Групповой преобразователь частоты Советский патент 1983 года по МПК H02M5/27 H02M7/515 

(54) ГРУППОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Изобретение относится к силовой прео разовательной технике и может быть использовано в тиристорных комплексах дпя электроснабжения предприятий на повыше ных частотах. Известен групповой преобразователь, состо5пций из источника постоянного напряжения и нескольких объединенных по выходе инверторов, каждый из которых снабжен трансформатором тока, первичные обмотки которых включены с одинаковой полярностью между соответствующими инверторами и фазой сети, а вторичные обмотки соединены последовательно также с одинаковой полярнос тью tilДанное устройство, отличаясь значительной массой и габаритами за счет уравнительных трансформаторов тока, не обеспечивает достаточной эффективности деления тока между остальными инверторами в широком диапазоне нагрузок, так как настраивается на фиксированную вел& чину разбаланса выходных токов, инверторов. Известен также групповой преобразователь частоты, содержащий два объединенных по выходу инверторы, регуляторы постоянного напряжения в цепи питания каждого инвертора с установленными на их выходах иО-фильтрами, блок управ ления регуляторами, датчики тока в- пепи питания инверторов и узел сравнения сиг налов C2l. Недостаток указанного устройства, состоит в том, что оно решает задачу распределения нагрузки толькр в случае двух инверторов одинаковой Мощности, что ограничивает область его применения. Наиболее близок к предлагаемому по технической сущности групповой преоб- . разователь частоты, содержащий объединенные по выходу инверторы, регуляторы постоянного шпряжения в цепи питания каждого инвертора, выполненные в виде полууправляемых мостов с установле 31ными на их выходах L С-фильтрами, блоки управления регуляторами, датчики тока в цепи питания инверторов, узлы срав нения сигналов, а также сумматор и делитель, соединен 1ые последовательно, и умножители сигналов датчиков тока, входы которых соединены с выходом делителя, причем выход каждого из датчиков тока подключен к одному из входов сумматора,-а. выходы умножителей под- ключены к одним из входов узлов сравнения, другие входы которых соединены с выходами соответствующих датчиков тока, при этом выходы узлов сравнения подключены к входам соответствующих блоков управления регуляторами З. В известном устройстве обеспечивает заданная загрузка произвольного количес тва объединенных по выходу инверторов во всем диапазоне изменения параметров нагрузки. В результате этого может быть достигнута предельная мощность преобразовательного агрегата при исполь зовании вентилей установленной мощност Структура выпрямительной части преобразователя реализуется мишгмальным ко личеством управляемых вентилей. Однак во входном токе преобразователя дополнительно к нечетным возникают четные гармоники, которые отрицательно сказываются на работе устройств питающих преобразователь, что ограничивает область применения таких прюобразовате- лей. Цель изобретения - ук еньшение ме шающего влияния преобразователя на питающую сеть. Поставленная цель достигается тем, что в групповом преобразователе часто содержащем объединенные по выходу инверторы, регуляторы постоянного напряжения в цепи питания каждого инвертора выполненные в виде полууправляемых мостов с установленными на их выходах L С-фильтрами, блоки управления регуляторами, датчики тока в цепи питания инверторов узлы сравнения сигналов этих датчиков, а также сумматор и дели тель, соединенные последовательно, и умножители сигналов датчиков тока, вхо ды которых соединены с выходом делите ля, причем выход каждого из датчиков тока подключен к одному из входов сумматора, а выходы умножителей подклк чевы к одним из входо0 узлов сравнени другие входы которых соединены с выходами соответствующих датчиков тока, при 8ТОМ выходы узлов сравнения под73ключены к входам соответствующих блоков управления регуляторами, инверторы разделены на две группы, мощности каждой из которых выбирают таким образом, что выполняется условие И Р,- IZ где тп , т, - количество инверторов первой и второй група соответственно;номинальные мощности инверторов, образующих эти группы, при этом регуляторы постоянного напряжения одной группы инверторов выполнены с совмещенной анодной неуправляемой группой вентилей, а другой-с совмещенной катодной неуправляемой группой