Устройство для регулирования угла запаса ведомого сетью инвертора Советский патент 1986 года по МПК H02M7/515 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к силовой пре образовательной технике, и может быт использовано для управления тиристо ным инвертором, ведомым сетью, преимущественно на электроподвижном составе„ Целью изобретения является повышение коэффициента мощности путем повышения быстродействия и уменьшение угла запаса инвертора. На фиг, 1 представлена блок схема устройства; на фиг. 2 временны диаграммы напряжений на выходах узлов устройства. Устройство содержит соединенные последовательно измерительный трансформатор 1, выпрямительный мост 2, транзисторный ключ 3, элемент сравнения 4, интегратор 5, блок деления 6, нуль-орган 7, распределитель 8 и блок вых;одных усилителей 9, Ко второму входу элемента сравнения 4 под ключен задатчик напряжения С1 1ещения 10. К выходу датчика тока 11 нагруз ки подсоединен ограничитель напряжения сверху и снизу 12, выход которого соединен с другим входом: нуль органа 7 и через фильтр 13 и пороговый элемент 14 - с третьим входом элемента сравнения 4, Вход Делимое блока деления 6 подключен к вы ходу блока умножения 15, входы которого соединены с входами выпрямительного моста 2 и генератора пилообразного напряжения 16 с формирова телем синхронизирую1цих импульсов 17 на входе. Выходы формирователя син хронизирующих импульсов 17 и нульоргана 7 подсое,цинены соответственно к R и S-входам RS-триггера 18, выход которого подключен к управля ющему входу транзисторного ключа 3, Устройство подключено к преобразовательному блоку двигатель 19 инвертор 20 - трансформатор 21Устройство работает следующим образом. Сигн;1лы и нуль-органа 7 через распределитель 8 поступает на вход выходных усилителей 9, которые по их переднему фронту формируют импульсы Ug управления тиристорар-ш ин вертора 20 с углом опережения в „Блок умножения 15 производит перемнож,ение мгновенных значений выходных сигналов генератора пилообразного напряжения. 16 и Uj выпрямительного моста 8522 2. Величина сигнала на выходе генератора пилообразного напряжения 16 в каждый момент времени пропорциональна (с коэффициентом К.) величине угла f) F-u)t, т.е. угловому времени от текущего момента до конца полупернода (U Кр, р.) . Напряжение Uj на выходе моста 2 пропорционально (с коэффициентом Кд) мгновенному значению питающего напряжения U,,v,T U -sino3t (и5,КцUftv,, ). Произведение этих сигналов на выходе блока умножения 15 U|5 Ka-Кц « n Unni , где Кр - масштабный коэффициент умножителя 15. В конце по.лупериода (при углах 60 эл. град можно считать, что каждый момент времени напряжение на выходе блока умножения 15 пропорционально вольтсекундной площади S питакщего напряжения от текущего момента до конца полу.периода. В диапазоне углов р 60 эл. град, вольт-секундную площадь S питающего напряжения можно определить как площадь треугольника S -ипит /2 с погрешностью . Тогда и,, Kf,-Ku-Kn-2-S. Сигнал U|. и выходной сигнал U интегратора 5, пропорциональный величине реактивного сопротивления X питающей сети (Ug X) , поступают на вход блока деления 6, на выходе которого формируется сигнал Ug U. fel i - -2-S-Ku K. , s где KO масштабный коэффициент делителя 6. Из анализа дифференциального управления контура коммутации i i i и,,, . du)t вытекает, что для ы осуществления коммутации, т.е. переключения тока нагрузки 1. с одного плеча инвертора на другое, необходимо изменить ток трансформатора 21 на противоположный, т.