Устройство для управления преобразователем частоты Советский патент 1991 года по МПК H02M7/515 

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и может быть использовано для создания источников электропитания на повышенных частотах.

Целью изобретения является повышение надежности.

На фиг. 1 показана схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу цепи быстродействующей защиты преобразователя.

Преобразователь частоты содержит трехфазные тиристорные мосты 1 и 2, выводы постоянного тока которых через сглаживающие дроссели 3 и 4 и LC-фильтры 5 и 6 соответственно подключены к выводам соответствующих регуляторов 7 и 8, а выводы переменного тока соединены между собой через конденсаторы 9 и через соответствующие дроссели 10 и 11 - с выводами переменного тока соответствующих мостов обратных диодов 12 и 13, выводы постоянного тока которых в обратной полярности подключены к выводам постоянного тока указанных инвер- торных мостов. Устройство для управления преобразователем частоты содержит задающий генератор 14, выход которого соединен с управляющим входом моста 1 и через фазо- сдвигающий узел 15 - с управляющим входом моста 2, датчики 16 и 17 тока в цепях питания мостов 1 и 2, узлы 18-20 сравнения сигналов, усилители 21 и 22, блоки 23 и 24 управления регуляторами, сумматоры 25- 27, источники 28 и 29 опорного напряжения, датчик 30 выходного напряжения, трансформаторы 31 тока, выпрямитель 32, фильтр 33, делитель 34 напряжения, пороговые элементы 35 и 36, коммутаторы 37-40, компаратор 41, элемент 42 задержки, / 5-тригге- ры 43 и 44, элементы 4И 45, 2И 46 и ИЛИ 47, формирователь 48 узких импульсов, в цепь питания моста 2 включен в прямом направлении диод 49.

При этом входы узла 18 сравнения подключены к выходам датчиков 16 и 17 тока, а выход через коммутатор 38 соединен с вхо0

да ми усилителей 21 и 22, выходы которых

0 подключены к первому входу соответствующего сумматора 25 и 26, вторые входы которых объединены между собой и подключены к выходу узла 19 сравнения, выходы сумматоров 25 и 26 через соответствующие коммутаторы 40 и 39 подключены к входам соот5 ветствующих блоков 23 и 24 управления, регуляторами 7 и 8. Один из входов узла 19 сравнения подключен к источнику 28 опорного напряжения, другой вход объединен с первым входом узла 20 сравнения и подключен к выходу датчика 30 напряжения, вход которого соединен с выводами переменного тока тиристорных мостов 1 и 2, выход узла 20 сравнения соединен с управляющим входом фазосдвигающего узла 15, а второй вход узла 20 через коммутатор 37 подключен к выходу делителя напряжения, вход кото5 рого через фильтр 33 и выпрямитель 32 соединены с информационными выводами трансформаторов 31 тока, включенных в цепь дросселей 10. Выходы датчиков 16 и 17 тока, подключены также к входам сумматора 27,

0 выход которого подключен к входам пороговых элементов 35 и 36, выход первого из которых соединен с управляющими входами коммутаторов 37 и 38, и через элемент 2И 46 - с управляющим входом коммутатора 39, выход порогового элемента 36 соединен

5 с четвертым входом элемента 4И 45, третий вход которого через элемент задержки соединен с выходом задающего генератора 14 и S-входом /US-триггера 43, выход Q которого соединен с вторым входом элемента 4И 45, а / -вход через формирователь 48 узких импульсов - с первым входом элемента 4И 45 и выходом компаратора 41, прямой вход которого подключен к источнику 29 опорного напряжения, а инверсный вход соединен с выходом выпрямителя 32.

5 Выход элемента 4И 45 соединен с одним из входов элемента ИЛИ 47, другой вход которого является управляющим входом выключением преобразователя, а выход подключен к S-входу #5-триггера 44, / -вход которого является управляющим входом включением преобразователя, выход Q соединен с управляющим входом коммутатора 40, а выход Q через второй вход элемента 2И 46 - с управляющим входом коммутатора 39.

Один вариант реализации регуляторов у и 8 - управляемые выпрямители, выполненные по симметричной или несимметричной схемам. В этом случае блоки 23 и 24 управления могут быть построены по известным схемам импульсно-фазового управления. Питание выпрямителей в регуляторах 7 и 8 может осуществляться, например, через согласующий трансформатор с двумя вторичными обмотками. Другой возможный вариант реализации регуляторов 7 и 8 - импульсные преобразователи постоянного напряжения.

