ТРЕХФАЗНЫЙ АКТИВНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ СЕТЕЙ С НЕСИММЕТРИЧНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ Российский патент 2024 года по МПК H02M7/539 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в трехфазных системах электроснабжения для получения стабильного постоянного напряжения на выходных зажимах предлагаемого устройства в условиях значительной несимметрии питающей трехфазной системы напряжений.

Известно устройство трехфазного активного выпрямителя напряжения (полезная модель RU 161 102 U1, дата подачи заявки 03.07.2015), принятое в качестве аналога предлагаемого устройства, содержащий трехфазный реактор, силовые вентили на полностью управляемых ключах, емкостной фильтр, который подключен параллельно с нагрузкой и датчиком выпрямленного напряжения к выходным зажимам блока силовых вентилей, датчики напряжения трехфазного источника питания, широтно-импульсный модулятор, выходы которого подключены к управляющим входам блока силовых вентилей, систему управления силовыми вентилями. Для реализации алгоритма управления силовыми вентилями в систему управления введены блоки фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), блоки выделения симметричных составляющих напряжений, блоком преобразования токов из неподвижной системы (abc) координат во вращающуюся систему координат (dq), блоком пропорционально-интегральных регуляторов активной и реактивной тока источника питания, блоком преобразования управляющих напряжений прямой последовательности из вращающейся системы координат в неподвижную (αβ), первым и вторым сумматорами, блоком преобразования из неподвижной системы координат αβ в неподвижную систему координат abc и блоком пропорционально-интегрального регулятора выпрямленного напряжения.

Недостатками устройства является невозможность работы в условиях несимметрии питающего напряжения, так как в системе нет пути протекания тока нулевой последовательности, обусловленного несимметрией трехфазной системы, также в необходимости преобразования сигналов с датчика тока во вращающуюся систему координат и обратно, что усложняет программно-аппаратную реализацию алгоритма управления и снижает диапазон несимметрии питающих напряжений, при которых устройство может осуществлять эффективное функционирование, и приводит к появлению пульсаций в выпрямленном напряжении на двукратной частоте питающего напряжения.

Известно устройство трехфазного активного фильтра (изобретение RU 2467462 C1, дата подачи заявки 05.08.2011), принятое в качестве аналога предлагаемого устройства, состоящее из силовых вентилей, собранных по трехфазной мостовой схеме, на полностью управляемых вентилях-транзисторах, датчика выпрямленного напряжения и системы управления, снабженной вычислителем, двумя источниками постоянного тока, блоком перемножения, линейными регулятором выпрямленного напряжения, релейными регуляторами активной и реактивной энергии, определителем фазового вектора и блоком выбора вектора напряжения.

Недостатком устройства является отсутствие пути протекания тока, обусловленного наличием несимметрии трехфазной системы токов, а также при возникновении несимметрии в трехфазной системе питающих напряжений в выпрямленном напряжении преобразователя проявляются пульсации с двукратной частотой питающего напряжения, что обусловлено применением пропорционально-интегрального линейного регулятора выпрямленного напряжения.

