Способ управления преобразователем с полностью управляемыми вентилями для регулирования мощности неиндуктивной нагрузки Советский патент 1992 года по МПК H02M5/22 H02M7/12 

Известны способы управления преобразователями с искусственной коммутацией путем установки углов включения и углов отключения вентилей таким образом, чтобы обеспечить нулевой сдвиг во времени тока первой гармоники и напряжения и, тем самым, полную компенсацию реактивной мощности на входе преобразователей при выбранном значении выходной активной мощности

Известен способ управления мостовым преобразователем с полностью управляемыми вентилями, в котором управление вентилями производится одновременной подачей включающих и отключающих им- пульсов с опредепенным фазовым углом в диапазоне от -180 эл.град. до +180 эл.град , так что фазовый угол включающего импульса однозначно связан с фазовым углом отключающего импульса, поскольку момент отключения вентиля совпадает с моментом включения очередного (по порядку следования коммутаций) вентиля мостового преобразователя

Эднако все известные способы управ- ления преобразователями-He позволяют одновременно и независимо регулировать и активную мощность на выходе и реактивную мощность на входе преобразователей, что является существенным недостатком этих способов Необходимость независимого регулирования реактивной мощности при регулировании активной мощности преобразователей приводит к необходимости установки на электрических шинах питающей сети дополнительных устройств, обеспечивающих регулирование реактивной мощности

На фиг.1 показан вид выходного напряжения мостового преобразователя с полно- стью управляемыми вентилями, управляемого по известному способу при положительных (а) и отрицательных (б) фазовых углах а управляющих импульсов и равных величинах постоянных составляю- щих выходного напряжения (Da), в зависимости от времени в радианах( v)

Уровень выходного напряжения и, тем самым, активной мощности преобразователя (Р) регулирования изменением фазовых углов включающих и отключающих импульсов. Требуемый уровень активной мощности преобразователя с полностью управляемыми вентилями обеспечивается при работе преобразователя как при отри- цательных(а 0), так и при положительных ( а 0) фазовых углах включающих и отключающих импульсов При этом работа преобразователя с отрицательными фазовыми углами управляющих импульсов (-а 0) характеризуется генерацией реактивной мощности, а работа с положительными фазами (а 0) - потреблением реактивной мощности Изменение знака реактивной мощности при поддержании заданной по величине активной мощности осуществляется изменением знака фазовых углов управляющих импульсов.

Таким образом, известный способ управления обеспечивает требуемую по условиям технологического процесса активную мощность на выходе преобразователя, которой соответствует только два одинаковых по величине и различающихся по знаку значения реактивной мощности на его входе. При этом может выбираться только необходимый знак реактивной мощности преобразователя, в то время, как величина ее может не соответствовать требованиям по условиям работы питающей сетм. Этот способ также, как и другие известные способы, не регулирует одновременно и независимо активную и реактивную мощность преобразователя Для устранения этого недостатка нз шинах питающей сети так же, как и в случае преобразователей с частично управляемыми вентилями, устанавливают дополнительные компенсирующие устройства, которые регулируют реактивную мощность, потребляемую из сети. Дополнительные компенси- рующие устройства существенно увеличивают капитальные и эксплуатационные затраты, увеличивают потери электроэнергии, снижают экономичность работы питающей сети.

Целью изобретения является повышение экономичности питающей электрической сети для технологических процессов с эпектрическими нагрузками, мощность которых регулируется преобразователями с полностью управляемыми вентилями путем одновременного, независимого и непрерывного регулирования активной и реактивной мощности преобразователей без применения дополнительных компенсирующих устройств.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу управления преобразователем с полностью управляемыми вентилями для регулирования мощности неиндуктивной нагрузки, заключающемуся в том, что задают уставку активной мощности и формируют импульсы управления вентилями преобразователя с фазовыми углами включения в диапазоне от -180 эл град, до +180 эл град., дополнительно задают уставку реактивной мощности и для формирования импульсов управления вентилями преобразователя определяют значения фазовых углов включения и отключения в диапазоне от -180 эл.град. до +180 эл.град. путем решения системы из двух уравнений с двумя неизвестными Р fi(xi,x2) и а T2{xi,x2), обуславливающей для каждой конкретной схемы преобразователя однозначную связь между заданными уставками активной и реактивной мощностей и значениями фазовых углов включения (xi) и отключения (х2) вентилей преобразователя.

