Устройство управления высоковольтным преобразователем частоты Российский патент 2019 года по МПК H02M5/458 

Устройство управления высоковольтным преобразователем частоты

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использовано для управления трехфазным трехуровневым активным выпрямителем высоковольтного преобразователя частоты, система управления которого при кратковременных несимметричных провалах напряжения сети переключает режим работы ключей активного выпрямителя с широтно-импульсного способа управления на релейное управление.

Известно устройство управления высоковольтным преобразователем частоты большой мощности с активными выпрямителями, содержащие датчик напряжения источника питания, блок управления, блок коррекции углов переключения, три датчика переменного тока и три датчика напряжения звена постоянного тока (см. патент РФ №148288, H02M 7/00).

Недостатком известного устройства является низкая надежность его работы при кратковременных несимметричных провалах напряжения источника питания, что обусловлено значительным увеличением первой гармоники отдельных фазных токов активных выпрямителей и значительным колебанием напряжения звена постоянного тока, что приводит к отключению активных выпрямителей.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является устройство управления высоковольтным преобразователем частоты, содержащее датчик напряжения источника питания, вход которого подключен к выходу источника питания, при этом выход датчика напряжения соединен с блоком вычисления несимметрии напряжения источника питания, первый выход которого соединен с системой управления указанным преобразователем частоты при симметричном напряжении источника питания, первый и второй выходы указанной системы соединены с первым и вторым управляющими входами высоковольтного преобразователя частоты, силовой вход которого подключен к источнику питания, а силовой выход - к синхронной машине, к первому информационному выходу высоковольтного преобразователя частоты подключен датчик напряжения звена постоянного тока (см. патент РФ №157682, H02M 5/458).

Недостатком известного устройства является его низкая надежность и невысокое быстродействие работы при кратковременных несимметричных провалах напряжения источника питания. Это обусловлено значительным увеличением первой гармоники отдельных фазных токов активных выпрямителей, значительным колебанием напряжения звена постоянного тока и значительной разбалансировкой напряжений на конденсаторах звена постоянного тока, что приводит к отключению трехфазных трехуровневых активных выпрямителей и нарушению работоспособности высоковольтного преобразователя частоты.

В известном устройстве рассмотрены семь случаев несимметрии напряжения источника питания. Новые углы переключения ключей α1, α2, …, α9 для заданного диапазона изменения коэффициента модуляции µ фазных напряжений активного выпрямителя были заранее рассчитаны и сохранены в блоке коррекции фазных напряжений активных выпрямителей. Новые углы переключения ключей ограничивают увеличение первой гармоники отдельных фазных токов активных выпрямителей, а также ограничивают значительные колебания напряжения звена постоянного тока, т.е. повышают надежность работы выпрямителя.

Однако семь случаев несимметрии напряжения источника питания это очень малая доля возможных вариантов однофазных, двухфазных или трехфазных несиммертичных провалов напряжения. Как указано в известном устройстве для расчета новых углов переключения ключей α1, α2, …, α9 активного выпрямителя для каждой фазы записывается система нелинейных уравнений. При этом первая гармоника фазного напряжения А1=µ(2U_dc)/π задается коэффициентом модуляции µ, а гармоники с «нежелательными» номерами удаляются или их уровни снижаются до заданного значения. Определение вида и глубины несимметричного провала напряжения в реальном времени, а также решение системы нелинейных уравнений осуществляется итерационными методами и требует время на вычисление новых углов переключения ключей, что снижает быстродействие работы системы управления и всего устройства в целом.

Таким образом, в известном устройстве необходимо либо заранее рассчитать и сохранить в блоке коррекции фазных напряжений все возможные случаи несимметрии, либо по факту провала напряжения питания осуществлять расчет новых углов переключения ключей α1, α2, …, α9 активного выпрямителя, что представляет определенную сложность в реализации. С учетом вышеизложенного следует, что надежность и быстродействие известного устройства невысокие.

Техническая проблема, решаемая заявляемым устройством, заключается в повышении надежности и быстродействии работы трехфазных трехуровневых активных выпрямителей при кратковременных несимметричных провалах напряжения источника питания.

Технический результат, заключается в создании условий при кратковременных несимметричных провалах напряжения источника питания, обеспечивающих ограничение увеличения первой гармоники отдельных фазных токов активных выпрямителей, ограничения диапазона колебаний напряжения звена постоянного тока, а также снижение разбалансировки напряжений на конденсаторах звена постоянного тока до допустимых пределов, чтобы исключить аварийное отключение трехфазных трехуровневых активных выпрямителей и повысить надежность работы высоковольтного преобразователя частоты.

Поставленная проблема решается тем, что устройство управления высоковольтным преобразователем частоты, содержащее датчик напряжения источника питания, вход которого подключен к выходу источника питания, при этом выход датчика напряжения соединен с блоком вычисления несимметрии напряжения источника питания, первый выход которого соединен с системой управления указанным преобразователем при симметричном напряжении источника питания, первый и второй выходы указанной системы соединены с первым и вторым управляющими входами высоковольтного преобразователя частоты, силовой вход которого подключен к источнику питания, а силовой выход - к синхронной машине, к первому информационному выходу высоковольтного преобразователя частоты подключен датчик напряжения звена постоянного тока, согласно изобретению, оно снабжено системой управления высоковольтным преобразователем частоты при несимметричном напряжении источника питания, включающей первый формирователь синхроимпульсов, первый вход которого соединен с выходом датчика напряжения источника питания, а второй вход – с первым выходом датчика напряжения звена постоянного тока, выход первого формирователя синхроимпульсов соединен с первыми входами первого и второго формирователей импульсов, выходы которых соединены соответственно с первыми входами первого и второго умножителей, выходы последних соединены соответственно с первыми входами первого и второго блоков формирования управляющих импульсов, выходы которых соединены соответственно со вторым и первым управляющими входами высоковольтного преобразователя частоты, включающей второй формирователь синхроимпульсов, первый вход которого через блок фазового сдвига напряжения на 30^о соединен с выходом датчика напряжения источника питания, а второй вход – с первым выходом датчика напряжения звена постоянного тока, выход второго формирователя синхроимпульсов соединен со вторыми входами первого и второго формирователей импульсов, включающей первый и второй датчики тока, входы которых соединены соответственно со вторым и третьим информационными выходами высоковольтного преобразователя частоты, выход первого датчика тока через первый блок определения максимального значения фазных токов по модулю подключен к первому входу первого сумматора, выход которого через первый релейный регулятор подключен ко второму входу первого умножителя, выход второго датчика тока через второй блок определения максимального значения фазных токов по модулю подключен к первому входу второго сумматора, выход которого через второй релейный регулятор подключен ко второму входу второго умножителя, при этом вторые входы первого и второго сумматоров подключены к выходу вычислителя заданного тока синхронной машины, первый и второй входы которого соответственно через датчик напряжения и датчик тока подключены к выходу высоковольтного преобразователя частоты, третий и четвертый входы - соответственно через датчик скорости и датчик углового положения ротора синхронной машины подключены к синхронной машине, а пятый вход – к блоку задания скорости и момента синхронной машины, второй и третий выходы датчика напряжения звена постоянного тока соединены соответственно с первым и вторым входами третьего релейного регулятора, первый выход которого соединен со вторыми входами первого и второго блоков формирования управляющих импульсов, второй выход третьего релейного регулятора соединен с третьими входами первого и второго блоков формирования управляющих импульсов, второй выход блока вычисления несимметрии напряжения источника питания подключен к системе управления высоковольтным преобразователем частоты при несимметричном напряжении источника питания.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

- на фиг. 1 изображена функциональная схема устройства управления высоковольтным преобразователем частоты;

- на фиг. 2 изображена функциональная схема высоковольтного преобразователя частоты;

- на фиг. 3 изображена схема трехфазного трехуровневого активного выпрямителя;

- на фиг. 4 приведены осциллограммы входных токов первого активного выпрямителя в симметричном и несимметричном режимах (а), а также осциллограмма напряжения звена постоянного тока выпрямителя для указанных режимов (б), полученные на основании математической модели в программной среде Matlab/Simulink;

- на фиг. 5 для симметричного и несимметричного режимов приведены осциллограммы напряжения источника питания (а), осциллограммы входных токов первого активного выпрямителя для диодного режима (б) и осциллограмма напряжения звена постоянного тока выпрямителя (в), полученные на основании математической модели в программной среде Matlab/Simulink. Несимметричный режим представлен двумя интервалами, на первом интервале предложенная система управления отключена, на втором – включена.