е. на величину 2IcL, а с учетом пульсаций примерно на 2,5-14. Д этого требуется такая вольт-секундная площадь питающего напряжения S J , чтобы отношение 2,5-14, Д X - реактанс сети, « -f - угол управления; У- угол коммутации. Учитывая изложенное, получим условие завершения процесса коммутации до конца полупериода (условие фазовой устойчивости инвертора) 2, . |и„,, .dot.. тг-. На выходы нуль-органа 7 поступае сигнал Ug К S/X, а также через ог раничитель напряжения снизу и сверх 12 выходной сигнал и„ датчика тока 11, пропорциональный току нагрузки (и, К, 1) . При Ц, Ug напряжение U-J на выходе нуль-органа 7 равно ну лю. При и, , на выходе нуль-органа 7 скачком появляется напряжение и положительной полярности. Коэф фициенты К и Kj подобраны так, что в момент срабатывания нуль-органа 7, т.е. при и,, Ug, выполняется условие завершения коммутации до конца полупериода (I) и при этом остается некоторый запас вольт-секундной площади Sj, т.е. обеспечивается равенство 2,5-ld (S - SJ/X .(2) Таким образом, импульсы U-, управ ления инвертором, которые определяются передним фронтом сигналов U-, , формируются в каждый полупериод при условии соблюдения фазовой устойчивости (1) . Кроме того, передним фронтом выходных сигналов нуль-органа 7 запус кается RS-триггер 18, который устанавливается в исходное положение выходными сигналами формирователя синхронизирующих импульсов 17 в моменты Т , При этом на выходе триггера каждый полупериод формирует прямоугольные импульсы U,j , фаза и длительность которых соответствует уг- лу f опережения включения тиристоров. При наличии на управляющем входе положительных импульсов U, транзисторный ключ 3 открывается и пропускает на вход элемента 4 напряжение измерительного трансформатора 1 которое предварительно выпрямляется мостом 2, т.е. транзисторный ключ 3 подает на вход элемента сравнения 4 напряжение U в интервале jb -5i . Это напряжение алгебраически складывается с напряжением смещения Ц задатчика 10 и подается на вход интег ратора 5. При наличии разностного сигнала U на выходе элемента сравнения 4 выходное напряжение интегра тора изменяется таким образом (при STOM соответственно меняется величина угла ), чтобы за период кван тования Т, равный длительности по524лупериода питающего напряжения 7Г , вольт-секундная площадь выходных сигналов Из транзисторного ключа 3 стала равной вольт-секундной площади напряжения смещения , а средняя за полупериод величина сигнала разности и - равной нулю. В этом случае в системе наступает равновесие. Так как в период коммутации питающее напряжение на вторичной обмотке трансформатора 21 близко к нулю, то вольт-секундная площадь вьосодного напряжения транзисторного ключа 3 примерно равна площади напряжения от момента окончания коммутации до Т, т.е. пропорциональна Sj. Следовательно, система автоматически поддерживает постоянную величину вольтсекундной площади напряжения после окончания коммутации, т.е. площадь запаса S . Если величина реактанса сети X постоянна, а напряжение U,o установлено таким, что в момент срабатывания нуль-органа 7 выполняется равенство (3), то при любых изменениях тока 1 и напряжения Uq (в рабочих режимах - при углах 60 эл,град, вольт-секундная площадь запаса Sj, остается примерно постоянной. Напряжение Uj интегратора 5 при этом не изменяется, так как вольт-секундная площадь напряжения U транзисторного ключа 3 неизменна и равна ,0 . Если величина реактивного сопротивления сети X изменяется, то это приводит к нарушению равенства (2). При этом изменяется S , на выходе элемента сравнения 4 появляется сигнал разности Uy, который корректирует напряжение К X на выходе интегратора 5 так, чтобы площадь напряжения Uj стала опять равной TT-U ; Чтобы защищаться от изменений X, постоянная времени интегратора Тп должна быть выбрана не больше, чем время изменения X. Поскольку корректировка величины К X может быть осуществлена не ранее, чем к следующему полупериоду, то уставка площади запаса S, должна быть больше, чем величина возможного уменьшения S при изменении X за один полупериод. С учетом конечной чувствительности элементов, погрешностей измерения и вычислений уставка S должна соответствовать углам запаса s 7-10 эл. град., а постоянная времени Тц интегратора 5 - 1-3 с.

