СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ УПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2017 года по МПК H02M1/08 H02M7/66 H02M7/757 G05F1/565 

Предлагаемое устройство относится к электротехнике, в частности к устройствам для преобразования переменного тока в постоянный, и наоборот, постоянного тока в переменный с использованием полупроводниковых приборов: транзисторов и диодов - в мостовой схеме.

Управляемые выпрямители напряжения (УВН), которые также известны под названиями: активные выпрямители или обратимые преобразователи напряжения, применяются в качестве выпрямителя для питания потребителей постоянного тока или, вместе с автономными инверторами, в составе преобразователей частоты. Основой УВН является составленный из неуправляемых диодов (Д) обычный неуправляемый выпрямитель, который теперь стали называть также неуправляемый выпрямитель тока. У УВН параллельно диодам включены транзисторы (Т), выполняющие функцию электронных ключей, проводящих ток в направлении, обратном по отношению к прямому току параллельно включенных диодов. Совокупность всех Д и Т образует вентильный коммутатор (ВК). Именно благодаря указанному устройству ВК УВН, в отличие от выпрямителей других разновидностей, обладает замечательным свойством: в управляемом режиме работы он может поддерживать требуемое значение угла ϕ₁ сдвига между синусоидальным напряжением, имеющим частоту источника переменного напряжения, к которому подключены входные зажимы УВН, и первой гармоникой входного тока УВН. В частности, когда УВН работает в качестве выпрямителя, получающего энергию от источника напряжения ИН переменного тока и передающего его потребителям постоянного тока, первая гармоника входного тока УВН совпадает по фазе с соответствующим фазным напряжением ИН, то есть угол ϕ₁ равен 0 радиан (или 0). Кроме того, УВН может работать и в качестве автономного инвертора напряжения, передающего энергию от потребителя постоянного тока к ИН. При этом первая гармоника входного тока УВН противоположна по фазе соответствующему напряжению ИН, то есть угол ϕ₁ равен π (180). В обоих случаях абсолютное значение коэффициента мощности, потребляемой от ИН или поступающей в него, равно 1, то есть имеет максимальное значение.

Для обеспечения требуемого значения угла ϕ₁ сдвига между синусоидальным входным напряжением УВН и первой гармоникой входного тока УВН и стабилизации выпрямленного напряжения U_d УВН вводят в состав системы его управления, которая кроме него и ИН содержит также управляющее устройство, выход которого подключен к управляющему входу ВК, блок управления, выход которого подключен к управляющему входу управляющего устройства, и измерительные преобразователи входных и выходных токов и напряжений УВН, выходы которых подключены к измерительным входам управляющего устройства.

В неуправляемом режиме работы, когда ток проводят только диоды ВК, транзисторы ВК нельзя включить, то есть переход к работе в управляемом режиме не может осуществиться, так как падение напряжения в открытом диоде приложено к электродам транзистора в направлении, противоположном тому, при котором транзистор переходит в проводящее состояние при подаче на него соответствующего управляющего импульса.

Входные зажимы ВК соединены с входными зажимами УВН, а выходные зажимы ВК подключены к выходным зажимам УВН, к которым подключена также его нагрузка и выходной конденсатор, который является обязательным элементом УВН и предназначен для выполнения следующих трех функций. Во-первых, это стабилизация среднего значения выходного напряжения УВН U_d на уровне, требуемом нагрузке УВН вне зависимости этого значения от тока нагрузки, и сглаживание выходного напряжения U_d УВН: амплитудные значения пульсаций его напряжения меньше тех, что допустимы для нагрузки УВН. Во-вторых, выходной конденсатор препятствует самопроизвольному возникновению неуправляемого режима работы УВН, так как напряжение U_d выходного конденсатора поддерживается на уровне, превосходящем амплитуду синусоидального напряжения ИН. В-третьих, из-за напряжения U_d выходного конденсатора, УВН, работая в качестве автономного инвертора напряжения с применением широтно-импульсной модуляции (ШИМ), формирует на входе ВК напряжение, форма которого представляет собой последовательность прямоугольных импульсов с постоянной амплитудой, равной U_d, но с изменяющейся по синусоидальному закону их длительностью. Частота коммутации этих импульсов , которая также называется несущей частотой, в сотни и более раз превосходит частоту ИН.

Первая гармоника входного напряжения ВК уравновешивает основную часть напряжения ИН. Помимо первой гармоники входное напряжение ВК содержит ряд высших гармоник, первые из которых имеют частоты, близкие к несущей частоте .

У однофазного мостового УВН между первым из входных зажимов УВН и первым из входных зажимов ВК включены последовательно соединенные измерительный преобразователь входного тока УВН и входной реактор, имеющий индуктивность L, а вторые из входных зажимов ВК и УВН соединены друг с другом напрямую. У трехфазного мостового УВН три фазных входных зажима УВН подключены к трем фазным выходным зажимам ИН и, через три фазных входных реактора, каждый из которых включен последовательно с измерительным преобразователем фазного входного тока УВН, к соответствующим входным зажимам ВК. Входные реакторы являются обязательными элементами УВН, которые предназначены для выполнения следующих трех функций. Во-первых, индуктивное сопротивление реактора ω₁L, где ω₁ угловая частота ИН, определяет амплитуду и фазу первой гармоники входного тока УВН, так как падение напряжения от этого тока на указанном индуктивном сопротивлении равно разности между основной частью напряжения ИН и первой гармоникой входного напряжения ВК. Во-вторых, индуктивность реактора L определяет производную по времени t входного тока i₁ УВН, в момент времени, соответствующий началу перехода во включенное состояние одного из транзисторов анодной группы ВК и одного из транзисторов его катодной группы, так как в этот момент времени к реактору подводится сумма напряжений ИН и выходного напряжения U_d УВН, и эта сумма равна . В-третьих, входной реактор сглаживает входной ток УВН и не пропускает в ИН и в другие кроме УВН потребители электроэнергии, подключенные к ИН, высшие гармонические составляющие входного тока УВН, так как индуктивное сопротивление реактора для высших гармонических составляющих входного тока УВН в сотни и более раз больше, чем его сопротивление для первой гармоники, и тем больше, чем больше номер высшей гармоники.

Известна система управления однофазного мостового УВН. Схема этого УВН и осциллограммы токов и напряжений в нем приведены в [Электротехника. - В 3-х книгах. Книга II. Электрические машины. Промышленная электроника. Теория автоматического управления / Под ред. П.А. Бутырина, Р.Х. Гафиятуллина, А.Л. Шестакова. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. - 711 с., стр 445, 446 и 451, рисунок 25.3 (аналог)]. Аналог работает следующим образом: до подключения к источнику напряжение выходного конденсатора равно нулю. По команде, полученной от блока управления (БУ), начинается процесс неуправляемого заряда выходного конденсатора. Из-за пренебрежимо малого сопротивления диодов, входящих в вентильный коммутатор (ВК) выпрямителя напряжения, и отсутствия напряжения на зажимах выходного конденсатора начальная стадия этого процесса равносильна короткому замыканию источника напряжения (ИН). В результате напряжение на выходном конденсаторе начинает возрастать. Для снижения вышеупомянутых пусковых токов, во входную цепь устройства для подключения УВН, как правило, включают токоограничивающие резисторы.