- на фиг. 6 приведены осциллограммы входных токов первого активного выпрямителя для симметричного диодного режима за период питающего напряжения (а), максимальные значения фазных токов по модулю (б, г), выделенные жирной линией для первого и второго выпрямителей, а также импульсы, формируемые некоторыми блоками системы управления (в, д, е, ж);

- на фиг. 7 (а-д), приведены осциллограммы поясняющие принцип поддержания фазных токов активных выпрямителей на заданном уровне;

- на фиг. 8 для симметричного и несимметричного режимов приведены осциллограммы напряжения источника питания (а), осциллограммы управляющих импульсов (б, в), осциллограммы входных токов первого преобразователя частоты (г) и осциллограммы напряжения на конденсаторах звена постоянного тока выпрямителя (д, е, ж).

Заявляемое устройство управления высоковольтным преобразователем частоты (фиг.1), содержит датчик напряжения источника питания 1, вход которого подключен к выходу источника питания 2, при этом выход датчика напряжения 1 соединен с блоком вычисления несимметрии напряжения источника питания 3, первый выход которого соединен с системой управления указанным преобразователем при симметричном напряжении источника питания 4, первый и второй выходы указанной системы 4 соединены с первым и вторым управляющими входами высоковольтного преобразователя частоты 5. Причем силовой вход последнего подключен к источнику питания 2, а силовой выход - к синхронной машине 6. К первому информационному выходу высоковольтного преобразователя частоты 5 подключен датчик напряжения звена постоянного тока 7.

Устройство управления (фиг.1) дополнительно снабжено системой управления высоковольтным преобразователем частоты при несимметричном напряжении источника питания 8. Указанная система включает первый формирователь синхроимпульсов 9, первый вход которого соединен с выходом датчика напряжения источника питания 1, а второй вход – с первым выходом датчика напряжения звена постоянного тока 7. Выход первого формирователя синхроимпульсов 9 соединен с первыми входами первого 10 и второго 11 формирователей импульсов, выходы которых соединены соответственно с первыми входами первого 12 и второго 13 умножителей. Выходы умножителей 12 и 13 соединены соответственно с первыми входами первого 14 и второго 15 блоков формирования управляющих импульсов, выходы которых соединены соответственно со вторым и первым управляющими входами высоковольтного преобразователя частоты 5. Система управления высоковольтным преобразователем частоты (фиг.1) при несимметричном напряжении источника питания 8, также включает второй формирователь синхроимпульсов 16, первый вход которого через блок 17 фазового сдвига напряжения на 30^о соединен с выходом датчика напряжения источника питания 1, а второй вход – с первым выходом датчика напряжения звена постоянного тока 7. Выход второго формирователя синхроимпульсов 16 соединен со вторыми входами первого 10 и второго 11 формирователей импульсов. Кроме того, система управления 8 включает первый 18 и второй 19 датчики тока, входы которых соединены соответственно со вторым и третьим информационными выходами высоковольтного преобразователя частоты 5. При этом выход первого датчика тока 18 через первый блок определения максимального значения фазных токов по модулю 20 подключен к первому входу первого сумматора 21, выход которого через первый релейный регулятор 22 подключен ко второму входу первого 12 умножителя. Выход второго датчика тока 19 через второй блок определения максимального значения фазных токов по модулю 23 подключен к первому входу второго сумматора 24, выход которого через второй релейный регулятор 25 подключен ко второму входу второго 13 умножителя. При этом вторые входы первого 21 и второго 24 сумматоров подключены к выходу вычислителя 26 заданного тока синхронной машины. Первый и второй входы вычислителя 26 соответственно через датчик напряжения 27 и датчик тока 28 подключены к выходу высоковольтного преобразователя частоты 5. Третий и четвертый входы вычислителя 26 соответственно через датчик скорости 29 и датчик углового положения ротора синхронной машины 30 подключены к синхронной машине 6. Пятый вход вычислителя 26 подключен к блоку задания скорости и момента 31 синхронной машины. Второй и третий выходы датчика напряжения звена постоянного тока 7 соединены соответственно с первым и вторым входами третьего релейного регулятора 32, первый выход которого соединен со вторыми входами первого 14 и второго 15 блоков формирования управляющих импульсов. Второй выход третьего релейного регулятора 32 соединен с третьими входами первого 14 и второго 15 блоков формирования управляющих импульсов. Второй выход блока вычисления несимметрии напряжения источника питания 3 подключен к системе управления высоковольтным преобразователем частоты 8 при несимметричном напряжении источника питания.

Высоковольтный преобразователь частоты 5 (фиг.2), также как и в прототипе, содержит первый 33 и второй 34 фазосдвигающие трансформаторы соответственно на 0 и +30 градусов. Первичная обмотка первого фазосдвигающего трансформатора 33 имеет шесть выводов и соединена последовательно с первичной обмоткой второго фазосдвигающего трансформатора 34, которая соединена в звезду. При этом начало первичной обмотки первого фазосдвигающего трансформатора 33 подключено к источнику питания 2. Вторичные обмотки указанных трансформаторов соединены в звезду и треугольник и подключены соответственно к первому 35 и второму 36 преобразователям частоты. Каждый преобразователь состоит из трехфазного трехуровневого активного выпрямителя 37, трехфазного трехуровневого инвертора напряжения 38 и дросселя 39. При этом одноименные выходные зажимы фаз преобразователей частоты соединены между собой и подключены к синхронной машине 6. Входы общего для обоих преобразователей частоты звена постоянного тока 40 с нулевой точкой подключены к выходам обоих активных выпрямителей 37, а выходы указанного звена постоянного тока подключены к входам обоих инверторов напряжения 38.

Трехфазный трехуровневый активный выпрямитель 37 (фиг.3), также как и в прототипе, содержит три фазные стойки 41, 42 и 43, выходы которых соединены параллельно и подключены к звену постоянного тока 40, которое содержит два последовательно соединенных конденсатора 44 и 45. Первый конденсатор 44 создает положительный потенциал на фазах инвертора 38, а второй конденсатор 45 – отрицательный потенциал. Общая точка конденсаторов 46 является нейтральной точкой трехфазного трехуровневого активного выпрямителя 37 и создает нулевой потенциал на фазах инвертора 38. Каждая из фазных стоек 41, 42 и 43 содержит четыре последовательно соединенных полностью управляемых ключа 47, 48, 49 и 50. К точке соединения первого 47 и второго 48 управляемых ключей в каждой фазной стойке подключен катод первого диода 51, анод которого подключен к нейтральной точке 46 активного выпрямителя. Точка соединения второго 48 и третьего 49 управляемых ключей является силовым входов активного выпрямителя 37 в каждой фазной стойке. К точке соединения третьего 49 и четвертого 50 управляемых ключей в каждой фазной стойке подключен анод второго диода 52, катод которого подключен к нейтральной точке 46 активного выпрямителя. Силовые входы первого и второго активных выпрямителей 37 подключены соответственно к вторичным обмоткам первого 33 и второго 34 фазосдвигающих трансформаторов.

В заявляемом устройстве трехфазный трехуровневый активный выпрямитель 37 выполнен на полностью управляемых ключах 47 – 50 (фиг.3). Применение трехуровневого напряжения в мощных регулируемых электроприводах, например, для прокатных станов, способствует улучшению формы входного тока активного выпрямителя при относительно невысокой частоте коммутации.

В заявляемом устройстве фиг. 1 первый формирователь синхроимпульсов 9 за период питающего напряжения первого преобразователя частоты 35 (см. фиг. 2) формирует шесть коротких импульсов. На фиг. 6,в эти синхроимпульсы обозначены цифрами 1.1, 1.2, …1.6. Момент формирования импульсов совпадает с моментом времени, когда в одной из трех фаз активного выпрямителя 37 (см. фиг. 3) начинает протекать положительный или отрицательный ток, при этом токи в двух других фазах присутствуют.