Сущность предлагаемого способа заключается в независимом регулировании фазовых углов включающих и отключающих импульсов в диапазоне от -180 эл.град. до + 180 эл.град., что позволяет одновременно, независимо и непрерывно регулировать величину и знак входной реактивной мощности и активную мощность на выходе преобразователя. В качестве уставок активной и реактивной мощностей используют величины, заданные условиями работы технологической нагрузки и питающей сети. Отсчет фазовых углов управляющих импульсов ведется от момента естественного включения вентилей в неуправляемом режиме. Выбор фазовых углов включения и отключения каждого вентиля определяет форму кривой тока i ( V ) через резистивную нагрузку и, соответственно, угол сдвига уэммежду кривой напряжения на комплексе преобразовательное устройство - рези- стивная нагрузка и кривой первой гармонической составляющей тока 1(1), протекающего через нагрузку.

Таким образом, выбором фазовых углов включения и отключения вентилей предлагаемый способ однозначно обеспечивает требуемую активную мощность, выделяемую в нагрузке, и требуемую реактивную мощность, потребляемую из питающей электрической сети или выдаваемую в сеть.

Способ управления по двум параметрам осуществляют необходимое независимое регулирование активной и реактивной мощностей преобразователей без применения дополнительных устройств для компенсации реактивной мощности. Это приводит к повышению экономичности работы питающей сети за счет исключения дополнительных компенсирующих устройств.

На фиг.2 и 3 показаны схемы преобразовательных устройств, управляемых по предлагаемому способу; на фиг 4-6 - кривые и диаграмма, характеризующие режим преобразователей; на фиг.7 - блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

и

10

15

20

25

30

35

40

45

Электрическая схема (фиг.2) системы питающая сеть - преобразовательное устройство - технологическая нагрузка содержит преобразователь 5, преобразующий энергию переменного тока на входе в энергию переменного тока на выходе , и представляющий собой два полностью управляемых вентиля 1 и 2, включенных встречно-п араллельно. Преобразователь подключен к ЭДС питающей сети 3 последовательно с резистивной нагрузкой 4. Схема (фиг.2) приведена для случая, когда индуктивности в цепи коммутации тока вентилями малы и ими можно пренебречь. Последнее обстоятельство характерно для использования преобразователей при регулировании мощности в электродуговых печах, установках электрокрекинга и в других подобных технологических установках с большими токами через электрическую нагрузку и малыми напряжениями на ней.

На фиг.З приведены кривые синусоидального напряжения е ( v ) на комплексе преобразователь - резистивная нагрузка и кривая тока I (v ), протекающего через нагрузку в однофазном преобразователе, (фиг.2). Фазные углы включения вентиля п и отключения вентиля ai, отсчет которых ведется от момента перехода кривой синусоидально-, го напряжения на комплексе е (v } и создают определенный угол сдвига р() между кривой напряжения на комплексе преобразовательное устройство - резистивная нагрузка и кривой первой гармонической составляющей тока нагрузки 1(1), что и определяет однозначно активную мощность в нагрузке и реактивную мощность, генерируемую устройством в питающую сеть или потребляемую из нее.

Соотношения для активной мощности Р, выделяемой в нагрузке 4 (фиг.2) и реактивной мощности Q, генерируемой в питающую сеть или потребляемой из нее, имеют следующий вид;

J 2 я

2(«2-« i)-(sin2«2 -sin2G4 ); (1)

1

(2)

Q у- cos2 #2 cos2 а,

гдеР Р/5, Q Q/S;

Р - активная мощность;. Q - реактивная мощность:

S максимальная мощность, кото- к

рую можно выделить в нагрузке;

Е - действующее значение напряжения;

R - сопротивление нагрузки;

а - фазовый угол включения вентилей;

CKi - фазовый угол отключения вентилей.

