СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СТАТИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ Российский патент 2008 года по МПК H02M5/27 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при проектировании автономных систем генерирования электроэнергии.

Известны способы управления статическими преобразователями электроэнергии, заключающиеся в формировании выходного синусоидального напряжения, пропорционального коэффициенту модуляции управляющего сигнала, например, (1). Недостатком известного решения (1) является отсутствие защиты от энергетических перегрузок потребителей электроэнергии и функциональных узлов при аварийных режимах, сопровождающихся резким снижением выходного напряжения.

Наиболее близким к изобретению является способ управления статическим преобразователем, подключенным к выходу генератора переменного тока нестабильной частоты, работающего от привода с переменной частотой вращения. Способ управления заключается в формировании выходного напряжения преобразователя в соответствии с коэффициентом глубины модуляции управляющего сигнала. Для защиты элементов функциональных узлов и потребителей электроэнергии от перегрузок, характеризующихся снижением выходного напряжения всей системы, использовано принудительное выключение статического преобразователя через определенное время после фиксации аварии. Однако снижение выходного напряжения (наступление аварийной ситуации) может быть вызвано различными причинами, обусловленными, во-первых, коротким замыканием в выходных цепях преобразователя или нагрузки и, во-вторых, коротким замыканием и обрывами в цепях генератора переменного тока и его линиях связи, коротким замыканием в силовой части преобразователя и его узла управления, т.е. нарушениями «внутри» узлов системы. В первом случае (к.з. в выходных цепях преобразователя и цепях нагрузки) для защиты от энергетических перегрузок обычно используются плавкие вставки или биметаллические автоматические средства защиты сети с определенными ампер-секундными характеристиками, время для уверенного срабатывания которых должно быть относительно большим. Для гарантированного срабатывания защиты от перегрузок по току и напряжению, вызванных авариями «внутри» функциональных узлов схемы, время задержки отключения системы должно быть минимальным. Однако из-за отсутствия селективности происхождения причин аварии известное устройство (2) не может обеспечить достаточную эффективность защиты узлов схемы и потребителей электроэнергии от энергетических перегрузок, т.к. формирует постоянную задержку выключения вне зависимости от причины происхождения аварии.

Техническим результатом, которого можно достичь при использовании данного изобретения, является увеличение надежности работы системы энергоснабжения путем повышения эффективности защиты от энергетических перегрузок.

Технический результат достигается за счет того, что в способе управления статическим преобразователем частоты, состоящем в том, что на выходе статического преобразователя частоты, подключенного к генератору переменного тока нестабильной частоты, формируют напряжение переменного тока стабильной частоты в соответствии с коэффициентом глубины модуляции его управляющего сигнала (2), постоянно измеряют выходное напряжение и выходной ток статического преобразователя частоты, причем по достижении выходного напряжения минимально допустимого уровня с одновременным снижением выходного тока уменьшают коэффициент модуляции управляющего сигнала до величины менее единицы и выключают генератор переменного тока через первую задержку по времени, а по достижении выходного напряжения минимально допустимого уровня с одновременным нарастанием выходного тока увеличивают коэффициент модуляции управляющего сигнала до величины более единицы и выключают статический преобразователь частоты через вторую задержку по времени. Кроме того, величина второй задержки по времени может быть более величины первой в 1,5-2 раза.

На Фиг.1 представлено устройство, реализующее данный способ.

На Фиг.2 изображены эпюры выходного напряжения преобразователя в номинальном режиме и режиме перегрузки (при коротком замыкании в нагрузке).

Устройство (Фиг.1) содержит генератор напряжения 1 переменного тока нестабильной частоты, подсоединенный через расцепитель 2 к приводу с переменной частотой вращения. Генератор 1 выполнен нерегулируемым, при этом его мощность соизмерима с мощностью нагрузки. Выход генератора напряжения 1 подсоединен к статическому преобразователю 3 частоты, на выходе которого формируют переменное напряжение (Uвых) стабильной частоты, пропорциональное коэффициенту модуляции (М) управляющего сигнала, вырабатываемого блоком управления 4. В выходные цепи преобразователя 3 включены датчики тока 5 и напряжения 6, а также защитные элементы 7 потребителя электроэнергии. Выходы датчиков тока 5 и напряжения 6 соединены с узлами сравнения 8, 9. Узел сравнения 8 формирует выходные сигналы, соответствующие увеличению или уменьшению выходного тока преобразователя относительно заданного значения (Iзад). Узел 8 содержит блок определения знака производной изменения величины выходного тока относительно заданной величины. Узел сравнения 9 предназначен для измерения величины выходного напряжения и фиксации достижения его минимально допустимого уровня (Uзад). Выходы узлов сравнения 8 и 9 подсоединены к входам узла задания управляющего сигнала 10 и соответственно к входам узла защиты 11 устройства, выходы которого через первый 12 и второй 13 узлы фиксированной задержки подсоединены к узлам блокировки работы генератора переменного напряжения 1 и преобразователя 3. Узлом блокировки работы генератора 1 может быть расцепитель 2, отсоединяющий вал генератора от вала приводного двигателя. Узлом блокировки работы преобразователя 3 может быть один из элементов блока управления 4. Третий вход узла задания управляющего сигнала 10 предназначен для подачи основного сигнала управления U упр.зад.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 1 формирует m-фазное напряжение нестабильной частоты, преобразуемое полупроводниковым статическим преобразователем 3 частоты в стабильное напряжение стабильной частоты, которое передается в нагрузку через защитные элементы 7. Нагрузка может состоять из нескольких потребителей, каждый из которых подключен к выходу преобразователя через свой защитный элемент 7 по току. На выходе преобразователя 3 (независимо от типа составляющих его силовых элементов и способа управления ими) формируется напряжение синусоидальной формы в функции управляющего сигнала (Uупр), характеризующегося коэффициентом глубины модуляции (М), равным отношению несущего (опорного) сигнала к управляющему.