Аналог работает с углом сдвига ϕ₁ между входным напряжением УВН и током, потребляемым от ИН, равным 0, или током, возвращаемым в ИН, равным π. Блок управления (БУ) подает в управляющее устройство (УУ) два массива заданных мгновенных значений входного тока УВН. Первый из них состоит из максимальных мгновенных значений этого тока, которые несколько превосходят мгновенные значения синусоидального тока, совпадающего по фазе с входным напряжением УВН в выпрямительном режиме его работы или находящегося с входным напряжением УВН в противофазе в инверторном режиме его работы. Второй массив состоит из минимальных мгновенных значений входного тока УВН, которые несколько меньше мгновенных значений указанного синусоидального тока. В моменты времени, когда значение измеренного с помощью измерительного преобразователя входного тока равно значению входного тока из второго массива, УУ подает команду на включение одного из транзисторов анодной группы ВК и одного из транзисторов его катодной группы. После этого входной ток УВН начинает возрастать. Когда он достигнет значения, входящего в первый массив, УУ подаст команду на выключение этих транзисторов. После этого входной ток УВН станет снижаться. Когда он достигнет значения, входящего во второй массив, процесс повторится.

Аналогу присущи три недостатка. Первый из них - это большой размер указанных двух массивов, что требует для составления этих массивов выполнения большого объема вычислительной работы. Второй недостаток аналога заключается в том, что в литературе пока еще не описаны проверенные на практике алгоритмы работы при других, не равных 0 или π, углах сдвига ϕ₁. Третий недостаток аналога проявляется в том, что он не обеспечивает стабилизацию среднего значения выходного напряжения УВН.

Известна также, свободная от недостатков аналога, система управления однофазного мостового УВН, которая наиболее близка по технической сущности к предлагаемому устройству и выбрана в качестве прототипа, функциональная схема которой и пояснения к ней приведены в [Электротехника. - В 3-х книгах. Книга II. Электрические машины. Промышленная электроника. Теория автоматического управления / Под ред. П.А. Бутырина, Р.Х. Гафиятуллина, А.Л. Шестакова. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. - 711 с., стр. 460, 461, рисунок 25.13, (прототип)]. Система управления управляемого выпрямителя напряжения (УВН), которая содержит однофазный мостовой УВН, содержащий однофазный вентильный коммутатор (ВК), входной реактор и выходной конденсатор, а также кроме УВН управляющее им устройство, выход которого подключен к управляющему входу ВК, подключенные своими выходами к входам управляющего устройства блок управления и измерительные преобразователи входных и выходных токов и напряжений УВН, причем к управляющему входу управляющего устройства подключен первый выход блока управления, нагрузка УВН, выходной конденсатор и измерительный преобразователь выходного напряжения УВН подключены между положительным и отрицательным выходными зажимами УВН, а оба, первый и второй входные зажимы УВН соединены с выходными зажимами однофазного источника переменного напряжения или с двумя фазными выходными зажимами трехфазного источника переменного напряжения, при этом измерительный преобразователь входного напряжения подключен между первым и вторым входными зажимами УВН, первый входной зажим УВН подключен к первому входному зажиму ВК через последовательное соединение измерительного преобразователя входного тока УВН и входного реактора, а второй входной зажим УВН подключен ко второму входному зажиму ВК непосредственно, положительный выходной зажим ВК подключен к положительному выходному зажиму УВН непосредственно, а отрицательный выходной зажим ВК подключен к отрицательному выходному зажиму УВН через измерительный преобразователь выходного тока УВН. Блок управления (БУ) прототипа подает в устройство управления (УУ) всего две величины: заданное значение угла ϕ₁ сдвига между синусоидальным входным напряжением УВН и заданное среднее значение выпрямленного напряжения U_d. Помимо положительного свойства, которое проявляется в отсутствие перечисленных выше недостатков аналога, прототип имеет и два недостатка.

Первый из них заключается в том, что токи цепей УВН, возникающие при подключении УВН с незаряженным выходным конденсатором к источнику переменного нерегулируемого напряжения, могут быть слишком велики, так как при этом входной ток УВН является, по сути, током короткого замыкания ИН на входной реактор. Индуктивность этого реактора относительно невелика, так как она должна быть не больше такой, которая обеспечивает достижение необходимого значения начальной производной такой заданной синусоиды входного тока выпрямителя в управляемом режиме его работы, которая сдвинута от синусоидального напряжения ИН на небольшой заданный угол ϕ₁. Поэтому токи цепей УВН, возникающие при подключении УВН с незаряженным выходным конденсатором к ИН в моменты времени, когда напряжение ИН близко к его амплитудному значению, могут вывести из строя диоды выпрямителя, внутренние проводники выходного конденсатора и соединительные провода.

Второй недостаток - это неприспособленность прототипа к оперативной настройке емкости выходного конденсатора и коэффициентов передачи связей между элементами УУ при изменении параметров нагрузки УВН, когда следует откорректировать значение емкости выходного конденсатора, заменяя количество и емкость параллельно включенных конденсаторов, добиваясь при этом необходимой амплитуды пульсаций выходного напряжения УВН.

Изменение параметров выходного конденсатора влечет за собой изменение передаточных функций УВН, являющегося объектом управления. Поэтому для обеспечения требуемых статических и динамических характеристик контуров управления углом ϕ₁ сдвига между входными напряжением и током УВН и стабилизации выпрямленного напряжения U_d необходимо настроить заново коэффициенты передачи связей между элементами УУ. Требуемые настройки и корректировки параметров УВН и УУ производит оператор, который принимает решения на основании параметров и отображаемых с помощью осциллографа осциллограмм сигналов, действующих в настраиваемой системе. Указанные параметры и массивы мгновенных значений, образующих эти осциллограммы, можно получить с помощью дополнительных измерительных преобразователей входных и выходных токов и напряжений УВН. Аналогичные штатные измерительные преобразователи, которые вместе с УВН и УУ выпускающие УВН фирмы включают в один общий комплект с УВН и УУ, применять для выполнения указанных настроечных работ нельзя, так как выходы этих преобразователей, рассчитанные на подключение к высокоомным входам микропроцессора, на базе которого реализовано УУ, запрещается использовать по другому назначению. Таким образом, проведение указанных настроечных работ требует создания достаточно сложного измерительного комплекса каждый раз после замены УВН или линий, которые подключают УВН к ИН и к нагрузке УВН, а также после изменений параметров нагрузки УВН, или ИН, или после изменений структуры сети, в которую входит ИН.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является улучшение качественных показателей работы и настройки системы управления УВН:

- снижение до безопасных значений токов цепей УВН, возникающих при подключении УВН с незаряженным выходным конденсатором к ИН в моменты времени, когда напряжение ИН близко к его амплитудному значению.

- дополнение системы управления УВН элементами, которые позволят упростить, ускорить и повысить качество настройки емкости выходного конденсатора и коэффициентов передачи связей между элементами УУ, что необходимо делать каждый раз после замены УВН или линий, которые подключают УВН к ИН и к нагрузке УВН, а также после изменений параметров нагрузки УВН, или ИН, или после изменений структуры сети, в которую входит ИН.