Преобразователь частоты обеспечивает хорошее качество-кривой выходного напряжения с высокой степенью его стабилизации при изменении параметров нагрузки а широких пределах. Устройство для управления преобразователем частоты позволяет производить перестройку структуры его силовой части в зависимости от величины нагрузки. Силовая часть преобразователя имеет две секции, каждая из которых содержит регулятор постоянного напряжения, сглаживающий фильтр и инвертор тока с вен- тильно-реакторными цепями компенсации избыточной реактивной мощности коммутирующих конденсаторов. Верхняя по схеме секция является ведущей, которая во включенном состоянии осуществляет преобразование электроэнергии одной частоты в электроэнергию другой частоты. Нижняя секция - ведомая, которая в зависимости от фазы управляющих импульсов моста 2 может работать как в режиме генерации активной энергии в сеть непромышленной частоты, так и в режиме компенсации реактивной мощности. Если нагрузка преобразователя, оцениваемая по величине токов в цепях питания мостов, не меньше половины номинальной, то обе секции включаются на параллельную работу. В этом случае они осуществляют преобразование постоянных напряжений, подаваемых с выходов регуляторов 7 и 8 через фильтры 6 и 5 на входы мостов 1 и 2, а трехфазное переменное напряжение заданной частоты. При нагрузке преобразователя, меньшей половины номинальной, регулятор 8 второй секции запирается, а тиристорный мост 2 с диодным мостом 13 и дросселями 11 переводится в режим компенсации избыточной реактивной мощности коммутирующих конденсаторов 9. В любом случае реализации регуляторов 7 и 8 выходное напряжение Ufa (, 2) соответствующего регулятора является монотонно возрастающей функцией параметра цк на управляющем входе блока управления, причем Ufa 0 при .

Управляющие воздействия i и р.о формируются сумматорами 25 и 26. При этом, если сумма токов 3d и ld,i, потребляемых мостами 1 и 2 больше, чем номинальное значение тока каждого из мостов, то

5

где Ut

pi Uo - - fa.(3j. - 7 fc); - -j- jb(J«ti -loLi

feo

k;

-напряжение источника 28 опорного напряжения;

-коэффициент передачи датчика 30 выходного напряжения;

-коэффициент передачи канала, включающего датчик 16 (17) тока и усилитель 21 (22);

Joti, - средние значения токов, потребляемых соответственно мостами 1 и 2.

Если нагрузка преобразователя такова,

20

что

cti +Jri2 J«t ..то

5

0

0

5

0

5

Ц. Ј/0 - /50CЈ/HH.V

.

Последнее условие достигается отключением управляющего входа блока 24 от выхода сумматора 26 с последующим его закорачиванием. В силу указанного принципа построения регуляторов 7 и 8 напряжение Ufa становится равным нулю.

Включение преобразователя частоты для централизованного электроснабжения осуществляется, как правило, на холостом ходу, и в дальнейшем производится подключение потребителей. При включении преобразователя на / -вход / 5-триггера 44 подается сигнал единичного уровня, который устанавливает на выходах Q и Q соответственно нулевой и единичный уровни UQAA и Цд44 первый из которых, поступая на управляющий вход коммутатора 40, подает команду на подключение выхода сумматора 25 к входу блока 23 управления, а второй, поступая на один из входов элемента 2И 46, разрешает прохождение сигнала любого уровня с выхода порогового элемента 35 на управляющий вход коммутатора 39. Таким образом, в начальный момент работы преобразователя коммутаторы 37-40 находятся в положении, указанном на схеме, т.е. коммутатор

37соединяет выход делителя 34 с инверсным входом узла 20 сравнения, коммутатором

38и 39 закорачивают входы соответственно усилителей 21 и 22 и блока 24 управления, коммутатор 40 соединяет выход сумматора 25 с блоком 23 управления. На управляющий вход фазосдвигающего узла 15 поступает разность выходных напряжений датчика 30 и делителя 34. Выходное напряжение датчика 30 пропорционально выходному напряжению преобразователи частоты, а напряжение, снимаемое с делителя 34, пропорционально амплитуде токов в цепях компенсации реактивной мощности верхней по схеме секции.

