Способ управления преобразователем многофазного переменного напряжения в регулируемое постоянное Советский патент 1982 года по МПК H02P13/16 H02M7/145 

(5) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ МНОГОФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ 8 РЕГУЛИРУЕМОЕ ПОСТОЯННОЕ

I

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и может быть использовано в электроприводах постоянного тока в случаях, когда необходимо рекуперировать энергию постоянного тока в трехфазную сеть переменного тока при небольших массогабаритных показателях силового трехфазного трансформатора. Существующими, в настоящее время способами эта проблема не решена и остается актуальной для подвижных объектов, а также для быстродействующих станочных электроприводов.

В настоящее время в электроприводах постоянного тока широко применяются трехфазные мостовые ведомые сетью инверторы, в которых регулирование тока осуществляется посредством управления углом отпирания инвертора.

Вследствие низкой частоты процессов в инверторе в цепях как постоянного, так и переменного токов про-,

ходят токи с большой амплитудой пульсаций. Для их ум1еньшения в цепи постоянного тока необходимо включать реакторы с большой индуктивностью, а для уменьшения влияния инвертора на сеть необходимо также включать мощные сетевые фильтры на стороне переменного тока. Это обуславливает увеличение веса, габаритов и стоимости электрооборудования инвертора. Известны условия, накладывающие ограничения на применение тиристорных преобразователей в сетях соизмеримой мощности по качеству электроэнергии. К недостаткам такого типа инвертора можно отнести также большое потребление реактивной мощности и низкий cos, что приводит к необходимости в случае применения мощных инверторов использовать специальные компенсирующие устройства.

Известен способ импульсного регулирования тока в трехфазном инвесторе, применяемый в электроприво дах переменного тока с двигателем с фазным ротором. Здесь применяется прерыватель постоянного тока на тиристорах с принудительной коммутацией, что позволяет осуществить работу инвертора с минимальным углом опережения, т.е. значительно уменьшить реактивную мощность, а использование повышенных частот коммутации уменьшить габариты дросселя СП . Однако такой способ не позволяет осуществить передачу обратного потока активной мощности от сети к элект родвигателю. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ, реализованный в преобразователе многофазного переменного напряжения в регулируемое постоянное, который выполнен в виде многофазного Трансформатора, средние- точки первич ной обмотки которого образуют входны выводы преобразователя, а концы обмотки подключены к входам двух диодных мостов, нагруженных на основные управляемые ключи. Вторичная многофазная обмотка трансформатора подключена к входу дополнительного вентильного моста, выводы ИЬстоянного тока которого образуют выходные выводы преобразователя, зашу|нтированные дополнительным управляемым ключо Его анод соединен с анодами двух основных управляемых ключей через пэру коммутирующих- конденсаторов,. а катод через коммутирующий дроссель и вторую пару коммутирующих конденсаторов с катодами основных управляемых ключей С21.. В системе управления преобразователем в результате сравнения симметричного пилообразного повышенной по отношению к сетевой частоты и синхронизированного сетью опорного напряжения и постоянного напряжения уп равления формируют последовательност регулируемых по ширине управляющих .импульсов повышенной частоты, затем выделяют из нее две последовательное ти управляющих импульсов, сдвинутых между собой на угол Т- Одну из них подают на управляющий вход одного из двух основных управляемых ключей, а вторую - на управляющий вход второго ключа. Формируют также четвертую последовательность управляющих импульсов, инверсных по отношению к первой которые подают на управляющий вход дополнительного управляемого ключа. Преобразователь отличается хорошими массогабаритными показателями трансформатора и фильтра, повышенными энергетическими показателями и незначительным влиянием на многофазную сеть соизмеримой мощности. Однако в нем не может быть осуществлен процесс передачи обратного потока активной мощности от источника постоянного тока в многофазную сеть переменного тока. Это сужает возможность его применения. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей преобразователя за счет осуществления передачи обратного потока активной мощности в сеть переменного тока. Пoctaвлeннaя цель достигается тем, что, согласно предлагаемому способу управляют преобразователем, выполненным в виде многофазного трансформатора, средние точки первичной обмотки которого образуют входные выводы преобразователя, а концы обмотки подключены к входам двух диодных мостов, нагруженных на,основные управляемые ключи. Вторичная многофазная обмотка трансформатора подключена к входу дополнительного вентильного моста, выводы постоянного тока которого образуют выходные выводы преобразователя, зашунтированные дополнительным управляемым, ключом. Его анод соединен с анодами двух основных управляемых ключей через пару коммутирующих конденсаторов. Катод через коммутирующий дроссель и вторую пару коммутирующих конденсаторов - с катодами основных управляемых ключей. В системе управления преобразователем, в результате сравнения симметричного пилообразного повышенной частоты и синхронизированного сетью опорного напряжения и постоянного напряжения управления, формируют первую последовательность регулируемых по ширине управляющих импульсов. Из нее выделяют две послёдоваельности импульсов, сдвинутых между собой на угол Т. Одну из них подают на управляющий вход одного основного управляемого ключа, вторую - на вход второго. . Формируют четвертую последователь- . ность управляющих импульсов, инверсных по отношению к первой, которую

подают на вход дополнительного управляемого ключа.