вентилей. На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 и 3 - схема одного из вариантов выполнения преобразователя и временные диаграммы, поясняющие его работу; на фиг. 4 и 5 графики зависимостей коэффициентов искажения V и мощности X от угла управления ot- и коэффициента V от величины ассиметрии пг загрузки инверторных блоков; на фиг. 6 - расчетная схема одной фазы выпрямительной части преобразователя. Групповой преобразователь частоты (фиг. 1) содержит разделенные на две группы инверторы 1 и 2, регуляторы 3 и 4 в цепи питания инверторов 1 и 2 соответственно, L, С-фильтры 5, блоки 6 управления регуляторами постоянного напряжения, датчики 7 тока, узлы 8 сравнения, сумматор 9, делитель 10 и умножители 11. Регуляторы 3 постоянных напряжений, подаваемых на инверторы 1, выполнены с совмещенной катодной неуправляемой группой вентилей, а регуляторы 4 - с совмещенной анодной неуправляемой группой вентилей. ,i схема преобразователя может быть выполнена так, как показано на фиг. 2. В этой схеме условия минимального искажающего влияния преобрюзсяаатепя на сеть выполняются в связи с необходимостью равномерной загрузки инверторных блоков. Работа устройства поясняется фиг. 3, где показаны временные диаграммы выпрямленных напряжений, потребляемых токов и результирующего 51 потребляемого тока. На фиг. 2 и 3 приняты обозначения: d. ,otr,- углы управления регуляторами;ЦьмС А ВН: в °Диь Фазные напряжеШ1я;U, управляющие импульсы регуляторов 3 и 4; 9ХЭвХ4|вх входные фазные токи регуляторов 3 и 4 и результирующий по- требляемый ток соответственно; Ug, |УЭ ЭЬ1К4 выходные напряжения бло ков 3 и 4, Jлo,aг,(Jгл - линейные напряжения . До OL vM сети, из которых они формируются; токи через соответствук щие вентили. Кроме того, вводятся следующие обозначения:и т о - напряжение питания -го инвертора, снимаемое с емкости фильтра С З.,д - среднее значение тока, потребляемого 2-ъы инвертором; i.qp - эквивалентное резистивное сопротивление цепи постоянного тока С -го инвертора; е 1,...,11 ;. П - общее количество инверторов, вкл чаемых на параллельную работу, причем П т2 В качестве управляющих воздействий при регулировании токов, потребляемых инверторами, используются напряжения питания, подаваемые с выходов фильтров Информация о величине токов 3jp поступает от датчиков 7, установленных в цепях постоянного тока инверторов 1 и 2. Так как Djn - знакопостоянные величины то датчики могут быть выполнены в виде шунтов. Сигналы J jn, пропорциональные величине токов З , с выходов датчиков 7 поступают на входы сумматора 9, на выходе которого образуется сигнал гпропорциональный сумме токов, потреб. ляемых инверторами. Величина , поступает на вход делителя 1О, осуществляющего деление на п . Выходной сигнал делителя поступает на входы умножителей 11, число которых равно п Умножитель 11, соответствующий Р-му инвертору, осуществляет умножение величины Зп на коэффициент jpg , пропорц ональнь1и мощности В -го инвертора. При 736 этом коэффициенты у, подбираются гак, чтобы выполнялось условие нормирования -rf Выходной сигнал Р -го умножителя IJjg пропорционален той величине тока Е -го инвертора, который должен потребляться при требуемом распределении нагрузки. Величины в узлах 8 сравнения сиг налов сравниваются с поступающими с датчиков 7 величинами .Сигналы рассогласования f яр пропорциональные отклонениям текущих значений потребляемых токов от требуемых при данной мощности нагрузки значений этих токов, поступают на входы соответствующих блоков 6 управления регуляторами 3 и 4 постоянного напряжения. Блоки 6 управления вырабатывают сигналы управления тиристорами регуляторов 3 и 4. В преобразователях, включаемых на параллельную работу, исходное назначение блоков 6 управления состоит Б регулировании величины напряжений Ujg с целью стабилизации выходного напряжения преобразователя. В этом случае рассогласования , подаваемые с выходов узлов 8 сравнения, складываются в блоках 6 управления с сигналом рассогласования основного контура регулирования. Таким образом, угол управления В -го регулятора равен . где ot-Q - составляющая угла управления, определяемая системой стабилизации выходного напряжения, причем эта составля- югаая является общей для всех регулят1 ров;oLp - величина дополнительного угла управленгш, определяемая рассогласованиемДля тех инверторов, у которых значение тока D л о превышает требуемую велвчину этого тока Jjp (т.е.