СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СТАТИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ В СИСТЕМЕ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В РЕЖИМЕ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ Российский патент 2014 года по МПК G05F1/625 H02M7/00 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использовано при построении систем генерирования электрической энергии переменного тока или систем гарантированного электропитания переменного тока, в которых для снижения массы и габаритов системы генерирования, увеличения рабочего ресурса применяется статический преобразователь электрической энергии. Первичными источниками с нестабильными параметрами входной энергии в таких системах может служить сеть промышленной частоты, синхронный генератор с переменной скоростью вращения вала. Функция обеспечения качественных показателей генерируемой электрической энергии возлагается на статический преобразователь и выходной силовой низкочастотный фильтр.

Известен способ управления статическим преобразователем электрической энергии [Устройство для управления трехфазным преобразователем частоты с непосредственной связью: а.с. 983971 СССР №3304894/24-07; заявл. 15.04.81; опубл. 23.08.82, бюл. 47, 6 с.], основанный на управлении вентилями трехфазного преобразователя частоты с непосредственной связью, заключающийся в том, что в режиме короткого замыкания в нагрузке управляющие сигналы формируются в виде трапецеидальных двухполярных импульсов со скважностью, равной двум, а фазы импульсов сдвинуты относительно друг друга на 120 эл. град. по частоте выходных напряжений преобразователя.

Однако недостатком данного способа является то, что в преобразователе частоты с непосредственной связью в виду конечной величины соотношения между частотами входного и выходного напряжений в режиме короткого замыкания в токе возникает постоянная составляющая, что значительно усложняет выход из режима короткого замыкания. Кроме этого, в режиме короткого замыкания, в данном преобразователе резко возрастают потери в вентилях, т.к. увеличиваются приложенное к ним напряжение (в нагрузке напряжение равно нулю ввиду короткого замыкания) и ток, который становится равен току короткого замыкания.

Кроме того, известен способ управления статическим преобразователем в системе электропитания [Транзисторный преобразователь постоянного напряжения в переменное высокой частоты с электронным устройством защиты: патент 2249295 Рос.Федерация №2003111111/09; заявл. 17.04.03; опубл. 27.03.05, бюл.9, 7 с.], являющийся прототипом предлагаемого изобретения, заключающийся в том, что в системе, содержащей источник постоянного напряжения, инвертор напряжения и выходной низкочастотный фильтр с нагрузкой, при возникновении режима короткого замыкания в нагрузке измеряют ток нагрузки и при достижении им заданной величины уменьшают входное напряжение инвертора до нуля и закрывают транзисторы инвертора.

Недостатком данного способа управления является то, что в режиме короткого замыкания не происходит селективное отключение нагрузок за счет выгорания плавких вставок или срабатывания автоматов токовой защиты. При повторном включении инвертора вновь будет идентифицирован режим короткого замыкания, множество таких режимов уменьшит рабочий ресурс системы.

Задача изобретения - обеспечение селективности отключения нагрузок в режиме короткого замыкания в нагрузке, что обеспечивает повышение рабочего ресурса системы, а также уменьшение активных потерь в инверторе напряжения в режиме короткого замыкания.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе управления статическим преобразователем в составе системы электропитания, заключающемся в том, что в системе, содержащей источник постоянного напряжения, инвертор напряжения и выходной низкочастотный фильтр с нагрузкой, в режиме короткого замыкания измеряют ток нагрузки и при достижении им заданной величины изменяют сигнал управления инвертором напряжения, обеспечивая максимально возможную величину тока короткого замыкания, регулируют величину постоянного напряжения на входе инвертора, стабилизируя заданную величину тока короткого замыкания в нагрузке в течение определенного интервала времени.

На чертеже представлена одна из возможных структурных схем, реализующая предлагаемый способ управления статическим преобразователем.

