Устройство для управления @ -фазным реверсивным вентильным преобразователем Советский патент 1993 года по МПК H02M7/12 H02M7/48 

Изобретение относится к вентильной преобразовательной технике и может быть

пользовано для управления вентильным преобразователем со слежением по току п зи работе на двигатель постоянного или

времен ногр тока.

Цель изобретения - повышение точнои отработки тока вентильным преобразо- в ателем путем одноканального (формирования опорных напряжений, инва- р 1антных изменению напряжения сети и отражающих зависимость среднего тока от

ла управления в режимах непрерывного и прерывистого тока.

На фиг. 1 приведены векторные диаграммы для прототипа; нафиг.2 - векторные диаграммы формирования опорных напряений для вентильного преобразователя, собранного по трехфазной нулевой схеме (т 3); на фиг.З - векторные диаграммы, поясняющие принцип формирования спорных напряжений для вентильного преобразователя, собранного по трехфазной

остовой схеме (т 6); на фиг.4 - функциональная схема устройства; на фиг.5 - эпюры, поясняющие принцип работы устройства.

Обозначения: Ua, Ub, Uc - напряжения сети; t0i, Ion, lom основные опорные напряжения первой, n-й и m-й фаз; 1д1, 1дп, 1дт - дополнительные опорные напряжения первой, п-й, m-й фаз; Don - суммарное опорное напряжение; Uy - управляющий сигнал; 1)Эт

-сигнал задания на ток; Е- сигнал противо- ЭДС; Us, Ue. U - выходные сигналы сумматоров 6, 7 и 8; 1н - ток нагрузки; 1 - первый сумматор; 2 - регулятор тока; 3 - усилитель; 4 - второй сумматор; 5 - третий сумматор: 6

-четвертый сумматор; 7 - пятый сумматор; 8 - первый диод; 9 - второй диод; 10 - устройство раздельного управления; 11 - первый переключатель; 12 - второй переключатель; 13, 14 - аналоговые инверторы соответственно первого и второго переключателей; 15-18- ключи переключателей; 19

-нелинейный усилитель; 20-22 - вторая группа аналоговых ключей; 23-25 - первая группа аналоговых ключей; 26 - блок т-фаз- ных интеграторов; 27 - блок m-фазных фильтров: 28 - блок m-фазных нуль-органов;

СП

с

оо со VJ

со VI

00

29-31 - элементы 2И блока элементов совпадения; 32 - кольцевой счетчик; 33 - нуль- орган; 34 - датчик тока; 35 - распределитель импульсов; 36 - вентильный преобразователь; 37 - объект управления (нагрузка); 38 - блок.датчика ЭДС двигателя.

Устройство для управления т-фазным вентильным преобразователем содержит сумматор 1, входы которого связаны с источником сигнала задания тока U3r и выходом датчика тока 34, а выход через регулятор тока 2-е первым входом сумматора 4. На второй вход сумматора 4 подключен источник сигнала задания тока через усилитель 3. Выход сумматора 5 через нейный усилитель 19 связан с входом сумматора 6. Выходы сумматоров б и 7 через диоды 8 и 9 подключены к второй вход нуль- органа 33. Входы устройства раздельного управления 10 связаны с источником сигнала задания тока 1)зт, выходом датчика тока 34 и выходом нуль-органа 33, а два выхода -содноименными входами переключателей 11, 12 и вентильного преобразователя 36. Первый вход нуль-органа 33 через переключатель 11 связан с выходом сумматора 4. Первые входы сумматоров 5 и 7 через переключатель 12 подключены к выходу блока датчика ЭДС 38, а вторые - к объединенным . выходам аналоговых ключей 20-22, входы которых связаны с одноименными выходами блока m-фазных интеграторов 26. Входы блока m-фазных фильтров 27 подключены к сети, а выходы связаны с входами блоков m-фазных интеграторов 26, входами блока m-фазных нуль-органов 28 и с одноименными входами аналоговых ключей 23-25, Вход кольцевого счетчика 32 связан с выходом нуль-органа 33, а выходы - с вторыми вхо- дамм элементов 2И 29-31 блока элементов совпадения первые входы которых подключены к выходам блока m-фазного нуль-органа 28; Одноименные управляющие входы аналоговых ключей 20-25 объединены и связаны с выходами элементов 2И 29-31. Выход нуль-органа 33 через распределитель импульсов 35 подключен к входу вентильного преобразователя 36. Вход объекта управления 37 связан с выходом преобразователя 36, а выход - с входом датчика тока 34. Датчик тока 34 выполнен в виде шунта или трансформатора тока. Регулятор тока 2 может иметь различные исполнения как не- прерывныетипа пропорционального, интегрального, пропорционально-интегрального, лфопорциокально-интегрально- дифференциального, так и импульсные типа интегратора со сбросом и интегратора со сбросом с делением интегрального сигнала на интервал дискретности, В соответствии с поляр0

