СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДВУНАПРАВЛЕННЫМИ КЛЮЧАМИ В ТРЕХФАЗНОМ ТРЕХУРОВНЕВОМ ПОЛУПРОВОДНИКОВОМ ВЫПРЯМИТЕЛЕ С ЕМКОСТНЫМ ДЕЛИТЕЛЕМ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК H02M7/155 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления выпрямителем с емкостным фильтром на выходе при создании электромеханических систем, например, при создании электроприводов переменного тока.

Известен способ (авт.св. СССР №1460761, кл. Н02М 7/12, 1988) управления двунаправленными ключами трехфазного трехуровневого полупроводникового выпрямителя с емкостным делителем напряжения, состоящим в том, что формируют эталонное напряжение, превышающее падение напряжения на включенном тиристоре, выделяют положительные значения каждого измеренного напряжения между анодом и катодом тиристора, формирование эталонного сигнала проводят путем суммирования всех выделенных положительных значений, сравнивают измеренные напряжения с эталонным напряжением, а сформированный импульс управления подают на управляющий электрод тиристора, напряжение на котором больше, чем эталонное напряжение.

Существенным недостатком данного способа является формирование входного тока выпрямителя несинусоидальной формы, что значительно снижает входной коэффициент мощности трехфазного трехуровневого выпрямителя.

Кроме того, известен способ управления двунаправленными ключами трехфазного трехуровневого полупроводникового выпрямителя с емкостным делителем напряжения (Mehl, E.L.M., and Barbi, I. "Designe Oriented Analysis of a High Power Factor and Low Cost Three-Phase Rectifier", Proceeding of the 27^th IEEE Power Electronics Specialists Conference, Baveno, Italy, June 23-27, Vol.1, PP.165-171, 1996), являющийся прототипом предлагаемого изобретения, при котором формируют прямоугольные импульсы напряжения длительностью . Передние фронты импульсов синхронизируют с фазными напряжениями питающей сети в моменты перехода напряжений через ноль, сформированные импульсы подают на управляющие входы двунаправленных ключей трехфазного трехуровневого полупроводникового выпрямителя с емкостным делителем напряжения, далее (выпрямителя).

Существенным недостатком данного способа является жесткая привязка передних фронтов импульсов напряжения к моментам перехода фазных напряжений через ноль и, как следствие, невозможность формировать постоянное среднее значение выпрямленного напряжения при изменении величины фазного тока.

Задачей изобретения является создание способа управления, позволяющего формировать постоянное среднее значение выпрямленного напряжения при изменении величины фазного тока.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе управления двунаправленными ключами трехфазного трехуровневого полупроводникового выпрямителя с емкостным делителем напряжения формируют прямоугольные импульсы напряжения длительностью равной , середины импульсов синхронизируют с фазными напряжениями питающей сети по моментам перехода напряжений через ноль, измеряют действующее значение тока входной фазы выпрямителя, вычисляют значение угла δ согласно выражению

где ω - угловая частота фазного напряжения питающей сети;

L - фазная индуктивность выпрямителя;

I₁ - действующее значение первой гармоники тока входной фазы выпрямителя;

U₁ - действующее значение фазного напряжения питающей сети;

- относительное среднее значение выпрямленного напряжения выпрямителя,

сформированные прямоугольные импульсы сдвигают по фазе в сторону отставания на угол δ относительно их середин, а затем подают на управляющие входы двунаправленных ключей.

На фиг.1 приведена структурная схема системы управления, реализующая предлагаемый способ управления двунаправленными ключами в трехфазном трехуровневом полупроводниковом выпрямителе с емкостным делителем напряжения; на фиг.2 - диаграммы, поясняющие способ управления; на фиг.3 - векторная диаграмма токов и напряжений, действующих во входной фазе выпрямителя.

Устройство (фиг.1) содержит трехфазную питающую сеть синусоидальных напряжений 1, 2, 3. Первая фаза питающей сети подключена к входу фазного дросселя 4, вторая и третья фаза питающей сети подключены к входам фазных дросселей 5 и 6 соответственно. Выходы фазных дросселей 4, 5, 6 соединены с входами 7, 8 и 9 трехфазного трехуровневого выпрямителя (ТТВ) 10, образующие входные фазы выпрямителя. В одной из входных фаз выпрямителя включен датчик тока 11. Одновременно фазы питающей сети соединены с входами генератора импульсов 12. Выход датчика тока 11 соединен с входом блока вычисления δ - 13, выход блока 13 соединен с первым входом блока сдвига 14, второй, третий и четвертый входы которого соединены с генератором импульсов 12. Выходы блока 14 подключены к управляющим входам двунаправленных ключей 15, 16, 17. Каждый двунаправленный ключ одним выводом подключен к входной фазе выпрямителя, а другим выводом - к общей точке 18 выходных конденсаторов 19, 20, включенных последовательно. Параллельно выходным конденсаторам включена нагрузка (Н) 21, которая также подключена к выходу выпрямителя.