Д D-,„ О, величина О и, следовательно, напряжение на входе этого инвертора уменьшаются, что приводит к уменьшению тока J(3g и абсолютной величины рассогласован ш . Наоборот, при Л-зп / л 1 -N...Ut () величина дополнительного d8 у угла eCj что ведет к увеличению и уменьшению величины рассогласования. В установившемся режиме для всех инерторов с точностью, определяемой ко7эффициентом усиления блоков 6 управл выполняется равенство ijp . и, таким образом, выполняется требуе условие распределения нагрузки между инверторами. Мощность, потребляемая 2 -ым инв тором dE-ae Так как величина Rjg весьма мала, т для любого ,nj вследствие чего мощности, потребляем инверторами. практически пропорциональны потребля мым токам. Суммарные мощности, потребляемы инверторами первой и второй групп: т : ,., tffeVLu,3,,u,,,, в силу этого условие Щр.-Пр,. min j::.1 3 Т можно записать следующим образом: .dlc достаточно малая величина. Отсюда П1 5 Т i- - J - i 34, - -. и . . Мгновенное значение фазного тока 1с , потребляемого преобразователем питающей сети, .где 1 , 1 - токи, потребляемые од именными фазами регуляторов постоя го напряжения первой и второй групп инверторов соответственно. Тиристорам регутютора с совмеще ной катодной группой соответствуют гическне функции F -(ш-Ь) равные , когда соответствующий тиристор открыт, и равшз1е О в противном случае. Аналогичные функции вводят для тиристоров регуляторов второй группы инверторов F2,(u)t). Функции состояния диодов 12 и 14 (фиг. 6) обозначают соответственно черезС учетом введенных обозначений выражения для токов, потребляемых одноименными фазами регуляторов, могут быть записаны в виде i,),.(u,i)i., m2 ( где 1-J4 токи диодов 12 и 14 соответственно;-i.- iin,, - токи тиристоров регуляторов первой и второй групп соответственно. Допустим, что на интервале в проводящем состоянии могут находиться тиристоры Т . (j 1, 1Т)) и диод 14, тогда на интерватте ) проводят тиристоры T2(K 1,W2) и диод 12. Следовательно, для тока ig , потребляемого преобразователем, справедливо следующее выражение riF,(wt) YF(u)t;;( 71} П F2k(Wt),,3,(iot) ц,.,()), Так как составляющая ( Р 1, п) угла управления о( достаточно малая величина, то основное влияние на искажение формы тока, потребляемого преобразователем из сети, оказывает составляющая ctg. Положим, ,4To0 g-QCo{6e l,nl. В этом случае интервалы проводимости тиристоров ( j 1. «т) практически совпадают, причем F.(u,l).F(u,t) (,m,Jj. Аналогично (l(i} (1 еГгт2). F2(uJt) F(u)t-H); (uJt)(). Исходя из того, что токи, потребляе мые инверторами, достаточно хорошо сглажены, выражение для определения т ка окончательно можно записать в след ющем виде: . KFl(t) + F(uJi), ( Функцию ij заменяют соответствук щим разложением в ряд Фурье a.-i..f. L(u)t)E X5inV U)t--2;-)Отсюда видно, что при выполнении условий ZD-,. Y « -- t ного состава входного тока преобразова теля исключаются четные гармоники. Графики зависимостей коэффициента искажения л) и коэффициента мощности Х от величины угла управления о для предлагаемого устройства при симметри загрузки инверторных блоков на фиг. 5. показаны сплошными линиями. Здесь же для сравнения приведены аналогичные за висимости для известного устройства И графики которых изображены пунктир. ными линиями. При асимметрии загрузки инверторны блоков коэффициент искажения V может быть определен из следующего выражени V3 C05f --т (-06) f 4Я ё гё Графики, характеризующие ухудшение коэффициента искажет1Я л) от величины асимметрии тс загрузки инверторных блоков, пр1шедены на фиг. 6. Отсюда видно, что прп любом значении угла управления оС выполнение условия т гп /j-& обеспечивает получение наилучшего значения коэффициента искажения V и, следовательно, максимального значения Ktvэффициента мощности X Уменьшение искажающего влиянвя преобразователя на питающую сеть дости -f гается и при работе выпрямителей не на инверторы, а на произвольную нагрузку. Однако в этом случае должны выполняться следующие условия: Н) m-fm2 .,( где oL , - углы управления регуляторами напряжений питания нагрузок и второй группы; . j -« Р. pa перЪой группы; -dK вь1ходной ток 1с-го регулятора второй группы. Выполнения условия (1) связано с выполнением соотношения d.d.