Например, синхроимпульс 1.1 на фиг. 6,в формируется в момент времени, когда через диоды управляемых ключей 47, 48 (см. фиг. 3) фазной стойки 41 начинает протекать положительный фазный ток . При этом через диоды управляемых ключей 49, 50 фазной стойки 42 протекает отрицательный фазный ток (см. 6,а), а через диоды управляемых ключей 47, 48 фазной стойки 43 положительный фазный ток .

Поясним, каким образом в формирователе синхроимпульсов 9 определяется момент формирования импульса. На первый вход формирователя 9 с выхода датчика напряжения источника питания 1 (фиг.1) подаются мгновенные значения трех линейных напряжения , , . На второй вход с выхода датчика напряжения звена постоянного тока 7 подается мгновенное значение напряжения последовательно соединенных конденсаторах 44, 45 (фиг. 3). Для рассмотренного выше примера, когда начинает протекать фазный ток фиг. 3, необходимо обеспечить условие, чтобы напряжение на последовательно соединенных диодах 47 и 48 фазной стойки 41 стало положительным .

Таким образом, в формирователе 9 по входным напряжениям , , , , и ЭДС рассеяния трансформатора 33 (см. фиг. 2) определяют, когда напряжение на диодах 47 и 48 становится положительным. В этот момент времени формируется синхроимпульс с номером 1.1.

По описанному алгоритму вычисляют моменты формирования остальных синхроимпульсов с номерами 1.2, 1.3,…1.6 (см. фиг. 6,в) за период питающего напряжения первого преобразователя частоты 35.

Второй формирователь синхроимпульсов 16 (фиг. 1) за период питающего напряжения второго преобразователя частоты 36 (фиг. 2), также формирует шесть коротких импульсов, обозначенные цифрами 1.7, 1.8,…1.12 на фиг. 6,д. Алгоритм вычисления моментов формирования синхроимпульсов подобен ранее описанному алгоритму.

Отличительной особенностью второго формирователя синхроимпульсов 16 является то, что его импульсы сдвинуты на 30^о относительно импульсов первого формирователя синхроимпульсов 9. Это обусловлено тем, что на первый вход формирователя 16 подаются сдвинутые на 30^о мгновенные значения линейных напряжения , , с выхода блока 17 фиг. 1.

Первый и второй формирователи синхроимпульсов 9 и 16, блок 17 фазового сдвига напряжения на 30^о (фиг. 1) могут быть выполнены на базе типового микроконтроллера, имеющий периферийные устройства, процессор, ОЗУ и ПЗУ.

Первый формирователь импульсов 10 формирует шесть импульсов с номерами 1.13, 1.14, …1.18 (см. фиг. 6,е). Начала указанных импульсов совпадают с моментами формирования синхроимпульсов с номерами 1.1, 1.2,…1.6 на выходе первого формирователя синхроимпульсов 9. Окончания импульсов с номерами 1.13, 1.14, …1.18 совпадают с моментами формирования синхроимпульсов с номерами 1.8,…1.12, 1.7 на выходе второго формирователя синхроимпульсов 16. Сформированные импульсы 1.13, 1.14, …1.18 (см. фиг. 6,е) поступают на первый вход первого блока умножения 12.

Заметим, что в дальнейшем в течение временных интервалов пока существуют сформированные импульсы 1.13, 1.14, …1.18 (см. фиг. 6,е) на некоторые ключи 48 и 49 фазных стоек 41, 42 или 43 активного выпрямителя 37 фиг. 3 первого преобразователя частоты 35 могут поступать управляющие импульсы. Эти импульсы переводят ключи 48 и 49 в проводящие состояние, соединяя силовой вход активного выпрямителя «А» («В», или «С») со средней точкой 46 звена постоянного тока 40.

Второй формирователь импульсов 11 формирует шесть импульсов с номерами 1.19, 1.20, … 1.24 (см. фиг. 6,ж). Начала указанных импульсов совпадают с моментами формирования синхроимпульсов с номерами 1.7, 1.8, … 1.12 на выходе второго формирователя синхроимпульсов 16. Окончания импульсов с номерами 1.19, 1.20, … 1.24 совпадают с моментами формирования синхроимпульсов с номерами 1.1, 1.2,…1.6 на выходе первого формирователя синхроимпульсов 9. Сформированные импульсы 1.19, 1.20, … 1.24 (см. фиг. 6,ж) поступают на первый вход второго блок умножения 13.

Первый и второй формирователи импульсов 10 и 11 (фиг. 1), как и ранее указанные формирователи 9 и 16 могут быть выполнены на базе типового микроконтроллера.

Заметим, что в дальнейшем в течение временных интервалов пока существуют сформированные импульсы 1.19, 1.20, … 1.24 (см. фиг. 6,ж) на некоторые ключи 48 и 49 фазных стоек 41, 42 или 43 активного выпрямителя 37 второго преобразователя частоты 36 могут поступать управляющие импульсы. Эти импульсы переводят ключи 48 и 49 в проводящие состояние, соединяя силовой вход активного выпрямителя «А» («В», или «С») со средней той 46 звена постоянного тока 40.

В установившемся режиме и при симметричном напряжении источника питания 2 сформированные двенадцать импульсов с номерами 1.13, 1.14, … 1.24 на выходе первого 10 и второго 11 формирователей импульсов имеют одинаковую ширину, которая равна 1/12 периода питающего напряжения.

При несимметричном напряжении источника питания 2, т. е. при провале напряжения длительности одних импульсов уменьшаются, а других увеличиваются, но суммарная длительность указанных двенадцати импульсов равна периоду питающего напряжения.

Заметим, что сформированные двенадцать импульсов с номерами 1.13, 1.14, … 1.24 чередуются попарно в строгой последовательности. После импульса 1.19 следует импульс 1.13 (см. фиг.6,ж и фиг.6,е) затем пара 1.20 и 1.14 и т.д. При этом пока существует импульс 1.19, система управления 8 переключает ключи 48 и 49 второй стойки 42 активного выпрямителя 37 второго преобразователя частоты 36, поддерживая фазный ток на заданном уровне. Затем, пока существует импульс 1.13, переключаются ключи 48 и 49 активного выпрямителя 37 первого преобразователя частоты 35, поддерживая этот же фазный ток на заданном уровне. Очередная пара импульсов 1.20 и 1.14 поддерживает фазный ток на заданном уровне и т.д. Указанное чередование импульсов позволяет равномерно нагрузить управляемые ключи 48 и 49 первого 35 и второго 36 преобразователей частоты, что повышает надежность их работы и надежность устройства в целом.

Первый блок 20 (см. фиг. 1) по сигналу с первого датчика тока 18, измеряющий фазные токи , , (см. фиг. 6,а) первого преобразователя частоты 35 (см. фиг. 2), определяет, какой из трех фазных токов имеет максимальное значение по модулю. На фиг. 6,б приведены осциллограммы указанных токов по модулю , , . При этом огибающие этих токов, выделенные жирной линией являются максимальными значениями по модулю. Указанные токи подаются на первый вход первого сумматора 21. На интервале (см. фиг. 6,а и 6,б) максимальное значение по модулю имеет отрицательная полуволна тока , на интервале максимальное значение по модулю имеет положительная полуволна тока , на интервале отрицательная полуволна тока и т. д. За период питающего напряжения количество таких интервалов будет шесть.

Аналогично, второй блок 23 (см. фиг. 1) по сигналу со второго датчика тока 19, измеряющий фазные токи второго преобразователя частоты 36 (см. фиг. 2), определяет, какой из трех фазных токов имеет максимальное значение по модулю. На фиг. 6,г приведены осциллограммы указанных токов по модулю , , . Огибающие этих токов, выделенные жирной линией являются максимальными значениями по модулю. Указанные токи подаются на первый вход второго сумматора 24.

Первый и второй блоки определения максимального значения фазных токов по модулю 20 и 23 (фиг. 1) могут быть выполнены на базе типового микроконтроллера, имеющий периферийные устройства, процессор, ОЗУ и ПЗУ.

В установившемся режиме при симметричном напряжении источника питания 2 сформированные максимальные значения токов по модулю , , подобны токам , , . Кроме того длительности временных интервалов в течение, которого все шесть указанных токов существуют и их мгновенные значения на этих интервалах примерно равны. Отличие соответствующих токов, например, тока от тока в его сдвиге на 30^о, т.е. на 1/12 периода питающего напряжения.