5

0

5

0

5

0

5

г

0

5

ностью сигнала задания на ток 11Эт устройство раздельного управления 10 выбирает рабочую группу вентилей преобразователя 36, то есть определяет направление тока нагрузки. Для этого на вход устройства раздельного управления 10 подают сигнал задания на ток, полярность которого определяет направление тока нагрузки вентильного преобразователя, и два блокирующих логических сигнала: сигнал по току, контролирующий наличие раздельного управления. В зависимости от полярности сигнала задания на ток первый и второй выходы устройства раздельного управления принимают взаимно инверсные значения логической Г или О. Логическая единица устройства раздельного управления включает в работу ключи 15-18 переключателей 11 и 12. В ходе работы одного комплекта вентилей преобразователя постоянно открытыми остаются пара ключей, например 15 и 17. При смене комплектов в работу вступает другая пара ключей 16 и 18. Это позволит обеспечить всегда отрицательное значение управляющего сигнала Uy и положительное суммарное опорное напряжение Uon на входе нуль-органа 33 при смене комплектов преобразователя как в выпрямительном, так и в инверторном режимах. Блок m-фазных фильтров 27 осуществляет сдвиг сетевого напряжения на определенный угол. Так для случая, когда вентильный преобразователь собран по трехфазной нулевой схеме (т 3), фильтры сдвигают напряжение фазы на 30°. Выходные напряжения блока m-фазных фильтров предварительно инвертируются и дополнительно сдвигаются на 90° с помощью блока m-фазных интеграторов 26. Этот случай изображен на фиг.2. Например, блок m-фазных фильтров напряжение фазы, показанной вектором ГГА, сдвигает на 30° в сторону отставания. При этом получаем вектор напряжения ОК . Блок m-фазных интеграторов преобразует вектор ОК в вектор ОД. Таким образом вектор ОД опережает вектор сетевого напряжения ОА на 60°. Полученный таким образом вектор ОД при любых изменениях модуля ве.ктоЈа ОА будет опережать его на 60°. а вектор ОК - отставать на 30°. Изменение модуля вектора ОА приводит к пропорциональному изменению модулей векторов ОК и ОД. В данном случае основное опорное напряжение опережает напряжение фазы на 60°. & дополнительнее отстает от основного на 90°. Поэтому вектор 0/Д можно применять в качестве основного опорного напряжения, а вектор К в качестве дополнительного. Для случая/когда вентильный преобразователь собран по

рехфазной мостовой схеме (т 6), блок i-фазных фильтров сдвигает линейное на- фяжение сети на 60° см. фиг.З) вектор . а выходе блока гп-фазных интеграторов случаем вектор 0В. Вектор 0В опережает инейное напряжение AS на 30° и является сновным, а вектор ВД - дополнительным порным напряжением. Причем изменение модуля вектора АВ отслеживается вектора- ВД и 0В без дополнительного фазового двига. Таким образом и в этом случае пол- ченные опорные напряжения инварианты изменению напряжения сети. Количество ыходов блоков m-фазных фильтров и интег- аторов зависят от пульсности (т) преобра- ователя. Для преобразователя, собранного о трехфазной нулевой схеме, m 3, п 2, а о трехфазной мостовой - m 6, 2 n m

1-5- .. На вход блока m-фазных нуль-органов

8 поступают дополнительные опорные на- (ряжения с выхода блока m-фазных фильт- юв 27. Выходы NI, Nn, Nm блока m-фазных |уль-органов 28 принимают соответственно начения логической 1 или О зависимо- ти от полярности дополнительных напря- сений (1Д1, 1дП, дт). Положительному начению дополнительного опорного наряжения соответствует логическая едини- а. Поскольку дополнительное опорное спряжение отстает от основного на 90°. то го положительное значение определяет зо- у углов управления (0 a 180°), то есть Ьелекторную зону. Таким образом, блок т- фазных нуль-органов служит для определения селекторной зоны. В зависимости от пульсности преобразователя 36 блок m-фазных нуль-органов содержит три при m 3 или шесть при m 6 нуль-органов.

