СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ КОМПЛЕКТАМИ ДВУХОПЕРАЦИОННЫХ ВЕНТИЛЕЙ РЕВЕРСИВНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Российский патент 2001 года по МПК H02M7/219 H02M7/758 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть применено для управления вентильными комплектами реверсивных преобразователей, выполненных на двухоперационных вентилях, например, JGBT, MOSFET-транзисторах или тиристорах с искусственной коммутацией.

Известен способ совместного согласованного управления вентильными комплектами реверсивных преобразователей на однооперационных (незапираемых) тиристорах, который в отличие от раздельного способа предполагает подачу управляющих импульсов на оба вентильных комплекта независимо от направления тока нагрузки (см., например, Перельмутер B.M., Сидоренко B.A. Системы управления тиристорными электроприводами постоянного тока.- Энергоатомиздат, 1988, с. 67). Согласование углов управления первым (α₁≥0) и вторым (α₂≥0) вентильными комплектами чаще всего осуществляется по закону α₁+ α₂ = π, в результате чего в уравнительной цепи присутствует уравнительное напряжение переменной формы без постоянной составляющей, что ведет к появлению уравнительного тока, для ограничения которого требуются специальные уравнительные реакторы. При выполнении преобразователя на двухоперационных (запираемых) вентилях или однооперационных тиристорах с искусственной коммутацией реализация идеи совместного согласованного управления возможна без появления не только средней, но и мгновенной составляющих напряжения и тока в уравнительной цепи, исключающей необходимость в уравнительных реакторах как в статических, так и в динамических режимах работы преобразователя. Однако следует признать, что данный результат наблюдается лишь при условии мгновенной коммутации фазных токов. В реальных схемах преобразователей подобного типа вследствие конечной длительности коммутаций в уравнительных цепях могут развиваться так называемые коммутационные уравнительные токи, ограничение которых потребует сохранения в указанных цепях токоограничивающих реакторов, но значительно меньшей индуктивности. Следовательно, выполнение данных преобразователей в общем случае может осуществляться не только по встречно-параллельной, но также и по другим известным схемам соединения вентильных комплектов, применяющимся при совместном управлении для уменьшения количества указанных реакторов.

Наиболее близким техническим решением следует признать способ управления, описанный в статье Г.Г. Магазинника, И.В. Дудченко, В.А. Тихомирова "Реверсивный тиристорный преобразователь с совместным согласованным управлением без уравнительных токов".- Труды Горьковского политехн. ин-т, вып. 4, 1971, Горький, с. 58-61. Описание данного способа дается на примере фазового управления реверсивным преобразователем по встречно-параллельной двухкомплектной схеме выпрямления, в которой один из комплектов выполнен на однооперационных тиристорах и потому работает в диапазоне отстающих углов управления 0 ≅ α₁ < π c естественной коммутацией, а другой комплект - в диапазоне опережающих углов управления π ≅ α₂< 0 с искусственной коммутацией. Сущность способа состоит в согласовании углов управления по закону α₁+|α₂| = π , обеспечивающему сочетание достоинств раздельного и совместного способов управления, а именно отсутствие уравнительного тока в условиях мгновенной коммутации, с одной стороны, и готовность в каждый момент к изменению режима, исключающую возможность режима прерывистого тока нагрузки - с другой стороны. Однако описание способа в указанной трактовке имеет отношение лишь к кругу двухкомплектных реверсивных преобразователей, выполненных по встречно-параллельной схеме, работающих при фазовом способе регулирования выпрямленного напряжения. Вместе с тем в преобразователях указанного типа для улучшения динамических и энергетических показателей все большее применение начинают получать способы регулирования на основе высокочастотных методов модуляции с многократным включением каждого вентиля на периоде сетевого напряжения. При этом выполнение двухкомплектного преобразователя в силу указанных выше причин возможно не только по встречно-параллельной, но также по перекрестной и так называемой H-схеме выпрямления. Поэтому целью изобретения являлось распространение идеи совместного управления вентильными комплектами без уравнительных токов на все остальные известные варианты выполнения двухкомплектных реверсивных преобразователей на двухоперационных вентилях независимо от силовой схемы и принятого закона модуляции.

Для этого в общем случае предлагается одновременная подача отпирающих импульсов на очередные вентили обоих комплектов, включение которых приводит к соединению цепи нагрузки с одними и теми же фазами сети или вторичными обмотками силового согласующего трансформатора в очередности, зависящей от принятых способа модуляции при регулировании и числа переключений вентиля на периоде сетевого напряжения.

Реализация данного способа возможна в трех вариантах, в зависимости от соединения вентильных комплектов в силовой схеме реверсивного преобразователя.

