СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ С ЕСТЕСТВЕННОЙ КОММУТАЦИЕЙ Российский патент 2014 года по МПК H02M1/84 

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использовано при построении систем генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока для летательных аппаратов, в которых для достижения качественных показателей выходной энергии применяются статические преобразователи электрической энергии. Первичными источниками с нестабильными параметрами входной энергии в таких системах служит синхронный генератор с переменной скоростью вращения вала. Функция обеспечения качественных показателей генерируемой электрической энергии возлагается на непосредственный преобразователь частоты с естественной коммутацией и выходной силовой низкочастотный фильтр.

Для указанного применения систем генерирования важным показателем является масса всех элементов системы, при проектировании которых необходимо стремиться к ее уменьшению. Масса синхронного генератора при работе с непосредственным преобразователем частоты с естественной коммутацией в значительной степени определяется величиной входного коэффициента мощности преобразователя (χ_сг). Действительно $$S_{сг}=\frac{P_{н}}{{\eta }_{cn}\cdot {\chi }_{cn}},$$ в этом соотношении S_сг - установленная мощность синхронного генератора (масса синхронного генератора пропорциональна этой величине), P_н - активная мощность нагрузки, η_cn - коэффициент полезного действия преобразователя. Поэтому возникает задача повышения величины коэффициента мощности непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией.

Известен способ управления непосредственным преобразователем частоты с естественной коммутацией [Жемеров Г.Г. Тиристорные преобразователи частоты с непосредственной связью. М., Энергия, 1977], заключающийся в том, что формируют опорные сигналы и трехфазные прямоугольные сигналы управления, в моменты равенства этих сигналов вырабатываются импульсы управления тиристорами.

Данный способ имеет недостаток, заключающийся в том, что в спектре выходного напряжения непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией в этом случае присутствуют большие по величине гармонические составляющие с частотами, кратными частоте управляющих сигналов. Это приводит к значительному увеличению массы и габаритов выходного силового низкочастотного фильтра.

Кроме того, известен способ управления непосредственным преобразователем частоты с естественной коммутацией в составе системы, состоящей из синхронного генератора, непосредственного преобразователя частоты с непосредственной связью и выходного силового низкочастотного фильтра [Джюджи Л., Пелли Б. Силовые полупроводниковые преобразователи частоты: Теория, характеристики, применение. Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 400 с., ил.], который является прототипом предлагаемого изобретения, заключающийся в том, что формируют импульсы управления тиристорами в моменты равенства опорных сигналов с управляющими трехфазными сигналами синусоидальной формы.

Недостатком этого способа является относительно малое значение входного коэффициента мощности непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией и, как следствие, высокая масса синхронного генератора.

Задача изобретения заключается в снижении массы системы генерирования электрической энергии за счет снижения массы синхронного генератора, что обеспечивается повышением входного коэффициента мощности непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией.

Это достигается тем, что в известном способе управления формируют три сдвинутых на 120° синусоидальных сигнала, формируют сигнал, который в каждый момент времени равен среднему значению сформированных синусоидальных сигналов, полученный сигнал масштабируют и каждый управляющий сигнал формируют в виде суммы полученного путем масштабирования сигнала и соответствующего синусоидального сигнала.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ управления непосредственным преобразователем частоты с непосредственной связью и естественной коммутацией.

Структурная схема устройства включает: генератор опорных сигналов (1), количество опорных сигналов равно количеству тиристоров непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией, генератор управляющих трехфазных синусоидальных сигналов (2), схему выделения средних значений (3), блок масштабирования (4), сумматор (5) и схему сравнения (6), их количество равно количеству тиристоров непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией.

Выходы генераторов опорных сигналов (1) подключены ко вторым входам схем сравнения (6). Выходы генератора управляющих трехфазных синусоидальных сигналов (2) подключены ко входам схемы выделения средних значений (3) и вторым входам сумматоров (5). Выход схемы выделения средних значений (3) подключен к первому входу блока масштабирования (4), чей выход подключен к первым входам схемы сравнения (6). Выходные сигналы схем сравнения (6) далее подаются на тиристоры.

Блоки функционируют следующим образом. Генератор опорных сигналов (1) формирует линейные или косинусоидальные опорные сигналы с амплитудным значением U_{on max}, синхронизированные с напряжением синхронного генератора, количество этих сигналов равно количеству тиристоров в непосредственном преобразователе частоты с непосредственной связью. Генератор управляющих трехфазных синусоидальных сигналов (2) формирует три синусоидальных сигнала (фиг.2)

где U_ym - амплитудное значение управляющего сигнала, Ω - циклическая частота управляющих сигналов.

Выходной сигнал $$({\stackrel{⌢}{U}}_{midl})$$ схемы выделения средних значений (3) каждый момент времени равен среднему значению управляющих трехфазных синусоидальных сигналов (фиг.2) в соответствии с соотношением

$${\stackrel{⌢}{U}}_{midl}=Midl\left\{U_{y\sin A},U_{y\sin B},U_{y\sin C}\right\}.(1)$$

Выходной сигнал блока масштабирования (U_midl) определяется соотношением вида

$$U_{midl}=\frac{1}{2}{\stackrel{⌢}{U}}_{midl}.(2)$$

Как следует из фиг.2 и соотношений (1), (2), сигнал U_midl изменяется с частотой 3Ω и содержит гармоники порядка (2k-1)Ω, k=1,2,3,…

Выходные сигналы сумматора (5) определяются соотношением

$$U_{yкомj}=U_{y\sin j}+U_{midl},j=A,B,C.(3)$$

Осциллограмма выходного сигнала сумматора для j=А представлена на фиг.3.