Кольцевой счетчик 32 при поступлении импульсов управления с выхода нуль-органа 33 осуществляет отсчет импульсов по циклу. Так, до поступления первого импульса управления младший разряд Р1 кольцевого счетчика 32 имеет логическую единицу, а остальные разряды - логический ноль. После появления первого импульса на входе 32 логическую единицу приобретает Р2, а остальные разряды соответствуют логическому нулю. С появлением второго импульса управления РЗ перебрасывается в единичное состояние, а Р2 - в нулевое. Цикл счета в зависимости от пульсности преобразователя 36 составляет три импульса при т- 3 или шесть при m 6. Так, например, при m 3 с появлением третьего импульса управления на входе 32 Р1 становится единичной, а РЗ - нуль. С этого момента времени идет повторение нового цикла. Кольцевой

счетчик 32 содержит три (т 3) или шесть (т 6) выходов.

Количество элементов 2И 29-32 блока 5 элементов совпадения в зависимости от пульсности преобразователя три (т 3) или шесть (т 6). На один вход элементов 2И поступают сигналы селекторной зоны с выхода блока m-фазных нуль-органов 28, а на

0 другой вход - сигналы с выхода кольцевого счетчика 32. Элементы 2И при наличии на обоих входах логической единицы перебрасываются в единичное состояние. Единичная информация на выходе элементов 2И

5 блока элементов совпадения используется для управления аналоговыми ключами первой и второй групп 22-25, Количество аналоговых ключей в группах также определяется пульсностью преобразовате0 ля. Управляя ключами в функции селекторной зоны и выхода кольцевого счетчика, получаем на выходах групп аналоговых ключей основное и дополнительное опорные напряжения для вступающих в работу вен5 тилей.

Для формирования суммарного опорного напряжения U0n no закону, отражающему зависимость среднего тока от угла управления в режимах непрерывного и прерывисто0 го тока, служат нелинейный усилитель 19, три сумматора 5, 6, 7, два диода 8, 9, основное опорное напряжение, дополнительное опорное напряжение и сигнал противоЭДС. Нелинейный усилитель 19 для положитель5 ного входного сигнала имеет коэффициент передачи единице, а для отрицательного входного сигнала - коэффициент передачи меньше единицы (К 1). Таким образом характеристика вход-выход нелинейного

0 усилителя 19, имеющая единичный наклон в первом квадранте, изменяет свой наклон с переходом в третий квадрант. На выходе сумматора 5 имеем сигнал, пропорциональный разности основного опорного напря5 жения и противоЭДС. При положительной величине этой разности нелинейный усилитель 19 один к одному передает ее на вход сумматора 6, а при отрицательных значениях - с определенным коэффициентом К. В

0 сумматоре 6 к этому сигналу добавляется дополнительное опорное напряжение. На выходе сумматора 7 получаем сигнал, пропорциональный разности вступающих в работу напряжений и противоЭДС. Для

5 определения напряжения сети на сход сумматора 7 падают основное и дополнительное опорное напряжение в определенной пропорции. Наибольшее из двух сигналов, снимаемых соответственно с выхода сумматора 6 и сумматора 7, поступает на вход

нуль-органа 33 в качестве суммарного опорного напряжения через два диода 8 и 9.

