МНОГОКАНАЛЬНЫЙ БЛОК ПЕРИОДИЧЕСКОЙ РАЗВЕРТКИ ДЛЯ УПРАВЛЯЕМОГО МНОГОФАЗНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ Российский патент 2002 года по МПК H02M7/02 

Изобретение относится к области автоматического управления и предназначено в основном для тиристорных многофазных выпрямителей.

Известен блок управления преобразователем напряжения с ШИМ, в котором для формирования управляющего сигнала, переключающего импульсный элемент, используется сигнал временной развертки с пилообразным напряжением [1].

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является блок периодической развертки для преобразователя напряжения, содержащий узел напряжений и формирователь развертки, формирователь развертки состоит из двух узлов интегрирования и суммирующего усилителя, выход суммирующего усилителя является выходом блока периодической развертки, входы узла напряжений соединены с шинами питания и выходной шиной преобразователя, узел напряжений имеет два выхода, на первом выходе узла напряжений формируется сигнал, пропорциональный напряжению, приложенному к дросселю фильтра после коммутации ключевого элемента преобразователя, на втором выходе узла напряжений формируется сигнал, пропорциональный напряжению, приложенному к дросселю фильтра до коммутации ключевого элемента преобразователя, аналоговый вход первого узла интегрирования соединен с первым выходом узла напряжений, преобразователя, аналоговый вход второго узла интегрирования соединен со вторым выходом узла напряжений, установочные входы обоих узлов интегрирования соединены с шиной синхронизации, первый узел интегрирования имеет один выход, второй узел интегрирования имеет два выхода, все выходы узлов интегрирования соединены с входами суммирующего усилителя [2].

В известном блоке периодической развертки сигнал периодической развертки формируется по следующему выражению:

где L - индуктивность дросселя фильтра, U1_L(t), U2_L(t) - напряжения на дросселе фильтра для режимов до и после коммутации ключевого элемента, U1_L= U1_вх-U_вых, U2_L=U2_вх-U_вых,
U1_вх - напряжение питания, подаваемое на вход фильтра до коммутации ключевого элемента,
U2_вх - напряжение питания, подаваемое на вход фильтра после коммутации ключевого элемента,
t_c - моменты синхронизации (возвращения ключевого элемента и интеграторов в исходное состояние),
Т_n - период коммутации (t_c<t<t_c+T_n).

Из уравнения 1 следует, что диапазон изменения угла управления ключевыми элементами ограничен периодом коммутации, а полный диапазон регулирования угла отпирания тиристоров, например, для трехфазного мостового выпрямителя без нулевого диода равен 90^o, в режиме прерывистого тока дросселя он может достигать 120^o, это больше длительности периода коммутации T_nω = 60^°. Поэтому при формировании сигнала временной развертки приходится выбирать диапазон регулирования угла отпирания тиристоров не превышающим длительности периода коммутации.

Цель изобретения состоит в обеспечении максимального диапазона регулирования угла управления тиристорами.

Поставленная цель достигается тем, что сигнал периодической развертки формируется суммирующим усилителем из сигналов, пропорциональных входным и выходным напряжениям выпрямителя.

Сущность изобретения заключается в том, что в многофазном выпрямителе входные напряжения описываются синусоидальными функциями, поэтому уравнение (1) имеет решение, выраженное через входные и выходные напряжения выпрямителя, следовательно, периодический сигнал развертки можно формировать непосредственно из сигналов, пропорциональных входным и выходному напряжениям выпрямителя, что позволяет обеспечить максимальный диапазон для угла управления тиристорами без ограничений на период коммутации. Учет режима прерывания тока в дросселе фильтра осуществляется введением поправок в сигнал периодической развертки.

На чертеже приведена структурная схема многоканального блока периодической развертки для управляемого многофазного выпрямителя.

Многоканальный блок периодической развертки для управляемого многофазного выпрямителя содержит узел напряжений 1 и n формирователей разверток Е₁÷E_n, по одному для каждого из n каналов управления, входы узла напряжений 1 соединены с входными шинами питания U₁÷U_m и выходной шиной выпрямителя U_вых, узел напряжений 1 имеет выходы для сигнала, пропорционального выходному напряжению выпрямителя Y_вых и сигналов, пропорциональных входному напряжению выпрямителя для каждого периода коммутации Y₁÷Y_n, каждый формирователь развертки E₁÷Е_n содержит суммирующий усилитель 2, выход которого является выходом блока периодической развертки для соответствующего канала управления Y_p1÷Y_pn, суммирующие усилители 2 имеют по три входа, первый вход каждого суммирующего усилителя 2 соединен с выходом узла напряжений 1 для соответствующего периода коммутации, второй вход каждого cуммирующего усилителя 2 соединен с выходом узла напряжения 1 для предыдущего периода коммутации, третий вход суммирующего усилителя 2 всех формирователей развертки E₁÷Е₆ соединен с выходом узла напряжений 1 для выходного напряжения выпрямителя Y_вых.

