Устройство для управления трехфазным преобразователем частоты с непосредственной связью Советский патент 1984 года по МПК H02P13/30 

изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при построении устройств для управления преобразователями .частоты с непосредственной связью с естественной коммутацией, применяемыми в централизованных системах электроснабжения подвижных объектов, где предъявляются повышенные требования к надежности работы системы и качеству выходного напряжения.

По. основному авт св. № 983971 известно устройство для управления трехфазным преобразователем частот с непосредственной связью, содержащее в каждой фазе блок импульснофазового управления, первый вход которого предназначен для подключения к источнику питающего напряжения выход соединен с вькодом для подключения к преобразователюf блок задания, выход которого соединен с первым входом первого суг.®-5атора, второй сумматор, фильтр и Дсгтчик тока нагрузки,, общий для всех источник постоянного напряжения -и в каждой фа. зе пропорционально интегральное и ПFЮПopциoнaльнo диффepeнциa HзHoe звенья, третий и четвертый сумматор, два детектора и усилитель-ограничитель, причем вход пропорциональнодифференциального ,звена предназначен

для подключения к выходному напря же.нию преобразователя, выход ггераз первый вход второго сумматора и пропорционально-интегральное звено соединен с вторым входом первого сумматора и входом фильтра f выход .датчи-. ка тока нагрузки соединен с вторые входом второго сум1.1атора и через пропорциональное звено с третьим входом первого сумматора; выход фильтра через соответствующий детектор соединен с первыми входами третьего и четвертого сумматоров, вторые входы которых соединены с соответствующими выходами источника пастоянного напряжения, а выхода. первого, треть™

его и четвертого сувдлаторов через усилитель-огрант-гаитель соединены с вторым входом блока кмпульсно-фазовО го управления ClJ,

Недостатком известного устройства является TOj, что при изменении входного напряжения преобразователя частоты его выходное напряжение изменяется, так как коэф.фициент стабилизации выходного напряжения преобразователя с данным устройством уп. равления, содержащим блок шшульснофазового управления с опорными напряжениями постоянной амплитуды, имеет малую величину. Вследствие этого ухудшается качество регулирования в статических и динаглическнх режимах при изменении входного напряжения и снижается надежность работы преобразователя частоты в системе электроснабжения.

Целью изобретения является повышение надежности в работе преобразователя частоты путем улучшения качества регулирова.ния в статически и динамических режимах при изменяющемся входном напряжении.

Поставленная цель достигается тем что устройство для управления трехфазным преобразователем частоты с непосредственной связью снабжено в каждой фазе двумя прямо пропорционално регулирующими элементами, интегрирующим звеном, компаратором, третьим детектором, пятым, шестым и седьглым сумматорами и датчиком напряжения, вход которого предназначен для соединения с с соответствующим выходом источника питающего напряжения, причем третий выход источника постоянного напряжения соединен с третьими входами пятого и шестого и с вторым входом седьмого cyiviMaTOpoB соответствующий выход задающего элемента соединен через первый вход первого прямо пропорционально реГулй- рующ€;го элемента с первым входом пер вого сумматора, вход третьего детектора предназначен для соедкнения с соответствующим выходом преобразрвЭ теля частоты, а выход соединен с первым входом пятого сумматора,. второй вход которого соединен с вы ходом компаратора а выход через интегрирующее звено и первый вход шестого.сумматора соединен с вторым входом первого прямо пропорционально регулирующего элемента, выход датчика тока нагрузкисоединен с первым входом компаратора и через первый вход второго прямо пропорционально регулирующего элемента с пропорциональным звеном, а -выход датчика напряжения подключен к второму входу второго регулирутацего элемента, а также к первому входу седьмого и к второму входу шестого сумматоров,

vt На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства.

