Способ управления преобразователем частоты Советский патент 1986 года по МПК H02M5/27 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управ:ения тиристорными преобразователями в источниках электропитания переменного тока стабильной час- тоты, к-которым предъявляются требования отсутствия выбросов в выходном напряжении при переходе из режима перегрузки в нормальный режим работы а также при включении преобразова- телей в работу.

Целью изобретения является повышение качества преобразования при включении и переключениях нагрузки.

На чертеже приведена схема устройства, реализующего способ.

Устройство включает, в себя источник 1 эталонного напряжения, выход которого через первый вход сумматора 2, интегратор 3, усилитель-ограничитель ,4 соединен с первым входом сумматора 5, а также с вторьм входом сумматора 5 непосредственно. Выход сумматора 5 соединен с управляющим входом регулятора 6. амплитуды, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 7 напряжения прямоугольной формы. Выход регулятора 6 через фильтр 8, первый вход сумматора 9 и усилитель-ограничитель 10 соединен с управляющим входом блока JI импульсно-фазового управления (выход которого соединен с уп- управляющим входом непосредственного преобразователя 12 частоты). Синхронизирующий вход блока 11 и силовой вход преобразователя 12 соединены с выходом первичного источника пита- ния синхронным, генератором 13. Выход преобразователя 12 соединен с нагрузкой 14, а также через фильтр 15 . обратной связи - с вторым входом . сумматора 9, а через вентиль - 16 с вторым входом сумматора 2. Кроме того, выход преобразователя 12 через амплитудный детектор 17 соединен с первым входом сумматора 18, второй вход которого соединен с выходом источника 19 эталонного напряжения, а выход сумматора 18 через усилитель 20 и вентиль 21 соединен с третьим входом сумматора 2.

Напряжение прямоугольной формы с выхода генератора 7 через регулятор 6, представляющий собой двухсторон- НИИ ограничитель, поступает на вход фильтра 8, Фильтр 8 выделяет из не- го Основную Iгармонику и формирует

5

0

5

5

5

0

0

5

0

тем самым эталонное напряжениесинусоидальной формы, которое через вход сумматора 9 и усилитель-ограничитель 10 поступает на управляющий вход блока I1. Усилитель-ограничитель 10 служит для ограничения входного сигнала блока 11 на уровне, обеспечивающем включение тиристоров преобразователя 12 в моменты ,ecTecTB eHHqro включения. Блок 1I преобразует напряжение с выхода усилителя-ограничителя 10 в серию импульсов, синхронизированных с напряжением генератора 13 и модулированных по .фазе в соответствии с выходным сигналом усилителя-ограничителя 10. В результате воздействия импульсов блока 11 на тиристорь преобразователя 12, на его выходе формируется переменное напряжение, частота основной гармоники которого равна частоте основной гармоники напряжения генератора 7. Выходное напряжение преобразователя 12 фильтруется фильтром 15 и вычитается из эталонного напряжения синусоидальной формы, в результате чего замыкается отрицательная обратная связь по выходному напряжению преобразователя частоты, улучшающая его форму и стабилизирующая его основную гармонику. Для повьшения качества - стабилизации напряжения преобразователя 12 при изменении нагрузки 14 и напряжения генератора 13 выходное напряжение-преобразователя 12 выпрямляется вентилем 16 и вычитается из эталонного напряжения источника 1 с помощью сумматора 2. Разность этих сигналов интегрируется интегратором 3 и через усилитель-ограничитель 4 и сумматор 5 воздействует на управляющий вход регулятора 6, изменяя- уровни ограничения напряжения прямоугольной формы, поступающего с выхода генератора 7. При этом изменение напряжения интегратора 3 приводит к изменению амплитуды выходного напряжения регулятора 6 и амплитуды основной гармоники на выходе фильтра 8, т.е. к изменению амплитуды эталонного напряжения синусоидальной формы. Указанное регулирование вьшол- няется до совпадения среднего по модулю значения напряжения преобразователя 12 и эталонного сигнала с выхода, источника 1. Сумматор 5 служит для задания начального уровня сигнала на управляющем входе регулятора 6, и соответственно начального