Под действием указанной разности сигналов фазосдвигающий узел 15 сдвигает последовательность управляющих импульсов, подаваемую на тиристоры моста 2, в сторону опережения на такой угол е, что амплитуда токов в дросселях 10 при изменении нагрузки остается постоянной. Цепь постоянного тока моста 2 отсекается от фильтра 6 с помощью диода 49, поэтому при подаче импульсов управления на тиристоры моста 2 образуются каналы для протекания только тока компенсации через соответствующие дроссели 11.

Если величина загрузки преобразователя достигает половины номинальной, срабатывает пороговый элемент 35, который управляет коммутаторами 37 и 38 и через элемент 2И 46 коммутатором 39. Коммутатор 37 замыкает инверсный вход узла 20 сравнения, коммутатор 38 подключает входы усилителей 21 и 22 к выходу узла 18 сравнения, а коммутатор 39 соединяет вход блока 24 управления с выходом сумматора 26. После срабатывания коммутатора 37 датчик тока дросселей 10 отключается от узла 20 сравнения, в результате чего на управляющий вход фазосдвигающего узла 15 поступает сигнал только с датчика 30 напряжения. Под действием этого сигнала угол сдвига между последовательностями управляющих импульсов мостов 1 и 2 уменьшается до нуля. Одновременно с этим при замыкании коммутаторов 38 и 39 включается регулятор 8 и система балансировки токов, потребляемых мостами 1 и 2. Сигнал, пропорциональный разности токов 1d и , суммируется с сигналом основного контура регулирования в сумматоре 26 и вычитается из него в сумматоре 25. В результате этого выходные напряжения регуляторов 7 и 8, как описано, определяется как величиной опорного напряжения источника 28, так и разбалансом токов ld. и Ыч- Если, например, в процессе работы преобразователя TOKjrfi стал больше, чем Jet2, то напряжение Ugi, подаваемое с выхода регулятора 7 уменьшается, а напряжение Udz увеличивается. В результате разность токов 1oi и Ids. стремится к нулю.

При параллельной работе преобразовательных секций компенсация избыточной реактивной мощности коммутирующих конденсаторов 9 осуществляется , в основном, мостом 12 с дросселями 10, так как индуктивность последних выбирается много меньшей, чем индуктивность дросселей 11. При снижении нагрузки в поддержании баланса реактивной мощности участвуют уже две системы. Первая система является быстродействующей, причем ее действие имеет ярко выраженный импульсный характер. Вторая система, управляющее воздействие

0

которой формируется рядом узлов, обеспечивает компенсацию медленных изменений параметров нагрузки, однако имеет преимущества в смысле использования сило- вых элементов по току. Сочетание двух систем позволяет рационально решить вопросы быстродействия и минимизации установленной мощности.

Перестройка структуры силовой части преобразователя частоты в зависимости от величины нагрузки позволяет совместить функции преобразования постоянного напряжения в переменное и компенсацию реактивной мощности в одних и тех же компонентах схемы. При этом угол проводимости тиристоров второго моста при работе в режиме компенсации может быть приближен к 180 эл.град. соответствующим выбором параметров компенсирующих дросселей И. В результате этого в кривой выходного напряжения существенно уменьшается уровень высших гармоник, прежде всего пятой и седьмой, что благоприятно сказывается как на работе потребителей электроэнергии повышенной частоты, так и коммутирующих кон5 денсаторов. Последнее дает возможность снизить потери холостого хода, что является особенно существенным при работе преобразователя частоты на сеть массовых потребителей со случайным законом подключения, например, при централизованном

0 питании от преобразователя частоты больших групп станков с высокоскоростными шпинделями.

При питании таких потребителей особую роль приобретает надежность работы источника питания, возможность наиболее быст5 ро среагировать на аварийный режим и обесточить вентильную систему преобразователя, предупредив тем самым выход из строя элементов, критичных к токовым перегрузкам. В преобразователе частоты обеспечение

0 нормального режима работы осуществляется с помощью контроля коммутационной устойчивости путем измерения амплитуды тока компенсирующих дросселей 10 на каждом интервале работы инвертора и формировании управляющего воздействия

5 на блоки управления регуляторами при снижении амплитуды тока компенсации /д/n до величины /q/лмин, характеризующей критическое (в смысле обеспечения коммутационной устойчивости) значение запаса реактивной энергии емкостного характера в выход0 ной цепи автономного инвертора тока. Это значение /в/п. мин можно рассчитать по формуле

/а,/л.мн .( 1-cosfWmo /oiLa,

где UM - амплитуда выходного напряжения инвертора; со - круговая частота инвертирования;

I индуктивность компенсирующих

дросселей 10;

рмин -минимально допустимый угол коммутации для конкретной частоты и типа тиристоров. Эта формула легко может быть получена из уравнения кривой тока компенсации в трехдроссельном компенсаторе на обратных диодах

/(oO bU,(ce/-р)-cospl/toZ

гдег(«0 -текущее значение тока компенсации.