ВЛок-схема включает источник 1 питающего напряжения синхронный ге нератор, выкоды которого подключены к соответствующим входам блоков 2-4 импульсно-фаэового управления и к первы входам преобразователей 5-7 частоты вторые входы которых соединены с выходами блоков 2-4 импульсно-фаэового управления. На выходах преобразователей 5-7 частоты установлены силовые фильтры 8-10 и датчики 11--13 тока нагрузки. К выз1одным клёммг1М 14-16 преобразователей подключены нагрузки 17-19, Соответст.вующие выходы задающего элемента 20 соединены с входами рервых прямо пропорционально регулирующих элементов 21-23, выходы которых через первые входы первых суммирующих элементов 24-26 и первые входы усилителейограничителей 27-29 соединены с вторыми входами блоков 2-4-импульснофаэового управления. Выходы пропорционально-интегральных звеньев 30-32 соединены с вторыми входами, первых суммирующих элементов 24-26 и через фильтры 33-35, детекторы 36-41 и первые входы вторых и третьихсумматоров 42-47 - с вторыми и третьими входами усилителей-ограничителей 27-29. Выходы датчиков 11-13 токов соединены с первыми входами вторых прямо пропорционально регулирующих элементов 48-50 и компараторов 51-53, а также вторьми входами четвертых сумматоров 54-56, Выходы регулирующих элементов 48-i50 через пропорциональные звенья 57-59 соединены с третьими входёции первьк сумматоров 24-26, Выходные клеммц 14-16 преобразователей 5-7 соединены через пропорционально-дифференциальные звенья 60-62 с первьюли входами четвертых сумматоров 54-56 и через третьи детекторы 63-65, первые входы пятых сумматоров 66-68, интегральные звенья 69-71, первые входы шестых сумматоров 72-74 - с вторыми входами первых регулирующих элементов. 21-23,

Выходы датчиков 75-77 напряжения подключены к первым входам седьмых сумматоров 78-80 и к вторым входам шестых сумматоров 72-74, а соответствующие выходы источника 81 постоянных напряжений соединены с вторыми входами вторых и третьих сумматоров 42-47, с третьими входами шестых сумматоров 72-74f с третьими входами пятых сумматоров 66-68 и с вторыми входами седьмых сумматоров 78-80,

Устройство работает следующим образом.

Выходные сигна-та синусоидальной формы задающего элемента 20 через регулирующие элементы 21-23 первые входы первых сумматоров 24-26 и усилители-ограничители 27-29 воздействуют на входы блоков 2-4 импульснофазового управления, которые формируют последовательности импульсов управления. тиристорс1ми преобразователей 5-7 частоты и осуществляют одуляцию по синусоидальному закону. фОЕ Ируемые преобразователями 5-7 частоты переменные напряжения через силовые фильтры 8-10 и датчики 11-13 тока поступают на выходные клемма 14-16 и запитывают нагрузки 1.7-19,

Для улучшения форкм и стабилизации выходного напряжения преобразователей в статических и динамических режимах устройство содержит цепи отрицательной обратной связи по

мгновенному значению выходного напряжения , включающие пропорциональноинтегральные 30-32 и пропорционально-дифференциальные 60-62 звенья, а также цепи положительной обратной связи по току нагрузки, которые вводят сигналы датчиков 11-13 тока через регулирующие элементы 48-50 и пропорциональные звенья 57-59 в сиг- нал управления преобразователями

0 5-7,

Для повышения надежности работы преобразователей 5-7 в системе электроснабжения за счет увеличения запаса устойчивости и качества регули5рования в нормальных режимах и режимах перегрузок устройство содержит цепи отрицатедьной обратной связи по сумме токов нагрузки и выходных напряжений преобразователей, имеющие большой коэффициент усиления по по0стоянной- и субгармоническим составляющим выходного напряжения и тока нагрузки. Эти цепи включают сумматоры 54-56, пропрциона.11ьно-интегральные звенья 30-32, фи. 33-35, де5текторы 36-41 и сумматоры 42-47,

Обратная связь по низкочастотньвл составляющим напряжения преобразователей 5-7 и тока нагрузок 17-19 в нормальных замыкается через

0 первые сумматоры 24-26 и первые входы усилителей-ограничителей, а в режимах перегрузок и коротких замыканий, когда на входы блоков 2-4 импульсно-фазового управления поступают напряжения прямоугольной формы с выходов усилителей-ограничителей 27-29, через фильтры 33-35, детек. торы 36-41, сутФ1аторы 42-47 и соответствующие входы усилителей-ограничителей 27-29.