Сигнал,- пропорциональный противо- ЭДС двигателя Ј, вырабатывает блок датчика ЭДС двигателя 38, который может иметь различные исполнения. Например, для определения противоЭДС Ј применяют решающее устройство, состоящее из сумматора, дифференциатора и усилителя. Дифференциатор служит для определения падения напряжения на индуктивных сопротивлениях нагрузки путем дифференцирования сигнала тока нагрузки и умножения полученного сигнала на величину индуктивности. Усилитель предназначен для определения падения напряжения на активном сопротивлении тока нагрузки. На вход сумматора поступает сигнал выходного напряжения вентильного преобразователя, выходной сигнал дифференциатора и усилителя. Таким образом на выходе сумматора получают .сигнал, пропорциональный ЭДС двигателя.

Работа предлагаемого устройства происходит следующим образом,

Допустим, что в момент времени t 0 на устройство подается напряжение питания. Пусть при этом начальная фаза напряжения сети Ua опережает на 30° (см. фиг.5). Для случая, когда вентильный преобразователь собран по трехфазной нулевой схеме (т 3), выходное напряжение 1Д1 - блока т-фазных фильтров 27 (см. фиг,4) отстает от напряжения Ua на 30°, а выходное напряжение 1о1 блока m-фазных интеграторов 26 опережает на 60°. Таким образом в момент времени t 0 основное опорное напряжение loi соответствует амплитудному значению (см. фиг.5), а дополнительное 1д1 - нулевому, то есть точка естественного зажигания для напряжения Ua с углом управления а 0. Справа точки t 0 дополнительное опорное напряжение д1 принимает положительное значение (см. фиг.5). Это обстоятельство приводит в единичное состояние Ni-выход блока m-фазных нуль-органов 28 (см. фиг,4). Единичное состояние NI(CM. фиг.6) является селекторной зоной для напряжения сети Ua. 8 момент времени t 0 принимает логическую единицу PI - выход кольцевого счетчи- ха 32 (см. фиг.4). Две логические единицы на входах элемента 2И 29 переводят его в единичное состояние (см. фиг.5), что приводит к срабатыванию ключей 22 и 25. Ключ 22 подключает основное опорное напряжение lot к входам сумматоров 5 и 7. а ключ 25 - дополнительное опорное напряжение 1д1 к входам сумматоров б и 7. На сумматоры 5 и 7 поступает также Ј -заданная величина противоЭДС с выхода блока датчика ЭДС двигателя 38 через переключатель 12 (см.фиг.4), В области углов управления, соответствующих режиму непрерывного тока, основное опорное напряжение больше противоЭДС, поэтому Us - выходной сигнал сумматора 5, пропорциональный разности (101 - Е), положителен (см. фиг.5) Us loi - Ј о.

Для положительного входного сигнала Us О нелинейный усилитель 19 имеет единичный коэффициент передачи. Поэтому в сумматоре 6 фиг.4 к сигналу Us добавляется дополнительное опорное напряжение

Ue U5 + lfli

На вход нуль-органа 33 проходит через диоды 8 и 9 наибольшее из двух сигналов: Ue или U - пропорциональный разности, вступающей в работу напряжения сети Ua и

противоЭДСе . В данный момент времени Ue больше Поэтому суммарное опорное напряжение равно Ubn Ue1 На другой вход нуль-органа 33 поступает сигнал управления U, образованный из сигнала задания на ток UST и тока нагрузки н с помощью регулятора тока 2 и усилителя 3. Суммарное опорное напряжение U0n больше сигнала управления Us (см. фиг.5),

.поэтому нуль-орган 33 находится в единичном состоянии.

В момент времени t ti (см. фиг.5), когда основной опорный сигнал 101 сравнивается с противоЭДСе , выходной сигнал сумматора 5 становится равным нулю

Us l0i .

Для случая, когда пренебрегают активным сопротивлением нагрузки, предельно-непрерывный ток наступает при равенстве

средневыпрямленного напряжения и противоЭДС. Основное опорное напряжение пропорционально средневыпрямленному напряжению. Поэтому Us 0 является условием определения предельно-непрерывного тока нагрузки. Выходное напряжение сумматора б в этот момент времени равно дополнительному опорному напряжению

U6 Ui,

которое соответствует предельно-непрерывному току преобразователя. В этот момент времени изменяет свой коэффициент передачи нелинейный усилитель 19 так, что К 1; Из фиг.5 следует, что в этот момент времени суммарное опорное напряжение Uon - Ue1 больше сигнала управления Uy.