25

значения амплитуды эталонного напря-; - жения синусоидальной формы на выходе фильтра 8, относительно которого производится регулирование в большую и меньшую сторону при изменении j пряжения интегратора при его положительной и отрицательной полярности соответственно. Усилитель-ограничитель 4 служит для задания диапазона регулирования эталонного напря- jg женил синусоидальной формы путем ограничения напряжения интегратора на определенных уровнях при его положительной и отрицательной полярности. Причем, когда напряжение на и выходе усилителя-ограничителя 4 имеет отрицательную полярность и равно отрицательному уровню ограничения, то ;выходное напряжение сумматора 5 имеет положительную полярность, а его 2о величина имеет наименьшее возможное значение соответственно и амплитуда эталонного напряжения синусоидальной формы также имеет йаименьшее значение. При изменении напряжения инте-. гратора 3 в направлении положительной полярности, выходной сигнал сумматора 5 возрастает и увеличивается амплитуда эталонного напряжения ри- нусоидальной формы на выходе фильтра 8 .

Применение двухконтурного регулирования сигнала управления на входе блока 1I за счет обратной связи по мгновенному значению выходного напряжения преобразователя 12, замк- 35 нутой через фильтр 15 и за счет обратной связи по среднему значению модуля выходного напряжения, замкнутой через вентиль 16,позволяет стабилизировать выходное напряжение 0 преобразователя 12 с высокой точностью при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной. При этом, под номинальной нагрузкой следует . понимать наибольшую, величину нагруз- ки 14, при которой действующее зна- чение основной гармоники выходного напряжения преобразователя равно номинальному, а коэффициент гармоники выходного напряжения преобразо- 50 вателя не превышает заданнзао величину. Для автономных систем электропитания его величина не должна пре- вьшать 8%. Для выполнения этого ; условия управление преобразователем 55 12 в режиме работы на номинальную нагрузку должно осуществляться по закону, обеспечивающему получение

30

5

j jg и 2о

5 0

0

напряжения,бли зкого к синусоидальному, т.е. без ограничения амплитуды сигнала управления на входе блока 11 на предельных уровнях, соответств ующих включению тиристоров в моменты естественного включения. В свою очередь, в этом режиме глубина модуляции импульсов управления должна быть близка к единице (амплитуда сигнала на входе усилителя-ограничителя 10 равна уровням его ограничения и равна амплитуде опорных сигналов блока 11) для получения лучших энергетических показателей на входе преобразователя. При этом напряжение синхронного генератора 13 выбирается таким, чтобы в режиме работы на номинальную нагрузку устройство для управления преобразователем обеспечивало стабилизацию номинального выходного напряжения преобразователя 12 при глубине модуляции импульсов управления равной единице. Таким образом, за номинальную принимается величина нагрузки, при которой на выходе преобразователя поддерживается напряжение с заданными величинами основной гармоники и коэффициента гармоник при управлении сигналом, близким по форме и синусоидальному, с амплитудой, обеспечивающей модуляцию импульсов управления,:равную единице.

Снижение величины нагрузки 14 от номинальной до холостого хода сопровождается повышением напряжения генератора 13, а на выходе напряжение преобразователя 12 поддерживается постоянным за счет уменьшения устройством амплитуды синусоидального эталона него напрялсения на выходе фильтра 8 и за счет уменьшения амплитуды основной гармоники сигнала на входе блока 11,, что приводит к уменьшению глубины модуляции импульсов управления. В режиме холостого хода амплитуда эталонного напряжения на выходе фильтра 8 меньше ее величины в режиме работы на номинальную нагрузку, а соотношение эталонного напряжения и напряжения ограничителя выбирается таким, чтобы отсутствовала возможность даль - нейшего уменьшения амплитуды вьЬсодно- го напряжения фильтра 8. Это достигается тем, что выходной сигнал усилителя-ограничителя 4 в данном режиме имеет отрицательную полярность и равен нижнему уровню ограничения.