Рассмотренные блоки устройства управления позволяют обеспечить высокое качество формы и стабилизации выходных напряжений прейбразовате- , лей 5-7 при неизменном напряжении первичного источника 1 и неизменном характере нагрузок 17-19,

В, случае, если напряжение первичного источника 1 изменяется, например, вследствие оборотов синхронного генератора магнитоэлектрического типа, перечисленные блоки устройства управления не обеспечивают необходимую стабилизацию выходного напряжения, так как блоки 2-4 импульснофазового управления с опорными напряжениями постоянной амплитуды нечувствительны к изменениям питающего напряжения, а коэффициент стабилизации обратных связей по выходному на:пряжению имеет, как- правило, малую величину.

Кроме того, при изменении характера нагрузки преобразователей также ПЕЮисходит изменение выходных на.пряжений вследствие нарушения уелоВИЙ компенсации возмущающего действия тока нагрузки по цепям положительной обратной связи с пропорциональными регуляторами 57-59. При этом снижается качество генерируемой преобразователями электроэнергии и надежность работы преобразователей в системе электроснабжения, поскольку изменения выходного напряжения отрицательно сказываются на качестве работы потребителей, а также элементов системы, например увеличивается опасность выхода из строя конденсаторов силовых фильтров 8-10.

Для повышения качества стабилизации выходного напряжения в устройство введены цепи отрицательной обратной связи по cpeднe fy значению выходного напряжения с детекторами 63-65, сумматорами 66,67,68, 72,73, 74, интегрирующими звеньями 69-71 и регулирующими элементами 21-23. Сумматоры 66-68 выделяют разностьмежду эталонным напряжением с выхода источника 81 и выпрямленными с пс 5ощью детекторов 63-65 .выходными напряжениями преобразователей. Разност этих сигналов интегрируется звеньями 69-71 и через сутигматоры 72-74 воздействует на входы регулирующих элементов 21-23, которые изменяют амплитуду задающих сигналов синусоидальной формы в направлении, обеспечивающем стабилизацию выходных напряжений преобразователей.

Наличие интегрирующих звеньев 6971 позволяет обеспечить высокую точност ь стабилизации. Суммирование выходных сигналов интегрирующих звеньев 69-71 с постоянным напряжением источника 81 с помощью сумматоров 72-74 позволяет осуществить регулирование задающих сигналов элемента 20 в узком диапазоне, что уменьшает перерегулирование в переходных режимах.

Для исключения перенапряжений на выходе преобразователей при выходе из режимов перегрузок и после от-. ключения коротких зашлканий в нагрузк-ах 17-19 в устройство введены компараторы 51-53. В нормальных ре жимах работы, когда сигналы датчиков 11-13 тока меньше опорных напряжений, поступающих на входы компараторов 51-53 с выходов седьмых суммирующих элементов 78-80, выходные сигналы компараторов 51-53 равны нулю и не вмешиваются в работу цепей обратных связей по средним значениям выходного напряжения. При возрастании токов нагрузки, например в режиме короткого замыкания, компара- торы 51-53 генерируют серию импульсов, полярность которых противоположна полярности эталонного напряжения, поступающего на вторые входы пятых сумматоров 66-68, Эти импульсы воэдействуют через третьи входы сумматоров 66-68 на входы интегрирующих Звеньев 69-71 и приводят к уменьшению их выходных напряжений, что, в свою очередь, приводит к уменьшению задающих напряжений, поступающих с выходов регулирующих элементов 21-23 на входы сумматоров 24-26. Лри этом амплитуда задающих сигналов не превышает ее значение в режимах работы преобразователей с минимальной нагрузкой. После отключения короткого замыкания преобразователь управляется сигналом, соответствукяцим работе с минимальной нагрузкой, что обеспечивает плавное восстановление выходного напряжения без выбросов и перерегулирования. Далее сигналы интеграторов, а значит и задающие сигналы на выходах регулирующих элементов 21-23 плавно возрастают До уровней, соответствующих стабилизации выходных напряжений преобразователей