Известно устройство многофазного активного выпрямителя (полезная модель RU 156992 U1, дата подачи заявки 06.04.2015), принятое за прототип, включающее последовательно соединенные m-фазный источник переменного напряжения с входным фильтром и датчиком линейных напряжений, датчики входных токов, пусковые токоограничительные резисторы с шунтирующим контактором, входные дроссели, мостовой выпрямитель на транзисторах, шунтированных обратными диодами, каждая пара которых образует m выпрямительных стоек, выходной конденсатор, нагрузку с датчиком выходного напряжения и m-фазную микропроцессорную систему управления с драйверами транзисторов верхнего и нижнего плеча каждой выпрямительной стойки, выходы которых подключены к управляющим входам транзисторов, а информационные входы микропроцессорной системы управления связаны с выходами датчиков входных фазных токов, линейных входных напряжений и выходного напряжения, конденсаторы входного фильтра включены по схеме «звезда». С целью реализации алгоритма управления силовым мостовым выпрямителем прототип снабжается микропроцессорной системой, которая включает три устройства сравнения, один пропорционально-интегральный и два пропорциональных регулятора, два источника опорных напряжений, логический узел, вычислитель модуля вектора тока и вычислитель фазных напряжений, триггерное устройство, умножитель, генератор развертывающего напряжения и три цифровых компаратора, одни из входов первых двух цифровых компараторов объединены и связаны с выходом генератора развертывающего напряжения, а их другие входы подключены к выходам первого и второго устройств сравнения через пропорциональные регуляторы, при этом входы первого устройства сравнения связаны с выходами датчика фазного тока умножителя, входы которого входы которого подключены к выходам вычислителя фазного напряжения и пропорционально-интегрального регулятора, вход которого связан с выходом первого устройства сравнения, входы которого объединены с входами третьего цифрового компаратора и подключены к выходам первого источника опорного напряжения и датчика выходного напряжения соответственно, а выход третьего цифрового компаратора через триггерное устройство связан с управляющим входом логического устройства, информационные входы которого соединены с выходами первого и второго цифровых компараторов, причем входы третьего устройства сравнения связаны с выходами второго источника опорного напряжения и вычислителя модуля вектора тока.

Недостатками данного устройства являются отсутствие пути протекания тока, обусловленного наличием несимметрии трехфазной системы токов источника питания, что выражается в отсутствии нулевого проводника тока в системе, регулирование напряжения на основе линейного пропорционально-интегрального регулятора приводит к тому, что при появлении несимметрии в трехфазной системе питающих напряжений, как и в вышеописанных случаях, приводит к появлению пульсаций выходного напряжения активного выпрямителя на удвоенной частоте питающего напряжения.

Задачей (техническим результатом) изобретения является формирование стабилизированного напряжения на выходных зажимах постоянного тока трехфазного активного выпрямителя для электропитания нагрузок постоянного тока в условиях наличия несимметрии трехфазной системы питающих напряжений, которое не содержит пульсации с двукратной частотой питающего напряжения.

Поставленная задача (технический результат) достигается тем, что трехфазный активный выпрямитель напряжения для сетей с несимметричным напряжением, состоит из последовательно соединенного трехфазного источника переменного напряжения с датчиками переменного напряжения, датчиков входного фазного тока, фазных электромагнитных дросселей, мостового выпрямителя на транзисторных силовых ключах, шунтированного обратными диодами, транзисторной стойки, подключаемой средней точкой к нейтральной точке трехфазного источника переменного напряжения через дополнительный электромагнитный дроссель, емкостного накопителя в звене постоянного тока, датчика выходного напряжения, микропроцессорной системы управления, подключенной управляющими выходами к управляющим входам транзисторных силовых ключей мостового выпрямителя, а информационными входами - к информационным выходам датчиков переменного напряжения, датчика выходного напряжения и датчиков входного фазного тока, и блоков ФАПЧ, входы которых подключены к выходам датчиков переменного напряжения, блоков вычисления частного от деления сигнала напряжения на его амплитуду, входы которых подключены к выходам блоков ФАПЧ и выходам датчиков переменного напряжения, блоков вычисления задания на входной ток, входы которых подключены к выходам блоков вычисления частного от деления сигнала напряжения на его амплитуду, блока вычисления ошибки формирования напряжения, входы которого подключены к выходу датчика выходного напряжения и к выходу блока формирования задания на выходное напряжение, пропорционально-интегрального регулятора выходного напряжения, вход которого подключен к выходу блока вычисления ошибки формирования напряжения, блока подстройки параметров регулятора выходного напряжения, входы которого подключены к выходу пропорционально-интегрального регулятора выходного напряжения и к выходу блока вычисления сигнала подстройки, а выходы - ко входам блоков вычисления задания на входной ток, блоков умножения сигналов, выходы которых подключены ко входам блока вычисления сигнала подстройки, а входы - к выходам блоков вычисления частного от деления сигнала напряжения на его амплитуду и к выходам датчиков переменного напряжения, блоков вычисления ошибки формирования входного тока, к входам которых подключены выходы блоков вычисления задания на входной ток и выходы датчиков входного фазного тока, блока трехканального пропорционально-интегрального регулятора входного тока, входы которого подключены к выходам блоков вычисления ошибки формирования входного тока, блоков формирования и усиления сигналов управления силовыми ключами, входы которых подключены к выходам блока трехканального пропорционально-интегрального регулятора входного тока и к выходам блока формирования опорного сигнала, а выходы - к транзисторным силовым ключам мостового выпрямителя и транзисторной стойки.