Коммутация номинальной нагрузки (сброс на холостой ход и наброс) сопровождаются отклонениями выходного напряжения от номинального значения, связанными с инерционностью системы регулирования сигнала управления преобразователя из-за наличия инте-. гратора 3. Переходный процесс изменения напряжения носит апериодически характер, а восстановление -напряже- ния до номинального уровня происходит за несколько периодов выходного напряжения. При набросах и сбросах нагрузки амплитуда.сигнала управле-. ния на входе усилителя-ограничителя 10 изменяется, но не превышает уровня его ограничения. Амплитуда выходного напряжения изйеряется амплитуд- ньм детектором 17, который формирует напряжение, в данном, случае положи- тельной полярности, пропорциональное амплитуде выходного напряжения преобразователя 12. При набросе нагрузки 1Д с холостого хода до номинально величины измеряется о тклонение выход ного напряжения амплитудного детек-, тора 17 и формируется эталонное на- пряжение в данном случае, отрицательной полярности, модуль которого не превышает минимальное значение напряжения детектора 17, измеренное при набросе номинальной нагрузки. Поэтому при набросе номинальной нагрузки выходное напряжение сумматора 18 уменьшается, но остается положительной полярности, соответственно выходное напряжение усилителя 20 также положительно, вентиль 21 закрыт, не пропускает сигнал на вход сумматора 2 и система регулирования работает по рассмотренному вьше алгоритму.

,

Если величина нагрузки 14 становится больше номинальной, то при ее подключении из-за зл еньшения на.пря- жения генератора 13, а также из-за падения напряжения в цепях преобразователя 12 его выходное напряжение уменьшается.Устройство стремится .стабилизировать напряжение преобра- зователя 12 и увеличивает амплитуду эталонного напряжения синусоидальной формы на выходе фильтра 8 и на выходе сумматора 9, что приводит к ограничению амплзитуды сигналов на выходе усилителя-ограничителя 10 и изменению его формм-на трапецеидальную (прямоугольную), обеспечивающую

ю is 20 25 зо5

4Q

45

0 55

включение тиристоров преобразователя nd трапецеидальному (прямоугольному } закону в моменты естественного включения, что сопровождается соот- ветствующим изменением формы выходного напряжения также ня трапецеидальную (прямоугольную) При переходе

на прямоугольный закон управления с , включением вентилей в моменты естественного включения возможности преобразователя по стабилизации выходного напряжения исчерпаны и на выходе преобразователя устанавливается напряжение меньше номинального. При этом постоянно действующая раз-; ннца напряжений между постоянным опорным напряжением источника 1 и средним по Ь4одулю значением выходного напряжения преобразователя, измеряемым вентилем 16, интегрируется интегратором 3 и стремится увеличить его выходное напряжение до максимально-возможного, а значит и амплитуду эталонного напряжения синусоидальной формы на выходе фильтра 8. Если это произойдет, то

последующий сброс нагрузки будет сопровождаться значительным по величине выбросом напряже1шя, так как нагрузка преобразователя будет- минимальной, а амплитуда эталонного напряжения,синусоидальной формы на входе сумматора 9 будет иметь максимально -возможную амплитуду. При уменьшении амплитуды выходного напряжения преобразователя 12 и соответственно напряжения детектора 17 ниже эталонного напряжения источника 19 изменяется полярность напряжения на выходе сумматора 18 и, усилителя 20. Вентиль 21 открывается и сигнал отрицательной полярности поступает на вход сумматора.2. Величина сигнала усилителя -20 выбирается такой, чтобы обеспечить получение на выходе сумматора 2 сигнала , отрицательной полярности даже при нулевом напряжении на выходе вентиля 16 (в режиме короткого замыкания), что обеспечивает поддержание на выходе усилителя-ограничителя 4 напряжения отрицательной полярности равного отрицательному уровню ограничения, а,

jria выходе фильтра 8 - напряжения с и- нусоидальной формы с наименьшей амп-; литудой. При этом амплитуда эталонного напряжения на выходе фильтра 8 поддерживается равной ее значению в режиме холостого хода, однако за

счет действия обратной связи,замкнутой через фильтр, сигнал управления на входе блока 11 имеет амплитуду, обеспечивающую синусоидальный либо прямоугольный закон управления, с большой глубиной модуляции. Последующий сброс нагрузки приведет к повышению напряжения на выходе преобразователя, однако его величина в начале переходного процесса окажется меньше .или равной номинальному значению, так как амплитуда эталонного напряжения поддерживалась равной ее значению, необходимому для подцержания номинального напряжения в режи- 15 и подают их на тиристоры преобразователя, вычисляют разность выходного напряжения преобразователя и синусонормальный режим работы происходит

без выбросов вьпсодного напряжения.