Для улучшения качества регулирования при изменяющемся питакяцем на пряжении в устройство введены датчики 75-77 напряжения первичного источника 1, вторые регу ируквдие элементы 48-50, седьмые сумматоры 78-80 при этом выходы датчиков 75-77 напряжений подключены к входам регулирующих элементов 49-51, седьмых сумматоров 78-80 и к вторым входам шестых сумматоров 72-74.

При изменении питающих напряжений источника 1 датчики 75-77 напряжения формируют сигналы, пропорциональные ЭТ1Ш изменениям. Эти сигналы череэ соответствующие входы шестых сумматоров 72-74 воздействуют на регулирующие элементы 2i-23 и изменяют амплитуду задающих сигналов таким образом, что происходит компенсация изменений выходных напряжений преобразователей, вызванных изменениями их питающих напряжений. При таком регулировании повьааается быстродействие и качество отработки возмущающих воздействий, вызванных изменениями питающих напряжений, так как регулирование осуществляется по возмущению {датчики 75-77 напряжения сумматор 2-74) и по отклонению выходных напряжений с помощью цепей обратных связей. Одновременно осуществляется дублирование цепей обратной , что увеличивает надежность работы устройства управления и преобразователей частоты в системе электроснабжения.

Выходные сигналы датчиков 75-77 напрялсения также воздействуют через сумматоры 78-80 на входы коютараторов 51-53 и изменяют порогих срабатывания при изменении питающих напряжений.