При несимметричном напряжении источника питания 2, т. е. при провале напряжения длительности временных интервалов, в течение которого существуют токи , , , , , , могут отличаться друг от друга. Кроме того, мгновенные значения указанных токов также отличаются друг от друга.

Вычислитель 26 формирует заданное значение тока , обеспечивающий необходимые координаты синхронной машины 6 по сигналу с выхода блока 31 задания скорости или момента синхронной машины, по сигналам с выходов датчика напряжения 27 и тока 28 синхронной машины, по сигналам с выхода датчика скорости 29 и датчика углового положения ротора 30 синхронной машины. Сформированный сигнал вычислителем 26 подается на вторые входы первого 21 и второго 24 сумматоров. Отметим, что сформированное заданное значение тока это постоянный ток, значение которого остается неизменным, если необходимые координаты синхронной машины 6 постоянные. Если координаты синхронной машины скорость или момент меняются, то изменяется заданное значение тока .

Вычислитель заданного тока синхронной машины 26 (фиг. 1) может быть выполнены на базе типового микроконтроллера, имеющий периферийные устройства, процессор, ОЗУ и ПЗУ.

В качестве датчика скорости 29 и датчика углового положения ротора 30 можно использовать энкодер, установленный на валу синхронной машины 6, т. е. устройство, которое преобразует угол поворота вала синхронной машины в электрические импульсы, по которым микроконтроллер определяет: угол поворота, скорость и направление вращения, а также текущее положение ротора.

Первый сумматор 21 осуществляет алгебраическое суммирование токов , и на соответствующих временных интервалах , , и т.д. (см. фиг. 6,б). Результат суммирования указанных токов подается на вход первого двухпозиционного гистерезисного релейного регулятора 22.

Релейный регулятор 22 работает следующим образом. Если результат суммирования токов, например, больше допустимого отклонения т.е. , то на выходе релейного регулятора 22 формируется команда . Эта команда означает «увеличить максимальное значение по модулю фазного тока выпрямителя». Здесь – допустимое отклонение указанного тока от заданного тока , а – зона гистерезис релейного регулятора.

Поясним, как выполнить команду - «увеличить максимальное значение по модулю, например, фазного тока выпрямителя 37».

На фиг. 6 это, возможно, пока существует импульс 1.14 . Пусть команда поступает в середине этого импульса. До указанного момента активный выпрямитель 37 (фиг. 3) работает как трехфазный мостовой диодный выпрямитель. Отметим, что фазные токи , и выпрямителя 37 содержат переменную и постоянную составляющие. Переменная составляющая фазного тока протекает через конденсаторы звена постоянного тока 40, вызывая их заряд, а постоянная составляющая – через трехфазный трехуровневый инвертор напряжения 38 и синхронную машину 6.

Фазный ток протекает через диоды 47, 48 первой стойки 41 выпрямителя 37, переменная составляющая указанного тока протекает через последовательно соединенные конденсаторы 44 и 45, увеличивая напряжения и на одинаковую величину, а постоянная составляющая тока протекает через инвертор напряжения 38 и синхронную машину 6. Далее фазный ток делится на фазный ток , протекающий через диоды 50 и 49 второй стойки 42 и фазный ток , протекающий через диоды 50 и 49 третьей стойки 43.

Отметим, что в дальнейшем при описании работы заявляемого устройства подразумеваем, что через конденсаторы 44 и 45 протекают переменные составляющие фазных токов.

В описанном режиме выпрямитель 37 работает на «противо-ЭДС» в виде суммы напряжений на двух последовательно соединенных конденсаторах 44 и 45. Напряжение направлено встречно линейным напряжениям и поэтому названо «противо-ЭДС». Заметим, что в нормальном режиме работы преобразователей частоты 35 и 36 (см. фиг. 2) напряжения и примерно равны.

После подачи команды управляемые ключи 48 и 49 в первой стойке 41 активного выпрямителя 37 (фиг. 3) соединяют силовой вход этой фазы «А» выпрямителя со средней точкой 46 звена постоянного тока 40. При этом фазный ток протекает через тиристор полностью управляемого ключа 49, диод 52, среднюю точку 46, конденсатор 45 и далее делится на токи и . При этом напряжение на конденсаторе 45 увеличивается, а на конденсаторе 44 уменьшается, так как звено постоянного тока 40 в процессе работы отдает, ранее запасенную энергию инвертору напряжения 38. Учитывая, что напряжение на конденсаторе 45, примерно, в два раза меньше чем напряжение на обоих конденсаторах 44 и 45, то фазные токи и под действием линейных напряжений начинают увеличиваться по модулю.

Таким образом, команда «увеличить максимальное значение по модулю фазного тока выпрямителя» переводит работу активного выпрямителя с «противо-ЭДС» равной на «противо-ЭДС» равную или , что способствует увеличению по модулю фазного тока выпрямителя 37.

Если результат суммирования токов, например, , то на выходе релейного регулятора 22 формируется команда , что означает «уменьшить максимальное значение по модулю фазного тока выпрямителя». При этом активный выпрямитель переходит в режим работы с «противо-ЭДС» равной , а его фазные токи и начинают уменьшаться по модулю.

Таким образом, первый двухпозиционный гистерезисный релейный регулятором 22 формирует две команды и . Первая команда увеличивает, а вторая уменьшает максимальное значение по модулю фазного тока выпрямителя. При этом его среднее значение примерно равно заданному значению тока синхронной машины 6. Как это будет осуществляться описано ниже.

Сформированный первым двухпозиционным гистерезисным релейным регулятором 22 сигнал подается на второй вход первого блок умножения 12 (фиг. 1).

Указанный блок реализует логическую операцию умножения. Например, на интервале (см. фиг. 6,е) на его первый вход поступает импульс с номером 1.13 с первого формирователя импульсов 10, а на второй вход – импульс-команда с выхода первого релейного регулятор 22.

На выходе блока умножения 12 формируется импульс, в течение временного интервала пока одновременно существует импульс с номером 1.13, и пока релейный регулятор 22 формирует команда . Если на интервале импульс с номером 1.13 отсутствует или команда , то на его выходе импульс не формируется. Выходной сигнал блока умножения 12 подается на первый вход первого блока формирования управляющих импульсов 14.

Аналогично описанному алгоритму работают второй сумматор 24, второй двухпозиционный гистерезисный релейный регулятор 25, второй блок умножения 13. Выходной сигнал блока умножения 13 подается на первый вход второго блока формирования управляющих импульсов 15. Отличие лишь в том, что на первый вход второго сумматора 24 подаются максимальные значения фазных токов по модулю , , (см. фиг. 6,г) трехфазного трехуровневого активного выпрямителя 37 второго преобразователя частоты 36.

Первый и второй сумматоры 21 и 24, первый и второй двухпозиционные гистерезисные релейные регуляторы 22 и 25, первый и второй блоки умножения 12 и 13 (фиг. 1) могут быть выполнены на базе типового микроконтроллера, имеющий периферийные устройства, процессор, ОЗУ и ПЗУ.

Третий трехпозиционный гистерезисный релейный регулятор 32 (см. фиг. 1) осуществляет балансировку напряжений на последовательно соединенных конденсаторах 44 и 45 звена постоянного тока 40. Указанный релейный регулятор 32 по входным сигналам напряжения на первом конденсаторе 44 (см. фиг. 3) и на втором конденсаторе 45 формирует на первом или втором выходах команды. На первом выходе формируется команда «установить приоритет зарядки второго конденсатора 45». На втором выходе - «установить приоритет зарядки первого конденсатора 44». Указанные команды подаются соответственно на вторые и третьи входы первого 14 и второго 15 блоков формирования управляющих импульсов.

Алгоритм работы третьего трехпозиционного гистерезисного релейного регулятора 32 следующий.

Если разница напряжений на конденсаторах больше , то на первом выходе регулятора 32 формируется команда «установить приоритет зарядки второго конденсатора 45». Здесь − допустимая разница напряжений на конденсаторах, – зона гистерезиса третьего релейного регулятора 32.

Если разница напряжений на конденсаторах меньше или равна , то на первом выходе регулятора 32 формируется команда «снять приоритет зарядки второго конденсатора 45».

Если разница напряжений на конденсаторах меньше , то на втором выходе регулятора 32 формируется команда «установить приоритет зарядки первого конденсатора 44».

