Устройство управления непосредственным преобразователем частоты,преимущественно для транспортной автономной системы электроснабжения Советский патент 1983 года по МПК H02P13/18 H02M5/27 

Характерной особеинос1ъю многих видов pesojMOB нагрузок непосредсгвенных прео6разова1«лей часгогы в авхчэномных энергосистемах являегся то, что при номинальных величинах нагрузки ее cos f близок к единицы, а при уменьшении тока или полной мощности нагрузки уменьшаегся практически до нуля. На фиг 2 в качестве примераприведено область возмоншых нагрузок и ее cos при централизованном электроснабжении поездов. Из фиг. 2 видно, что при нагруз ках около 25% I номинальной нагрузки составляет , При таких значешмх оозЧ нагрузки обеспечивается досга1Ч)чцая степень устойчивости преобразования частоты при использоватш известь х способа и устройств управ ленил Ct и L2J , Наиболее бзтзкюл к преддагаетлому является устройство. управления непосред ственным преобразователем частоты, решающее задачу повышения его усгойчивости при работе на активно-инду1стивную нагрузку и содержащее задающий генератор выходной частоты и датчик полярности тока нагрузки, выходы которых подклю чены к входу основного бЖ1ка запрета и разрешеи ш 1-1мпульсов вьшрямительного , вьтолненного в виде дву-L входоБой схемы совпадещя, выходы этого блока соединены с одним из входов б ков запрета и разрешения импульсов выпрямительного режима, выполненных в виде трехвходовых схем совпадения по числу веитилей преобразователя, к друI4-JM входаЛ -которых подсоединены выходы синхронизатора, вьфабатываюшего в момент начала ecTecTBetmoft коммутации 11мпуяьсы вьгарямительного режима, а также логические блоки запрета и разрешения управляющих импульсов инверторного речсима, выполненные в виде двувходовых логических схем совпадения по чнслу вентилей преобразователя и обеспечлвающие, подачу управляющих импульсов в инвер торном режиме с заданным углом опережения относительно начальных момемахэв есгественной коммутации, причем выходы указанных блоков запрета и разре шения Шч пульсов вьшрямительного и инBfepixjpHoro режимов подключены к формирователям управляющих импульсов LS J Однако данное устройство характеризуется недостатмэчно высоким качеством . выходного напряжения. Цель изобретения - улучшение качества выходного напряжения. Поставленная пель достигается тем, 410 устройство управления непосредственным преобразователем частоты, содержащее задающий генератор выходной частчэты и датчик полярности тока нагрузки, выходы которых подключены к входу основноГо блока запрета и разрешения импупьсов вьшрямительного режима, вьгаолн енного в виде двувходовой схемы совпадения, выход этого блока соединен с одним из входов блоков запрета и разрешения импульсов выпрямительного режима, вьшолненНых в виде трехвходовых схем совпадений по числу вентилей преобразователя, к другим входам которых подсоединены выходы синхронизатора,- вырабатывающего в моменты начала естественной коммутации импульсы вьшрямитеЛьноТго режима, а также логические блоки за. прета и разрешения управляющих импульсов инверторного режима, выполненные в виде двувходовых логических с%.& совпадения по числу вентилей преобразователя и обеспечивающие подачу управляющих импульсов в инвер торном режиме с заданным углом опережения относительно начальНътх моментов естественной коммутации, причем выходы указанных блоков запрета и разрешения импульсов выпрями, тельного и инверторного режимов подключены к формирователям импульсов, снабжено измерителиул величины тока нагрузки с пороговым элементом, аыход которого подсоединен к третьим входам блоков запрета и разрешения импульсов выпрямительного режима и к одному из «входов введенных по числу вентилей преобразователя дополнительных блоков запрета. И разрешения импульсов вьтрямительного режима, выполненных .