СПОСОБ РАБОТЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА Российский патент 2013 года по МПК H02M1/12 H02M7/48 G05F1/70 H02J3/18 H02P21/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области силовой электроники. Оно основано на способе работы преобразователя и устройстве для осуществления способа в соответствии с ограничительными частями независимых пунктов формулы.

Уровень техники

Традиционные преобразователи включают в себя множество управляемых силовых полупроводниковых выключателей, которые известным образом соединены для коммутации, по меньшей мере, двух уровней коммутируемого напряжения. Обычно такой преобразователь соединен с электрической сетью переменного напряжения, которая выполнена, в частности, трехфазной. Такие преобразователи часто используются в промышленных установках, причем они связаны с сетью электропитания, и, конечно, возможны другие области и возможности их применения.

Для работы преобразователя предусмотрено регулирующее устройство, которое содержит регулирующий блок для формирования регулирующего сигнала за счет регулирования Н-ой высшей гармоники сетевого тока до заданного значения сетевого тока и через управляющую схему для формирования управляющего сигнала из регулирующего сигнала соединена с управляемыми силовыми полупроводниковыми выключателями, причем Н-ая высшая гармоника формируется преобразовательной схемой и составляет, как правило, Н=1, 2, 3,… Типичные значения Н составляют 5, 7, 11, 13. Управляющий сигнал управляет, таким образом, силовыми полупроводниковыми выключателями.

Описанный выше способ работы преобразователя позволяет отрегулировать посредством регулирующего устройства Н-ую высшую гармонику сетевых токов до заданного значения сетевого тока. Однако в электрической сети переменного напряжения помимо высших гармоник тока могут возникать также высшие гармоники в напряжении, которые, однако, невозможно отрегулировать и, тем самым, уменьшить известным, описанным выше способом.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание способа работы преобразователя, с помощью которого можно было бы уменьшить высшие гармоники в напряжении соединенной с преобразователем электрической сети переменного напряжения. Кроме того, задачей изобретения является создание устройства, с помощью которого особенно простым образом можно было бы осуществить способ.

Эти задачи решаются посредством признаков п.п.1 и 10 формулы. В зависимых пунктах приведены предпочтительные варианты осуществления изобретения.

Преобразователь содержит преобразовательный блок с множеством управляемых силовых полупроводниковых выключателей и соединен с трехфазной электрической сетью переменного напряжения. В предложенном способе управление управляемыми силовыми полупроводниковыми выключателями происходит посредством управляющего сигнала, сформированного из регулирующего сигнала, а регулирующий сигнал формируется за счет регулирования Н-ой высшей гармоники сетевых токов до заданного значения сетевого тока, причем Н=1, 2, 3,… Согласно изобретению, заданное значение сетевого тока формируется за счет регулирования Н-ой высшей гармоники в сетевом напряжении до заданного значения сетевого напряжения, причем разность регулирования между Н-ой высшей гармоникой сетевых напряжений и заданным значением сетевого напряжения оценивается по импедансу сети, выявленному в отношении Н-ой высшей гармоники. Таким образом, соответствующая Н-ая высшая гармоника сетевых напряжений непосредственно влияет на формирование заданного значения сетевого тока, так что Н-ая высшая гармоника в сетевых напряжениях может быть уменьшена до желаемой степени. Поскольку импеданс сети обычно изменяется с течением времени и это, в конце концов, соответствует изменению объекта регулирования, параметр участвующего в регулировании регулятора приходится каждый раз подстраивать к изменившемуся импедансу сети или заново устанавливать. В результате оценки разности регулирования за счет импеданса сети такая подстройка или новая установка параметров участвующего в регулировании регулятора и, тем самым, его новый расчет становятся предпочтительно излишними, поскольку импеданс сети непосредственно влияет на вход регулятора и, тем самым, на регулирование.

Предложенное устройство для осуществления способа работы преобразователя содержит служащее для формирования регулирующего сигнала S_R регулирующее устройство, которое через управляющую схему соединено с управляемыми силовыми полупроводниковыми выключателями для формирования управляющего сигнала, причем регулирующее устройство содержит первый регулирующий блок для формирования регулирующего сигнала за счет регулирования Н-ой высшей гармоники сетевых токов до заданного значения сетевого тока, при этом Н=1, 2, 3,… Согласно изобретению, регулирующее устройство содержит второй регулирующий блок для формирования заданного значения сетевого тока за счет регулирования Н-ой высшей гармоники сетевых напряжений до заданного значения сетевого напряжения, причем разность регулирования между Н-ой высшей гармоникой сетевых напряжений и заданным значением сетевого напряжения оценена за счет импеданса сети, выявленного в отношении Н-ой высшей гармоники. Предложенное устройство для осуществления способа работы преобразователя может быть реализовано, следовательно, очень просто и недорого, поскольку схемные затраты могут быть крайне малы, а, кроме того, конструкция требует лишь небольшого числа элементов. Таким образом, с помощью этого устройства способ согласно изобретению может быть осуществлен особенно просто.