Первый вариант предназначен для применения в преобразователях, выполненных на основе встречно-параллельного соединения двух вентильных комплектов, один из которых содержит в зависимости от принятой схемы выпрямления одну или несколько катодных или анодных вентильных групп, пропускающих ток нагрузки в положительном направлении, а другой комплект содержит равное количество противофазных к указанным вентильных групп, пропускающих ток нагрузки в отрицательном направлении. Способ отличается одновременной не зависящей от направления тока нагрузки подачей отпирающих импульсов на очередные вентили первого комплекта и противофазные к указанным вентили второго комплекта, подключенные к тем же фазам сети или вторичным обмоткам двухобмоточного согласующего трансформатора.

Второй вариант предназначен для применения в реверсивных преобразователях, выполненных по перекрестной схеме соединения двух вентильных комплектов, каждый из которых состоит из вентильных групп, пропускающих ток нагрузки в одном направлении с применением трехобмоточного согласующего трансформатора, содержащего две вторичные обмотки, напряжения в которых в зависимости от направления намотки могут быть в фазе или противофазе друг к другу. Способ отличается одновременной подачей отпирающих импульсов на очередные вентили в составе вентильных групп первого комплекта, подключенные к выводам одной вторичной обмотки, а также в зависимости от схемы соединения вторичных обмоток трансформатора - или на противофазные к указанным вентильные группы второго комплекта, подключенные к выводам другой вторичной обмотки трансформатора, напряжения в которых изменяются в фазе к указанным или на одноименные указанным вентильные группы второго комплекта, подключенные к выводам другой вторичной обмотки, напряжения в которых изменяются в противофазе к напряжениям указанной обмотки.

Третий вариант предназначен для применения в так называемой H-схеме, содержащей трехобмоточный трансформатор с объединенными с помощью реактора средними точками двух одинаковых вторичных обмоток и два вентильных комплекта, половина вентильных групп каждого из которых подключенa к выводам одной, а другая половина - к выводам другой из указанных вторичных обмоток. Способ отличается одновременной подачей отпирающих импульсов на очередные вентили в составе разноименных вентильных групп первого комплекта, подключенные к выводам разных вторичных обмоток, а также на вентили второго комплекта, входящие в состав противофазных указанным вентильных групп, подключенные в параллель к тем же вторичным обмоткам трансформатора.

На фиг. 1 представлены схемы указанных вариантов двухкомплектных реверсивных преобразователей в 3-фазном мостовом исполнении, а именно по встречно-параллельной схеме (а), по перекрестной схеме (б) и H-схеме (в) соединения двух мостов. На фиг. 2 в качестве пояснения изображены временные диаграммы выпрямленного напряжения u_d(t) и тока i_d(t), а также управляющих импульсов для двухоперационных вентилей первого 1-6 и второго 7-12 комплектов. Управляющие импульсы на интервалах проводящего состояния вентиля выделены штриховкой, при этом полагается, что передний фронт каждого импульса совпадает при мгновенной коммутации с моментом включения, а задний фронт - с моментом выключения вентиля. Диаграммы иллюстрируют работу преобразователя при произвольно выбранном законе модуляции с двукратным включением каждого вентиля на периоде сети, при этом полагается, что в момент t₁ подана команда на реверс и вследствие изменения скважности импульсов произошло изменение полярности средневыпрямленного напряжения, а затем и тока нагрузки.

Очевидно, что полного устранения уравнительного напряжения и тока (в условиях мгновенной коммутации) можно добиться при равенстве в каждый момент не только средних, но и мгновенных значений напряжения на выходах вентильных комплектов. Это условие может быть выполнено в преобразователях на двухоперационных вентилях в результате одновременного включения и выключения вентилей в составе разных комплектов, соединяющих цепь общей нагрузки с одними и теми же фазами сетевого питающего напряжения. При указанном на фиг. 1 чередовании фаз номера одновременно управляемых вентилей в составе разных комплектов обозначены как 1 и 7(10), 2 и 8(11), 3 и 9(12), 4 и 10(7), 5 и 11(8), 6 и 12(9), при этом номера, указанные в скобках, соответствуют случаю применения в схеме фиг. 1б трехобмоточного трансформатора, у которого напряжения вторичных обмоток изменяются в противофазе, то есть обмотки выполнены по схеме "звезда- обратная звезда".

Работу преобразователей в условиях предложенного способа управлении вентильными комплектами рассмотрим на интервале t₂-t₃, на котором происходит изменение направления тока нагрузки. Данный интервал соответствует одновременной подаче широких импульсов, равных по длительности проводящему состоянию вентилей 1 и 2 в составе первого комплекта, а также 7(10) и 8(11) в составе второго комплекта. Тогда в схеме фиг. 1a протекание тока в положительном направлении будет происходить по цепи, содержащей вентиль 1 в катодной группе и вентиль 2 в анодной группе первого моста, а в отрицательном направлении - вентиль 7 в анодной группе и вентиль 8 в катодной группе второго моста. Работа будет происходить при одном и том же напряжении на выходах вентильных комплектов (мостов) u_d и d_AC и соответственно нулевом уравнительном напряжении. Возможное появление уравнительного тока на интервалах коммутации контролируется включением в цепи коммутирующих вентилей четырех реакторов малой индуктивности.

