СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЯ Российский патент 2003 года по МПК H02M7/162 H02P7/42 

Изобретение исходит из способа регулирования постоянного напряжения выпрямителя согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

В ограничительной части пункта 1 формулы изобретения изобретение исходит из уровня техники, известного из DE 19542163 А1. Там постоянное напряжение выпрямителя, который со стороны переменного напряжения соединен с первой вторичной обмоткой сетевого трансформатора, регулируют с помощью регулируемых вентилей четырехквадрантного регулирующего органа выпрямителя. Управляющее напряжение для этих управляемых вентилей задается регулятором напряжения с регулятором тока в системе подчиненного регулирования. За счет нагрузки переменного тока, например, вспомогательным устройством рельсовых транспортных средств, может быть нежелательным образом смещено фазовое положение первичного тока, соединенного с выпрямителем сетевого трансформатора. Для компенсации этого управляющее напряжение регулируют также в зависимости от мнимой составляющей этого первичного тока, которую получают с помощью разложения в ряд Фурье. В основе этого регулирования напряжения лежит модель трансформатора с жестко заданными параметрами трансформатора для результирующего обмоточного сопротивления и индуктивности рассеяния вторичной обмотки и пересчитанной на вторичную сторону первичной обмотки. При этом недостатком является то, что относительно медленный регулятор тока должен выравнивать сильные регулировочные расхождения, если они изменяются, например, за счет повышения температуры обмоток трансформатора. За счет постоянной статической нагрузки регулятора ухудшаются его динамические свойства. Регулятор тока предусмотрен, собственно, для прерывностей, вызванных выпрямителем тока для вспомогательных нужд, сборной шиной поезда или скачками дугового токоприемника.

Изобретение, как оно представлено в п.1 формулы изобретения, решает задачу дальнейшего совершенствования способа регулирования постоянного напряжения выпрямителя названного вначале типа с целью улучшения динамики регулирования выпрямителя тока.

Предпочтительные варианты выполнения изобретения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения.

Преимущество изобретения состоит в том, что разгружается регулятор тока и улучшаются его сетевые характеристики. Это происходит посредством вычисления и образования среднего значения трансформаторных параметров приводных блоков, которые медленно отслеживаются в процессе движения.

За счет своевременного определения результирующих параметров трансформатора для отдельных сетевых контуров учитывают зависящие от температуры проводящие сопротивления и связи вторичных обмоток вводят в расчет. Регулирование может производиться одинаковым количеством трансформаторных моделей в качестве сетевых контуров.

Изобретение поясняется ниже на примере выполнения с помощью чертежей, на которых изображено:
фиг.1 - выпрямитель, который со стороны переменного тока подключен к сетевому трансформатору, а со стороны постоянного тока подключен через инвертор к нагрузке переменного тока, с относящимся к нему контуром автоматического регулирования для регулировки постоянного напряжения выпрямителя;
фиг. 2-4 - временная диаграмма регулируемой величины регулятора тока для цепей тока трех трансформаторных вторичных обмоток;
фиг.5 - относительная погрешность активного сопротивления трех трансформаторных вторичных обмоток;
фиг.6 - относительная погрешность индуктивного сопротивления трех трансформаторных вторичных обмоток.

Для простоты рассмотрения применяемые ниже обозначения напряжений и токов соответствуют пропорциональным им сигналам и действительным значениям.

Сетевой трансформатор (Тr) соединен электрически, с одной стороны, двумя параллельно включенными первичными обмотками (PW1) и (PW2) через дуговой токоприемник (2) с контактной сетью, или с сетью (1) переменного тока с однофазным переменным напряжением, или сетевым напряжением (U_N), равным 15 кВ и частотой 16 ²/₃ Гц (или 25 кВ и 50 Гц), и, с другой стороны, через колесо (8) не изображенного здесь рельсового транспортного средства - с заземленным рельсом (9).