Способ управления двунаправленными ключами трехфазного трехуровневого полупроводникового выпрямителя с емкостным делителем напряжения осуществляется следующим образом. В генераторе импульсов 12 формируют прямоугольные импульсы напряжения длительностью , середины которых синхронизируют с фазными напряжениями питающей сети по моментам перехода напряжений через ноль. Полученные импульсы с блока 12 поступают на второй, третий и четвертый входы блока сдвига импульсов 14. С помощью датчика тока 11 измеряют величину действующего значения первой гармоники тока входной фазы выпрямителя, полученное значение передают в блок вычисления угла δ 13. Вычисляют значение угла δ и полученное значение передают в блок сдвига 14. В блоке сдвига 14 импульсы сдвигают по фазе в сторону отставания на угол δ (фиг.2, а, б). Импульсы, сдвинутые по фазе в сторону отставания на угол δ по отношению к фазному напряжению 1 питающей сети, подают на управляющий вход двунаправленного ключа 15. Импульсы, сдвинутые по фазе в сторону отставания на угол δ по отношению к фазным напряжениям 2, 3 питающей сети, подают на управляющие входы двунаправленных ключей 16 и 17 соответственно. Двунаправленные ключи переключают согласно импульсам и формируют на входах 7, 8 и 9 относительно общей точки 18 напряжения: u_7-18, u_8-18, u_9-18 (фиг.2, в, г, д). Соответственно между нулем питающей сети и общей точкой 18 формируют напряжение (фиг.2, е), согласно выражению:

.

На входах 7, 8 и 9 относительно нуля питающей сети формируют напряжения u₇₀, u₈₀, u₉₀ согласно выражениям:

u₇₀=u_7-18-u_0-18;

u₈₀=u_8-18-u_0-18;

u₉₀=u_9-18-u_0-18,

первые гармоники которых получают сдвинутыми по фазе в сторону отставания относительно фазных напряжений питающей сети на угол δ (на фиг.2, ж показано только напряжение u₇₀).

Таким образом, сдвиг напряжений u₇₀, u₈₀, u₉₀ относительно фазных напряжений питающей сети на угол δ является условием, обеспечивающим формирование постоянным среднее значение выпрямленного напряжения при изменении величины фазного тока.

Покажем это, проанализировав электромагнитные процессы в одной входной фазе выпрямителя.

Согласно фиг.2 действующее значение первой гармоники напряжения u₇₀ определяется, как:

это же напряжение согласно векторной диаграмме (фиг.3) можно записать:

где δ - угол между вектором фазного напряжения питающей сети и вектором первой гармоники напряжения u₇₀.

Подставив (2) в (1), получим

или

где - некоторое базовое напряжение.

Из (4) видно, что для формирования постоянного заданного среднего значения выпрямленного напряжения при изменении величины тока входной фазы выпрямителя I₁ необходимо определить изменение угла δ, обеспечивающее равенство данного выражения.

Из (4) получим:

Выражение (5) отражает зависимость угла δ при изменении тока I₁ при заданной постоянной величине напряжения

Таким образом, предложенный способ позволяет формировать постоянное среднее значение выпрямленного напряжения при изменении величины фазного тока в отличие от прототипа, где угол между фазными напряжениями питающей сети и первой гармоникой напряжений u₇₀, u₈₀, u₉₀ постоянный и не изменяется от величины тока входной фазы выпрямителя.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления выпрямителем с емкостным фильтром на выходе при создании электромеханических систем. Технический результат - возможность формировать постоянное среднее значение выпрямленного напряжения трехфазного трехуровневого полупроводникового выпрямителя с емкостным делителем напряжения при изменении величины фазного тока. Для чего формируют прямоугольные импульсы напряжения, середины сформированных прямоугольных импульсов синхронизируют с фазными напряжениями питающей сети по моментам перехода напряжений через ноль, измеряют действующее значение первой гармоники фазного тока, вычисляют значение угла δ согласно выражению

где ω - круговая частота фазного напряжения питающей сети; L - фазная индуктивность выпрямителя; I₁ - действующее значение первой гармоники тока входной фазы; U₁ - действующее значение фазного напряжения питающей сети; - относительное среднее значение выпрямленного напряжения выпрямителя, сформированные прямоугольные импульсы сдвигают по фазе в сторону отставания на угол δ, а затем подают на управляющие входы двунаправленных ключей трехфазного трехуровневого выпрямителя. 3 ил.

Способ управления двунаправленными ключами в трехфазном трехуровневом полупроводниковом выпрямителе с емкостным делителем напряжения, заключающийся в том, что формируют прямоугольные импульсы напряжения длительностью , сформированные импульсы подают на управляющие входы двунаправленных ключей трехфазного трехуровневого выпрямителя, отличающийся тем, что середины указанных прямоугольных импульсов синхронизируют с фазными напряжениями питающей сети по моментам перехода напряжений через ноль, измеряют действующее значение первой гармоники фазного тока выпрямителя, вычисляют значение угла δ согласно выражению

где ω - круговая частота фазного напряжения питающей сети;
L - фазная индуктивность выпрямителя;
I₁ - действующее значение первой гармоники тока входной фазы выпрямителя;
U₁ - действующее значение фазного напряжения питающей сети;
- относительное среднее значение выпрямленного напряжения выпрямителя, сформированные прямоугольные импульсы напряжения сдвигают по фазе в сторону отставания на угол δ, а затем подают на управляющие входы двунаправленных ключей.