Сигнал, пропорциональный критическому значению амплитуды тока компенсации Ј/29 вырабатывается источником 29 опорного напряжения и поступает на прямой вход компаратора, на инверсный вход которого поступает с выхода выпрямителя 32 сигнал 7з2, пропорциональный току через дроссели 10 компенсации на каждом интервале работы инвертора. На выходе компаратора присутствует уровень- логической единицы Ј/4i, когда опорное напряжение источника 29 превышает сигнал выпрямителя 32, и уровень логического нуля - при обратном превышении.

Описанная последовательность сигналов поступает на вход формирователя 48 узких импульсов, который по переднему фронту поступивших импульсов формирует узкие импульсы с длительностью, достаточной для срабатывания триггера. Эти импульсы пода- ются на вход сброса / 5-триггера 43, на установочный вход S которого подаются синхроимпульсы t/4i с выхода задающего генератора 14. В результате на выходе Q триггера 43 присутствуют импульсы положительной полярности UQ 43, передний фронт ко- торых совпадает с началом текущего интервала, а задний фронт совпадает с моментом пересечения обратного хода кривой напряжения, пропорционального току компенсации, со значением опорного напряжения ис- точника 29. Сигналы с выходов компаратора 41 и триггера 43 поступают соответственно на первый и второй входы элемента 4И 45, на третий вход которого подается последовательность импульсов Ј/42, задержанная на элементе 42 задержки относительно син- хроимпульсов задающего генератора на величину т, равную максимально возможному времени от начала интервала до точки пересечения прямого хода кривой напряжения, пропорционального току компенсации со значением опорного напряжения ис- точника 29. Для известных параметров схемы преобразователя величина т рассчитывается по формуле

Т |5мин/с0 /мин,

где РМИН - минимально допустимый угол коммутации для данного типа тиристоров и выходной части преобразователя;

/чин - минимально допустимое время восстановление запирающих свойств конкретного типа тиристоров инверторного моста.

На четвертый вход элемента 4И 45 подается сигнал на разрешение работы цепи быстродействующей защиты. Этот сигнал вырабатывается пороговым элементом 36 (порог срабатывания которого значительно ниже, чем у элемента 35) и несет информацию о том, что преобразователь частоты находится в рабочем состоянии, по цепи питания инверторного моста протекает ток Id, и, следовательно, при нормальном режиме работы преобразователя по цепям компенсации реактивной мощности последнего должен протекать ток компенсации, а на выходе выпрямителя 32 присутствовать пропорциональный ему сигнал.

В нормальном режиме работы преобразователя (фиг. 2) на выходе элемента 4И 45 в течение всего интервала работы присутствует сигнал логического нуля.

Как только амплитуда выходного сигнала выпрямителя 32, пропорционального току компенсации, станет на каком-либо интервале меньше значения опорного напряжения источника 29, на выходе компаратора 41 на протяжении всего текущего интервала присутствует сигнал логической единицы, на выходе Q триггера 43 также на протяжении всего интервала присутствует уровень логической единицы, так как на вход сброса R на интервале не подается импульс на обнуление триггера. Таким образом, по приходу задержанного импульса с элемента 42 на третий вход элемента 4И 45 на всех остальных входах последнего уже установлены уровни логической единицы в результате на выходе элемента 4И 45 появляется импульс, который через элемент ИЛИ 47 подается на установочный S-вход RS- триггера 44 и устанавливает соответственно на выходах Q и Q последнего уровни логической единицы и логического нуля, которые, поступая на управляющие входы соответствующих коммутаторов 40 и 39, приводят к разрыву цепи сумматор 25 (26) - блок 23 (24) управления регулятором и закорачиванию последних. Это приводит к обесто- чиванию цепей питания инверторных мостов 1 и 2 вследствие того, что выходные напряжения регуляторов 7 и 8 UoL и Udi становятся равными нулю. Повторное включение преобразователя осуществляется при обнулении триггера 44 путем подачи на вход сброса R последнего импульса положительной полярности. Второй вход элемента ИЛИ 47 предназначен для отключения преобразователя путем подачи на него импульса положительной полярности.