Первая вторичная обмотка (SW1) сетевого трансформатора (Тr) соединена через первый трансформатор тока (7), с которого может сниматься сила переменного тока или ток (i₁) выпрямителя, с выпрямителем (3). Выпрямитель (3) представляет собой четырехквадрантный регулирующий орган выпрямителя с четырьмя запираемыми тиристорами (Т1-Т4) в его мостовых плечах с встречно-параллельными диодами. Со стороны постоянного тока выпрямитель (3) соединен, с одной стороны, с шиной положительного (Р) напряжения и, с другой стороны, с шиной отрицательного (N) напряжения через промежуточную цепь (4) постоянного напряжения с инвертором (5), который со стороны переменного тока приводит во вращение асинхронный двигатель (6). Промежуточная цепь (4) постоянного напряжения имеет конденсатор (С) и отсасывающий контур. Между шиной положительного (Р) напряжения и шиной отрицательного (N) напряжения лежит напряжение промежуточной цепи или постоянное напряжение (U_d), которое должно регулироваться по амплитуде. Вместо асинхронного двигателя (6) может быть предусмотрена электродуговая печь постоянного тока или вторая сеть переменного напряжения в качестве нагрузки переменного тока.

К к-той вторичной обмотке (SWk) сетевого трансформатора (Тr) может быть подключена такая же цепь тока (не изображена), что и к первой вторичной обмотке (SW1). С к-того трансформатора (7) тока может отводиться ток (i_k ) выпрямителя.

Приведенная ниже цепь регулирования для регулировки амплитуды постоянного напряжения (U_d) содержит пропорционально-интегральный регулятор или регулятор (22) напряжения, на вход которого подают задаваемое номинальное значение (U_dw) постоянного напряжения и измеренное действительное значение постоянного напряжения (U_d) выпрямителя. На выходе регулятор (22) напряжения создает регулируемую величину (i_1pw) регулятора в соответствии с номинальным значением амплитуды активной составляющей тока (i_l) выпрямителя на первом множительном входе (х) умножителя (23). На второй множительный вход (у) умножителя (23) подают с синусно-косинусного генератора (10), на вход которого подается пропорциональный сетевому напряжению (U_N) сигнал, синусоидальный сигнал (sin(ω•t)), где ω_o обозначает круговую частоту переменного тока или сетевого напряжения (U_N), а t обозначает время.

Пропорционально-интегральный регулятор или регулятор (24) тока получает на входе с первого трансформатора (7) тока действительное значение (i₁) тока выпрямителя и с выхода умножителя (23) номинальное значение (i_w) тока выпрямителя; со стороны выхода он поставляет регулируемую величину (ΔU) регулятора тока на выполняющий логическую операцию "НЕ" вход сумматора (25). Он со стороны выхода поставляет управляющее напряжение (U_St1) на широтно-импульсный модулятор или генератор (26) управляющих импульсов, который поставляет 4 управляющих сигнала (S26) на 4 запираемых трристора (Т1-Т4), при этом по причине лучшей наглядности изображена только одна соединительная линия к запираемому тиристору (Т4).

К функциональному преобразователю или к преобразователю (11) Фурье со стороны входа подводят действительное значение (i₁) тока с выхода первого трансформатора тока (7) и синусоидальный сигнал (sin(ω•t)) с синусно-косинусного генератора (10); на выходе он поставляет активную составляющую (Re(i₁) колебания основной гармоники тока (i₁), соответствующей составляющей колебания основной гармоники преобразования Фурье, т.е. для n=1, где n является порядковым числом гармоник.

К функциональному преобразователю или к преобразователю (12) Фурье со стороны входа подводят действительное значение (i₁) тока с выхода первого трансформатора (7) тока и косинусоидальный сигнал (cos(ω•t)) с синусно-косинусного генератора (10); на выходе он поставляет мнимую составляющую (Im (i₁)) колебания основной гармоники тока (i₁), соответствующей составляющей колебания основной гармоники преобразования Фурье.