Эти и другие задачи, преимущества и признаки настоящего изобретения становятся очевидными из нижеследующего подробного описания предпочтительных вариантов его осуществления в сочетании с чертежами.

Краткое описание чертежей

На чертежах показано:

фиг.1 - вариант устройства согласно изобретению для осуществления способа работы преобразователя согласно изобретению;

фиг.2 - вариант регулирующего устройства, согласно изобретению;

фиг.3 - временная характеристика абсолютного значения Н-ой высшей гармоники сетевых напряжений.

Ссылочные позиции на чертежах и их значение указаны в перечне. В принципе, одинаковые детали обозначены одинаковыми ссылочными позициями. Описанные варианты, которые следует понимать как пример, не имеют ограничительного действия.

Осуществление изобретения

На фиг.1 изображен вариант устройства согласно изобретению для осуществления способа работы преобразователя. Преобразователь содержит на фиг.1 преобразовательный блок 2 с множеством управляемых силовых полупроводниковых выключателей и соединен с трехфазной электрической сетью 1 переменного напряжения. Следует отметить, что преобразовательный блок 2 может быть выполнен, в общем, в виде любого преобразовательного блока 2 для коммутации ≥2 уровней коммутируемого напряжения (многоуровневый преобразователь). Управляемыми силовыми полупроводниковыми выключателями управляют посредством сформированного из регулирующего сигнала S_R управляющего сигнала S_A, а регулирующий сигнал S_R формируют путем регулирования Н-ой высшей гармоники сетевых токов i_NH до заданного значения i_NHref сетевого тока, причем Н=1, 2, 3,... Согласно изобретению, заданное значение i_NHref сетевого тока формируется путем регулирования Н-ой высшей гармоники сетевых напряжений u_NH до заданного значения u_NHref сетевого напряжения, причем разность u_NHdiff регулирования между Н-ой высшей гармоникой сетевых напряжений u_NH и заданным значением u_NHref сетевого напряжения оценивается по импедансу y_NH сети, определенному в отношении Н-ой высшей гармоники. Таким образом, соответствующая Н-ая высшая гармоника сетевых напряжений u_NH непосредственно влияет на формирование заданного значения i_NHref сетевого тока, так что в результате Н-ая высшая гармоника в сетевых напряжениях может быть уменьшена до желаемой степени. В результате оценки разности u_NHdiff регулирования за счет импеданса y_NH сети подстройка или новая установка параметров регулятора, участвующего в регулировании, и, тем самым, новый расчет регулятора из-за изменяющегося обычно со временем импеданса y_NH сети становятся предпочтительно излишними, поскольку импеданс y_NH сети влияет непосредственно на вход регулятора и, тем самым, на регулирование.

Временнáя характеристика абсолютного значения Н-ой высшей гармоники сетевых напряжений u_NH изображена на фиг.3, причем видно заметное уменьшение Н-ой высшей гармоники в зависимости от времени t.

Поскольку импеданс y_NH сети обычно может изменяться с течением времени, в отношении Н-ой высшей гармоники проверяется преимущественно пороговое значение u_NHTo1 абсолютного значения |Δu_NH| изменения сетевого напряжения. При любом превышении порогового значения u_NHTo1 импеданс y_NH сети определяется заново. Для определения импеданса y_NH сети устанавливаются, например, текущее изменение Δu_NH сетевого напряжения в отношении Н-ой высшей гармоники и текущее изменение Δi_NH сетевого тока в отношении Н-ой высшей гармоники, на их основе расчетным путем определяется импеданс y_NH сети. Следует отметить, что существуют и другие возможности определения импеданса y_NH сети, например измерение.

Предпочтительно Н-ая высшая гармоника сетевых напряжений u_NH формируется посредством преобразования Парка-Кларка сетевых напряжений u_Nd, u_Nq. u_Nd и u_Nq являются соответствующими составляющими преобразования Парка-Кларка сетевых напряжений.