В схеме фиг. 1б в случае применения синфазных вторичных обмоток протекание тока в положительном направлении будет происходить по цепи, содержащей вентиль 1 в катодной группе и вентиль 2 в анодной группе первого моста, а в отрицательном направлении - вентили 7 и 8, находящиеся в противофазных к указанным группах второго моста. В случае применения противофазных вторичных обмоток в составе второго комплекта на указанном интервале необходимо включить вентили 10, 11 одноименных указанным вентильных групп. В результате в обоих случаях мгновенные напряжения на выходах комплектов окажутся одинаковыми, равными u_d=u_AC, что также ведет к устранению уравнительного напряжения. Ограничение возможного на интервалах коммутации уравнительного тока в данной схеме в отличие от рассмотренной осуществляется с помощью только двух реакторов.

В схеме фиг. 1в протекание тока в положительном направлении будет происходить по цепи, содержащей вентиль 1 в катодной группе первого моста и вентиль 2 в анодной группе второго моста, а в отрицательном направлении - вентиль 7 анодной группы второго моста и вентиль 8 катодной группы первого моста. В обоих случаях напряжения на выходах вентильных комплектов будут одинаковыми и, следовательно, уравнительное напряжение, как и в ранее рассмотренных вариантах, отсутствует. Достоинством данного варианта схемы, как известно, является наличие только одного реактора в уравнительной цепи, который может служить для ограничения тока данной цепи на интервалах коммутации.

Таким образом, предложенный способ управления во всех указанных вариантах выполнения силовой схемы приводит к одинаковому положительному результату - полному устранению в условиях мгновенной коммутации уравнительного напряжения и тока как в статических, так и в динамических режимах работы преобразователя. Это свойство, как отмечалось, позволяет обеспечить сочетание достоинств совместного и раздельного управления, а именно исключить из состава преобразователя уравнительные реакторы при сохранении мгновенной готовности к изменению режима, устраняющей возможность появления прерывистого тока нагрузки.

Изобретение может быть использовано для организации совместного согласованного управления вентильными комплектами m-фазных реверсивных преобразователей на IGBT, MOSFET-транзисторах или тиристорах с искусственной коммутацией. Предлагается одновременная подача управляющих импульсов на очередные вентили в составе обоих комплектов, включение которых приводит к соединению цепи нагрузки с одними и теми же фазами сети или вторичными обмотками силового согласующего трансформатора, что позволяет в связи с отсутствием уравнительного напряжения в условиях мгновенной коммутации полностью исключить из состава преобразователя уравнительные реакторы, а в условиях конечной длительности коммутаций фазных токов существенно уменьшить индуктивность этих реакторов, что является техническим результатом. Реализация предложенного способа возможна в трех вариантах в зависимости от выполнения реверсивного преобразователя по встречно-параллельной, перекрестной или Н-схемам. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ управления комплектами двухоперационных вентилей реверсивных преобразователей, выполненных по встречно-параллельной или перекрестной или Н-схемам, предполагающий подачу управляющих импульсов на вентили обоих комплектов, один из которых пропускает ток нагрузки в положительном направлении, а другой - в отрицательном направлении, а также согласование моментов включения вентилей разных комплектов по определенному, заранее установленному закону, отличающийся одновременно подачей отпирающих импульсов на очередные вентили первого комплекта и противофазные им вентили второго комплекта, подключенные к вторичным обмоткам согласующего трансформатора или к тем же фазам сети. 2. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что в реверсивных преобразователях, выполненных по перекрестной схеме с применением трехобмоточного согласующего трансформатора и двух вентильных комплектов, каждый из которых состоит из вентильных групп, подключенных к одной из двух одинаково выполненных вторичных обмоток трансформатора, отпирающие импульсы подают одновременно на очередные вентили в составе групп первого комплекта и на вентили в составе противофазных указанным вентильных групп второго комплекта, подключенных к разным вторичным обмоткам, напряжения в которых изменяются в фазе друг к другу. 3. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что в реверсивных преобразователях, выполненных по Н-схеме, содержащей трехобмоточный согласующий трансформатор с объединенными с помощью реактора средними точками двух одинаково выполненных вторичных обмоток и два вентильных комплекта, половина вентильных групп каждого из которых подключена к выводам одной, а другая половина - к выводам другой из обмоток, отпирающие импульсы подают одновременно на очередные вентили в составе разноименных вентильных групп первого комплекта, подключенных к выводам разных вторичных обмоток, а также на вентили второго комплекта, входящие в состав противофазных указанным вентильных групп, подключенных в параллель к тем же вторичным обмоткам трансформатора.