Она условно может быть разделена на силовую схему и систему управления. Силовая схема (СС) содержит управляемый выпрямитель (УВ) (11), вход которого соединен с магнитоэлектрическим генератором (МЭГ) (10) (или любым другим генератором), а выход - со входом инвертора напряжения (ИН) (12), выход которого соединен со входом низкочастотного фильтра (НЧ) (13), выход последнего через датчики тока (17) соединен со входом нагрузки (14). Система управления (СУ) включает в себя усилитель (6), вход которого соединен с датчиком тока (17), выход усилителя соединен со входом формирователя прямоугольных импульсов (5), компаратором (8) и схемой суммирования (7). Второй вход схемы суммирования (7) соединен с выходом источника сигнала задания на величину тока короткого замыкания (16), а выход схемы суммирования (7) соединен со входом регулятора тока (9), выход которого соединен со вторым входом переключателя (4), первый вход переключателя соединен с выходом блока (15), формирующим сигнал задания на напряжение выпрямителя Ud. Выход формирователя прямоугольных импульсов соединен со входом инвертора напряжения, а выход компаратора (8) соединен с управляющим входом переключателя (4). Выход переключателя соединен с неинвертирующим входом сумматора (3), инвертирующий вход которого соединен с выходом выпрямителя (11). Выход сумматора (3) соединен со входом регулятора (2), выход которого соединен со входом системы импульсно-фазового управления (СИФУ) (1), выход которой соединен со входом управляемого выпрямителя (11).

Блоки схемы выполняют следующие функции. Датчик тока (17) измеряет мгновенное значение тока нагрузки и формирует сигнал, пропорциональный амплитудному значению измеренного тока. Источник сигнала задания (16) формирует необходимую уставку на заданную величину тока короткого замыкания I_зад. Источник (15) формирует сигнал задания на величину выходного напряжения (U_d) управляемого выпрямителя в нормальном режиме работы. Блоки силовой схемы 10-14 осуществляют преобразование механической энергии вращающегося с переменной скоростью вала синхронного генератора в электрическую энергию переменного тока с заданными параметрами. Блоки (3, 7) выполняют функцию алгебраического суммирования, регуляторы (9, 2) выполняют функцию регулирования по определенному закону тока и напряжения соответственно, в качестве примера может быть реализован пропорционально-интегральный или пропорциональный законы регулирования. Компаратор (8) реализует функцию sign(x), где х - входной сигнал блока, в аварийном режиме на его выходе появляется значение логической единицы, и этим сигналом в блоке переключателя (4) ключ переводится из положения «I» в положение «2», замыкая тем самым цепь управления током короткого замыкания. Усилитель (6) реализует функциональную зависимость, представленную соотношением (1)

$$i_{вых}=\{\begin{array}{l}k{i}_{вх},i_{вх}>I_{зад};\\ \mathrm{0,}{i}_{вх}\le I_{зад},\end{array}$$

где k - постоянный коэффициент передачи;

i_вх, i_вых - входной и выходной сигналы усилителя.

Блок (5) формирует прямоугольные двухполярные импульсы с длительностью каждой полуволны 180 эл. град. по выходной частоте инвертора напряжения. СИФУ (1) формирует импульсы управления тиристорами УВ, моменты выдачи которых зависят от величины сигнала регулятора (2).

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. В нормальном режиме, когда ток нагрузки меньше заданной величины тока короткого замыкания I_зад, с блока 15 подается напряжение U_эт через подключенный в положение «1» переключатель (4) на сумматор (3), где производится операция вычитания реального напряжения с выхода УВ (11), из эталонного напряжения (15). Сигнал с выхода сумматора подается на вход регулятора (2), выходной сигнал которого поступает на вход СИФУ (1), а оттуда - на силовые ключи выпрямителя УВ (11). Таким образом замыкается отрицательная обратная связь по выходному напряжению управляемого выпрямителя, осуществляющая стабилизацию напряжения U_d. Инвертор напряжения формирует выходное напряжение переменного тока заданной частоты и величины в соответствии с заложенным в него способом управления в нормальном режиме работы (как правило, это способ управления предполагает наличие высокочастотной широтно-импульсной модуляции - ШИМ). Система функционирует как в известных способах, формируя в нагрузке напряжение переменного тока с необходимыми параметрами.