Следует отметить, что преобразование Парка-Кларка определяется, в общем, как

где обозначает, в общем, комплексную переменную, x_d - d-составляющая преобразования Парка-Кларка переменной , a x_q - q-составляющая преобразования Парка-Кларка переменной . Предпочтительно при преобразовании Парка-Кларка преобразуется не только основная гармоника комплексной переменной , но и все возникающие высшие гармоники комплексной переменной . Следовательно, Н-ая высшая гармоника также содержится и может быть удалена с помощью простого фильтрования.

В отношении предложенного способа преобразование Парка-Кларка сетевых напряжений u_Nd, u_Nq осуществляется на основе пространственно-векторного преобразования сетевых напряжений u_Nα, u_Nβ, т.е. сетевые напряжения u_Na, u_Nb, u_Nc преобразуются посредством пространственно-векторного преобразования.

Следует отметить, что пространственно-векторное преобразование определено как

где обозначает, в общем, комплексную переменную, x_α - α-составляющая пространственно-векторного преобразования переменной , а x_β-составляющая пространственно-векторного преобразования переменной .

Предпочтительно Н-ая высшая гармоника сетевых токов i_NH формируется посредством преобразования Парка-Кларка сетевых токов i_Nd, i_Nq. i_Nd и i_Nq являются соответствующими составляющими преобразования Парка-Кларка сетевых токов. Кроме того, преобразование Парка-Кларка сетевых токов i_Nd, i_Nq осуществляется на основе пространственно-векторного преобразования сетевых токов i_Nα, i_Nβ, т.е. сетевые токи i_Na, i_Nb, i_Nc преобразуются посредством пространственно-векторного преобразования.

Упомянутое выше регулирование Н-ой высшей гармоники сетевых напряжений u_NH до заданного значения u_NHref сетевого напряжения осуществляется предпочтительно в соответствии с пропорционально-интегральной характеристикой, поскольку указанная характеристика отличается простотой. Однако в качестве альтернативы возможно также регулирование Н-ой высшей гармоники сетевых напряжений u_NH до заданного значения u_NHref сетевого напряжения в соответствии с апериодической характеристикой посредством итерации. При регулировании по апериодической характеристике посредством итерации используется предпочтительно следующая формула:

i_NHref=i_NHref.old+(u_NH-u_NHref)·y_NH·k

где заданное значение i_NHref сетевого тока заново формируется на каждом шаге итерации, i_NHref.old обозначает заданное значение сетевого тока предшествующего шага итерации, а k - поправочный коэффициент, выбираемый предпочтительно порядка 0,1-1. Следует отметить, что возможна также любая другая регулировочная характеристика.

Как уже отмечалось, на фиг.1 изображен вариант устройства для осуществления способа работы преобразователя. На фиг.1 показано, что регулирующее устройство 4, используемое для формирования регулирующего сигнала S_R через управляющую схему 3 для формирования управляющего сигнала S_A, соединено с управляемыми силовыми полупроводниковыми выключателями преобразовательного блока 2. На фиг.2 изображен вариант регулирующего устройства 4, причем оно содержит первый регулирующий блок 5 для формирования регулирующего сигнала S_R путем регулирования Н-ой высшей гармоники сетевых токов i_NH до заданного значения i_NHref сетевого тока, при этом Н=1, 2, 3,… Согласно изобретению, регулирующее устройство 4 содержит второй регулирующий блок 6 для формирования заданного значения i_NHref сетевого тока путем регулирования Н-ой высшей гармоники сетевых напряжений u_NH до заранее установленного заданного значения u_NHref сетевого напряжения, причем разность u_NHdiff регулирования между Н-ой высшей гармоникой сетевых напряжений u_NH и заданным значением u_NHref сетевого напряжения оценивается по импедансу y_NH сети, определенному в отношении Н-ой высшей гармоники.

Второй регулирующий блок 6 для регулирования Н-ой высшей гармоники сетевых напряжений u_NH до заданного значения u_NHref сетевого напряжения содержит согласно фиг.2 регулятор 11, который может быть выполнен, например, в виде пропорционально-интегрального регулятора с соответствующей (уже упомянутой) характеристикой или в виде апериодического регулятора с соответствующей (уже упомянутой) характеристикой. Следует отметить, что возможны также любые другие регуляторы с соответствующей характеристикой.