Формируют шесть дополнительных последовательностей импульсов, длительностью 2/3с с частотой сети и, сдвинутых последовательно между собой на угол ОТ/3. Кажую из них логически перемножают со второй и третьей последовательностями импульсов. Управляющие импульсы, образованные после логического перемножения второй последовательности с шестой, восьмой и десятой дополнительными последовательностями, и третьей с пятой, седьмой и девятой, подают на .управляю|дие входы управляемых вентилей анод-, ной группы дополнительного моста. Управляющие импульсы, образованные после логического перемножения второй последовательности с пятой, седь мой и девятой, и третьей с шестой, восьмой и десятой, подают на управляющие входы вентилей катодной группы дополнительного моста.

Раздачу управляющих импульсов между вентилями анодной и катодной групп дополнительного моста осуществляют таким образом, что вентили в момент подачи импульса управления находятся под обратным напряжением вторичной обмотки трансформатора.

На фиг. 1 приведена функциональ ная схема системы управления устройством, иллюстрирующая предлагаемый способ управления, где 1 - формирователь первой последовательности импульсов повышенной по отношению к сетевой частоты; 2,3 - формирователи последовательностей импульсов, выделенных и;з первой и сдвинутых пОд углом Т; - формирователь четвертой последовательности импульсов, инверсных по отношению к первой; 5-10 формирователи дополнительных шести последовательностей импульсов с частотой сети; 11 - синхронизирующий трансформатор; 12 - блок выделения V гармоники повышенной частоты из напряжения сети; 13 - генератор пилообразного опорного напряжения; 14 компаратор; 15-26 - ячейки логического умножения и.

В скобках указаны номера ключей из фиг., 3На фиг. 2 приведены графики последовательностей импульсов, где в - пилообразное опорное и постоянное управляющее напряжения; б-д - с первой

по четвертую последовательности управляющих импульсов; е-;л - шесть дополнительных последовательностей управляющих импульсов; м-с - последовательности управляющих импульсов, получаемых после соответствующих ло гических умножений.

На фиг. 3 приведена принципиальная электрическая схема силовой части устройства; на фиг. k - графики токов и напряжений, где d - пилообразное опорное и постоянное управляющее напряжение; f - управляющие импульсы, подаваемые на управляющие электроды управляемых вентилей; j - постоянный ток силовой цепи; N, Q,, Z - ток в фазах трансформатора. .

Основу силовой части преобразователя, на примере работы которого показан предлагаемый способ управления, составляет многофазный трансформатор (фиг. 3). Каждая из фаз его первичной обмотки 27 состоит из двух секций , включенных последовательно и согласно. Начало и конец первичной обмотки через диодные мосты 28 и 29 закорачиваются с помощью основных управляемых ключей 30 и 31. Положительные выводы этих мостов и аноды основных управляемых ключей соединены двумя последовательно- включенными коммутирующими конденсаторами 32 иi 33, отрицательные выводы и катоды - конден.саторами 3 и 35.

Многофазная сеть через фильтр подключена к средним точкам первичной обмотки 27. Вторичная обмотка 36 трансформатора через дополнительный вентильный мост 37-42 подключена к якорю 43 электрической машины постоянного тока, причем анодная группа вентилей к положительному выводу якоря, а катодная - к отрицательному. Якорная цепь шунтирована дополнительным управляемым ключом 44. Положительный вывод якорной цепи подключен к точке соединения конденсаторов 32 и 33, а отрицательный через коммутирующий дроссель.45 - к точке соединения конденсаторов 34 и 35. Управляющие импульсы, включающие тиристоры,формируются системой 46 управления.