Поставленная задача достигается тем, что в систему управления управляемого выпрямителя напряжения (УВН), которая содержит однофазный мостовой УВН, содержащий однофазный вентильный коммутатор (ВК), входной реактор и выходной конденсатор, а также кроме УВН управляющее им устройство, выход которого подключен к управляющему входу ВК, подключенные своими выходами к входам управляющего устройства блок управления и измерительные преобразователи входных и выходных токов и напряжений УВН, причем к управляющему входу управляющего устройства подключен первый выход блока управления, нагрузка УВН, выходной конденсатор и измерительный преобразователь выходного напряжения УВН подключены между положительным и отрицательным выходными зажимами УВН, а оба, первый и второй входные зажимы УВН соединены с выходными зажимами однофазного источника переменного напряжения или с двумя фазными выходными зажимами трехфазного источника переменного напряжения, при этом измерительный преобразователь входного напряжения подключен между первым и вторым входными зажимами УВН, первый входной зажим УВН подключен к первому входному зажиму ВК через последовательное соединение измерительного преобразователя входного тока УВН и входного реактора, а второй входной зажим УВН подключен ко второму входному зажиму ВК непосредственно, положительный выходной зажим ВК подключен к положительному выходному зажиму УВН непосредственно, а отрицательный выходной зажим ВК подключен к отрицательному выходному зажиму УВН через измерительный преобразователь выходного тока УВН, введено устройство для подключения УВН к источнику напряжения переменного тока (сокращенное название этого устройства - УП), у которого входные зажимы непосредственно подключены к выходным зажимами однофазного источника переменного напряжения или к двум фазным выходным зажимам трехфазного источника переменного напряжения, а входные зажимы УВН - к выходным зажимам УП, которое содержит токоограничивающую цепь, состоящую из токоограничивающего реактора и первого и второго выключателей, причем первый зажим первого выключателя соединен с первым входным зажимом УП, ко второму зажиму первого выключателя подключены первые зажимы второго выключателя и токоограничивающего реактора, а их вторые зажимы подключены к первому выходному зажиму УП, второй выходной зажим которого подключен к его второму входному зажиму напрямую, а управляющий вход УП подключен к второму выходу блока управления.

Поставленная задача достигается также тем, что в систему управления УВН, снабженную УП, дополнительно введены вычислительный блок и блок отображения информации, к управляющим входам которых подключены соответственно третий и четвертый выходы блока управления, введены также дополнительный измерительный преобразователь выходного напряжения УВН и, кроме того, предназначенные для измерения входного тока и входного напряжения УП, дополнительные преобразователи тока и напряжения, при этом входные зажимы дополнительных измерительных преобразователей входного и выходного напряжений подключены соответственно к входным зажимам УП и к выходным зажимам УВН, дополнительный измерительный преобразователь входного тока подключен своими входными зажимами между первым входным зажимом УП и первым зажимом первого выключателя, а выходные зажимы всех дополнительных измерительных преобразователей подключены по одному к соответствующим измерительным входам вычислительного блока и блока отображения информации, выход которого может быть подключен к осциллографу, выполняющему функцию устройства хранения информации.

Поставленная задача достигается также тем, что в УП для трехфазного мостового УВН, содержащего по одному для каждой фазы, то есть три входных реактора, три измерительных преобразователя фазного входного тока и три измерительных преобразователя фазного входного напряжения, введено по три токоограничивающих реактора, первых и вторых выключателя, а также дополнительных измерительных преобразователя входных токов и напряжений УП, (отличие от УП однофазного УВН, в котором входные и выходные зажимы назывались первыми и вторыми, для УП трехфазного УВН эти зажимы целесообразно называть фазными и нулевыми), в каждой фазе УП между его входным фазным зажимом, подключенным к фазному выходному зажиму трехфазного ИН, и выходным фазным зажимом УП, подключенным к фазному входному зажиму УВН, подключена электрическая цепь, состоящая из дополнительного измерительного преобразователя входного тока УП, первого и второго выключателей и токоограничивающего реактора, причем к фазному входному зажиму УП подключен первый входной зажим дополнительного измерительного преобразователя входного тока, второй входной зажим которого подключен к первому зажиму первого выключателя, к второму зажиму которого подключены первые зажимы второго выключателя и токоограничивающего реактора, вторые зажимы которых подключены к выходному фазному зажиму УП, входные зажимы каждого из трех дополнительных преобразователей, измеряющих фазные входные напряжения УП, подключены к соответствующим фазным входным зажимам УП и к нулевому входному зажиму УП, подключенному к выводу нейтрали обмотки трехфазного источника переменного напряжения или к искусственному нулю электроэнергетической системы, в которую входит этот источник напряжения.

Отличительные признаки предлагаемого решения выполняют следующие функциональные задачи:

Признак «…в систему управления УВН введено устройство для подключения УВН к источнику напряжения переменного тока (сокращенное название этого устройства - УП), у которого входные зажимы непосредственно подключены к выходным зажимами однофазного источника переменного напряжения или к двум фазным выходным зажимам трехфазного источника переменного напряжения, а входные зажимы УВН - к выходным зажимам УП, которое содержит токоограничивающую цепь, состоящую из токоограничивающего реактора, первого и второго выключателей, причем первый зажим первого выключателя соединен с первым входным зажимом УП, ко второму зажиму первого выключателя подключены первые зажимы второго выключателя и токоограничивающего реактора, а их вторые зажимы подключены к первому выходному зажиму УП, второй выходной зажим которого подключен к его второму входному зажиму напрямую, а управляющий вход УП подключен к второму выходу блока управления», обеспечивает снижение до безопасных значений токов, возникающих в цепях УВН при подключении УВН с незаряженным выходным конденсатором к ИН. Такой результат достигается, в частности, при выполнении условия: наибольшая амплитуда входного тока УП, при его подключении к ИН не должна превосходить амплитуду входного тока УВН в его номинальном управляемом режиме. При этом применение токоограничивающего реактора лучше использования токоограничивающего резистора, что является традиционным решением для снижения пусковых токов. При использовании токоограничивающего реактора во много раз снижаются потери мощности в дополнительном токоограничивающем элементе и сокращается время заряда выходного конденсатора УВН в неуправляемом режиме его работы.

Признак «…в систему управления УВН, снабженную УП, дополнительно введены вычислительный блок и блок отображения информации, к управляющим входам которых подключены соответственно третий и четвертый выходы блока управления, введены также дополнительный измерительный преобразователь выходного напряжения УВН и, кроме того, предназначенные для измерения входного тока и входного напряжения УП, дополнительные преобразователи тока и напряжения, при этом входные зажимы дополнительных измерительных преобразователей входного и выходного напряжений подключены соответственно к входным зажимам УП и к выходным зажимам УВН, дополнительный измерительный преобразователь входного тока подключен своими входными зажимами между первым входным зажимом УП и первым зажимом первого выключателя, а выходные зажимы всех дополнительных измерительных преобразователей подключены по одному к соответствующим измерительным входам вычислительного блока и блока отображения информации, выход которого может быть подключен к осциллографу, выполняющему функцию устройства хранения информации» обеспечивает упрощение, ускорение и повышении качества настройки емкости выходного конденсатора, индуктивности входного реактора УВН и коэффициентов передачи связей между элементами УУ благодаря предоставлении оператору-настройщику в наглядном виде необходимой информации о параметрах и осциллограммах входных и выходных токов и напряжений УВН.