Для анализа периодических сигналов z(i₁, U_N, U_st) с помощью цифрового вычислительного устройства эти сигналы N раз разлагают синхронно с периодом колебаний. С помощью разложения в ряд Фурье сигнал z трансформируют из временной области в частотную область; оно поставляет синусоидальную составляющую или активную составляющую z согласно формуле

и косинусоидальную составляющую или мнимую составляющую (Im(z)) согласно формуле
,
где N равно числу точек разложения (например, в области 20-100), N•T обозначает длительность периода основной гармоники, k обозначает текущее число суммирования, Т обозначает обратное значение частоты разложения и k•Т= t и обозначает время.

К функциональному преобразователю или к преобразователю (13) Фурье со стороны входа подводят действительное значение, пропорциональное напряжению (U_N) сети, со входа синусно-косинусного генератора (10) и синусоидальный сигнал (sin(ω•t)); на выходе он поставляет активную составляющую Re(U_N) колебания основной гармоники сетевого напряжения.

К функциональному преобразователю или к преобразователю (14) Фурье со стороны входа подводят действительное значение, пропорциональное напряжению (U_N) сети, со входа синусно-косинусного генератора (10) и косинусоидальный сигнал (cos(ω•t)); на выходе он поставляет мнимую составляющую (Im(U_N)) колебания основной гармоники сетевого напряжения.

Аналогичным образом преобразователи (15) и (16) Фурье со стороны входа получают пропорциональный управляющему напряжению (U_St1) сигнал дополнительно к синусоидальному или косинусоидальному сигналу. Со стороны выхода они поставляют реальную составляющую (Re(U_St1)) или мнимую часть (Im(U_St1)) колебания основной гармоники управляющего напряжения (U_St1).

Выходные сигналы преобразователей (11-16) Фурье, а также выдаваемый синусно-косинусным генератором (10) сигнал с круговой частотой ω_o подают на функциональный преобразователь (17), который рассчитывает активное сопротивление R трансформатора (Тr) по формуле
R= { Re(i₁)•[Re(U_N)-Re(U_St1)]+Im(i₁)•[Im(U_N)-Im(U_St1)]}/Re(i₁)²+Im(i₁)²] и поставляет его со стороны выхода на формирователь (18) среднего значения. Кроме того, функциональный преобразователь (17) рассчитывает индуктивное сопротивление L трансформатора (Тr) по формуле
L={Re(i₁)•[Im(U_N)-Im(U_St1)]-Im(i₁)•[Re(U_N)-Re(U_St1)]} /[ω[Re(i₁)²+Im(i₁)²]]
и поставляет его со стороны выхода на формирователь (19) среднего значения.

Формирователи среднего значения (18) и (19) образуют средние значения входящих значений R и L в течение задаваемого отрезка времени в диапазоне 10-100 с, предпочтительно 1 мин, и выдают средние значения R_m или L_m функциональный преобразователь (20). Он рассчитывает с помощью этих средних значений R_m или L_m напряжение U_M трансформаторной модели по формуле
U_M= R_m•[i_1pw•sin(ω•t)+is_qw•cos(ω•t)] -L_m•[i_1pw•cos(ω•t)-i_Sqw•sin(ω•t)] ,
где i_Sgw является задаваемым номинальным значением для амплитуды мнимой составляющей суммарного тока трансформатора. Для источника (1) переменного напряжения с малой индуктивностью можно принять i_Sgw=0. C другой стороны, можно определить i_Sgw например, согласно DE 19542163 A1.

Напряжение U_M трансформаторной модели подают на инвертирующий вход и сетевое напряжение (U_N) на неинвертирующий вход сумматора (25). В сумматоре (25) образуют управляющее напряжение (U_St1) по формуле
U_St1=U_N-ΔU-U_М,
которое подают на генератор (26) управляющих импульсов.

Аналогичным образом, как это описано для первой вторичной обмотки (SW1), можно регулировать последовательно во времени другие цепи тока, которые подключены к другим вторичным обмоткам, например, (SWk). Вместо индекса 1 для действительного значения тока (i₁) необходимо тогда подставить индекс 2. .., в общем k.