Предлагаемое устройство может быть использовано в трехфазных системах электроснабжения для получения стабилизированного постоянного напряжения со сниженным уровнем пульсации для электропитания электроприемников постоянного тока с повышенными требованиями к качеству питающего напряжения, такие как электронные преобразователи постоянного напряжения, электропривод, аккумуляторные батареи и пр.

Для получения технического результата изобретение может быть осуществлено следующим предпочтительным образом, не исключающим иные способы осуществления в рамках заявленной формулы изобретения.

Предложен трехфазный активный выпрямитель напряжения для сетей с несимметричным напряжением, который содержит последовательно соединенный m-фазный (m = 3) источник переменного напряжения с входным фильтром и датчиками переменных напряжений, датчики входных фазных токов, мостовой выпрямитель на транзисторных силовых ключах, шунтированных обратными диодами, каждая пара которых образует m выпрямительных стоек, выходной конденсатор, нагрузку с датчиком выходного напряжения и m-фазную микропроцессорную систему управления с драйверами транзисторов верхнего и нижнего плеча каждой выпрямительной стойки, выходы которых подключены к управляющим входам транзисторов, а информационные входы микропроцессорной системы управления связаны с выходами датчиков входных фазных токов, фазных напряжений и выходного напряжения звена постоянного тока, вводится дополнительная транзисторная стойка, к которой через дополнительный фазный электромагнитный дроссель нулевого проводника подключается нейтральная точка трехфазного источника переменного напряжения, также вводится блок подстройки параметров регулятора выходного напряжения, на вход которого подается сигнал сформированный блоком вычисления сигнала подстройки, к которому, в свою очередь, на вход подаются сигналы, равные взвешенной сумме произведений гармонических сигналов φ_a, φ_b, φ_с и соответствующих фазных напряжений u_a, u_b, u_c, получаемых с информационного выхода датчиков напряжения, в соответствии с формулой

(1)

где U_1m - номинальная амплитуда питающего напряжения, а гармонические сигналы φ_a, φ_b, φ_с формируются путем вычисления частного от деления соответствующего сигнала с датчиков фазного напряжения u_a, u_b, u_c на амплитуду данного сигнала U_a, U_b, U_c, полученную путем пропускания сигнала фазного напряжения через блок фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).

Функциональная схема устройства представлена на фиг. 1. На фиг. 2 представлены осциллограммы выходного напряжения предлагаемого устройства в сравнении с прототипом, на которых изображена реакция выходного напряжения на увеличение мощности нагрузки скачком в момент времени 0,3 с от начала работы преобразователя и реакция выходного напряжения на скачкообразное уменьшение амплитуды питающего напряжения фазы а в момент времени 0,615 с. от начала работы преобразователя. Фиг. 1 состоит из: 1 - мостового выпрямителя на транзисторных силовых ключах, шунтированного обратными диодами, 2 - блока дополнительной транзисторной стойки подключаемый средней точкой к нейтральной точке трехфазного источника переменных напряжений через дополнительный электромагнитный дроссель, 3 - емкостного накопителя в звене постоянного тока, 4 - фазных электромагнитных дросселей, 5 - трехфазного источника переменных напряжений, 6 - датчиков входного фазного тока, 7 - блока датчиков переменного напряжения, 8 - датчика выходного напряжения, 9 - нагрузки постоянного тока, 10, 11, 12 - блоков ФАПЧ, 13, 14, 15 - блоков вычисления частного от деления сигнала напряжения на его амплитуду, 16, 17, 18 - блоков вычисления задания на входной ток, 19 - блока вычисления ошибки формирования напряжения u_ЗПТ, 20 - блока формирования задания на выходное напряжение u_ЗПТ(з), 21 - пропорционально-интегрального регулятора выходного напряжения u_ЗПТ, 22 - блока подстройки параметров регулятора выходного напряжения, 23 - блока вычисления сигнала подстройки, 24, 25, 26 - блоков умножения сигналов, 27, 28, 29 - блоков вычисления ошибки формирования входного тока, 30 - блок трехканального пропорционально-интегрального регулятора входного тока, 31, 32, 33, 34 - блоков формирования и усиления сигналов управления транзисторными силовыми ключами, 35 - блока формирования опорного сигнала, 36 - дополнительного электромагнитного дросселя нулевого проводника.