На фиг.2 регулирующее устройство 4 дополнительно содержит первый вычислительный блок 7 для осуществления преобразования Парка-Кларка сетевых напряжений u_Nd, u_Nq на основе пространственно-векторного преобразования сетевых напряжений u_Nα, u_Nβ и для формирования Н-ой высшей гармоники сетевых напряжений u_NH на основе пространственно-векторного преобразования сетевых напряжений u_Nd, u_Nq.

Кроме того, регулирующее устройство 4 согласно фиг.2 содержит второй вычислительный блок 8 для осуществления пространственно-векторного преобразования сетевых напряжений u_Nα, u_Nβ. Кроме того, регулирующее устройство 4 содержит третий вычислительный блок 9 для осуществления преобразования Парка-Кларка сетевых токов i_Nd, i_Nq на основе пространственно-векторного преобразования сетевых токов i_Nα, i_Nβ и для формирования Н-ой высшей гармоники сетевых токов i_NH на основе преобразования Парка-Кларка сетевых токов i_Nα, i_Nβ. Регулирующее устройство 4 содержит также четвертый вычислительный блок 10 для осуществления пространственно-векторного преобразования сетевых токов i_Nα, i_Nβ.

Подробно описанные выше способ и устройство для его осуществления вызывают уменьшение Н-ой высшей гармоники сетевых напряжений u_NH. Понятно, что для уменьшения, например, нескольких высших гармоник сетевых напряжений способ осуществляется с соответствующими этапами для каждой из этих высших гармоник по отдельности. В отношении устройства для осуществления способа для уменьшения высших гармоник для каждой из этих высших гармоник требуется соответствующее, описанное выше устройство.

Все этапы способа согласно изобретению могут быть реализованы в виде программы, причем они тогда загружаются, например, в компьютер, в частности с цифровым сигнальным процессором, и могут быть выполнены в указанном компьютере. Предложенное устройство может быть реализовано также компьютером, в частности цифровым сигнальным процессором.

В общем, удалось показать, что изображенное, в частности, на фиг.1 и 2 устройство для осуществления способа работы преобразователя может быть реализовано очень просто и недорого, поскольку схемные затраты крайне малы, а, кроме того, конструкция требует лишь небольшого числа элементов. Таким образом, с помощью этого устройства способ может быть осуществлен особенно просто.

Перечень ссылочных позиций

1 - электрическая сеть переменного напряжения

2 - преобразовательный блок

3 - управляющая схема

4 - регулирующее устройство

5 - первый регулирующий блок

6 - второй регулирующий блок

7 - первый вычислительный блок

8 - второй вычислительный блок

9 - третий вычислительный блок

10 - четвертый вычислительный блок

11 - регулятор

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано и может быть использовано в силовой электронике. Техническим результатом является уменьшение высших гармоник в напряжении электрической сети переменного тока, соединенной с преобразователем. В способе работы преобразователя, содержащего преобразовательный блок с множеством управляемых силовых полупроводниковых выключателей и соединенного с электрической сетью переменного напряжения, управляемыми силовыми полупроводниковыми выключателями управляют посредством управляющего сигнала (S_A), сформированного из регулирующего сигнала (S_R). Регулирующий сигнал (S_R) формируют путем регулирования Н-ой высшей гармоники сетевых токов (i_NH) до заданного значения (i_NHref) сетевого тока, где Н=1, 2, 3,… Заданное значение (i_NHref) сетевого тока формируют путем регулирования величины заданного значения (u_NHref) сетевого напряжения, при этом разность (u_NHdiff) регулирования между Н-ой высшей гармоникой сетевых напряжений (u_NH) и заданным значением (u_NHref) сетевого напряжения оценивается с помощью импеданса (y_NH) сети, выявленного в отношении Н-ой высшей гармоники. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ работы преобразователя, содержащего преобразовательный блок (2) с множеством управляемых силовых полупроводниковых выключателей и соединенного с электрической сетью (1) переменного напряжения, при этом управляемыми силовыми полупроводниковыми выключателями управляют посредством управляющего сигнала (S_A), сформированного из регулирующего сигнала (S_R), а регулирующий сигнал (S_R) формируют путем регулирования Н-й высшей гармоники сетевых токов (i_NH) до заданного значения (i_NHref) сетевого тока, причем Н=1, 2, 3, отличающийся тем, что заданное значение (i_NHref) сетевого тока формируют путем регулирования Н-й высшей гармоники сетевых напряжений (u_NH) до предварительно заданного значения (u_NHref) сетевого напряжения, причем разность (u_NHdiff) регулирования между Н-й высшей гармоникой сетевых напряжений (u_NH) и заданным значением (u_NHref) сетевого напряжения оценивают с помощью импеданса (y_NH) сети, определенного в отношении Н-й высшей гармоники.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в отношении Н-й высшей гармоники проверяют абсолютное значение (|Δu_NH|) изменения сетевого напряжения по отношению к пороговому значению (u_NHTol), причем при любом превышении порогового значения (u_NHTol) определяют импеданс (y_NH) сети.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что импеданс (y_NH) сети определяют по изменению (Δu_NH) сетевого напряжения в отношении Н-й высшей гармоники и по изменению (Δi_NH) сетевого тока.

4. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что Н-ю высшую гармонику сетевых напряжений (u_NH) формируют посредством преобразования Парка-Кларка сетевых напряжений (u_Nd, u_Nq).

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что преобразование Парка-Кларка сетевых напряжений (u_Nd, U_Nq) осуществляют на основе пространственно-векторного преобразования сетевых напряжений (u_nα, u_nβ).

6. Способ по одному из пп.1-3, 5, отличающийся тем, что Н-ю высшую гармонику сетевых токов (i_NH) формируют посредством преобразования Парка-Кларка сетевых токов (i_Nd, i_Nq).

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что преобразование Парка-Кларка сетевых токов (i_Nd, i_Nq) осуществляют на основе пространственно-векторного преобразования сетевых токов (i_Nα, i_Nβ).

8. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что регулирование Н-й высшей гармоники сетевых напряжений (u_NH) до заданного значения (u_NHref) сетевого напряжения осуществляют в соответствии с пропорционально-интегральной характеристикой.

9. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что регулирование Н-й высшей гармоники сетевых напряжений (u_NH) до заданного значения (u_NHref) сетевого напряжения осуществляют в соответствии с апериодической характеристикой посредством итерации.

10. Устройство для осуществления способа работы преобразователя, содержащего преобразовательный блок (1) с множеством управляемых силовых полупроводниковых выключателей и соединенного с электрической сетью переменного напряжения, содержащее регулирующее устройство (4), служащее для формирования регулирующего сигнала (S_R) и соединенное с управляемыми силовыми полупроводниковыми выключателями через управляющую схему (3) для формирования управляющего сигнала (S_A), причем регулирующее устройство (4) содержит первый регулирующий устройство (4) содержит первый регулирующий блок (5) для формирования регулирующего сигнала (S_R) путем регулирования Н-й высшей гармоники сетевых токов (i_NH) до заданного значения (i_NHref) сетевого тока, причем Н=1, 2, 3…, отличающееся тем, что регулирующее устройство (4) содержит второй регулирующий блок (6) для формирования заданного значения (i_NHref) сетевого тока путем регулирования Н-ой высшей гармоники сетевых напряжений (u_NH) до заданного значения (u_NHref) сетевого напряжения, причем разность (u_NHdiff) регулирования между Н-й высшей гармоникой сетевых напряжений (u_NH) и заданным значением (u_NHref) сетевого напряжения оценена с помощью импеданса (y_NH) сети, определенного в отношении Н-й высшей гармоники.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что регулирующее устройство (4) содержит первый вычислительный блок (7) для осуществления преобразования Парка-Кларка сетевых напряжений (u_Nd, u_Nq) на основе пространственно-векторного преобразования сетевых напряжений (u_Nα, u_Nβ) и для формирования Н-й высшей гармоники сетевых напряжений (u_NH) посредством преобразования Парка-Кларка сетевых напряжений (u_Nd, u_Nq).

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что регулирующее устройство (4) содержит второй вычислительный блок (8) для осуществления пространственно-векторного преобразования сетевых напряжений (u_Nα, u_Nβ).

13. Устройство по одному из пп.10-12, отличающееся тем, что регулирующее устройство (4) содержит третий вычислительный блок (9) для осуществления преобразования Парка-Кларка сетевых токов (i_Nd, i_Nq) на основе пространственно-векторного преобразования сетевых токов (i_Nα, i_Nβ) и для формирования Н-й высшей гармоники сетевых токов (i_NH) на основе преобразования Парка-Кларка сетевых токов (i_Nd, i_Nq).

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что регулирующее устройство (4) содержит четвертью вычислительный блок (10) для осуществления пространственно-векторного преобразования сетевых токов (i_Nα, i_Nβ).

15. Устройство по одному из пп.10-12, отличающееся тем, что второй регулирующий блок (6) для регулирования Н-й высшей гармоники сетевых напряжений (u_NH) до заданного значения (u_NHref) сетевого напряжения содержит регулятор (11).