Рассмотрим работу многоканального блока периодической развертки для управляемого многофазного выпрямителя на примере управляемого трехфазного мостового выпрямителя. Длительность одного периода пульсаций для мостовых схем составляет T_n= 1/2mf, или в угловых координатах ωT_n = π/m (f_c=50 - частота питающей сети, m=3 - число фаз питающей сети), при этом на входные шины питания поступают напряжения U₁=U_А, U₂=U_В, U₃=U_С, и на вход силового фильтра выпрямителя поступают линейные напряжения в следующей последовательности: U_AB, U_АС, U_ВС, U_ВА, U_СА, U_СВ. На выходах узла напряжений 1 формируются сигналы, пропорциональные входным и выходному напряжениям выпрямителя соответственно
Y_вых= k_унU_вых, Y₁= Y_АВ= k_унU_АВ, Y₂=Y_АС=k_унU_АС, Y₃=Y_ВС=k_унU_ВС, Y₄=Y_ВА= k_унU_ВА, Y₅=Y_СА=k_унU_СА, Y₆=Y_СВ=k_унU_СВ,
где k_yн - коэффициент передачи.

В многофазных выпрямителях работа всех каналов регулирования идентична, поэтому достаточно рассмотреть любой из них, например для первого. В установившемся режиме работы длительность периода коммутации ωT_n = 60^° = π/3 рад независимо от момента коммутации. Формирование сигнала временной развертки Y_рAB по (1) проводится с учетом того, что до коммутации на вход силового фильтра подается линейное напряжение U_СВ, а после - напряжение С_АВ, соответственно U1_L=U_СВ-U_вых, U2_L=U_АВ-U_вых,

где U_AB = U_мsin(ωt), U_CB = U_мsin(ωt+π/3),ω = 2π•f.
Пренебрегая пульсациями напряжений U_м, U_вых на интервале периода коммутации на решение уравнения (2), его можно преобразовать к виду

где k₁, k₂ и k₃ - масштабные коэффициенты при сигналах, пропорциональных входным и выходному напряжению выпрямителя

Сигнал Y_рАВ по уравнению (3) формируется с помощью суммирующего усилителя 2 формирователя развертки E₄.

Для учета возможного режима прерывания тока в дросселе фильтра выпрямителя в многоканальный блок периодической развертки дополнительно введены датчик тока, формирователи поправок 3, 4₁÷4_n и узел включения поправок 5, при этом по одному формирователю поправок 4 введено в каждый формирователь развертки Е₁÷Е_n и введен один общий формирователь поправки 3, датчик тока включен в цепь дросселя фильтра выпрямителя, формирователи поправок 3, 4₁÷4_n имеют аналоговый и установочный входы, установочные входы формирователей поправок 3, 4₁÷4_n соединены с выходом узла включения поправок 5, вход узла включения поправок 5 соединен с выходом датчика тока U_д.т, в формирователях разверток Е₁÷Е_n суммирующие усилители 4 выполнены с двумя дополнительными входами, первый дополнительный вход каждого суммирующего усилителя 2 соединен с инверсным выходом формирователя поправок 4, аналоговый вход которого соединен со вторым входом этого же суммирующего усилителя 2, второй дополнительный вход суммирующих усилителей соединен 2 с инверсным выходом общего формирователя поправок 3, аналоговый вход общего формирователя поправок 3 соединен с выходом Y_вых узла напряжения 1.

Работу многоканального блока периодической развертки для управляемого многофазного выпрямителя с учетом режима прерывания тока дросселя выпрямителя рассмотрим для шестиканального блока периодической развертки для трехфазного мостового выпрямителя на примере формирования сигнала периодической развертки Y_рАВ для канала АВ формирователем развертки E₁. Режим прерывания тока в дросселе фильтра выпрямителя отличается от обычного режима тем, что в этом режиме напряжение на дросселе фильтра выпрямителя равно нулю, поэтому при формировании сигнала развертки по уравнению 2 его можно учесть обнулением на время прерывания тока дросселя входа U1_L=U_СВ-U_вых соответствующей цепочки интеграторов, соответственно в формирователе развертки E₁ формирующего сигнал Y_рАВ по уравнению 3 этот режим учитывается вычитанием соответствующих интегралов из уравнения 3. Таким образом, для канала регулирования АВ получим

где - сигналы поправок,
- масштабные коэффициенты.

Сигнал поправки S_вых формируется формирователем поправки 3, а сигнал поправки S_СВ формируется в формирователе развертки E₁ формирователем поправки 4, при этом каждый формирователь поправок 3, 4 представляет собой два интегрирующих усилителя, включенных последовательно, аналоговый вход первого из них соединен с выводом, сигнал которого требуется откорректировать, на выходе второго интегрирующего усилителя формируется сигнал поправки, установочные входы всех формирователей поправок 3, 4 соединены с выходом узла включения поправок 5, который выдает сигнал на включение интегрирующих усилителей формирователей поправок 3, 4 при отсутствии тока в дросселе фильтра выпрямителя, по сигналу с датчика тока U_д.т. интегрирующие усилители включаются в момент t_np прерывания тока в дросселе фильтра и устанавливаются в нуль при появлении тока в дросселе фильтра или при отсутствии тока более одного периода.