Для предотвращения ложных срабатьгоаний нуль-органа 7 в средине полупериода ограничитель 12 ограничивает выходной сигнал U, датчика тока 11 сверху на уровне меньшем,, чем величина естественного ограничения выходного сигнала Ug делительного блока 6 (фиг. 2).

Ограничение снизу необходимо для того, чтобы при отсутствии тока нагрузки Id нуль-орган 7 форм1фовал импульсы U-J, поскольку, не подавая на тиристоры импульсы управления, невозможно войти в режим рекуперации, так как инвертор закрыт.

Если ток нагрузки, а значит и

коммутация тиристоров отсутствует, и импульсы управления на выходе нулоргана 7 формируются по установке ограничителя I,;, , то такая ситуация соответствует величине X О, т.е. мгновенной коммутации. В этом случае интегратор 5 отработает величину . Такое исходное положение схемы не дает возможность при малой величине S (угол запаса ) войти в рекуперацию, так как реальное X всегда больше 0.

Для обеспечения возможности входа в режим инвертирования к выходу 35 ограничителя 12 через фильтр 13, который сглаживает пульсации, подключен пороговый элемент 14, выход которого соединен с третьим входом элемента сравнения А. При токе 0 +30% Ij, номинальной величины тока нагрузки сигнал на выходе порогового элемента равен нулю. Если сигнал Kj Ifj, пропорциональный току нагрузки, станет меньше уставки порогового 5 элемента 14, то на его выходе появится напряжение положительной полярности и, которое суммируется элементом сравнения 4 с напряжением « Напряжение Ug на выходе интегратора 5 50 и угол управления р с постоянной времени Т увеличатся при этом так, чтобы вольт-секундная площадь напряжения на выходе транзисторного ключа 3 стала равной вольт-секундной 55 площади суммарного сигнала f (U ) .

Величина напряжения U,| на выходе порогового элемента 14 выбрана такой, чтобы угол управления увеличился до 50-60 эл. град. Это обеспечит возможность входа в рекуперацию при любых условиях энергоснабжения.

После входа в режим инвертирования, когда ток нагрузки станет 2030% ; пороговый элемент 14 выключится и устройство плавно (с постоянной времени Т 1-3 с) уменьшит угол запаса с до 7-10 эл. град.

Формула изобретения

Устройство для регулирования угла запаса ведомого сетью инвертора, содержащее последовательно соединенные измерительный трансформатор, вьшрямительный мост, транзисторный ключ, элемент сравнения, интегратор, а также подключенный к другому входу элемента сравнения задатчик напряжения смещения, нуль-орган, выход которого через распределитель подсоединен ко входу блока выходных усилителей, генератор пилообразного напряжения с формирователем синхронизирующих импульсов на входе, о т л и чающееся тем, что, с целью повышения коэффициента мощности путем повышения быстродействия и уменьшения угла запаса инвертора, оно снабжено датчиком тока нагрузки, ограничителем напряжения сверху и снизу, фильтром, пороговым элементом, блоком деления, блоком умножения и RS-триггером, причем выход датчика тока соединен через ограничитель напряжения сверху и снизу с первым входом нуль-органа и через фильтр и пороговый элемент - с третьим входом элемента сравнения, входы блока ум,ножения подсоединены к выходам вьшрямительного моста и генератора пилообразного напряжения, а выход - со входом Делимое блока деления, вход Делитель которого соединен с вькодом интегратора, выход блока, деления подключен к другому входу нуль-органа, S-вход RS-триггера соединен с выходом нуль-органа, R-вход - с выходом формирователя синхронизирующих импульсов, а выход RS-триггера с управляюпц м входом транзисторного ключа,

cvi

fpue.Z