Решение уравнений (1) и (2) относительно неизвестных а и аг при заданных значениях Р и Q позволяет определить фазовые углы включения и выключения, необходимые для обеспечения требуемых значений Р и Q.

Уравнения имеют трансцендентный характер и в общем случае не имеют аналитического решения для неизвестных щ и ai: т.е. не позволяют построить расчетные соотношения, выражающие в явном виде искомые зависимости щ ia- (P.Q) и «1 - f а2 (P,Q). Поэтому в общем случае необходимо численное решение уравнений (1) и (2) относительно неизвестных а и аг на основе традиционно используемых методов

Пример. Решение уравнений на трех характерных режимах преобразователя (фиг.2 суставками активнои мощности, равными Pi 0, -0,5 и ,0 и уставкой для реактивных мощностей во всех указанных трех режимах, равной нулю, т.е. Q1 Qz - Оз 0, ч го соответствует отсутствию потребления из сети реактивной мощности преобразователем или генерации ее в сеть.

Равенство нулю реактивной мощности в рассматриваемых характерных режимах позволяет получить из уравнения (2), принимающего вид

тгг cos2 02 - cos2 ом - О,

fL 1/6

аналитическую связь между искомыми углами а и аг :

аг-п - а.

Подставляя полученную связь в уравнение (I), получают

Р -4«i +2sin2«i 1 4 F

2.

+ sinx (4), где х 2 «1 .

Уравнение (4) может быть приведено к виду

п (Р - 1) + х sinx (5) и решено графически относительно неизвестного х. Решением уравнения (5) будет проекция на ось абсцисс (х 2 щ ) точки перечисления прямой Yi(x) - я (Р - 1) и кривой Y2(x) sinx. Диаграмма расчета фазовых углов управления путем графического решения уравнений (1) и (2) для трех характерных режимов преобразователя (фиг.2) приведена на фиг.4. Для рассматриваемых грех режимов из уравнения (5), полученного решением уравнений (1) и (2), получают соответственно:

-п + х sinx; (5a)

п

приР 0,5 -Tj + x sinx;

(56)

при Р 1,0 x slnx. (5в) Как видно из фиг.4, в случае Р - 0 (уравнение (5а)) кривые Yi(x) и Ya(x) пересекаются непосредственно на оси абсцисс в точке х

л

2 а - JT . Таким образом, а - -к ив соответствии с (3) «2 я

а TJT

В случае Р 0,5 (уравнение (56) пересе- чение Yi(x) и Y2(x) имеет проекцию на ось абсцисс в точке х 2 а 2,31, таким образом «1 1,155.и аг -п -1,155 1,985.

В случае Р 1,0 (уравнение (5в)) кривые Yi(x) и Y2(x) пересекаются в точке начала координат, таким образом а.г -л, . Приведенные результаты решения исходных уравнений (1 и 2 ) относительно углов а. аг для трех указанных режимов сведены в таблицу

Шестифазная мостовая схема преобразователя с полностью управляемыми вентилями приведена на фиг.З, а на фиг.6

показаны кривые напряжения и тока на выходе преобразователя за период Т промышленной частоты при работе на резистивную нагрузку 4 преобразователя 5, подключенного к шинам питающей сети 6.

Фазовые углы включения cci и отключения аг каждого вентиля моста отсчитываются от момента естественного включения вентиля в неуправляемом режиме v0 .

В предположении о мгновенной коммутации тока вентилями преобразователя (фиг.З), чтосоответствуетусловиям осуществления предлагаемого способа регулирования мощности в электродуговых печах, установках электрокрекинга и других подобных технологических процессах с большими токами через нагрузку, для которых характерны весьма малые значения индук- тивностей, входящих в контуры коммутации и, следовательно, малые времена коммутаиии тока вентилями, получены следующие соотношения, описывающие связи активной Р и реактивной Q мощностей с фазовыми углами импульсов управления а лаг

о

Р jj.( Q5-ai) + sin( CG ш) cos(

аг

-«1- §);

(6)

Q |sin( аг -aijsinfoa - ). (7)

Определение фазовых углов управляющих импульсов а и саг из соотношений (6) и (7) при заданных Р и Q позволяет обеспечить требуемые уровни активной и реактивной мощностей преобразователя.