Формирователь 48 узких импульсов введен для того, чтобы исключить неопределенное состояние триггера 43, которое имеет

11

12

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для создания источников электропитания на повышенных частотах. Цель изобретения - повышение надежности. С этой целью компаратор 41 вырабатывает сигнал логической «1 при опорном напряжении источника 29 больше, сигнала с выпрямителя 32 и сигнал логического «О при обрат

место при наличии на обоих его входах уровня логической единицы.

Таким образом, введенная в устройство управления преобразователем частоты цепь быстродействующей защиты инверторных мостов 1 и 2 от нарушения коммутационной устойчивости позволяет в течение одного интервала (1/6 часть периода выходного напряжения) осуществить отключение вентильной части инверторов от источника питания. За такой промежуток времени аварийный ток не успевает нарасти до опасных пределов, что безусловно повышает надежность функционирования преобразователя частоты в целом.

Формула изобретения

Устройство для управления преобразователем частоты, выполненным в виде объединенных по выходу трехфазных тирис- торных мостов, выводы постоянного тока каждого из которых через сглаживающий дроссель и LC-фильтр подключены к выходу соответствующего регулятора постоянного напряжения, а выводы переменного тока соединены через конденсаторы между собой и через дроссели с выводами переменного тока соответствующего моста обратных диодов, выводы постоянного тока которого подключены к выводам постоянного тока данного тиристорного моста, содержащее задающий генератор, выход которого предназначен для подключения к управляющему входу первого тиристорного моста и через фазосдвигающий узел - к управляющему входу второго тиристорного моста, датчики тока, предназначенные для подключения в цепи питания тиристорных мостов, первый узел сравнения, входы которого соединены с выходами датчиков тока, выход - с входом первого коммутатора, выход которого соединен с входами первого и второго усилителей , выходы которых соединены с первыми входами первого и второго сумматоров, вторые входы которых соединены с выходом второго узла сравнения, первый вход которого соединен с выходом первого источника опорного напряжения, второй вход - с выходом датчика выходного напряжения и первым входом третьего узла сравнения, второй вход которого соединен с выходом второго коммутатора, вход которого через последовательно сое

диненные делитель напряжения, фильтр и выпрямитель соединен с вторичной обмоткой трансформатора тока, первичная обмотка которого предназначена для подключения

последовательно с дросселем первого тиристорного моста, выход третьего узла сравнения соединен с управляющим входом фазо- сдвигающего узла, третий сумматор, входы которого соединены с выходами датчиков тока, а выход через первый пороговый элемент - с управляющими входами первого .и второго коммутаторов, третий коммутатор, вход которого соединен с выходом второго сумматора, а выход - с входом блока управления регулятора постоянного напряжеения второго тиристорного моста, блок управления регулятора постоянного напряжения первого тиристорного моста, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности, введены четвертый коммутатор, второй пороговый элемент, второй источник опорного

0 напряжения, компаратор, элемент задержки, два / 5-триггера, элемент 4И, элемент 2И, элемент ИЛИ и формирователь узких импульсов, причем четвертый коммутатор включен между выходом первого сумматора и

д входом блока управления регулятором постоянного напряжения первого тиристорного моста, второй источник опорного напряжения подключен к прямому входу компаратора, инверсный вход которого подключен к выходу выпрямителя, а выход соединен с

0 первым входом элемента 4И и через формирователь узких импульсов с / -входом первого / 5-триггера, S-вход которого соединен с выходом задающего генератора и входом элемента задержки, второй вход элемента 4И соединен с выходом Q первого / 5-триг5 гера, третий вход - с выходом элемента задержки, а четвертый вход - с выходом второго порогового элемента, вход которого подключен к выходу третьего сумматора, выход элемента 4И соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого использован как управляющий вход выключением преобразователя, а выход соединен с S-входом второго #5-триггера, / -вход которого использован как управляющий вход включением преобразователя, выход Q сое5 динен с управляющим входом четвертого коммутатора, а выход Q соединен с первым входом элемента 2И, второй вход которого соединен с выходом первого порогового элемента, а выход - с управляющим входом третьего коммутатора.

0

Фиг. 2