Функциональная схема системы управления преобразователем (фиг. 1) содержит формирователь 1 импульсов прямоугольной формы частота следования которых равна 6 п f сети. где n 1,2, 3,....Выход формирователя 1 соединен с входами формиро вателей 2 и 3 импульсов, сдвинутых под углом СТ, частота следования ко торых вдвое меньше частоты первой последовательности импульсов и входом формирователя . Передние фронты импульсов формирователей 2 и 3 синхронизируют управляющие импульсы, подаваемые на управляющие входы основных управляемых ключей 30 и 31. Передний фронт импульсов формирователя k синхронизирует управляющие импульсы, подаваемые на управляющий вход дополнительного управляемого ключа . Выход формирователя 2 соединен с одним из входов ячеек логического умножения И 15, 17, 19, 21, 23, 25. Выход формирователя 3 соединен с.одним из входов ячеек И 16, 18, 20, 22 2k, 26. Выходы формирователё.й 5-10 дополнительных последовательностей импуль сов длительностью 2/3 Т с частотой сети,и сдвинутых последовательно между собой на угол Т/3 соединены остальными входами ячеек И следующим образом: выход 5 с входами 16 и 21j выход 6 с входами.19 и 26; выход 7 с.входами 18 и 23; выход 8 с входами 15 и 22; выход 9 с входами 20 и 25} выход 10 с входами 17 и 2. Входы формирователей 5-10 и блока 12 выделения гармоники повышенной частоты сети (6 - п . f сети) соединены с вторычными обмотками синхронизирующего трансформатора 11. Блок 12 выделения гармоники синхронизирует генератор 13 пилообразного опор ного напряжения. Это опорное напряжение и напряжение управления (Uy) поступают на вход компаратора Н, который переключается в момент,их сравнения и управляет формирователем 1 управляющих импульсов. Работу преобразователя, реализующего предлагаемый способ управления рассмотрим для случая, когда кратнос повышенной частоты п 2, т.е.{коммутации 600 Гц. В момент сравнения опорного пилообразного напряжения и напряжения уп равления в системе управления в формирователе 1 формируется последовательность импульсов о (фиг. 2). Формирователи 2 и 3 выделяют из нее последовательности импульсов S и 2 88 (фиг. 2), передние фронты которых синхронизируют управляющие импульсы f, , 1,1 (фиг. k), поступающие на управляющие входы основных управляемых ключей 30 и 31. . Формирователь k образует последовательность импульсов 9 (фиг. 2), передний фронт которых синхронизирует управляющие импульсы f, w (фиг;А), поступающие на управляющий вход дополнительного управляемого ключа . Управляющие импульсы f, Kyf-K i (фиг. ), подаваемые на управляемые входы управляемых вентилей дополнительного моста, синхронизируются передними фронтами импульсов М - С (. 2), образуемых путем логического перемножения в ячейках И 15-26 последовательностей импульсов в,г. , е, л (фиг. 2). Например, управляющие импульсы f, Kj7 (фиг. ), подаваемые на вход вентиля 37 синхронизированы импульсами Н (фиг. 2) на выходе ячеек И 15 и 1б. В ячейке 15 логически перемножаются импульсы последовательностей в, U (фиг. 2). В ячейке 16 - 2 , & (фиг. 2). При включении дополнительного управляемогр ключа kk в якорной цепи электрической машины, работающей в генераторном режиме, начинает нарастать ток и она стремится перейти а режим короткого Замыкания. Одновременно от диодных мостов 28 и 29 через ключ W и дроссель S заряжаются конденсаторы 32-35 с полярностью, указанной на фиг. 3 без скобок. Затем включаются (фиг. 4) ключи 30,, 38 и 42. Конденсаторы 32 и З перезаряжаются по цепи 32, 30, 3, , , 32 с полярностью, указанной на фиг.З в скобкахjи выключают . Ток якорной цепи переводится через ключи 38 и 2 в фазы А и,С вторичных обмоток трансформатора, причем направление тока в них противоположно напряжению, -приложенному к этим обмоткам после включения ключа 30, собирающего через мост 28 начала первичных обмоток 27 трансформатора в звезду. Начинается этап инвертирования тока в сеть (фиг. k j,w, z). Процесс инвертирования оканчивается и начинается очередной процесс накаливания энергии в якорной цепи в момент включения ключа kk. При этом конденсаторы 32 и З вновь перезаряжаются с полярностью, указанной на фиг. 3 без скобок, и готовы произвести очередную коммутацию. Следующий этап инвертирования начинается включением ключей 31 37 и Ц (фиг. , f). Конденсаторы 33 и 35 перезаряжаются по цепи 33, 31i 35, 5, , 33 и выключают ключ k. Одновременно с этим ключ 31 собирает через мост 29 в звезду концы первичных обмоток 27 трансформатора. Полярность напряжения, приложенного к вторичным обмоткам 36 трансформатора, противоположна по сравнению с предыдущим этапом инвертирования. Поэтому ток во вторичных обмотках фа 8 и А вновь оказывается противоположным напряжению. Перемагничивание с частотой 300 Гц сердечника трансформатора исключает его подмагничивание с. частотой 50 Гц. Поэтому он рассчитывается на повышенную частоту благодаря чему резко снижаются его габариты и масса. В дальнейшем циклы повторяются. Величина тока инвертирования и, сле довательно, тормозного момента на ва лу машины 3 регулируется в зависимости от скорости вращения якоря изменением величины Uy. Так как за счет самоиндукции напряжение якоря в процессе этапа инвертирования да превышает напряжение на зажимах дополнительного вентильного моста на величину падения напряжения в якорной цепи, вентилях моста, обмотках трансформатора 27 и 36, мосте 28 или 29, ключа 30 или 31, фильтре, процесс инвертирования не зависит от напряжения холостого хода машины АЗ. Характер и величина ределяются только синхронизацией пачек тока инвертирования с фазными напряжениями и могут быть изменены в ту Или иную сторону. Это определяет высокие энергетические показатели устройства. Высокая частота , пульсаций тока в якорной цепи и в фазах сети позволяет применить малогабаритные облегченные сетевые фильт ры, а в якорной цепи, в большинст- ве случаев, индуктивность ее оказывается достаточной, чтобы вообще обойтись без дросселя. Следовательно, устройство, иллюст-55