Признак «…в УП для трехфазного мостового УВН, содержащего по одному для каждой фазы, то есть три входных реактора, три измерительных преобразователя фазного входного тока и три измерительных преобразователя фазного входного напряжения, введено по три токоограничивающих реактора, первых и вторых выключателя, а также дополнительных измерительных преобразователя входных токов и напряжений УП, причем в каждой фазе УП между его входным фазным зажимом, подключенным к фазному выходному зажиму трехфазного ИН, и выходным фазным зажимом УП, подключенным к фазному входному зажиму УВН, подключена электрическая цепь, состоящая из дополнительного измерительного преобразователя входного тока УП, первого и второго выключателей и токоограничивающего реактора, при этом к фазному входному зажиму УП подключен первый входной зажим дополнительного измерительного преобразователя входного тока, второй входной зажим которого подключен к первому зажиму первого выключателя, к второму зажиму которого подключены первые зажимы второго выключателя и токоограничивающего реактора, вторые зажимы которых подключены к выходному фазному зажиму УП, кроме того, входные зажимы каждого из трех дополнительных преобразователей, измеряющих фазные входные напряжения УП, подключены к соответствующим фазным входным зажимам УП и к нулевому входному зажиму УП, подключенному к выводу нейтрали обмотки трехфазного источника переменного напряжения или к искусственному нулю электроэнергетической системы, в которую входит этот источник напряжения», позволяет улучшить качество работы системы управления углом ϕ₁ сдвига между синусоидальным входным напряжением УВН и первой гармоникой входного тока УВН в каждой из его трех фаз благодаря более точному измерению каждого из входных напряжений УВН, что обеспечивается доступом к нулевой точке электрической системы, к которой подключен УВН.

Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи выражается в следующем. Отличительные признаки предлагаемого изобретения обеспечивают улучшение качественных показателей работы и настройки системы управления УВН за счет:

- снижения до безопасного значения токов цепей УВН, возникающих при подключении УВН с незаряженным выходным конденсатором к ИН в момент времени, когда напряжение ИН близко к его амплитудному значению;

- дополнительной системы управления УВН элементами, которые позволили упростить, ускорить и повысить качество настройки емкости выходного конденсатора, индуктивности входного реактора УВН и коэффициентов передачи связей между элементами УУ.

Из изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решение поставленной задачи. Следовательно, предлагаемое изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем и пригодно для использования.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где: на фиг. 1 - представлена функциональная схема системы управления однофазного мостового УВН; на фиг. 2 - то же, но для одной фазы трехфазного мостового УВН; на фиг. 3 изображены входные характеристики УП однофазного мостового УВН при использовании токоограничивающего реактора (сплошной линией) и токоограничивающего резистора (штриховой линией).

Система управления управляемым выпрямителем 1 напряжения, который через УП 2 подключен к источнику 3 напряжения переменного тока (ИН) и предназначен для питания нагрузки 4 постоянного тока, содержит кроме перечисленных элементов управляющее устройство (УУ) 5, блок управления (БУ) 6, вычислительный блок (ВБ) 7 и блок 8 отображения информации (БОИ), к выходам которого подключены входы осциллографа 9. К первым входам УУ 5, БОИ 8, ВБ 7 и к управляющему входу УП 2 подключены соответственно первый, второй третий и четвертый выходы БУ 6.

К первому 10 и второму 11 выходным зажимам ИН 3 подключены соответственно первый 12 и второй 13 входные зажимы УП 2, к первому 14 и второму 15 выходным зажимам которого подключены соответственно первый 16 и второй 17 входные зажимы УВН 1.

УВН 1 содержит вентильный коммутатор 18, входной реактор 19 и выходной конденсатор 20, а также измерительные преобразователи: входного тока 21, входного напряжения 22, выходного напряжения 23, выходного тока 24, и дополнительный преобразователь 25 выходного напряжения УВН 1. Основой ВК 18 является однофазный мостовой выпрямитель тока, составленный из диодов 26, параллельно которым включены транзисторы 27, выполняющие функцию электронных ключей, проводящих ток в направлении, обратном по отношению к прямому току параллельно включенных диодов 26. Между первым 16 входным зажимом УВН 1 и первым 28 входным зажимом ВК 18 включено последовательное соединение измерительного преобразователя 21 входного тока и входного реактора 19, а второй 17 входной зажим УВН 1 соединен со вторым 29 входным зажимом ВК 18 напрямую. Положительный 30 выходной зажим ВК 18 напрямую соединен с положительным 31 выходным зажимом УВН, а к отрицательному 32 выходному зажиму ВК 18 отрицательный зажим 33 УВН 1 подключен через измерительный преобразователь 24 выходного тока УВН 1. К выходным зажимам 31 и 33 УВН 1 подключены его нагрузка 4, выходной конденсатор 20, измерительный преобразователь 24 и дополнительный измерительный преобразователь 25 выходного напряжения УВН 1. Выходы измерительных преобразователей 22, 21, 24 и 23 входных и выходных напряжений и токов УВН 1 подключены соответственно к второму, третьему, четвертому и пятому входам УУ 5, выход которого подключен к управляющему входу ВК 18.

УП 2 содержит токоограничивающий реактор 34, первый 35 и второй 36 выключатели, а также дополнительные измерительные преобразователи входного тока 37 и входного напряжения 38 УП 2, причем первый зажим первого выключателя 35 подключен к первому входному зажиму 12 УП 2 через дополнительный измерительный преобразователь входного тока 37, ко второму зажиму первого выключателя 35 подключены первые зажимы токоограничивающего реактора 34 и второго выключателя 36, а их вторые зажимы подключены к первому выходному зажиму 14 УП 2, вторые входной 13 и выходной 15 зажимы которого соединены напрямую. Выходы дополнительных измерительных преобразователей 38, 37 и 25 подключены соответственно к вторым, третьим и четвертым входам ВБ 7, а также к вторым, третьим и четвертым входам БОИ 8, выход которого подключен к входу осциллографа 9. Пятый вход БОИ 8 подключен к выходу ВБ 7. Нагрузкой УВН служит потребитель электроэнергии постоянного тока 39, который через линию 40 питания потребителя 39 и выключатель 41, снабженный минимальной защитой, подключен к выходным зажимам 31 и 33 УВН 2.

Показанная на фиг. 2 функциональная схема одной фазы системы управления трехфазного мостового УВН отличается от приведенной на фиг. 1 - функциональной схемы системы управления однофазного мостового УВН тем, что в трехфазном варианте вторые входные зажимы 17 УВН 1 и 29 ВК 18, а также второй выходной зажим 15 УП 2 отсутствуют, второй входной зажим 13 УП 2, именуемый в трехфазном варианте нулевым, подключен не к второму выходному зажиму ИН 3, а к выводу 42 нейтрали обмотки трехфазного ИН или к искусственному нулю электроэнергетической системы, в которую входит этот ИН.

Описание работы системы управления однофазного мостового УВН приводится для каждого из перечисленных ниже последовательных этапов работы: с 1-го по 7-й, настройка индуктивности токоограничивающего реактора 19 и емкости выходного конденсатора 20 - в этапах 8 и 9, а настройка угла между входным напряжением и входным током УВН 1 - в этапе 10.

Этап 1. Подключение УВН к источнику переменного тока, предварительный, неуправляемый заряд выходного конденсатора.