Это необходимо по следунвдим причинам. При изменении входных напряжений преобразователей 5-7 изменяется величина допустимой нагрузки преобразов&телей и величина тока ко роткого замыкания нагрузки. Посколь ку порог срабатывания компа{заторов настраивается на минимальный ток короткого замыкания, соответствующий наименьшему входному напряжению то при возрастан ии -входного напряже ния и увеличении нагрузки преобразо вателей возможно срабатываниекомпараторов 51-53 в режимах номинальной повышенной нагрузки, что приводит к нарушению стабилизации выходных напряжений и снизит надежность работы преобразователей частоты. Ре гулирование порога срабатывания ком параторов пропорционально изменению В.ХОДНЫХ напряжений преобразователей осуществляемое датчиками напряжения и сумматорами 78-80, цозволяет обеспечить надежное срабатывание компараторов 51-53 лишь в режимах перегрузок и коротких замыканий при определенных уровнях токов, соответствующих входным напряжениям преобразователей. Это повышает надежность работы преобразователя час тоты в системе электроснабжения. Для улучшения качества стабилизации выходных напряжений в динамических режимах изменения нагрузки устройство управления содержит цепи положительной обратной связи по токам нагрузки, включающие регулирующие элементы 48-50 и пропорциональные звенья 57-59. Необходимость вне дения регулирующих элементов обусловлена тем, что коэффициент переда чи по первой гармонике преобразователя частоты изменяется пропорционально изменению его входного напр жения (при постоянной амплитуде опорных сигналов в блоках 2-4 импульсно-фазового управления). Поэто му для компенсации отклонений выходного напряжения преобразователей вызванных скачкообразными изменениями параметров нагрузок 17-19 при различных входах напряжениях преобразователей необходимо привести в соответствие коэффициенты передачи цепей положительной обратной связи по току нагрузки и коэффициенты передачи преобразователей по первой гармонике, причем коэффициент передачи цепей обратной связи должны из меняться обратно пропорционально изменению коэффициентов передачи пр образователей, т.е. обратно прюпорционально входным напряжениям преобразователей. Это осуществляется с помощью регулирующих элементов 48-5 и позволяет обеспечить минимальные отклонения выходных напряжений преобразователей в динамических режима во всем диапазоне изменения входных напряжений преобразователей 5-7, чт повышает надежность работы преобразователя частоты в системе электроснабжения . Устройство управления трехфазным преобразователем частоты с непосредственной связью позволяет обеспечить высокое качество регулирования и стабилизации выходного напряжения преобразователя частоты при изменяющемся входном напряжении. Наибольший эффект дает применение предлагаемого устройства для.управления преобразователем частоты., питаемым от синхронного генератора магнитноэлектрического типа, обороты и напряжения которого изменяются в широких пределах. В этом случае одновременно с ростом оборотов генератора увеличивается частота и амплитуда напряжения питания преобразователя. При использовании в устройстве управления блоков 2-4 импульсно-фазового управления с опорными напря51(ениямя постоянной амплитуды одновременно с ростом входного напряжения преобразователя увеличивается его коэффициент усиления, что приводит к увеличению коэффициента усиления цепей отрицательной обратной связи по мгновенному значению выходного напряжения с пропорционально-дифференциальнЕлии 57-59 и пропорционально-интегральными 30-32 звеньями. При этом улучшается форма выходного напряжения на нагрузках 17-19 преобразователей. Поскольку одновременно с ростом величины входного напряжения и коэффициента усиления преобразователя возрастает частота входного напряжения, а значит увеличивается кратность частот входа и выхода и расширяется полоса пропускания преобразователя частоты по каналу управления, увеличение коэффициента усиления упомянутых цепей обратной связи происходит без уменьшения запаса устойчивости системы регулирования и сопровождается улучшением качества регулирования и качества формы выходного напряжения преобразователя. Такое регулирование позволяет увеличть качество генерируемой электроэнергии без уменьшения надежности работы преобразователей частоты в системе электроснабжения. Применение же в устройстве цепей регулирования, ко мпенсирукадих возмущение изменения входных напряжений преобразователей, а также применение цепей обратной связи по среднему значению выходного напряжения преобразователей позволяет обеспечить высокое качество стабилизации выходных напряжений в статических и динамических режимах работы системы электроснабжения, что повышает надежность работы преобразователя частоты в системе электроснабжения.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ТРЕХФАЗНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ С НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ СВЯЗЬЮ ПО авт.СВ. 983971, отличающееся тем, что, с целью повышения надеж1 ости в работе преобразователя частоты путем улучшения качества регулирования в статических и динамических при изменяквцался входном напряжении, оно снабжено в кгикдой фазе двумя прямо пропорционально регулирующими элементами, интегрирующим звеном, компаратором, третьим детекторе, пятым, шестым и седьмым сумматоршхи и датчиксм напряжения, вход которого предназначен для соединения соответствуюацим выходом источника питающего напряжения, причем третий выход источника постоянного напряжения соединен с третьими входами пятого и шестого и с вторым входом седьмого сумматоров, соответствующий выход задающего элемента соединен через вгоад первого прямо ствуйщий выход задающего элемента соединен через первый вход первого прямо пропорционально регулирующего элемента с первым входом первого сумматора, вход третьего детектора предназначен для соединения с соответствукнцим выходом преобразователя частоты, а выход соединен с первым входом пятого сумматора, второй вход которого соединен с выходом компаратора, а выход через интегрирующее звено и первый вход шестого сумма(Л тора соединен с вторым входом первого прямо пропорционально регулируюс: щего элемента, выход датчика тока нагрузки соединен с первым входом компаратора и через первый вход второго прямо пропорционально регулирующего элемента - с пропорциональным звеном, а выход датчика напряжения подключен к второму входу второго регулирукицего элемента, а также к О) первому входу седьмого и к второму входу шестого сумматоров. со ND Ю