рирующее предлагаемый способ инвертирования , обладает малыми массо-габаритными показателями силового трехтых между собой на угол Т, одну из которых подают на управляющий вход одного из двух основных управляемых клю810фазного трансформатора; малыми массогабаритными показателями дросселя и сетевых фильтров; высокими регулировочными показателями; высокими, энергетическими показателями. Благодаря эффективному сглаживанию пульсаций, вызываемых коммутационными процессами, осуществляемыми на повышенной частоте, способностью работать на сеть соизмеримой мощное- ти с удовлетворительным качеством напряжения. Реализация предлагаемого-способа в устройствах, например в судовых электроприводах, позволяет исключить влияние помех при работе тиристорного преобразователя на навигационные.приборы и средства связи при небольших массо-габаритных показателях преобразователя и фильтра. Формула изобретения Способ управления преобразователем многофазного переменного напряжения в регулируемое постоянное, выполненным в виде многофазного трансформатора, средние точки первичной обмотки которого образуют входные выводы преобразователя, а концы обмотки подключены к входам двух диодных мостов, нагруженных на основные управляемые ключи,вторичная многофазная обмотка подключена к входудополнительного вентильного моста, выводы постоянного тока которого образуют выходные выводы преобразователя, зашунтированные дополнительным управляемым ключом, анод которого соединен с анодами двух основных управляемых ключей через пару коммутирующих конденсаторов, а катод через коммутирующий дроссель и вторую пару коммутирующих конденсаторов - с катодами основных управляемых ключей, путем формирования в системе управления преобразователем в результате сравнения симметричного пилообразного повышенной по отношению к сетевой частоты и синхронизированного сетью опорного напряжения и постоянного напряжения управления первой последовательности регулируемых по ширине управляющих импульсов повышенной частоты выделения из нее двух последовательностей управляющих импульсов, сдвинучей, a вторую - на управляющий вход второго ключа, и формирования четвертой последовательности управляющих импульсов, инверсных по отношению к первой, которую подают на управляющий вход, дополнительного управляемого ключа, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей преобразователя путем передачи обрат ного потока aкtивнoй мощности в сеть переменного тока, формируют шесть дополнит-ельных последовательностей импульсов длительностью 2/33fc частотой сети и сдвинутых послёдовательно между собой на угол tif/3, каждую из которых логически перемножают со второй и третьей последовательностями импульсов, и управляющие импульсы, образованные после логического перемножения второй последовагтельности с шестой, восьмой и десято дополнительными последовательностями, и третьей с пятой, седьмой и

девятой, подают на управляющие входы управляемых вентилей анодной группы дополнительного моста, а управляющие импуЛьсы, образованные после логического перемножения второй последовательности с пятой, седьмой и девятой, и третьей с шестой, восьмой и десятой, подают на управляющие входы вентилей катодной группы дополнительного моста, .причем раздачу У 1равляющих импульсов осуществляют так, что в момент их подачи управляемые вентили дополнительного моста находятся под обратным напряжением вторичной обмотки трансформатора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

« «tf