( где U , и - выходные напряжения регуляторов первой и групп соответственно. Условия (1) - (3) должны выполняться при любых параметрах потребителей, подключенных к выходным зажимам регуляторов. Таким образом, эти потребители - произвольные и по условиям работы не имеют функциональных связей друг с другом. Любое отклонение параметров потребителей приводит к рассогласованию углов управления и выходных токов регуляторов и, следовательно, к невыполнению условий (1) - (3). Таким образом, минимальное искажающее влияние группы преобразовательных устройств на питающую сеть получается только в том случае, если по условиям работы требуется обеспечить заданное распределение токов этих регуляторов. Такая задача решается, в частности, при параллельной работе инвергорных блоков различной мощности. Когда гр шповой пр образователь составляется из двух инверторных блоков, то его схема приобретает вид, показанный на фиг. 2. В этой схеме условия (1) - (3) выполняются в связи с необходимостью равномерной загрузки инверторных блоков 1, При этом за счет наличия инверторного трансформатора достигается гальваническая развязка между выходами инверторных блоков, в результате чего исключается необходимость в установке разделительного трансформатора на входе групповог преобразователя. Установка развязывающих трансформаторов на входе групповог преобразователя существенно ухудшает массога-баритнье показатели всей системы преобразования. Улучшение спектрального состава по- требляемого тока достигается ке соответствующим законом управления вентилями регуляторов, а путем особым образом организованной стр5гктуры этих регуляторов, а именно благодаря тому, что регуляторы постоянного напряжения одной группы инверторов выполнены с совмещенной анодной неуправляемой группой вентилей, а другой - с совмещенной катодной неуправляемой группой вентилей. При использовании указанных регуля торов в групповом преобразователе, осуществляющем централизованное питание потребителей на ряде фиксированных час тот, не требуется осуществлять групповую регулировку напряжений питания инверторов. В этом случае тиристоры каждого регулятора управляются импульсэм которые подаются в соответствующий мо мент времени одновременно на все тиристоры данного регулятора. Таким образом, в предлагаемом пре- обрекзователе улучшается коэффициент искажения в результате минимизации содержания четных гармоник в кривой пот бляемого тока. Это, в свою очерюдь, пр водит к улучшению входного коэффициента мощности, который не ниже чем 0,9 при кратности применения напряжения J(jQ равной 1,25. Кроме того, предлагаемое устройство характеризуется уменьшенным значением {по сравнению с симметричными схемами выпрямления) потребляемой реактивной мощности при фазовом регулировании, простотой системы управле7 12ния, меньшими габаритами и более низкой стоимостью. Формула изобретения Групповой преобразователь частоты, содержащий объединенные по выходу инверторы регуляторы постоянного напряж ения в цепи питания каждого инвертора, выполнение в виде полууправляемых мостов с установленными на их вь1ходах ЬС-фильтрами, блоки управления регуляторами, датчики тока в цепи питания инверторов, узлы сравнения сигналов этих датчиков, а юкже сумматор и делитель, соединенные последовательно, и умножители сигналов датчиков тока, входы которых соеминены с выходом делителя, причем выход каждого из датчиков тока подключен к одному из выводов сумматора, а выходы умножителей подключены к одним из входов узлов сравнения, другие входы которых соединены с выходами соответствующих датчиков тока, при этом выходы узлов сравнения подключены к входам соответствующих блоков управлении регуляторами, отличающийс я тем, что, с целью уменьщения искажающего влияния преобразователя на питающую сеть, регуляторы постоянного напряжения одной группы инверторов выполнены с совмещенной анодной неуправляемой группой вентилей, а другой - с совмещенной катодной неуправляемой группой вентилей, причем инверторы состоят из двух групп, мощности каждой из которых выбирают таким образом, что выполняется условие 1 1-1 .V J--1 кн где гп . Tio - количество инверторов первой и второй групп; COOT- ветственно; р , р - номинальные мощности инверторов, образующих эти группы. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Заявка ФРГ № 2418576, кл. Н О2 J 3/38, 1977. 2.Авторское свидетельство СССР № 866671, кл. Н 02 М 7/515. 3.Авторское свидетельство СССР № 896724, кл. Н 02 М 7/515, 1982.

fTl

to

/} 0Q 0U

J/d

C 0lo/

g)

fr

fT5

Ai

Фб/г.2

iy7

Uijnp. J Ugnp.

Вш. .3

%x. / / V / - V

ih.b

ihM

r

фигЗ

Чг

в

il5

В

9 /

Li

Фиг.6

1г

151