На фиг 7 приведена б/юк-схема устройства управления, реализующего предлагаемый способ управления преобразователем с полностью управляемыми вентилями для регулирования мощности неиндуктивной нагрузки. Для формирования импульсов управления преобразователем 7 с соответствующими фазовыми углами устройство содержит блок 8 задания уставок активной и реактивной мощностей, вырабатывающий аналоговые сигналы Р3ад и 03ад, пропорциональные заданным внешними устройствами значениям уставок мощности, аналого-цифровой преобразователь 9, преобразующий аналоговые сигналы в цифре- вой код (Р , Q ), микропроцессорное устройство 10, содержащее программу расчета значений углов он и tti по уравнениям (1) и (2) или (6) и (7), цифроаналоговый преобразователь 11, преобразующий циф- ровые кодовые сигналы а и oz вычисленных микропроцессорным устройством 10 цифровых значений углов а и аг в аналоговые величины а и ач , блок 12 формирования импульсов управления, на выходе которого формируются управляющие импульсы включения (Ив) и отключения (И0) каждого из вентилей преобразователя 7 в соответствии с вычисленными и поданными на вход блока 12 значениями фазовых углов включения и отключения вентилей. Расчет микропроцессорным устройством 10 искомых значений углов а лаг производится по программе, основанной на использовании одного из известных численных методов решения трансцендентных уравнений, например метода Ньютона.

Управление преобразователем по предлагаемому способу с независимым регулированием активной и реактивной

мощностей позволяет полностью отказаться от установки компенсирующих устройст- в , что приводит к технико-экономическому эффекту, обусловленному уменьшением капитальных затрат на установку дополнительных устройств компенсации реактивной мощности на шинах предприятий, затрат на необходимое резервное оборудование, трудозатрат на эксплуатацию и ремонт устройства компенсации реактивной мощности, а также обусловленному улучшением массо-габаритных показателей оборудования для обеспечиваемых энергией технологических процессов с неиндук- тивной нагрузкой и, как следствие, уменьшением строительных объемов Формула изобретения Способ управления преобразователем с полностью управляемыми вентилями для регулирования мощности неиндуктивной нагрузки, заключающийся в том, что задают уставку активной мощности и формируют импульсы управления вентилями преобразователя с фазовыми углами включения в диапазоне от -180 зл.град. до +180 эл.град , отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности работы питающей сети путем одновременного независимого и непрерывного регулирования активной и реактивной мощностями преобразователя, дополнительно задают уставку реактивной мощности и для формирования импульсов управления вентилями преобразователя определяют значения фазовых углов включения и отключения в диапазоне от -180 эл.град. до+180 эл.град. путем решения системы из двух уравнений с двумя неизвестными Р fi( «1 и О2.) и Q f 2 at и са ), обусловливающей для каждой конкретной схемы преобразователя однозначную связь между заданными уставками активной и реактивной мощностей и значениями фазовых углов включения а и отключениям вентилей преобразователя.

) Vrfi

6V

.

Сущность изобретения: повышение экономичности питающей сети достигается путем установления фазовых углов включающих и отключающих импульсов по задаваемым значениям активной и реактивной мощности из двух соотношений , обуславливающих связь заданных значений активной и реактивной мощности с искомыми значениями фазовых углов включающего и отключающего импульсов. 7 ил. f в в регулировании углов включения вентилей, причем каждому значению угла соответствуют определенные значения активной и реактивной мощности. Известны способы управления более сложными компенсационными преобразователями путем регулирования углов включения вентилей, причем требуемый уровень реактивной мощности на входе преобразователей обеспечивается за счет введения в схему преобразователей трехфазной группы конденсаторов. VI сл о о о о

1

I

ФигЛ 2

Г

Ч- %

г

«г1

1-Г J

К

о О

тГ

тГ

а

Й1Х-

г