До подключения к источнику 3 напряжение U_d выходного конденсатора 20 УВН 1 равно нулю, первый 35 и второй 36 выключатели разомкнуты, а потребитель 39 электроэнергии постоянного тока отключен выключателем 41, который снабжен минимальной защитой. Такая особенность выключателя 41 исключает короткое замыкание ЭДС потребителя 39 или заряженного конденсатора, подключенного к его входным зажимам на незаряженный выходной конденсатор 20 УВН 1. По команде, полученной УП от БУ 6, первый выключатель 35 замыкается и начинается процесс неуправляемого заряда конденсатора 20. Из-за пренебрежимо малого сопротивления диодов 26 в прямом направлении и отсутствия напряжения на зажимах конденсатора 20 начальная стадия этого процесса равносильна короткому замыканию ИН через последовательное соединение токоограничивающего 34 и входного 19 реакторов: по этим реакторам, по диодам 26 и выходному конденсатору 20 начинают проходить токи. Входной ток УВН I_in преобразуется неуправляемым (составленным из диодов 26) выпрямителем тока в выходной ток I_d, который, при равенстве нулю тока нагрузки, равен току, заряжающему конденсатор 20. В результате напряжение U_d конденсатора 20 начинает возрастать.

Индуктивность токоограничивающего реактора 19 и тем самым суммарное индуктивное сопротивление обоих реакторов выбирается такими, чтобы максимальные значения входного тока I_in УВН 1 не выходили за пределы безопасных значений. Указанный выбор, при котором можно пренебрегать активными сопротивлениями обоих реакторов, значительно меньшими, чем их индуктивные сопротивления, целесообразно производить по условию: максимальное из первых амплитудных значений входного тока I_in УВН 1 не превосходит амплитудное значение входного тока УВН, соответствующего работе УВН в номинальном управляемом режиме.

Для снижения токов, возникающих при подключении какого-либо электротехнического устройства к источнику переменного тока, например при запуске асинхронного короткозамкнутого двигателя, во входную цепь этого устройства, как правило, включают токоограничивающие резисторы. Снабженный входным реактором, неуправляемый однофазный мостовой выпрямитель, выход которого замкнут на конденсатор большой емкости, лучше подключать к источнику синусоидального напряжения через токоограничивающий реактор, а не через токоограничивающий резистор.

Преимущество использования токоограничивающего реактора для ограничения входного тока однофазного мостового неуправляемого выпрямителя, нагруженного на конденсатор большой емкости, при его подключении к однофазному источнику синусоидального напряжения, наглядно проявляется при сравнении двух, приведенных на фиг. 3, статических характеристик, отражающих зависимость входного тока I_in этого выпрямителя от его выходного напряжения U_d. Обе характеристики найдены для УВН, который имеет следующие номинальные данные при работе в управляемом режиме:

Номинальная мощность - 10 кВт, номинальное входное напряжение - 230 В, его частота - 50 Гц, номинальный входной ток - 43,5 А, номинальное выходное напряжение - U_dn 358 В, оно на 10% больше амплитуды номинального входного напряжения, номинальный выходной ток - 27,8 А, индуктивность входного реактора - 1,24 мкГн, емкость выходного конденсатора - 13000 мкФ. Первая из указанных характеристик, изображенная сплошной линией, относится к использованию токоограничивающего реактора с индуктивностью 14,87 мкГн, суммарное индуктивное сопротивление входного и токоограничивающего реакторов составляет 5,06 Ом. Вторая характеристика, изображенная штриховой линией, относится к использованию токоограничивающего резистора с активным сопротивлением 5,045 Ом. В обоих случаях входной ток УВН при короткозамкнутых выходных зажимах равен 43,5 А, то есть номинальному входному току. У обеих характеристик совпадают крайние точки. Первая из них соответствует режиму короткого замыкания: выходное напряжение равно нулю, а входной ток - номинальному входному току УВН. Вторая точка соответствует режиму холостого хода: входной и выходной токи УВН равны нулю, а его выходное напряжение U_dmax равно амплитуде входного напряжении, то есть 325,3 В. Видно, что на всем протяжении оси абсцисс, то есть от нуля до амплитудного значения входного напряжения ИН 3 первая характеристика расположена выше второй. Следовательно, при каждом значении выходного напряжения УВН его входной и выходной токи больше при использовании токоограничивающего реактора. В неуправляемом режиме выходной ток УВН - это ток, заряжающий конденсатор 20. Этот ток пропорционален производной по времени напряжения U_d выходного конденсатора 20. Отсюда следует, что при использовании токоограничивающего реактора конденсатор 20 зарядится быстрее, чем это происходило бы в случае применения токоограничивающего резистора. Установлено, что время заряда выходного конденсатора при использовании токоограничивающего реактора до напряжения, составляющего 98% от напряжения U_dmax, в 1,4 раза меньше, чем при использовании токоограничивающего резистора. БУ 6 не контролирует уровень напряжения U_d. Он сравнивает время t, прошедшее после включения первого выключателя 35, со временем Δt, которое необходимо для практического завершения заряда конденсатора 20, например, до напряжения, равного 0,98 U_dmax. В момент, когда эти две величины сравняются, БУ 6 подаст команду на включение второго выключателя 36. При этом токоограничивающий реактор 34 будет закорочен, и во входной цепи УВН 1 останется только входной реактор 19 с необходимым для работы УВН в управляемом режиме значением индуктивности L. УВН готов к работе в управляемом режиме. Время Δt проще всего находить путем компьютерного моделирования процесса неуправляемого заряда конденсатора 20 УВН 1.

Работу системы управления УВН при управляемом режиме УВН 1 рассмотрим только для случая, когда угол ϕ₁ сдвига входного тока УВН 1 от его входного синусоидального напряжения равен 0. Значения этого угла и номинального выходного напряжения УВН U_dn задаются БУ 6 на входы УУ5. Напряжение ИН обычно поддерживается с точностью 2,5%. Поэтому амплитудное значение напряжения ИН даже при максимальном возможном его отклонении от его номинального значения, будет меньше U_dn, которое в 1,1 раза превосходит амплитуду номинального напряжения ИН, что исключает переход УВН в режим неуправляемого заряда выходного конденсатора 20. Работа УВН возможна только в управляемом режиме.

Этап 2. Выпрямительный режим работы УВН при положительных значениях входного напряжения

Начало работы совместим с моментом времени, когда при работе УВН в выпрямительном режиме угол θ, являющийся аргументом синусоиды входного напряжения УВН 1, равен 0.