Поскольку в точке предельно-непрерывного тока нелинейный усилитель 19 изменил свой коэффициент передачи, то в режиме прерывистого тока нагрузки преобразоваЖ ля сигнал на выходе сумматора 6 равен -о К1)5+1д1

Сигнал Ue больше Uy. Поэтому на входе иуль-органа 33 суммарное опорное напря- ясение соответствует

Uon Ue l

1 аким образом суммарное опорное напряжение в точке предельно-непрерывного тока t ti претерпевает излом. Очевидно, что суммарное опорное напряжение равно выходному сигналу сумматор 6 Don Ue , пока Е ыполняется условие Ue U. На фиг.5 этому соответствует интервал времени (ti t тз). На интервале (тз t t4) выходной сигнал сумматора 7 больше выходного сигнала сумматора 6 U Ue В этом случае суммарное опорное напряжение определяется как

Uon U7-(Ua-E)Kl,

где KI - коэффициент пропорциональности. Суммарное опорное напряжение Uon U в момент времени t и равно нулю, так как в этот момент времени U Е. .

Однако в момент времени t 12, то есть Е момент равенства суммарного опорного напряжения и сигнала управления (Uy U.on Ue)t нуль-орган 33 перебрасывается в нулевое состояние и вырабатывает мпульс управления (см. фиг.5). Импульс управления U33 через распределитель импуль- сов 35 поступает на вентили преобразователя 36. В соответствии с по- ярностью сигнала задания на ток U3r вклю- ается вентиль фазы А соответствующего комплекта, что обеспечивает определенное направление тока нагрузки. Одновременно с моментом выработки импульса управления перебрасывается в единичное состояние Pn, a Pi - в нулевое - выходы кольцевого счетчика 32. При этом переводит в нулевое состояние элемент 2И 29 и закрываются аналоговые ключи 22 и 25. Таким образом после выработки импульса управления для Е:ентилей фазы А отключаются основное 101 и дополнительное Я1 опорные напряжения QT входов сумматоров 5 и 7. С этого момента ;ремени начинается подготовка к подклю- ению основного и дополнительного опор- ых напряжений вступающих в работу ентилей, а именно фазы В. Элемент 2И 30, а одном входе которого логическая едини- а с выхода кольцевого счетчика 32, а на ругом - нуль с выхода блока т-фазных уль-органов 28, находится в режиме ожи- ания селекторной зоны. В момент време- и t t4 появляется селекторная зона, то сть выход Nn блока m-фазных нуль-органов 8 перебрасывается в единичное состояние. После этого элемент 2И 30 своим единичным выходом изо включает аналоговые клю- и 21 и 24. Аналоговые ключи 21 и 24

подключают соответственно основное 1о1 и дополнительное 1д1 опорные напряжения к входам сумматоров 5 и 7, С этого момента времени начинается аналогичный вышеопи- 5 санному процесс формирования суммарного опорного напряжения, отражающего зависимость среднего тока от угла управления в режимах непрерывного и прерывистого тока. В момент времени t ts нуль-орган

0 33 формирует новый импульс управления для вентилей фазы В. В этом случае перебрасываются выходы кольцевого счетчика 32: в единичное - выход Рт; в нулевое - выход Рп. Элемент 2И 30 отключает анало5 говые ключи 21 и 24. С этого момента времени элемент 2И 31 находится в режиме ожидания. В момент времени t те появляется селекторная зона для вступающей в работе фазы, то есть Nm перебрасывается в

0 единичное состояние и включаются аналоговые ключи 20 и 23. Начинается новый процесс формирования суммарного опорного напряжения для фазы С. В момент равенства данного суммарного опорного напряже5 ния и управляющего сигнала (t t) нуль-орган 33 формирует импульс управления для вентиля фазы С. Для случая, когда пульсность преобразователя m 3, цикл счета кольцевого счетчика 32 составляет три

0 импульса. Поэтому с пояснением импульса управления для фазы С выход кольцевого счетчика 32 PI становится единичной, а Рт - нуль. С этого момента времени начинает повторяться новый цикл аналогично выше5 описанному.