Если разница напряжений на конденсаторах больше или равна , то на втором выходе регулятора 32 формируется команда «снять приоритет зарядки первого конденсатора 44».

Третий трехпозиционный гистерезисный релейный регулятор 32 имеет зону нечувствительности. В указанной зоне разница напряжений на конденсаторах должна быть больше или равна , но меньше или равна . Отметим, что в зоне нечувствительности релейный регулятор 32 формирует команда «снять приоритет зарядки первого 44 и второго 45 конденсаторов».

Третий трехпозиционный гистерезисный релейный регулятор 32 (фиг. 1), как и ранее указанные релейные регуляторы 22 и 25 может быть выполнены на базе типового микроконтроллера.

Первый блок 14 формирует импульсы, которые управляют ключами 48 и 49 трехфазного трехуровневого активного выпрямителя 37 первого преобразователя частоты 35. Эти импульсы поддерживают фазные токи выпрямителя на заданном уровне, а также обеспечивают допустимую разницу напряжений между и на конденсаторах 44 и 45 звена постоянного тока 40.

Отметим, что существуют четыре варианта формирования практически равных фазных токов активного выпрямителя 37, однако они приводят к двум неравномерным зарядам конденсаторов 44 и 45 звена постоянного тока 40. При этом выход активного выпрямителя подключается либо к конденсатору 44, либо к конденсатору 45. В проводящем состоянии могут находиться либо одна пара ключей 48 и 49 выпрямителя, которые соединяют силовой вход этой стойки со средней точкой 46 звена постоянного тока 40, либо две пары ключей 48 и 49 выпрямителя, соединяющие силовые входы двух стоек со средней точкой 46 звена постоянного тока 40.

Рассмотрим первый вариант формирования фазных токов активного выпрямителя 37 первого преобразователя частоты 35. Пусть в середине импульса 1.13 (фиг.6,е) на первый вход блока 14 (фиг. 1) приходит команда , а на его второй и третий входы приходят команды «снять приоритет зарядки соответственно второго 45 и первого 44 конденсаторов».

На выходе блока 14 будет сформирован импульс, который переведет управляемые ключи 48 и 49 второй стойки 42 активного выпрямителя 37 (фиг. 3) в проводящее состояние. При этом силовой вход «В» выпрямителя 37 соединяется с точкой 46 звена постоянного тока 40. Активный выпрямитель 37 переводится в режим зарядки первого конденсатора 44 положительными токами и (см. фиг. 6,а). При этом напряжение увеличивается, а напряжение уменьшается, так как запасенная на нем энергия отдается инвертору напряжения 38.

Подобно описанному алгоритму активный выпрямитель 37 первого преобразователя частоты 35 переводится в режим зарядки первого конденсатора 44, когда существуют нечетные импульсы 1.15 или 1.17 (фиг. 6,е).

С учетом выше описанного можно сделать вывод. На нечетных импульсах 1.13, 1.15 и 1.17 (фиг. 6,е), когда на второй и третий входы блока 14 приходят команды «снять приоритет зарядки соответственно второго 45 и первого 44 конденсаторов», а на первый вход блока 14 приходят импульсы с выхода первого умножителя 12, то на выходе блока 14 формируются импульсы управления одной парой ключей 48 и 49 активного выпрямителя 37, который заряжает первый конденсатор 44.

Рассмотрим второй вариант формирования фазных токов активного выпрямителя 37 первого преобразователя частоты 35. Пусть в середине импульса 1.14 (фиг.6,е) на первый вход блока 14 (фиг. 1) приходит команда , а на его второй и третий входы приходят команды «снять приоритет зарядки соответственно второго 45 и первого 44 конденсаторов».

На выходе блока 14 будет сформирован импульс, который переведет управляемые ключи 48 и 49 первой стойки 41 активного выпрямителя 37 (фиг. 3) в проводящее состояние. При этом силовой вход «А» выпрямителя 37 соединяется с точкой 46 звена постоянного тока 40. Активный выпрямитель 37 переводится в режим зарядки второго конденсатора 45 положительным током (см. фиг. 6,а). При этом напряжение увеличивается, а напряжение уменьшается, так как запасенная на нем энергия отдается инвертору напряжения 38.

Подобно описанному алгоритму активный выпрямитель 37 первого преобразователя частоты 35 переводится в режим зарядки второго конденсатора 45, когда существуют четные импульсы 1.16 или 1.18 фиг. 6,е.

С учетом выше описанного можно сделать вывод. На четных импульсах 1.14, 1.16 и 1.18 (фиг. 6,е), когда на второй и третий входы блока 14 приходят команды «снять приоритет зарядки соответственно второго 45 и первого 44 конденсаторов», а на первый вход блока 14 приходят импульсы с выхода первого умножителя 12, то на выходе блока 14 формируются импульсы управления одной парой ключей 48 и 49 активного выпрямителя 37, который заряжает второй конденсатор 45.

Таким образом, за период питающего напряжения с до (см. фиг. 6) конденсаторы 44 и 45 (фиг. 3) поочередно три раза заряжаются и разряжаются активным выпрямителем 37 первого преобразователя частоты 35.

Рассмотрим третий вариант формирования фазных токов активного выпрямителя 37 первого преобразователя частоты 35. Пусть в середине импульса 1.13 (фиг.6,е) на первый вход блока 14 (фиг. 1) приходит команда , на второй вход приходит команда «установить приоритет зарядки второго 45 конденсатора», а на третий вход - «снять приоритет зарядки первого 44 конденсатора».

На выходе блока 14 будут сформированы импульсы, которые переведут управляемые ключи 48 и 49 первой 41 и третьей 43 стоек активного выпрямителя 37 (фиг. 3) в проводящие состояние. При этом силовой вход «А» и силовой вход «С» выпрямителя 37 соединяются с точкой 46 звена постоянного тока 40. Активный выпрямитель 37 переводится в режим зарядки второго конденсатора 45 положительными токами и (см. фиг. 6,а). При этом напряжение увеличивается, а напряжение уменьшается, так как запасенная на нем энергия отдается инвертору напряжения 38.

Подобно описанному алгоритму активный выпрямитель 37 первого преобразователя частоты 35 переводится в режим зарядки второго конденсатора 45, когда существуют нечетные импульсы 1.15 или 1.17.

С учетом выше описанного можно сделать вывод. На нечетных импульсах 1.13, 1.15 и 1.17 (фиг. 6,е), когда на второй вход блока 14 приходит команда «установить приоритет зарядки второго 45 конденсатора», на третий вход - «снять приоритет зарядки первого 44 конденсатора», а на первый вход блока 14 приходят импульсы с выхода первого умножителя 12, то на выходе блока 14 формируются импульсы управления двумя парами ключей 48 и 49 активного выпрямителя 37, который заряжает второй конденсатор 45.

Рассмотрим четвертый вариант формирования фазных токов активного выпрямителя 37 первого преобразователя частоты 35. Пусть в середине импульса 1.14 (фиг.6,е) на первый вход блока 14 (фиг. 1) приходит команда , на второй вход приходит команда «снять приоритет зарядки второго 45 конденсатора», а на третий вход - «установить приоритет зарядки первого 44 конденсатора».

На выходе блока 14 будут сформированы импульсы, которые переведут управляемые ключи 48 и 49 второй 42 и третьей 43 стоек активного выпрямителя 37 (фиг. 3) в проводящие состояние. При этом силовой вход «В» и силовой вход «С» выпрямителя 37 соединяются с точкой 46 звена постоянного тока 40. Активный выпрямитель 37 переводится в режим зарядки первого конденсатора 44 положительным током (см. фиг. 6,а). При этом напряжение увеличивается, а напряжение уменьшается, так как запасенная на нем энергия отдается инвертору напряжения 38.

Подобно описанному алгоритму активный выпрямитель 37 первого преобразователя частоты 35 переводится в режим зарядки первого конденсатора 44, когда существуют четные импульсы 1.16 или 1.18.

С учетом выше описанного можно сделать вывод. На четных импульсах 1.14, 1.16 и 1.18 (фиг. 6,е), когда на второй вход блока 14 приходит команда «снять приоритет зарядки второго 45 конденсатора», на третий вход - «установить приоритет зарядки первого 44 конденсатора», а на первый вход блока 14 приходят импульсы с выхода первого умножителя 12, то на выходе блока 14 формируются импульсы управления двумя парами ключей 48 и 49 активного выпрямителя 37, который заряжает первый конденсатор 44.