В этот момент входное напряжение УВН 1 также равно 0, что и будет зафиксировано измерительным преобразователем напряжения, который эту информацию передает в УУ 5. Когда входное напряжение УВН станет равным 0, от УУ 5 на ВК 18 поступят управляющие сигналы, включающие транзисторы, которые у прототипа [Электротехника. - В 3-х книгах. Книга II. Электрические машины. Промышленная электроника. Теория автоматического управления / Под ред. П.А. Бутырина, Р.Х. Гафиятуллина, А.Л. Шестакова. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. - 711 с., стр. 461, 462, рисунок 25.13, (прототип)] имеют условные обозначения V3 и V4. Первый из них подключен между положительным выходным зажимом 30 ВК 18 и его вторым входным зажимом 29, а второй - между первым входным зажимом 28 ВК 18 и его отрицательным выходным зажимом 33. Ток открывшихся транзисторов V3 и V4 пройдет по контуру: положительный выходной зажим 30 ВК 18, V3, второй выходной зажим 11 ИН 3, первый выходной зажим 10 ИН 3, входной реактор 19, V4, отрицательный выходной зажим 33 ВК 18, положительный выходной зажим 30 ВК 18. Так как в рассматриваемый момент времени u₁=0, то с учетом того, что внутреннее сопротивление ИН 3, как у источника напряжения, принимается равным нулю, а активное сопротивление входного реактора 19 пренебрежимо мало, получается, что напряжение выходного конденсатора 20 в этот момент приложено к индуктивности L входного реактора 19. Положительная производная входного тока i₁ УВН, соответствующая переходу этого тока от отрицательных к положительным значениям, определяется выражением . Входной ток i₁, имеющий положительное направление (он входит в первый выходной зажим 16 УВН 1), как и входное напряжение УВН, нарастает в течение всего времени t₁ первого включенного состояния транзисторов V3 и V4. К концу этого времени магнитное поле входного реактора станет иметь энергию E₁=L(i₁(t₁))²/2. Это время меньше периода T_s несущей частоты. Спустя время t₁ первого включенного состояния транзисторов V3 и V4 они под действием УУ 5 выключаются. Ток индуктивности i₁ не может изменяться скачком, он при t=t₁ начинает проходить по контуру: второй выходной зажим 11 ИН 3, первый выходной зажим 10 ИН 3 входной реактор 19, VD1, положительный 30 выходной зажим ВК 18, отрицательный 32 выходной зажим ВК 18, VD2, второй выходной зажим 11 ИН 3, и начинает уменьшаться, а напряжение выходного конденсатора 20, который заряжается током индуктивности L - увеличиваться. Принятые у прототипа [Электротехника. - В 3-х книгах. Книга II. Электрические машины. Промышленная электроника. Теория автоматического управления / Под ред. П.А. Бутырина, Р.Х. Гафиятуллина, А.Л. Шестакова. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. - 711 с., стр. 461, 462, рисунок 25.13, (прототип)] условные обозначения VD1 и VD2 соответствуют двум диодам: включенному между первыми входным 28 и выходным 30 зажимами ВК 18 и включенному между вторыми выходным 32 и входным 29 зажимами ВК 18. К моменту времени t=T_s энергия электрического поля конденсатора 20 увеличится на указанную выше энергию Е₁ магнитного поля входного реактора 19. При t=T_s начнется второй цикл включения и отключения транзисторов V3 и V4. Работа УВН на этом цикле отличается от рассмотренной работы УВН на первом цикле тем, что напряжение ИН не равно нулю, а больше нуля. Поэтому начальная производная тока реактора больше, чем на первом цикле. Если бы время t₂ включенного состояния указанных транзисторов было бы таким же, как и на первом цикле, то выросла бы энергия, запасенная в реакторе 19 ко времени (T_s+t₂), по сравнению с энергией Е₁, оценка которой приведена выше. Увеличится и приращение напряжения U_d выходного конденсатора 20. Такие же циклы включения и отключения транзисторов V3 и V4 будут повторяться до времени, равного половине периода T₁ напряжения ИН.

Этап 3. Выпрямительный режим работы УВН при отрицательных значениях входного напряжения

Когда время работы УВН в выпрямительном режиме станет равным половине периода T₁ переменного напряжения ИН 3, напряжение u₁ ИН 3 изменяет свой знак с положительного на отрицательный. Информация, полученная УУ5 от измерительного преобразователя 22 входного напряжения УВН 1, о том, что входное напряжение УВН равно 0, приведет к следующему результату: УУ 5 подаст в ВК 18 управляющие импульсы на открытие вместо V3 и V4 других транзисторов: V1 и V2. Принятые у прототипа [Электротехника. - В 3-х книгах. Книга II. Электрические машины. Промышленная электроника. Теория автоматического управления / Под ред. П.А. Бутырина, Р.Х. Гафиятуллина, А.Л. Шестакова. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. - 711 с., стр. 461, 462, рисунок 25.13, (прототип)], условные обозначения V1 и V2 соответствуют двум транзисторам: включенному между первыми выходным 30 и входным 28 зажимами и включенному между вторыми входным 29 и выходным 32 зажимами ВК 18.

Ток открывшихся транзисторов V1 и V2 пройдет по контуру: положительный 30 выходной зажим ВК 18, V1, входной реактор 19, первый 10 выходной зажим ИН 3, второй 11 выходной зажим ИН 3, V2, отрицательный 32 выходной зажим ВК 18, положительный 30 выходной зажим ВК 18. Этот ток определяется разностью напряжений u₁ и U_dn. Так как в рассматриваемый момент времени u₁=0, то с учетом того, что внутреннее сопротивление источника ИН, как у источника напряжения, принимается равным нулю, а активное сопротивление входного реактора 19 пренебрежимо мало, получается, что напряжение выходного конденсатора 20 в этот момент приложено к индуктивности L входного реактора 19. Отрицательная производная входного тока i₁ УВН, соответствующая переходу этого тока от положительных к отрицательным значениям, как и у входного напряжения УВН, определяется выражением . В течение времени t₁ первого включенного состояния транзисторов V1 и V2 входной ток УВН будет оставаться отрицательным (он выходит из первого выходного зажима 16 УВН 1), а его абсолютное значение будет возрастать. К концу этого времени магнитное поле входного реактора 19 станет иметь энергию E₁=L(i₁(T₁/2+t₁))²/2.

Спустя время t₁ первого включенного состояния V3 и V4 они под действием УУ 5 выключаются. Ток индуктивности i₁ не может изменяться скачком, он при t=T₁/2+t₁ начинает проходить по контуру: второй выходной зажим 11 ИН 3, первый выходной зажим 10 ИН 3, входной реактор 19, VD1, положительный 30 выходной зажим ВК 18 отрицательный 32 выходной зажим ВК 18, VD2, второй выходной зажим 11 ИН 3, и начинает уменьшаться, а напряжение выходного конденсатора 20, который заряжается током индуктивности L - увеличиваться. Принятые у прототипа [Электротехника. - В 3-х книгах. Книга II. Электрические машины. Промышленная электроника. Теория автоматического управления / Под ред. П.А. Бутырина, Р.Х. Гафиятуллина, А.Л. Шестакова. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2004. - 711 с., стр. 461, 462, рисунок 25.13, (прототип)] условные обозначения VD1 и VD2 соответствуют двум диодам: включенному между первыми входным 28 и выходным 30 зажимами ВК 18 и включенному между вторыми выходным 32 и входным 29 зажимами ВК 18. К моменту времени t=T₁/2+T_s энергия электрического поля конденсатора 20 увеличится на указанную выше энергию Е₁ магнитного поля входного реактора 19.

1. При t=T₁/2+T_s начнется второй цикл включения и отключения транзисторов V1 и V2. Работа УВН на этом цикле отличается от рассмотренной работы УВН на первом цикле тем, что напряжение ИН 3 не равно нулю, а меньше нуля. Поэтому абсолютное значение производной тока реактора при t>T₁/2+T_s больше, чем на первом цикле. Если бы время t₂ включенного состояния указанных транзисторов было бы таким же, как и на первом цикле, то выросла бы энергия, запасенная в реакторе 19 ко времени (T_s+t₂), по сравнению с энергией E₁, оценка которой приведена выше. Увеличится и приращение напряжения U_d выходного конденсатора 20. Такие же циклы включения и отключения транзисторов V3 и V4 будут повторяться до времени, равного периоду Т₁ напряжения ИН.