В отличие от прототипа в предлагаемом трехфазном активном выпрямителе напряжения существует возможность снижения пульсаций в выходном напряжении и обеспечения реакции выходного напряжения на возмущающее воздействие нагрузки инвариантной по отношению к искажениям в трехфазной системе переменных напряжений за счет введения блока подстройки параметров регулятора выходного напряжения, блока вычисления сигнала подстройки, блоков умножения сигналов.

Устройство работает следующим образом: в блоках ФАПЧ 10, 11, 12 формируются сигналы оценки амплитуд фазных напряжений трехфазного источника переменных напряжений 5⋅U_k, k = a,b,c, получаемые путем пропускания сигналов u_a, u_b, u_c с блока датчиков переменных напряжений источника питания 7 через данные блоки, которые поступают на вход блоков 13, 14, одновременно с сигналами u_a, u_b, u_c, в которых вычисляется частное от деления соответствующего сигнала с датчика фазного напряжения на его амплитуду, и формируется сигнал φ_k, k = a,b,c, который затем и используется в блоках 24, 25, а также в блоках вычисления задания на входной ток 16, 17, 18. Сигнал u_ЗПТ с датчика выходного напряжения 8 поступает в блок вычисления ошибки формирования напряжения u_ЗПТ 19 одновременно с сигналом задания u_ЗПТ(з), формируемым в блоке формирования задания на выходное напряжение 20, где вычисляется разность данных сигналов и формируется сигнал ошибки e_u, который поступает на блок пропорционально-интегрального регулятора выходного напряжения u_ЗПТ 21, где вычисляется предварительный сигнал задания на амплитуду входного тока . Далее, сигнал поступает в блок подстройки параметров регулятора выходного напряжения 22, где вычисляется частное от деления выходных сигналов блоков 21 и 23 и формируется окончательный сигнал задания на амплитуду входного тока I^*, протекающего в дросселях блока 4. Выходной сигнал блока вычисления сигнала подстройки 23 формируется путем суммирования произведений сигналов φ_k и u_k, где k = a,b,c, в блоках 24, 25, 26 и умножения полученных произведений на константу, записанную в блоке, в соответствии с выражением (1). Вычисленные сигналы φ_k и I^* подаются в блоки 16, 17, 18, где вычисляется произведение соответствующего сигнала φ_k на сигнал I^*, что приводит к формированию сигналов задания на мгновенное значение входного тока соответствующих фаз предлагаемого активного силового фильтра, которые попадают в блоки вычисления ошибки формирования входного тока 27, 28, 29 одновременно с сигналами i_a, i_b, i_c с блока датчиков входных фазных токов 6 в которых вычисляются сигналы ошибок и подаются на вход блока трехканального ПИ-регулятора входных токов 30, который формирует сигналы модуляции, поступающие в блоки 31, 32, 33, 34, где они сравниваются с опорным сигналом поступающим из блока 35, усиливаются и распределяются на управляющие электроды транзисторных силовых ключей в блоках 1 и 2, чем и достигается регулирование и стабилизация выходного напряжения предлагаемого трехфазного активного выпрямителя на нагрузке постоянного тока 9. Установка дополнительного электромагнитного дросселя нулевого проводника 36 позволяет снизить величину пульсаций тока нейтрального проводника.