ме минимальной нагрузки. Таким образом, переход из режима перегрузки в

идального эталонного напряжения и в зависимости от этой разности изПри включении преобразователя ча- 20 меняют фазу сформированньгх импульсов

25

30

стоты в работу с предварительной подачей питания на все блоки устройства для управления преобразователя за исключением усилителей мощности импульсов управления, устройство также обеспечивает поддержание мини- мальной амплитуды сигнала на выходе фильтра 8, поскольку выходное напряжение преобразователя равно нулю. После подачи импульсов управления на тиристоры преобразователя на его выходе появляется напряжение, равное номинальному, если преобразователь 12 включаетбя в режиме холостого хода, либо меньше номинального, если с преобразователь работает на нагрузку меньшую номинальной. Поскольку эта- лонньй сигнал источника 19 выбирается меньше сигнала детектора 17, соответствующего работе преобразова- теля 12 на нагрузку не более номинальной, то после включения преобра-i зователя. и появления на его выходе

напряжения, полярность сигнала на

вьгходе усилителя 20 станет положи- 45 тельной, вентиль 21 закроется и сие- тема регулирования повысит сигнал

на выходе фильтра 8 до уровня, необходимого для стабилизации напряжения преобразователя 12. То есть и включение преобразователя в работу происходит без выбросов выходного напряжения.

Включение преобразователя частоты в работу без выбросов выходного на- 55 пряжения, а также снижение выбросов выходного напряжения при переходе из режима перегрузки в нормальный режим

.50

12496/48

работы позволяет избежать опасного для элементов источника и потребителей возрастания выходного напряжения . При зтом достигается улучшение 5 качества генерируемой электроэнергии.

Формула изобретения

10 Способ управления преобразователем частоты, заключающийся в том, что формируют синусоидальное эталон- ное напряжение с регулируемой амплитудой, формируют импульсы управления

идального эталонного напряжения и в зависимости от этой разности из25

30

с д

5

5

0

управления, определяют минимальную величину-нагрузки преобразователя частоты и соответствующую ей амплитуду синусоидального эталонного напряжения, при которой выходное на-, пряжение равно номинальному, формируют постоянное опорное напряжение, измеряют среднее по модулю значение выходного напряжения, вычитают его из опорного, а сигнал разности интегрируют, регулируют амплитуду синусоидального эталонного напряжения пропорционально вычисленному интегралу в нормальных режимах работы, в режиме короткого замыкания нагрузки преобразователя упомянутую амплитуду уменьшают до величины, определенной при работе преобразователя на минимальную нагрузку, от л и - ч а ю щ и и с Я , тем, что, с целью повьпиения качества преобразования электроэнергии при включении и переключениях нагрузки, измеряют амплитуду выходного напряжения преобра- частоты и формируют управ- CHi Jttiiji, lii uaupциoнaльныи

амплитуде выходного напряжения преобразователя, определяют минимальное значение управляющего сигнала при увеличении величины нагрузки преобразователя частоты от ее минимально го значения до значения, принятого за номинальное, и формируют посто- .янное эталонное напряжение, не превышающее упомянутое минимальное значение управляющего сигнала, сравнивают постоянное эталонное напряжение с управляющим сигналом и в случае пре- управляющим сигналом эталон9124967410

Hbrb напряжения осуществляют упомя- ным напряжением управляющего сигнала нутое регулирование амплитуды синусе вьтолняюТ упомянутое уменьшение идального. эталонного напряжения, и в амплитуды синусоидального эталонного случае превышения постоянным эталон- напряжения.

,Составитель В.Миронов

Редактор В.Иванова Техред Л.Олейник . Корректор С.Шекмар

4337/57

Тираж 631 . . , Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

.Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная,4