Отметим, что существует еще пятый вариант формирования фазных токов активного выпрямителя 37, при котором через конденсаторы 44 и 45 протекает один и тот же ток, а напряжение и увеличиваются на одно и то же значение. При этом активный выпрямитель работает в режиме трехфазного мостового выпрямителя, так как на его ключи 47 …50 не поступают импульсы управления с выхода блока 14. Это возможно, когда на первый вход блока 14 не приходят импульсы с блока умножения 12.

Подобно описанному алгоритму работает второй блок 15 формирования управляющих импульсов ключами 48 и 49 трехфазного трехуровневого активного выпрямителя 37 второго преобразователя частоты 36. Эти импульсы поддерживают фазные токи выпрямителя на заданном уровне, а также обеспечивают допустимую разницу напряжений между и на конденсаторах 44 и 45 звена постоянного тока 40.

Первый и второй блоки формирования управляющих импульсов 14 и 15 (фиг. 1), как и ранее указанные формирователи 9 и 10 могут быть выполнены на базе типового микроконтроллера.

При этом как ранее было описано, существуют четыре варианта формирования практически равных фазных токов активного выпрямителя 37, которые приводят к двум неравномерным зарядам конденсаторов 44 и 45 звена постоянного тока 40. Выход активного выпрямителя подключается либо к конденсатору 44, либо к конденсатору 45, а в проводящем состоянии находятся либо одна пара ключей 48 и 49 выпрямителя, либо две пары ключей 48 и 49 выпрямителя.

Устройство управления высоковольтным преобразователем частоты (фиг.1) работает следующим образом.

Блок вычисления 3 определяет величину несимметрии напряжений источника питания 2. Если эта величина не превышает 5%, то управление высоковольтным преобразователем частоты 5 осуществляет система управления 4, как в прототипе. При этом используется метод ШИМ с удалением восьми выделенных гармоник напряжения и девятью переключениями ключей активного выпрямителя за четверть периода.

На фиг. 4,а на интервале приведены осциллограммы фазных токов активного выпрямителя для симметричного режима работы. Приведенные осциллограммы на фиг. 4 и осциллограммы на других чертежах заявляемого устройства были получены в результате математического моделирования работы высоковольтного преобразователя частоты 5 в программной среде Matlab/Simulink.

Полученные в результате моделирования осциллограммы токов и напряжения дают хорошее совпадение с реальными осциллограммами высоковольтного преобразователя частоты, используемого для регулирования электропривода, например, прокатных станов. При несимметричном режиме работы, т.е. при кратковременном провале напряжения в указанных электроприводах активный выпрямитель переводят в диодный режим, чтобы сохранить работоспособность высоковольтного преобразователя частоты. Это один из способов его защиты. При этом одновременно снижают нагрузку высоковольтному преобразователю частоты. Однако применение указанных мер не обеспечивают ему надежную работу.

На фиг. 4,а в момент времени , активный выпрямитель 37 переведен в диодный режим, так как произошел провал напряжения и импульсы управления на ключи активного выпрямителя более не поступают. При этом на интервале фазные токи выпрямителя равны нулю, так как значение напряжения на конденсаторах звена постоянного тока 40 больше, чем значения линейных напряжений , , на входе активного выпрямителя 37. В конце указанного интервала напряжение в звене постоянного тока снижается более, чем на 20% (см. фиг. 4).

С момента времени , вследствие несимметричного напряжения источника питания 2 фазные токи активного выпрямителя (см. фиг. 4,а) становятся несимметричными. Амплитудные значения отдельных токов существенно превышают их номинальные значения, что для надежной работы активного выпрямителя недопустимо. Кроме того, сниженное напряжение звена постоянного тока приобретает колебательный характер фиг. 4,б, что для надежной работы высоковольтного преобразователя частоты также недопустимо. Вследствие значительных отклонений указанных токов и напряжений в высоковольтном преобразователе частоты срабатывает защита, что нарушает нормальный режим работы, например, прокатного стана. Таким образом, перевод активного выпрямителя в диодный режим без принятия дополнительных мер не обеспечивает надежной работы высоковольтного преобразователя частоты. В заявляемом устройстве эти меры реализованы в системе управления 8.

Если величина несимметрии напряжений источника питания 2 более 5%, то блок вычисления 3 передает управление высоковольтным преобразователем частоты 5 системе управления 8.

Чтобы понять принцип работы системы управления 8 в программной среде Matlab/Simulink были выполнены эксперименты для диодного режима работы активного выпрямителя, которые приведены на фиг. 5.

Первый эксперимент. Напряжение источника питания 2 симметричное. Этому эксперименту соответствует временной интервал . На рис. 5,а приведены осциллограммы фазных напряжения источника питания 2. На рис. 5,б осциллограммы фазных токов , , активного выпрямителя 37 первого преобразователя частоты 35. На рис. 5,в осциллограмма напряжения звена постоянного тока 40. На приведенных осциллограммах фазные напряжения и токи симметричные, а напряжение звена постоянного тока постоянное.

Второй эксперимент. Напряжение источника питания 2 несимметричное в фазе «А» в момент времени произошел провал напряжения на 30% (см. фиг. 5,а). Система управления 8 не формирует импульсы управления ключами активного выпрямителя 37. Этому эксперименту на фиг. 5 соответствует временной интервал . Как и на фиг. 4 имеют место значительные отклонения фазных токов , , и колебание напряжения звена постоянного тока . Во втором эксперименте еще не приняты меры, чтобы устранить последствия влияния несимметричного режима питающей сети на работу активного выпрямителя. В нормальном режиме работы системы управления 8 этот режим отсутствует.

Третий эксперимент. Этому эксперименту соответствует временной интервал фиг. 5. При провале напряжения на 30% в системе управления 8 приняты меры, которые существенно ограничивают отклонения фазных токов , , и колебание напряжения звена постоянного тока в допустимых пределах. Сравнение фазных токов третьего и первого экспериментов фиг. 5,б и сравнение колебаний напряжения звена постоянного тока третьего и второго экспериментов фиг. 5,в позволяют сделать вывод, что принятые меры системой управления 8 повышают надежность работы высоковольтного преобразователя частоты 5.

Таким образом, в заявляемом устройстве при кратковременном провале напряжения система управления 8 обеспечивает повышение надежности работы как активных выпрямителей 37 первого 35 и второго 36 преобразователей частоты, так и высоковольтного преобразователя частоты 5 в целом.

Система управления 8 фиг. 1 работает следующим образом.

По команде со второго выхода блока 3 вычисления несимметрии напряжения источника питания 2 начинают работать все блоки системы управления 8.

Первый 9 и второй 16 формирователи синхроимпульсов, по ранее описанному алгоритму за период питающего напряжения формируют соответственно шесть синхроимпульсов 1.1, 1.2, … 1.6 (см. фиг. 6,в) и шесть синхроимпульсов 1.7, 1.8, … 1.12 (см. фиг. 6,д). Указанные группы синхроимпульсов поступают соответственно на первые и вторые входы первого 10 и второго 11 формирователя импульсов.

Первый формирователь 10 по ранее описанному алгоритму на своем выходе формирует импульсы 1.13, 1.14, … 1.18 (см. фиг. 6,е), которые поступают на первый вход первого умножителя 12. Аналогично второй формирователь 11 формирует импульсы 1.19, 1.20, … 1.24 (см. фиг. 6,ж), которые поступают на первый вход второго умножителя 13.

Одновременно первый 20 и второй 23 блоки по ранее описанному алгоритму формируют на своих выходах максимальные значения фазных токов по модулю, выделенные жирной линией. На фиг. 6,б представлен график на выходе первого блока 20, а на фиг. 6,г график на выходе второго блока 23.

Сформированные сигналы первым 20 и вторым 23 блоками подаются соответственно на первый вход первого 21 сумматора и первый вход второго 24 сумматора. На вторые входы указанных сумматоров подается сигнал с выхода вычислителя 26 заданного значения тока синхронной машины 6, обеспечивающий требуемые координаты электропривода, например, прокатного стана.