Этап 4. Инверторный режим работы УВН при положительных значениях входного напряжения

Если ЭДС потребителя 39 электроэнергии станет больше заданного значения U_dn выходного напряжения УВН, то этот потребитель станет источником электроэнергии постоянного тока. Его ток изменит свое направление и станет входить в положительный выходной зажим 32 УВН. Информацию об этом событии УУ 5 получит от измерительного преобразователя 24 выходного тока УВН. С учетом этой информации, в момент времени, когда угол θ, являющийся аргументом синусоиды входного напряжения УВН, и это напряжение станут равны 0, УУ 5 подаст команду на включение транзисторов V1 и V2. Работа УВН станет проходить, как показано в этапе 3 (Выпрямительный режим работы УВН при отрицательных значениях входного напряжения). Но на втором и последующих циклах включения и отключения этих транзисторов будут иметь место следующие отличия. При их включении выходное напряжение ИН 3 не отрицательно, а положительно. Поэтому абсолютное значение производной тока реактора и приращение напряжения выходного конденсатора 20 станут меньше, чем показано в этапе 2. Работа УВН 1 на втором и последующих циклах включения и отключения этих транзисторов будет проходить, как показано в этапе 2 (Выпрямительный режим работы УВН при положительных значениях входного напряжения).

Этап 5. Инверторный режим работы УВН при отрицательных значениях входного напряжения

В момент времени, когда угол θ, являющийся аргументом синусоиды входного напряжения УВН, станет равным π, а выходное напряжение ИН 3 станет проходить через нулевое значение, УУ 5 подаст команду на включение транзисторов V3 и V4. Работа УВН 1 на первом цикле их включения будет проходить, как показано в этапе 2 (Выпрямительный режим работы УВН при положительных значениях входного напряжения). Из-за того, что после указанного момента выходное напряжение ИН 3 будет не положительным, а отрицательным, абсолютные значения производной тока входного реактора станут меньше, чем на первом цикле. Поэтому абсолютные значения этого тока и приращения напряжения выходного конденсатора 20 к концу включенного состояния транзисторов V3 и V4 на втором и последующих циклах включения и отключения этих транзисторов будут меньше, чем на первом цикле.

Этап 6. Особенности формы входного напряжения ВК 18

Из-за напряжения U_d выходного конденсатора, УВН, работая в качестве автономного инвертора напряжения с применением широтно-импульсной модуляции (ШИМ), формирует на входе ВК напряжение, форма которого представляет собой последовательность прямоугольных импульсов с постоянной амплитудой, равной U_d, но с переменной полярностью и изменяющейся по синусоидальному закону их длительностью. Несущая частота , с которой происходит коммутация транзисторов ВК 18, в сотни и более раз превосходит частоту ИН 3. Разность u_L между напряжениями на входе УВН u₁ и на входе ВК u_in приложена к входному реактору. Первая гармоника u_in уравновешивает основную часть напряжения ИН. Разность между ними является первой гармоникой напряжения входного реактора. Именно она и индуктивное сопротивление этого реактора определяют первую гармонику входного тока УВН.

Помимо первой гармоники входное напряжение ВК u_in содержит ряд высших гармоник, первые из которых имеют частоты, близкие к несущей частоте . Практически весь этот ряд уравновешивается соответствующими высшими гармониками напряжения входного реактора. Токи этих гармоник практически отсутствуют, так как на этих частотах индуктивное сопротивление входного реактора в сотни и более раз превосходит его индуктивное сопротивление на частоте напряжения u_in ИН 3. Входной 19 реактор играет важную роль заградительного фильтра, исключающего вредное действие токов, порожденных входным напряжением ВК u_in, на источник переменного напряжения ИН 3 и на подключенные к нему другие, помимо УВН, потребители электроэнергии.

Этап 7. Работа при изменении заданного значения U_dn выходного напряжения УВН

При снижении уставки выходного напряжения УВН необходимо соблюдать условие, чтобы значение U_dn превосходило уставку минимальной защиты выключателя 41. Снижение выходного напряжения УВН может происходить только при подключенной к его выходным зажимам 31 и 33 нагрузки 4, когда выходной конденсатор 20 разряжается током потребителя 39 электроэнергии постоянного тока.

При увеличении уставки выходного напряжения УВН оно начнет повышаться под действием УУ 5, которое увеличит продолжительность включенного состояния транзисторов и снизит продолжительность выключенного состояния.

Этап 8. Настройка индуктивности токоограничивающего реактора 19

Эта процедура начинается с подачи команды от БУ 6 на УП 2, по которой оба выключателя 35 и 36 станут находиться в выключенном состоянии. Кроме того, оператор должен выключить выключатель 41 потребителя электроэнергии постоянного тока 39. При этом напряжение выходного конденсатора 20 становится равным нулю, так как ВК 18 отключен от источника напряжения переменного тока, а конденсатор 20 не подключен к ЭДС потребителя 39. Затем подается команда от БУ 6 на УП 2, по которой замкнется выключатель 35. Начнется процесс короткого замыкания ИН 3 на входной реактор 19, как описано выше в этапе 1 работы УВН. Далее с выхода БУ 6 на ВБ 7 и БОИ 8 подаются команды, по которым произойдет измерение действующего значения входного тока УВН 1 и отображение этого значения на дисплее БОИ 8. Возможен и другой вариант получения этого значения: по команде от БУ 6 на дисплее отображается осциллограмма входного ток УВН, и оператор, измерив амплитудное значение этого тока и разделив его на √2, получит действующее значение входного тока УВН 1. Если оно больше номинального значения входного тока УВН 1, оператор должен уменьшить толщину немагнитного зазора у сердечника реактора 19. Если же, наоборот, оно меньше номинального значения входного тока УВН, то оператор должен увеличить толщину немагнитного зазора у сердечника реактора 19.

Этап 9. Настройка емкости выходного конденсатора 20

Эта процедура может начинаться в управляемом как выпрямительном, так и инверторном режимах работы УВН 1. Она начинается с подачи команд от БУ 6 на ВБ 7 и на БОИ 8, согласно которым на дисплей БОИ 8 будет выведено среднее значение выходного напряжения УВН 1. Затем по команде от БУ 6 на БОИ 8 на дисплей БОИ 8 будет выведена осциллограмма выходного напряжения УВН 1, по которой оператор определит амплитуду пульсаций этого напряжения. Если эта амплитуда превосходит допустимый 1% от среднего значения выходного напряжения УВН, то емкость выходного конденсатора 20 необходимо увеличить и, наоборот, уменьшить, если указанная амплитуда меньше 1% от среднего значения этого напряжения, добиваясь тем самым сокращения времени заряда конденсатора 20 в неуправляемом и в управляемом режимах его заряда до номинального значения U_dn выходного напряжении УВН. Операции подключения нескольких незаряженных конденсаторов в параллель, с целью получения желаемой емкости батареи конденсаторов, можно производить после выключения включателей 35, 36 и 41 и разряда через резистор конденсатора, который был подключен к зажимам 31 и 33 УВН 1 до начала процедуры. Некоторые потребители электроэнергии постоянного тока 39, в частности автономные инверторы напряжения, снабжены входными конденсаторами большой емкости. Описанную в настоящем этапе процедуру следует проводить каждый раз после замены потребителя электроэнергии постоянного тока или замены его входного конденсатора.