Таким образом, в предлагаемом устройстве формирование суммарного опорного напряжения производится по одноканаль- ному принципу с последующим переключе0 нием основного и дополнительного опорных напряжений вступающих в работу фаз с помощь аналоговых ключей. Закон формирования суммарного опорного напряжения соответствует зависимости среднего

5 значения тока преобразователя от угла управления в режимах непрерывного и прерывистого, тока инвариантно к изменению напряжения сети. Это повышает точность отработки тока задания вентильным преоб0 разователем.

По сравнению с прототипом предлагаемое устройство обеспечивает повышенную точность отработки тока вентильным преобразователем, что улучшает его знергетиче5 ские показатели, то есть снижает , потребление электроэнергии за счет улучшения гармонического состава тока нагрузки. Использование предлагаемого устройства позволяет экономить до 10-30% потребляемой электроанергии.

Дополнительный экономический эффект от применения предлагаемого устройства достигается за счет улучшения коэффициента использования машины. Это достигается путем одноканального формирования опорных напряжений, инвариантных изменению напряжения сети и отражающих зависимость среднего тока of угла управления в режимах непрерывного и прерывистого тока.

Ф о р м у л а и з о б р е те н и я Устройство для управления т-фазным реверсивным вентильным преобразователем, содержащее блок раздельного управления, управляющий вход которого соединен с источником сигнала задания тока, а первый вход запрета - с датчиком тока нагрузки, сумматоры, первый вход первого из которых соединен с источником сигнала задания тока, второй вход - с выходом датчика тока нагрузки, а выход - с информационным входом регулятора тока, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, второй вход которого подключен к источнику сигнала задания тока, нуль- орган, отличающееся тем, что, с целью повышения точности обработки тока задания, введены датчик ЭДС нагрузки, блок m фильтров, блок m интеграторов, блок m нуль-органов, две группы аналоговых ключей, нелинейный усилитель с изменяемым коэффициентом усиления при изменении полярности сигнала, диоды, распределитель импульсов, кольцевой счетчик, блок элементов совпадения, переключатели, причем входы блока m фильтров предназначены для подключения к сети, выходы подключены к входам блока m интеграторов и m нуль-органов и к информационным входам первой группы аналоговых ключей, выходы которых соединены с входами четвертого и пятого сумматоров, выходы которых соединены соответственно с анодами диодов, катоды диодов объединены и подключены к первому входу нуль-органа, информационные входы второй группы аналоговых ключей подключены к одноименным выходам блока m интеграторов, выходы - к входам третьего и пятого сумматоров,

выход датчика ЭДС нагрузки подключен через первый переключатель к входам третьего и пятого сумматоров, выход третьего сумматора соединен с входом нелинейного усилителя, выход которого подключен к входу четвертого сумматора, а первый и второй выходы блока раздельного управления соединены с. первыми и вторыми управляющими входами обоих переключателей и с управляющими входами по числу комплектов реверсивного вентильного преобразователя-распределителя импульсов, выход второго сумматора через второй переключатель связан с вторым входом нуль-органа, выход которого соединён с информационным входом распределителя импульсов, вторым входом запрета блока раздельного управления и входом кольцевого счетчика, выходы распределителя импульсов предназначены для соединения с управляющими входами преобразователя, выходы кольцевого счетчика соединены с управляющими входами по числу тиристоров в комплекте реверсивного вентильного преобразователя-распределителя импульсив, с первыми входами блока элементов совпадения, вторые входы которых подключены к выходам блока m нуль-органа, управляющие . входы первой и второй групп аналоговых ключей объединены попарно и соединены с выходами блока элементов совпадения.

1837378

4

Фиг. з

Изобретение относится к вентильной преобразовательной технике. Устройство содержит источник сигнала задания тока, регулятор тока, датчик тока, усилитель, нуль-орган, сумматоры, блок датчика ЭДС, двигателя, блок m-фазных фильтров, блок m-фазных интеграторов, блок т-фазных нуль-органов, распределитель импульсов, кольцевой счетчик. Устройство позволяет повысить точность обработки тока задания вентильным преобразователем при изменении напряжения сети, а в режиме прерывистого тока даже при симметричной сети. 5 ил.

ед актор С.Ходакова

Составитель Г.Охоткин Техред М.Моргентал

%i.f.

Корректор А.Мотыль