На фиг. 2-4 показаны временные зависимости регулируемых значений (ΔU) регулятора тока в вольтах для трех различных вторичных обмоток (SW1,...,SWk) в виде имитации с помощью вычислительной машины не изображенного электровоза. Слежение или актуализация параметров трансформатора (Тr) начинается, примерно, через 0,6 с после начала испытания. Время (t) нанесено в секундах на ось абсцисс. Можно видеть, в частности, на фиг.2 и 4, что через короткое время после начала слежения за параметрами амплитуды регулируемой величины (ΔU) регулятора тока сильно уменьшаются, что является целью настоящего изобретения. В начале регулирования работа происходит с заданными параметрами трансформатора, как это известно, например, из указанного выше DE 19542163 А1.

На фиг.5 и 6 показаны в виде имитации на вычислительной машине для трех различных вторичных обмоток (SW1,...,SWk), в соответствии с фиг.2-5, временная диаграмма относительной погрешности (ΔR) активного сопротивления (R) в процентах или временная диаграмма относительной погрешности (ΔL) индуктивного сопротивления (L) в процентах. Кривые ΔR (27-29) на фиг.5 относятся к трем цепям тока по фиг.2-4, то же относится к кривым ΔL (30-32) по фиг.6. Здесь также можно наблюдать быстрое уменьшение амплитуд погрешностей после начала актуализации параметров трансформатора через примерно 0,6 с.

Само собой разумеется, что могут быть применены другие, чем указанные в примере, схемы, напряжения и частоты. Вместо дискретных схемных элементов для регулировок можно предусмотреть микропроцессор или вычислительную машину, с помощью которой можно производить вычисления и процессы регулирования.

Выпрямитель (3) может содержать комплекты вентилей по двух- или трехпозиционной схеме. Вместо запираемых тиристоров (Т1-Т4) можно применять, например, транзисторы в качестве электрических вентилей.

Вычисление действительной и мнимой составляющих может происходить в зависимости от гармоники сетевой частоты, предпочтительно, в зависимости от первой гармоники.

ПЕРЕЧЕНЬ ПОЗИЦИЙ
1 Источник переменного напряжения, сеть переменного тока, контактная сеть
2 Дуговой токоприемник
3 Выпрямитель, четырехквадратный регулирующий орган выпрямителя
4 Промежуточная цепь постоянного напряжения
5 Инвертор
6 Асинхронный двигатель
7 Трансформатор тока
8 Колесо, колесо транспортного средства
9 Рельс, рельс транспортного средства
10 Синусно-косинусный генератор
11-16 Преобразователь Фурье
17 Функциональные преобразователи для R и L
18 Образователь среднего значения для R
19 Образователь среднего значения для L
20 Функциональный преобразователь для напряжения трансформаторной модели
22 Регулятор напряжения, пропорционально-интегральный регулятор
23 Умножитель
24 Регулятор тока, пропорционально-интегральный регулятор
25 Сумматор
26 Широтно-импульсный модулятор, генератор управляющих импульсов
С Конденсатор, конденсатор промежуточной цепи
cos(ω•t) Косинусоидальный сигнал
i Ток
Im Мнимая составляющая
i₁ Сила переменного тока через SWl, ток выпрямителя, действительное значение тока выпрямителя
i_k Сила переменного тока через SWk
i_1pw Номинальное значение амплитуды активной составляющей i₁
is_qw Номинальное значение амплитуды мнимой составляющей i₁
i_w Номинальное значение тока, номинальное значение тока выпрямителя
L Индуктивность Tr
L_m Среднее значение L
N Шина отрицательного напряжения позиции 3
P Шина положительного напряжения позиции 3
R Активное сопротивление Tr
Re Активная составляющая
R_m Среднее значение R
sin(ω•t) Синусоидальный сигнал
SW1 Первая вторичная обмотка трансформатора
SWk k-тая вторичная обмотка трансформатора
t Время
Tr Трансформатор, сетевой трансформатор
T1-T4 Запираемые тиристоры, управляемые электрические вентили
U_d Постоянное напряжение выпрямителя, напряжение промежуточной цепи
U_dw Номинальное значение U_d
U_N Напряжение сети
U_St1, . . . , U_Stk Управляющее напряжение для позиции 3, выходной сигнал позиции 25
U_M Напряжение трансформаторной модели, выходной сигнал позиции 20
X, Y Коэффициенты
ΔL Относительная погрешность L
ΔR Относительная погрешность R
ΔU Регулируемая величина регулятора тока, выходной сигнал позиции 24
ω Круговая частота переменного тока по позиции 1.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах управления электроприводами переменного тока. Техническим результатом является упрощение динамического регулирования выпрямителя. В способе регулирования постоянного напряжения постоянное напряжение (U_d) выпрямителя, который со стороны переменного напряжения соединен с первой вторичной обмоткой сетевого трансформатора, регулируют с помощью управляемых вентилей четырехквадрантного регулирующего органа выпрямителя. Управляющее напряжение (U_st) для управления этими управляющими вентилями задают с помощью регулятора напряжения с регулятором тока в системе подчиненного регулирования. Управляющее напряжение U_st1 создают согласно формуле U_st1=U_N-ΔU-U_M, где ΔU является регулируемой величиной регулятора тока, и напряжение (U_М) трансформаторной модели создают согласно формуле