Сравнение заявленного изобретения с прототипом выявило, что оно отличается от прототипа дополнительным блоком подстройки параметров регулятора выходного напряжения, блоком вычисления сигнала подстройки и блоками умножения сигналов, а также наличием дополнительной транзисторной стойки, подключенной через фазный электромагнитный дроссель к нулевой точке трехфазного источника переменного напряжения, что позволяет снизить влияние несимметрии питающей трехфазной системы напряжений на качество формирования выходного напряжения постоянного тока активного выпрямителя и обеспечить инвариантность реакции выходного напряжения на возмущение со стороны нагрузки постоянного тока при изменении параметров трехфазной системы переменных напряжений.

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в трехфазных системах электроснабжения. Технический результат изобретения заключается в формировании стабилизированного напряжения на выходных зажимах постоянного тока трехфазного активного выпрямителя для электропитания нагрузок постоянного тока в условиях наличия несимметрии трехфазной системы питающих напряжений, которое не содержит пульсации с двукратной частотой питающего напряжения. Такой результат обеспечивается за счет включения микропроцессорной системы управления в трехфазный активный выпрямитель напряжения, при этом управляющие выходы микропроцессорной системы управления подключены к управляющим входам транзисторных силовых ключей мостового выпрямителя, а информационные входы микропроцессорной системы управления подключены к информационным выходам датчиков переменного напряжения, датчика выходного напряжения и датчиков входного фазного тока. 2 ил.

Трехфазный активный выпрямитель напряжения для сетей с несимметричным напряжением, состоящий из последовательно соединенного трехфазного источника переменного напряжения с датчиками переменного напряжения, датчиков входного фазного тока, фазных электромагнитных дросселей, мостового выпрямителя на транзисторных силовых ключах, шунтированного обратными диодами, транзисторной стойки, подключаемой средней точкой к нейтральной точке трехфазного источника переменного напряжения через дополнительный электромагнитный дроссель, емкостного накопителя в звене постоянного тока, датчика выходного напряжения, микропроцессорной системы управления, подключенной управляющими выходами к управляющим входам транзисторных силовых ключей мостового выпрямителя, а информационными входами - к информационным выходам датчиков переменного напряжения, датчика выходного напряжения и датчиков входного фазного тока, и блоков ФАПЧ, входы которых подключены к выходам датчиков переменного напряжения, блоков вычисления частного от деления сигнала напряжения на его амплитуду, входы которых подключены к выходам блоков ФАПЧ и выходам датчиков переменного напряжения, блоков вычисления задания на входной ток, входы которых подключены к выходам блоков вычисления частного от деления сигнала напряжения на его амплитуду, блока вычисления ошибки формирования напряжения, входы которого подключены к выходу датчика выходного напряжения и к выходу блока формирования задания на выходное напряжение, пропорционально-интегрального регулятора выходного напряжения, вход которого подключен к выходу блока вычисления ошибки формирования напряжения, блока подстройки параметров регулятора выходного напряжения, входы которого подключены к выходу пропорционально-интегрального регулятора выходного напряжения и к выходу блока вычисления сигнала подстройки, а выходы - ко входам блоков вычисления задания на входной ток, блоков умножения сигналов, выходы которых подключены ко входам блока вычисления сигнала подстройки, а входы - к выходам блоков вычисления частного от деления сигнала напряжения на его амплитуду и к выходам датчиков переменного напряжения, блоков вычисления ошибки формирования входного тока, к входам которых подключены выходы блоков вычисления задания на входной ток и выходы датчиков входного фазного тока, блока трехканального пропорционально-интегрального регулятора входного тока, входы которого подключены к выходам блоков вычисления ошибки формирования входного тока, блоков формирования и усиления сигналов управления силовыми ключами, входы которых подключены к выходам блока трехканального пропорционально-интегрального регулятора входного тока и к выходам блока формирования опорного сигнала, а выходы - к транзисторным силовым ключам мостового выпрямителя и транзисторной стойки.