В случае возникновения короткого замыкания в нагрузке (14), сигнал, получаемый с датчика тока (17), превосходит по величине уставку I_зад, в результате появляется отличный от нуля сигнал на выходе усилителя (6). Следствием появления этого сигнала является то, что на вход инвертора напряжения подаются прямоугольные двухполярные импульсы с длительностью каждой полуволны 180 эл. град. по выходной частоте инвертора напряжения, это позволяет формировать инвертору напряжения максимально возможный ток в нагрузке. Кроме этого срабатывает компаратор (8), под действием его выходного сигнала переключатель (3) переводит внутренний ключ в положение «2». В этом случае замыкается отрицательная обратная связь по амплитудному значению тока нагрузки. В контур обратной связи включены: датчик тока (17), усилитель (6), сумматоры (7 и 3), регуляторы (9, 2), переключатель (3), СИФУ (1), управляемый выпрямитель (11), инвертор напряжения (12), низкочастотный фильтр (13). В результате действия данной обратной связи ток в нагрузке становится пропорциональным величине уставки I_зад. Данный режим в системе сохраняется заданный промежуток времени (обычно 7÷10 сек.), в течение которого селективно отключается та часть нагрузки, в которой произошло короткое замыкание. После выдержки этого промежутка времени система переводится в нормальный режим работы.

В режиме короткого замыкания сопротивление нагрузки практически равно нулю, транзисторы инвертора работают в режиме 180-градусной проводимости (не ограничивают ток нагрузки), поэтому величина тока в нагрузке ограничивается продольным импедансом низкочастотного фильтра (13), величина которого на выходной частоте инвертора также невелика, т.к. фильтр предназначен для подавления гармоник высокочастотной ШИМ. Поэтому замкнутый контур обратной связи по току нагрузки автоматически уменьшит величину выходного напряжения управляемого выпрямителя до необходимой величины для создания в нагрузке заданного тока короткого замыкания. Уменьшение напряжения на входе инвертора и перевод его в режим работы со 180-градусной по выходной частоте проводимостью приведет к значительному снижению потерь активной мощности в транзисторах инвертора и конденсаторах фильтра УВ, что увеличит ресурс работы системы.

Таким образом, предлагаемый способ управления статическим преобразователем в системе генерирования электрической энергии переменного тока в режиме короткого замыкания позволяет обеспечить селективность отключения нагрузок, в которых возникает режим короткого замыкания, что приводит к повышению рабочего ресурса системы, а также к уменьшению активных потерь в инверторе напряжения в режиме короткого замыкания.

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, может быть использовано при построении систем генерирования электрической энергии переменного тока или систем гарантированного электропитания переменного тока, в которых применяется инвертор напряжения. Технический результат заключается в обеспечении селективности отключения нагрузок, в которых возникает режим короткого замыкания, что приводит к повышению рабочего ресурса системы, а также к уменьшению активных потерь в инверторе напряжения в режиме короткого замыкания. Для этого в предложенном способе управления статическим преобразователем в системе электропитания генерирования электрической энергии переменного тока в режиме короткого замыкания измеряют ток нагрузки и при достижении им заданной величины изменяют сигнал управления инвертором напряжения, обеспечивая максимально возможную величину тока короткого замыкания, регулируют величину постоянного напряжения на входе инвертора, стабилизируя заданную величину тока короткого замыкания в нагрузке в течение определенного интервала времени. 1 ил.

Способ управления статическим преобразователем в системе генерирования электрической энергии переменного тока в режиме короткого замыкания, содержащей источник постоянного напряжения, инвертор напряжения и выходной низкочастотный фильтр с нагрузкой, заключающийся в контроле достижения тока нагрузки при коротком замыкании в ней заданной величины, отличающийся тем, что в момент достижения током нагрузки заданной величины изменяют сигнал управления инвертором напряжения, обеспечивая максимально возможную величину тока короткого замыкания, регулируют величину постоянного напряжения на входе инвертора, стабилизируя заданную величину тока короткого замыкания в нагрузке в течение определенного интервала времени.