Этап 10. Настройка угла между входным напряжением и входным током УВН

УВН чаще всего применяются для работы в выпрямительном режиме, когда угол ϕ₁ равен 0, что обеспечивает максимальное значение коэффициента мощности: cosϕ₁=1. Но от того же ИН, что снабжает электроэнергией УВН, могут получать питание другие однофазные потребители, у которых коэффициент мощности значительно ниже, что ухудшает общий коэффициент мощности нагрузки ИН. К подобным потребителям относятся те, которые потребляют реактивный ток, например сварочные преобразователи или однофазные тиристорные выпрямители с активно-индуктивной нагрузкой. Можно улучшить общий коэффициент мощности нагрузки ИН, если бы весь или хотя бы часть реактивного тока, необходимого подобным потребителям, вырабатывал не ИН, а УВН. Такая возможность реализуется УВН при его работе в выпрямительном режиме с отрицательным значением угла ϕ₁. При этом УВН ведет себя как активно-емкостная нагрузка. Для ответа на вопрос о возможности такого решения, нужно знать следующие данные: суммарный реактивный ток I_r, требуемый подобным потребителям, номинальные значения напряжения U_1n и тока I_1n УВН, а также мощности потребителя постоянного тока. Сначала находится предельное значение I_1amax активной составляющей входного тока УВН при выполнении двух условий: во-первых, входной ток УВН не должен превышать номинального значения и, во-вторых, емкостная составляющая входного тока УВН равна суммарному реактивному току I_r.

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в снижении до безопасных значений токов цепей управляемых выпрямителей напряжения (УВН) (1), возникающих при подключении УВН с незаряженным выходным конденсатором (20) к источнику напряжения (ИН) (3) переменного тока в моменты времени, когда напряжение ИН близко к его амплитудному значению, в упрощении, ускорении и повышении качества настройки емкости выходного конденсатора (20), индуктивности токоограничивающего реактора (34) УВН и коэффициентов передачи связей между элементами управляющего устройства (5). Управляемый выпрямитель напряжения может поддерживать требуемое значение угла ϕ₁ сдвига между синусоидальным напряжением, имеющим частоту источника переменного напряжения, к которому подключены входные зажимы УВН, и первой гармоникой входного тока УВН. В частности, когда УВН работает в качестве выпрямителя, получающего энергию от ИН переменного тока и передающего его потребителям 4 постоянного тока, первая гармоника входного тока УВН совпадает по фазе с соответствующим фазным напряжением ИН, то угол ϕ₁ равен 0 радиан (или 0). Кроме того, УВН может работать и в качестве автономного инвертора напряжения, передающего энергию от потребителя (4) постоянного тока к ИН. При этом первая гармоника входного тока УВН противоположна по фазе соответствующему напряжению ИН, то есть угол ϕ₁ равен π (180). В обоих случаях абсолютное значение коэффициента мощности, потребляемой от ИН или поступающей в него, равно 1, то есть имеет максимальное значение. Система управления содержит кроме УВН следующие основные элементы: управляющее устройство (5), блок управления (6) и измерительные преобразователи входного (21) и выходного (24) токов, а также входного (22) и выходного (23) напряжения. Система управления дополнена устройством (2) для подключения УВН к ИН. В устройство (2) входит токоограничивающая цепь, содержащая токоограничивающий реактор (34), а также первый (35) и второй (36) выключатели, а также дополнительные измерительные преобразователи входного тока (37) и входного напряжения (38) устройства (2). Кроме того, система управления дополнена вычислительным блоком (7), блоком отображения информации (8) и дополнительным измерительным преобразователем (25) выходного напряжения УВН. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система управления управляемого выпрямителя напряжения (УВН), которая содержит однофазный мостовой УВН, содержащий однофазный вентильный коммутатор (ВК), входной реактор и выходной конденсатор, а также кроме УВН управляющее им устройство, выход которого подключен к управляющему входу ВК, подключенные своими выходами к входам управляющего устройства блок управления и измерительные преобразователи входных и выходных токов и напряжений УВН, причем к управляющему входу управляющего устройства подключен первый выход блока управления, нагрузка УВН, выходной конденсатор и измерительный преобразователь выходного напряжения УВН подключены между положительным и отрицательным выходными зажимами УВН, а оба, первый и второй входные зажимы УВН соединены с выходными зажимами однофазного источника переменного напряжения или с двумя фазными выходными зажимами трехфазного источника переменного напряжения, при этом измерительный преобразователь входного напряжения подключен между первым и вторым входными зажимами УВН, первый входной зажим УВН подключен к первому входному зажиму ВК через последовательное соединение измерительного преобразователя входного тока УВН и входного реактора, а второй входной зажим УВН подключен ко второму входному зажиму ВК непосредственно, положительный выходной зажим ВК подключен к положительному выходному зажиму УВН непосредственно, а отрицательный выходной зажим ВК подключен к отрицательному выходному зажиму УВН через измерительный преобразователь выходного тока УВН, отличающаяся тем, что в нее введено устройство для подключения УП УВН к источнику напряжения переменного тока, у которого первый и второй входные зажимы непосредственно подключены к выходным зажимами однофазного источника переменного напряжения или к двум фазным выходным зажимам трехфазного источника переменного напряжения, а входные зажимы УВН подключены к выходным зажимам УП, которое содержит токоограничивающую цепь, состоящую из токоограничивающего реактора и первого и второго выключателей, причем первый зажим первого выключателя соединен с первым входным зажимом УП, ко второму зажиму первого выключателя подключены первые зажимы второго выключателя и токоограничивающего реактора, а их вторые зажимы подключены к первому выходному зажиму УП, второй выходной зажим которого подключен к его второму входному зажиму напрямую, а управляющий вход УП подключен ко второму выходу блока управления.

2. Система управления УВН по п. 1, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены вычислительный блок и блок отображения информации, к управляющим входам которых подключены соответственно третий и четвертый выходы блока управления, введены также дополнительный измерительный преобразователь выходного напряжения УВН и, кроме того, предназначенные для измерения входного тока и входного напряжения УП, дополнительные преобразователи тока и напряжения, при этом входные зажимы дополнительных измерительных преобразователей входного и выходного напряжений подключены соответственно к входным зажимам УП и к выходным зажимам УВН. Дополнительный измерительный преобразователь входного тока подключен своими входными зажимами между первым входным зажимом УП и первым зажимом первого выключателя, а выходные зажимы всех дополнительных измерительных преобразователей подключены по одному к соответствующим измерительным входам вычислительного блока и блока отображения информации, выход которого может быть подключен к осциллографу, выполняющему функцию устройства хранения информации.

3. Система управления УВН по п. 1, отличающаяся тем, что в УП для трехфазного мостового УВН, содержащего по одному для каждой фазы, то есть три входных реактора, три измерительных преобразователя фазного входного тока и три измерительных преобразователя фазного входного напряжения, введено по три токоограничивающих реактора, первых и вторых выключателей, а также дополнительных измерительных преобразователей входных токов и напряжений УП, причем в каждой фазе УП между его входным фазным зажимом, подключенным к фазному выходному зажиму трехфазного ИН, и выходным фазным зажимом УП, подключенным к фазному входному зажиму УВН, подключена электрическая цепь, состоящая из дополнительного измерительного преобразователя входного тока УП, первого и второго выключателей и токоограничивающего реактора, причем к фазному входному зажиму УП подключен первый входной зажим дополнительного измерительного преобразователя входного тока, второй входной зажим которого подключен к первому зажиму первого выключателя, к второму зажиму которого подключены первые зажимы второго выключателя и токоограничивающего реактора, вторые зажимы которых подключены к выходному фазному зажиму УП, входные зажимы каждого из трех дополнительных преобразователей, измеряющих фазные входные напряжения УП, подключены к соответствующим фазным входным зажимам УП и к нулевому входному зажиму УП, подключенному к выводу нейтрали обмотки трехфазного источника переменного напряжения или к искусственному нулю электроэнергетической системы, в которую входит этот источник напряжения.