где R_m или L_m обозначают актуализированные средние значения активного сопротивления R или индуктивности L трансформатора, i_1pw обозначает регулируемую величину регулятора напряжения цепи регулирования напряжения, i_Sqw является задаваемым номинальным значением для амплитуды мнимой составляющей суммарного тока трансформатора, ω обозначает круговую частоту сетевого напряжения (U_N) и t обозначает время. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ регулирования постоянного напряжения (U_d) выпрямителя (3), который со стороны переменного напряжения через имеющий по меньшей мере две вторичные цепи нагрузки трансформатор (Тr) соединен с источником (1) переменного напряжения, а со стороны постоянного напряжения выполнен с возможностью отвода постоянного напряжения (U_d) в виде четырехквадрантного регулирующего органа выпрямителя и имеет по меньшей мере один управляемый вентиль (Т1-Т4) в каждом вентильном плече, при этом создают управляющее напряжение (U_St) для управления этими управляемыми вентилями (Т1-Т4) в зависимости от регулирования напряжения регулятором тока в системе подчиненного регулирования и затем в зависимости от разницы пропорционального сетевому напряжению (U_N) сигнала и вычисленного напряжения (U_M) трансформаторной модели, отличающийся тем, что напряжение (U_M) трансформаторной модели вычисляют с помощью актуализированных усредненных по времени средних значений (R_m, L_m) активного сопротивления R и индуктивности L трансформатора (Тr). 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что актуализированные усредненные по времени средние значения (R_m, L_m) активного сопротивления R и индуктивности L трансформатора (Тr) получают на основании фактического значения переменного тока (i_k) на входе выпрямителя, напряжения (U_N) сети и управляющего напряжения (U_Stk) для выпрямителя. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что управляющее напряжение U_Stk создают согласно формуле
U_Stk=U_N-ΔU-U_M,
где Δ U является регулируемой величиной регулятора (24) тока цепи регулирования тока,
и напряжение (U_m) трансформаторной модели создают согласно формуле

где R_m или L_m обозначают средние значения активного сопротивления R или индуктивного сопротивления L трансформатора (Tr);
i_1pw обозначает регулируемую величину регулятора (22) напряжения цепи регулирования напряжения;
i_Sqw является задаваемым номинальным значением для амплитуды мнимой составляющей суммарного тока трансформатора;
ω обозначает круговую частоту сетевого напряжения (U_N);
t обозначает время. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что активное сопротивление R трансформатора (Тr) создают согласно формуле
R={Re(i_k)•([Re(U_N)-Re(U_Stk)]+Im(i_k)•([Im(U_N)-Im(U_Stk)]}/Re(i_k)²+Im(i_k)²] ,
и индуктивное сопротивление L трансформатора (Тr) создают согласно формуле

где Re обозначает активную составляющую;
Im обозначает мнимую составляющую физической величины;
i_k обозначает действительное значение тока через k-ую вторичную обмотку (SWk) трансформатора (Тr).