При таком управляющем сигнале расширяется линейный диапазон изменения амплитудного значения U_ym, при этом его максимальное значение может быть равным в $$U_{ym\max }=\frac{2}{\sqrt{3}}{U}_{on\max }=\mathrm{1,155}{U}_{on\max }$$ раза [Берестов В.М., Харитонов С.А. Анализ синусоидальной ШИМ с натуральной выборкой (методический аспект). Технiчна електродинамiка. Тематический выпуск. Силова електронiка та енергоефективнiсть. Частина 2. Киiв, 2002. - с.31-37].

При этом происходит увеличение основной гармоники выходного напряжения непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией (E_н(1)). В соответствии с ГОСТ 19880-74 коэффициент мощности определяется как отношение активной мощности к полной мощности, пренебрегая активными потерями в преобразователе частоты и полагая, что нагрузка симметрична, выражение для входного коэффициента мощности непосредственного преобразователя частоты примет вид

$$\chi cn=\frac{P}{S}=\frac{3E_{н\left(1\right)}{I}_{н\left(1\right)}\cos {\phi }_{н\left(1\right)}}{{\displaystyle \sum _{i=1}^6{E}_{1i}}{I}_{1i}}(6)$$

где: E_н(1), I _н(1) - действующее значение основных гармоник фазного напряжения и тока на выходе преобразователя частоты, ϕ_н(1) - фазовый сдвиг между выходными током и напряжением преобразователя частоты, E_1i, I_1i -действующие значения фазных напряжений и токов синхронного генератора.

Как следует из соотношения (4) происходит увеличение входного коэффициента мощности непосредственного преобразователя частоты.

Результаты расчетов приведены на фиг.4, где показано как изменяются относительные значения действующих значений основных гармоник напряжений на выходе преобразователя частоты при использовании способа прототипа (обозначено «Sin») и в заявляемом способе (обозначено «Midl») и их отношения в функции глубины модуляции $$\left(M=\frac{U_{ym}}{U_{on\max }}\right)$$ .

Как следует из фиг.4б в предложенной системе, действующее значение основной гармоники напряжения на нагрузке увеличивается на 8.5-44.5%. Настолько же процентов происходит увеличение входного коэффициента мощности непосредственного преобразователя частоты (χ_cn) в соответствии с соотношением (1). И, т.к. $$S_{сг}=\frac{P_{н}}{{\eta }_{cn}\cdot {\chi }_{cn}}$$ , происходит уменьшение установленной мощности генератора на 7.8÷42.7% относительно установленной мощности синхронного генератора в случае применения способа прототипа.

Наличие в сигналах U_yкомj гармоник нулевой последовательности порядка (2k-1)Ω, k=1, 2, 3,… приведет к их появлению в выходных напряжениях непосредственного преобразователя частоты, однако, если нагрузка не имеет нулевого провода, то в напряжении на нагрузке эти гармоники будут отсутствовать.

Таким образом, предложенный способ управления непосредственным преобразователем частоты с естественной коммутацией позволяет уменьшить массу синхронного генератора за счет повышения входного коэффициента мощности непосредственным преобразователем частоты.

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использовано при построении систем генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока для летательных аппаратов. Первичными источниками с нестабильными параметрами входной энергии в таких системах служит синхронный генератор с переменной скоростью вращения вала. Функция обеспечения качественных показателей генерируемой электрической энергии возлагается на непосредственный преобразователь частоты с естественной коммутацией и выходной силовой низкочастотный фильтр. Предложенный способ заключается в том, что формируют импульсы управления тиристорами в моменты равенства опорных сигналов с управляющими трехфазными сигналами, формируют три сдвинутых на 120° синусоидальных сигнала, формируют сигнал, который в каждый момент времени равен среднему значению сформированных синусоидальных сигналов, полученный.сигнал масштабируют и каждый управляющий сигнал формируют в виде суммы полученного путем масштабирования сигнала и соответствующего синусоидального сигнала. Таким образом, предложенный позволяет получить технический результат - уменьшить массу синхронного генератора за счет повышения входного коэффициента мощности непосредственным преобразователем частоты. 4 ил.

Способ управления непосредственным преобразователем частоты с естественной коммутацией, заключающийся в том, что формируют импульсы управления тиристорами в моменты равенства опорных сигналов с управляющими трехфазными сигналами, отличающийся тем, что формируют три сдвинутых на 120° синусоидальных сигнала, формируют сигнал, который в каждый момент времени равен среднему значению сформированных синусоидальных сигналов, полученный сигнал масштабируют и каждый управляющий сигнал формируют в виде суммы полученного путем масштабирования сигнала и соответствующего синусоидального сигнала.