Разностный сигнал первого 21 сумматора поступает на вход первого двухпозиционного гистерезисного релейного регулятора 22. На выходе указанного регулятора, по ранее описанному алгоритму формируется сигнал , который подается на второй вход первого блока умножения 12.

Аналогично разностный сигнал второго 24 сумматора поступает на вход второго двухпозиционного гистерезисного релейного регулятора 25. Выходной сигнал , которого подается на второй вход второго блока умножения 13.

На выходе первого блока умножения 12, с момента по ранее описанному алгоритму формируются импульсы управления (см. фиг. 7,б), которые через первый блок формирования 14 воздействуют на ключи 48 и 49 активного выпрямителя 37 первого преобразователя частоты 35. Указанные импульсы (см. фиг. 7,б) поддерживают среднее значение фазного тока , этого выпрямителя примерно равным заданному значению тока на временном интервале пока существует импульс 1.13 (1.14, 1.15, … 1.18).

Например, в момент времени , когда мгновенное значение фазного тока по модулю (фиг. 7,г точка «к» на графике тока ) станет меньше более чем на на выходе первого блока 14 формируется первый импульс (фиг. 7,б) из группы импульса 1.13. Как ранее было описано, этот импульс переведет управляемые ключи 48 и 49 второй стойке 42 активного выпрямителя 37 (фиг. 3) в проводящие состояние и соединит силовой вход фазы «В» выпрямителя 37 со средней точкой 46 звена постоянного тока 40. При этом выпрямитель 37 будет работать на «противо-ЭДС» равной , что в два раза меньше , а, следовательно, ток с момента времени начинает увеличиваться по модулю. Одновременно напряжение увеличивается.

В момент времени , когда мгновенное значение фазного тока по модулю (фиг. 7,г точка «л» на графике тока ) станет больше более чем на действие первого импульса (фиг. 7,б) прекратится.

С момента времени до активный выпрямитель 37 первого преобразователя частоты 35 работает как трехфазный мостовой диодный выпрямитель на «противо-ЭДС» равную напряжению , что в два раза больше, чем при этом ток начинает уменьшаться по модулю до точки «м» на графике тока .

С момента времени до (фиг. 7,б) действует второй импульс из группы импульса 1.13, который опять вызывает увеличение тока по модулю из точки «м» до точки «н» (фиг. 7,г). Указанные два импульса на интервале поддерживают среднее значение фазного тока выпрямителя 37 примерно равным заданному значению тока .

С момента времени до (фиг. 7,б) система управления 8 формирует три импульса управления (фиг. 7,в) на интервале существования импульса 1.20 (фиг. 6,ж). Эти импульсы через второй блок формирования 15 воздействуют на ключи 48 и 49 активного выпрямителя 37 второго преобразователя частоты 36 (фиг. 2). Когда эти импульсы существуют , , , фазный ток по модулю увеличивается, так как выпрямитель 37 работает на меньшую «противо-ЭДС» равную . На интервалах , выпрямитель 37 работает на «противо-ЭДС» равную , при этом фазный ток по модулю уменьшается. Указанные три импульса поддерживают среднее значение фазного тока выпрямителя 37 примерно равным заданному значению тока .

С момента времени до (фиг. 7,б) система управления 8 формирует два импульса управления на интервале существования импульса 1.14 (фиг. 6,е). Эти импульсы воздействуют на ключи 48 и 49 активного выпрямителя 37 первого преобразователя частоты 35 (фиг. 2), поддерживая среднее значение фазного тока выпрямителя примерно равными заданному значению тока .

На следующем временном интервале − (фиг. 7,в) система управления 8 формирует два импульса управления на интервале существования импульса 1.21 (фиг. 6,ж). Эти импульсы воздействуют на ключи 48 и 49 активного выпрямителя 37 второго преобразователя частоты 36 (фиг. 2), поддерживая среднее значение фазного тока выпрямителя примерно равными заданному значению тока .

Далее процесс управления ключами 48 и 49 активных выпрямителей 37 первого 35 и второго 36 преобразователей частоты (фиг. 2) продолжается по вышеописанным алгоритмам на интервале − (фиг. 7,б). При этом средние значения фазных токов , и |, выпрямителей примерно равны заданному значению тока .

Отметим, что в процессе поддержания средних значений фазных токов выпрямителей на заданном уровне может нарушиться балансировка напряжений на конденсаторах 44 и 45 звена постоянного тока 40, т.е. фиг. 7,г.

Это обусловлено тем, активные выпрямители 37 (фиг. 2), как ранее было описано, в процессе поддержания средних значений фазных токов выпрямителей работают в трех режимах.

Первый режим. Выпрямители работают на «противо-ЭДС» равную , при этом через конденсаторы 44 и 45 протекает один и тот же ток, а, следовательно, они заряжаются на одинаковую величину. На фиг. 7,б и фиг. 7,в это временные интервалы, когда импульсы управления отсутствуют. Например, интервалы −, − и т.д. при этом динамика на обоих конденсаторах одинакова фиг.7,д, а напряжение . Здесь начальное незначительное отклонение напряжения от напряжения на момент начала первого режима работы выпрямителя 37. При этом разница напряжений , т. е. разбалансировка напряжений на конденсаторах 44 и 45 равна .

Второй режим, выпрямители работают на «противо-ЭДС» равную , при этом конденсатор 44 заряжается, а конденсатор 45 разряжается. На фиг. 7,б это временные интервалы, например, −, −, при этом динамика на первом 44 конденсаторе положительная, а на втором 45 конденсаторе отрицательная фиг.7,д. Во втором режиме напряжение увеличивается, а напряжение ) уменьшается. При этом разбалансировка напряжений на конденсаторах 44 и 45 может, как увеличиваться, так и уменьшаться относительно .

Третий режим, выпрямители работают на «противо-ЭДС» равную , при этом конденсатор 44 разряжается, а конденсатор 45 заряжается. На фиг. 7,в это временные интервалы, например, −, −, при этом динамика на первом 44 конденсаторе отрицательная, а на втором 45 конденсаторе положительная фиг.7,д. В третьем режиме напряжение уменьшается, а напряжение ) увеличивается. При этом разбалансировка напряжений на конденсаторах 44 и 45 может, как увеличиваться, так и уменьшаться относительно .

Заметим, что величина разбалансировки напряжений на конденсаторах 44 и 45 зависит от длительности временных интервалов указанных трех режимов работы выпрямителей 37, а также мгновенных значений фазных токов при смене режимов работы выпрямителей 37.

На фиг. 8 приведены результаты моделирования работы активного выпрямителя 37 в программной среде Matlab/Simulink для симметричного (до момента времени ) и несимметричного (после момента времени ) режимов.

На фиг. 8,а приведены осциллограммы фазных напряжений источника питания 2, на фиг. 8,б и фиг. 8,в осциллограммы управляющих импульсов формируемые соответственно блоком 14 и 15, на фиг. 8,г осциллограммы входных токов первого преобразователя частоты 35.

На фиг. 8,д в несимметричном режиме, т.е. после момента времени значение напряжения увеличивается, а уменьшается, при этом напряжение звена постоянного тока 40 почти постоянное, имея небольшие колебания, не более 5%, что не превышает допустимых значений. Разбалансировка напряжений на фиг. 8,д непрерывно возрастает, так как третий трехпозиционный гистерезисный релейный регулятор 32 (фиг. 1) в работу пока не вступил.

Ранее было отмечено, когда разбалансировка напряжений достигает предельно допустимых значений, в работу вступает третий трехпозиционный гистерезисный релейный регулятор 32. При этом на его выходах формируются команды «установить приоритет зарядки второго конденсатора 45» или «установить приоритет зарядки первого конденсатора 44» или «снять приоритеты зарядов первого 44 и второго 45 конденсаторов». В модели заявляемого устройства управления команда «установить приоритет зарядки второго конденсатора 45» формируется при условии , команда «установить приоритет зарядки первого конденсатора 44» - при , команды «снять приоритеты зарядов первого 44 и второго 45 конденсаторов» формируются при условиях и .

Указанные команды через блоки 14 и 15 (фиг. 1) изменяют режим работы обоих активных выпрямителей 37 (фиг. 2), устанавливая разбалансировку напряжений на конденсаторах 44 и 45 в допустимые пределы.