В номинальном режиме преобразователь формирует синусоидальное напряжение, соответствующее коэффициенту глубины модуляции, величина которого меньше либо равна единице (Фиг.2), ток при этом также синусоидален (при линейной нагрузке).

При перегрузках, возникших в результате короткого замыкания в нагрузке, необходимо обеспечить большой ток, достаточный для выгорания плавких вставок (элементов 7). Для этого при поступлении сигнала аварии форму выходного тока преобразователя 3 частоты преобразуют из синусоидальной в прямоугольную (Фиг.2), при которой действующее значения тока увеличено в раз. Данное преобразование осуществляют с помощью узла задания управляющего сигнала 10, корректирующий сигнал с которого поступает на блок управления 4 преобразователем при поступлении сигнала аварии. Сигнал аварии с датчиков напряжения 5, 6 поступает также на один из входов узла защиты 11 устройства, выходной сигнал которого через максимальную временную задержку (определяемую узлом максимальной фиксированной задержки 13), является командой на выключение статического преобразователя 3.

При авариях «внутри» функциональных узлов системы глубину модуляции управляющего сигнала уменьшают до величины М≤1, при этом время его протекания ограничивают минимальной временной задержкой, что бы не допустить расширения аварийных процессов внутри генератора либо преобразователя. При авариях в генераторе 1, его фидере или внутри преобразователя прекращение формирования выходного напряжения системы происходит за счет выключения генератора 1, например, с помощью расцепителя 2.

Согласно данному способу управления преобразователем частоты на всем протяжении формирования выходного напряжения с помощью узлов сравнения 8 и 9 производят измерения его выходного тока и напряжения. В случае уменьшения выходного напряжения ниже минимально допустимого (которое фиксируют узлом сравнения 9) и одновременного увеличения тока нагрузки на выходе преобразователя, (которое определяют с помощью узла 8) увеличивают выходной ток в раз. Увеличение выходного тока осуществляют с помощью изменения величины управляющего сигнала до значения, при котором коэффициент глубины модуляции превысит единицу. Время протекания выходного тока фиксируют максимальной временной задержкой выключения преобразователя. В случае одновременного уменьшения выходного напряжения и выходного тока статического преобразователя уменьшают величину управляющего сигнала до соответствия ее коэффициенту модуляции менее единицы и регламентируют минимальное время протекания выходного тока с помощью узла минимальной фиксированной задержки 12 выключения генератора 1.

Экспериментально установлено, что оптимальное соотношение между задержками выключения системы при авариях на выходе преобразователя и авариях «внутри» функциональных узлов, которое гарантирует наиболее эффективную защиту, составляет от 1,5 до 2.

Высокая надежность работы узлов источника электропитания и их гарантированная защита от аварийных энергетических всплесков делает данное устройство наиболее предпочтительным при разработке автономных систем энергоснабжения.

Источники информации

1. Г.В. Грабовецкий и др. Непосредственные преобразователи частоты с естественной коммутацией для электромеханических систем. НГТУ, Новосибирск, с.41-69.

2. Электрооборудование летательных аппаратов, том 1, Москва, МЭИ, 2005 г., с.337-370.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при проектировании автономных систем генерирования электроэнергии. Технический результат заключается в увеличении надежности работы системы энергоснабжения путем повышения эффективности защиты от энергетических перегрузок. Способ заключается в том, что на выходе статического преобразователя частоты 3, подключенного к генератору переменного тока 1 нестабильной частоты, формируют напряжение переменного тока стабильной частоты в соответствии с коэффициентом глубины модуляции его управляющего сигнала. С помощью датчиков тока и напряжения 5, 6 и узлов сравнения 8, 9 постоянно измеряют выходное напряжение и выходной ток статического преобразователя частоты 3. По достижении выходного напряжения минимально допустимого уровня с одновременным снижением выходного тока с помощью узла задания управляющего сигнала 10 уменьшают коэффициент модуляции управляющего сигнала до величины менее единицы и выключают генератор переменного тока 1 через минимальную задержку по времени. По достижении выходного напряжения минимально допустимого уровня с одновременным нарастанием выходного тока увеличивают коэффициент модуляции управляющего сигнала до величины более единицы и выключают статический преобразователь частоты через максимальную задержку по времени. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ управления статическим преобразователем частоты, состоящий в том, что на выходе статического преобразователя частоты, подключенного к генератору переменного тока нестабильной частоты, формируют напряжение переменного тока стабильной частоты в соответствии с коэффициентом глубины модуляции его управляющего сигнала, отличающийся тем, что постоянно измеряют выходное напряжение и выходной ток статического преобразователя частоты, причем по достижении выходным напряжением минимально допустимого уровня с одновременным снижением выходного тока уменьшают коэффициент модуляции управляющего сигнала до величины менее единицы и выключают генератор переменного тока через первую задержку по времени, а по достижении выходным напряжением минимально допустимого уровня с одновременным нарастанием выходного тока увеличивают коэффициент модуляции управляющего сигнала до величины более единицы и выключают статический преобразователь частоты через вторую задержку по времени.2. Способ управления статическим преобразователем частоты по п.1, отличающийся тем, что величина второй задержки по времени более величины первой задержки по времени в 1,5-2 раза.