Аналогично формируются сигналы временных разверток для других каналов регулирования, при этом на выходе формирователя поправок Е₂ формируется сигнал развертки
Y_рАС=k₁Y_AC+k₂Y_AB+k₃Y_вых+k₄S_AB+k₅S_вых, (4.2)
на выходе формирователя поправок Е₃ формируется сигнал развертки
Y_рВС=k₁Y_ВС+k₂Y_АС+k₃Y_вых+k₄S_АС+k₅S_вых, (4.3)
на выходе формирователя поправок Е₄ формируется сигнал развертки
Y_рВА=k₁Y_ВА+k₂Y_ВС+k₃Y_вых+k₄S_ВС+k₅S_вых, (4.4)
на выходе формирователя поправок E₅ формируется сигнал развертки
Y_рCA=k₁Y_CA+k₂Y_BA+k₃Y_вых+k₄S_BA+k₅S_вых, (4.5)
на выходе формирователя поправок E₆ формируется сигнал развертки
Y_рСВ=k₁Y_СВ+k₂Y_СА+k₃Y_вых+k₄S_СА+k₅S_вых. (4.6)
Таким образом, формирование сигнала периодической развертки непосредственно из сигналов, пропорциональных входному и выходному напряжению выпрямителя, позволяет обеспечить максимальный диапазон для угла управления ключевыми элементами, а введение датчика тока дросселя фильтра, формирователя поправок и узла включения поправок позволяет учесть режим прерывания тока в дросселе фильтра при формировании сигнала периодической развертки для управляемых многофазных выпрямителей.

ЛИТЕРАТУРА
1. Условия устойчивости и коэффициент стабилизации импульсного стабилизатора с обратными связями по току и напряжению /Г.А. Белов, С.А. Кузьмин - ЭТВА, Вып. 15. С.48.: Радио и связь, 1984.

2. Патент РФ на изобретение по заявке 98123015/09(0125140) МПК⁷ G 05 F 1/56 1998 (прототип).

Изобретение предназначено для использования в регулируемых многофазных выпрямителях с L-C фильтром. Технический результат состоит в расширении возможностей блока периодической развертки для управляемых многофазных выпрямителей за счет обеспечения полного диапазона регулирования и учета режима прерывания тока в дросселе фильтра выпрямителя. В блоке периодической развертки для управляемых многофазных выпрямителей формирование сигнала периодической развертки осуществляется непосредственно из сигналов, пропорциональных входному и выходному напряжению выпрямителя, что позволяет обеспечить максимальный диапазон для угла управления ключевыми элементами, а введение датчика тока дросселя фильтра, формирователя поправок и узла включения поправок позволяет учесть режим прерывания тока в дросселе фильтра при формировании сигнала периодической развертки. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Многоканальный блок периодической развертки для управляемого многофазного выпрямителя, содержащий узел напряжений и формирователи разверток, количество формирователей разверток равно n - числу каналов управления выпрямителя, входы узла напряжений соединены с входными шинами питания и выходной шиной выпрямителя, каждый из j= 1-n формирователей разверток состоит из суммирующего усилителя, выход суммирующего усилителя является выходом j-го формирователя развертки и выходом блока периодической развертки для j-го канала управления, отличающийся тем, что узел напряжений имеет выход Y_вых для сигнала, пропорционального выходному напряжению выпрямителя, и n выходов Y_j= Y₁-Y_n для сигналов, пропорциональных входному напряжению выпрямителя соответствующего канала управления, суммирующие усилители каждого формирователя развертки имеют по три входа, первый вход суммирующего усилителя j-го формирователя развертки соединен с выходом Y_j узла напряжений, второй вход суммирующего усилителя j-го формирователя развертки соединен с выходом Y_j-1 узла напряжений, второй вход суммирующего усилителя первого формирователя развертки соединен с выходом Y_n узла напряжений, третий вход суммирующих усилителей соединен с выходом Y_вых узла напряжений. 2. Многоканальный блок периодической развертки для управляемого многофазного выпрямителя по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно введены датчик тока, узел включения поправок и формирователи поправок, при этом по одному формирователю поправок введено в каждый формирователь развертки и введен один общий формирователь поправки, датчик тока включен в цепь дросселя фильтра выпрямителя, формирователи поправок имеют аналоговый и установочный входы, установочные входы формирователей поправок соединены с выходом узла включения поправок, вход узла включения поправок соединен с выходом датчика тока, кроме того, в формирователях разверток суммирующие усилители выполнены с двумя дополнительными входами, первый дополнительный вход каждого суммирующего усилителя соединен с инверсным выходом формирователя поправок, аналоговый вход которого соединен со вторым входом этого суммирующего усилителя, второй дополнительный вход суммирующих усилителей соединен с инверсным выходом общего формирователя поправок, аналоговый вход общего формирователя поправок соединен с выходом узла напряжений Y_вых.