На фиг. 8,е и фиг. 8,ж с момента времени до релейный регулятор 32 (фиг. 1) выдает команду «снять приоритеты зарядов первого 44 и второго 45 конденсаторов». При этом, как видно на фиг. 8,е динамика напряжения положительная, а динамика напряжения отрицательная. Ранее было указано, что это обусловлено длительностью сформированных импульсов управления блоками 14 и 15, а также значениями фазных токов в момент подачи этих импульсов на ключи активного выпрямителя 37.

После момента времени (см. фиг. 8,ж), релейный регулятор 32 выдает команду «установить приоритет зарядки второго конденсатора 45». Это обусловлено тем, что разница напряжений на конденсаторах стала больше (см. фиг. 8,ж), т. е. разбалансировка напряжений на конденсаторах 44 и 45 превысила предельно допустимое значение (+150 В). Согласно ранее описанному алгоритму с этого момента динамика напряжения отрицательная, а динамика напряжения положительная, т. е. напряжение уменьшается, а напряжение увеличивается.

С момента времени до (см. фиг. 8,ж) релейный регулятор 32 выдает команду «снять приоритеты зарядов первого 44 и второго 45 конденсаторов». Это обусловлено тем, что разница напряжений на конденсаторах стала меньше или равна , но больше или равна . При этом, как видно на фиг. 8,е динамика напряжения отрицательная, а динамика напряжения положительная. Обоснование такой динамики напряжений было дано выше.

После момента времени , релейный регулятор 32 выдает команду «установить приоритет зарядки первого конденсатора 44». Это обусловлено тем, что разница напряжений на конденсаторах стала меньше , т. е. разбалансировка напряжений на конденсаторах 44 и 45 превысила предельно допустимое значение. Согласно ранее описанному алгоритму с этого момента динамика напряжения положительная, а динамика напряжения отрицательная, т. е. напряжение увеличивается, а напряжение уменьшается.

С момента времени до релейный регулятор 32 выдает команду «снять приоритеты зарядов первого 44 и второго 45 конденсаторов». Это обусловлено тем, что разница напряжений на конденсаторах стала больше или равна , но меньше или равна . При этом, как видно на фиг. 8,е динамика напряжения положительная, а динамика напряжения отрицательная. Обоснование такой динамики напряжений было вышеизложено.

Далее процесс балансировки напряжений на конденсаторах 44 и 45 подобен выше описанному процессу.

На основании вышеизложенного следует, что при кратковременных несимметричных провалах напряжения сети перевод трехфазного трехуровневого активного выпрямителя 37 из широтно-импульсного способа управления его ключей в релейный режим управления, с целью поддержания фазных токов на заданном уровне и поддержания баланса напряжений на конденсаторах звена постоянного тока 40, позволяет повысить надежность и быстродействие работы активного выпрямителя и всего высоковольтного преобразователя частоты.

Отличительной особенностью заявляемого устройства является то, что оно практически мгновенно отрабатывает возникновение любых случаев кратковременной несимметрии напряжения источника питания, т.е. обладает высоким быстродействием. При этом первые гармоники трех фазных токов активного выпрямителя практически равны, а коэффициенты несинусоидальности указанных токов, не более 10%, что не превышает допустимых значений. Кроме того, в заявляемом устройстве амплитуда колебания напряжения звена постоянного тока мала, не более 5%, разбалансировка напряжений на конденсаторах указанного звена также не превышает допустимых значений 10%.

На основании вышеизложенного следует, что заявляемое устройство управления высоковольтным преобразователем частоты при кратковременной несимметрии напряжения источника питания повышает надежность и быстродействие работы трехфазного трехуровневого активного выпрямителя и высоковольтного преобразователя частоты в целом.

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использовано для управления трехфазным трехуровневым активным выпрямителем высоковольтного преобразователя частоты, система управления которого при кратковременных несимметричных провалах напряжения сети переключает режим работы ключей активного выпрямителя с широтно-импульсного способа управления на релейное управление. Технический результат заключается в повышении надежности и быстродействия работы трехфазных трехуровневых активных выпрямителей при кратковременных несимметричных провалах напряжения источника питания. Технический результат достигается за счет того, что устройство снабжено системой управления высоковольтным преобразователем частоты (8) при кратковременной несимметрии напряжения источника питания. Указанная система содержит: первый (9) и второй (16) формирователи синхроимпульсов; первый (10) и второй (11) формирователи импульсов; первый (12) и второй (13) умножители; первый (14) и второй (15) блоки формирования управляющих импульсов; (17) – блок фазового сдвига напряжения на 30^о; первый (18) и второй (19) датчики тока; первый (20) и второй (23) блоки определения максимального значения фазных токов по модулю; первый (21) и второй (24) сумматоры; первый (22) и второй (25) двухпозиционные гистерезисные релейные регуляторы; (26) – вычислитель заданного тока синхронной машины; датчик напряжения (27) и датчик тока (28) синхронной машины; датчик скорости (29) и датчик углового положения ротора синхронной машины (30); блок задания скорости и момента синхронной машины (31); третий трехпозиционный гистерезисный релейный регулятор (32). Заявляемое устройство обеспечивает ограничение увеличения первой гармоники фазных токов активных выпрямителей, ограничение диапазона колебаний напряжения звена постоянного тока, а также снижение разбалансировки напряжений на конденсаторах звена постоянного тока до допустимых пределов, что повышает надежность работы высоковольтного преобразователя частоты. 8 ил.

Устройство управления высоковольтным преобразователем частоты, содержащее датчик напряжения источника питания, вход которого подключен к выходу источника питания, при этом выход датчика напряжения соединен с блоком вычисления несимметрии напряжения источника питания, первый выход которого соединен с системой управления указанным преобразователем при симметричном напряжении источника питания, первый и второй выходы указанной системы соединены с первым и вторым управляющими входами высоковольтного преобразователя частоты, силовой вход которого подключен к источнику питания, а силовой выход - к синхронной машине, к первому информационному выходу высоковольтного преобразователя частоты подключен датчик напряжения звена постоянного тока, отличающееся тем, что оно снабжено системой управления высоковольтным преобразователем частоты при несимметричном напряжении источника питания, включающей первый формирователь синхроимпульсов, первый вход которого соединен с выходом датчика напряжения источника питания, а второй вход – с первым выходом датчика напряжения звена постоянного тока, выход первого формирователя синхроимпульсов соединен с первыми входами первого и второго формирователей импульсов, выходы которых соединены соответственно с первыми входами первого и второго умножителей, выходы последних соединены соответственно с первыми входами первого и второго блоков формирования управляющих импульсов, выходы которых соединены соответственно со вторым и первым управляющими входами высоковольтного преобразователя частоты, включающей второй формирователь синхроимпульсов, первый вход которого через блок фазового сдвига напряжения на 30^о соединен с выходом датчика напряжения источника питания, а второй вход – с первым выходом датчика напряжения звена постоянного тока, выход второго формирователя синхроимпульсов соединен со вторыми входами первого и второго формирователей импульсов, включающей первый и второй датчики тока, входы которых соединены соответственно со вторым и третьим информационными выходами высоковольтного преобразователя частоты, выход первого датчика тока через первый блок определения максимального значения фазных токов по модулю подключен к первому входу первого сумматора, выход которого через первый релейный регулятор подключен ко второму входу первого умножителя, выход второго датчика тока через второй блок определения максимального значения фазных токов по модулю подключен к первому входу второго сумматора, выход которого через второй релейный регулятор подключен ко второму входу второго умножителя, при этом вторые входы первого и второго сумматоров подключены к выходу вычислителя заданного тока синхронной машины, первый и второй входы которого соответственно через датчик напряжения и датчик тока подключены к выходу высоковольтного преобразователя частоты, третий и четвертый входы - соответственно через датчик скорости и датчик углового положения ротора синхронной машины подключены к синхронной машине, а пятый вход – к блоку задания скорости и момента синхронной машины, второй и третий выходы датчика напряжения звена постоянного тока соединены соответственно с первым и вторым входами третьего релейного регулятора, первый выход которого соединен со вторыми входами первого и второго блоков формирования управляющих импульсов, второй выход третьего релейного регулятора соединен с третьими входами первого и второго блоков формирования управляющих импульсов, второй выход блока вычисления несимметрии напряжения источника питания подключен к системе управления высоковольтным преобразователем частоты при несимметричном напряжении источника питания.