном /фиг.1б,е/ режимах, а регулирование в диапазонах π/2<α₁<π;-π<α₃< -π/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 α₁,α₃ позволит осуществить независимое пропорциональное регулирование активной и реактивной мощности в пределах

Граничные значения управляющих сигналов и угла управления α_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 α₁= 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 α _→ 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.

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.

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 ≤ α₁ ≤ π, второй раз - постоянно в момент начала отрицательной полуволны сетевого напряжения на аноде α₂ = π с одновременным запиранием работавших вентилей и третий раз - с опережающим углом управления - π < α₃ ≤ 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 α₁ = 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 |α₃| = 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 α₁ = 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 |α₃| = π-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