аналогично основному блоку запрета и разрешения, причем вторые входы дополнительных блоков подсоединены к выходу основного блока запрета и разрешения импульсов вьшрятошного. режима, а третьи входы подключены к тем выходам.синхронизато- / ра, импульсы которых смешены по фазе в сторону отставания на угол, равный или больший упомянутого заданного угла опережения подачи импульсов в инверторном режиме, На фиг, I приведены диаграммы выходного напряжения и тока нагрузки при d О и /i ЗО эл, град; на фиг, 2 пример области возможных значений нагрузок с соответствующими им cos f для системы электроснабжения поездов; на (|)иг, 3 - пример приннипиальной схемы прёобрааовагел на фиг, 4 и 5 - усгройсгво управления; на фиг. 6 - временные диаграммы выходных напряжения и тока для режимов при об - ЗО и Р - ЗО эл. град. Силовая часть преобразовагеля (фиг. 3) содержит две встречно-параллельно включенные токосборные группы, каждая из которых состоит из двух последователь но включенных трехфазных мостовых схем на тиристорах. Каждая мостовая группа подключена к одной из двух систем трехфазной сети или обмоток синхронного генератора с частотой f . Токосборная Vpynna на тиристорах 1-12 формирует положительную полуволну тока нагрузки, ji Токосборная группа на тиристорах 13-/ 24 - отрицательную полуволну тока нагру ки 25. Система управления преобразователем осуществляет раздельное включение тоВ;осборных групп по принципу слежения за током нагрузки, а также и величиной этого тока с помощью, например, трансформаторов 26 тока. В нъгрузке 25 имеет место последоватехпзНое чередование полуволк положительного и отрицательного напряжений с выходной частотой. Цепь обратной связи на току содержит также вьшрямитель 27, резисторный делитель 28 напряжения, пороговый злемент 29, например, в виде стабилитрона или динистора и транзисторный ключ 3О. Эта цепь позволяет преобразовать сигнал. лропорциональный току нагрузки, в гщск- |ретный логический сигнал напряжения посто5шного уровня, близкий к HyjKo или равный единице. Раздельное включение токосборных групп осуществляется по сигналам датчиков 31 и 32 нуля тока нагрузки, которые включ ы последовательно с гокосборными группами в фазу нагрузки, С выхода датчика 31 снимается логически сигнал о наличии тока положительной полярности в нагрузке, а с выхода дат чика 32 - сигнал о наличии тока отрица тельной полярности. - Система управления преобразовате п&л (фиг, 4 в соответствии с предлага емым устройством содержит задающий генератор 33, выходы которого связаны с логическими элементами 34 и 35 совп дения (схемы И), на другие входы элементов 34 и 35 поступают сигналы с датчиков 31 и 32 нуля тока нагрузки. Выходные шины 36 и 37 указанных элементов И обеспечивают разрещеняе илизапретформирования управляющих импульсов вьпфямительного режима, собираемых в пачки, например, по четыре с помощью блоков 38 ИЛИ. На входные зажимы блоков 38 импульсь) управления поступают от синхронизатора 39, который генерирует импульсы в точках, соответс вукяцих моментам пересечения кривых фазных напряжений источника питания. Синхронизатор 39 формирует за период входного напряжения импульсы {при шестифазной системе питающих напряжений), равноотстоящие, друг от друга на ЗО эл. град, по входной частоте. Для формирования мсяцшьпс управл$поших импульсов для каждого тиристора f и 12 имеется форлофователь (блок выходного каскада), ном,которого на фиг. 4 совпадает с номером тиристора на принципиальной схетле фиг. 3. Формирователи имеют по три входа, причем реализуется логическая функпия ИЛИ т. е. формирование импульса происходит в момент подали управляющего сигнала на любой из входов. На один из входов подаются сигналы, упарвляющие вьфаботкой импульсов выпрямительного режима с фазой первого импульса в пачке, соот- ветствуюшей началу естественной коммутации тиристоров, на другой вход подаются сигналы выпрямительного режима, фаза которых.сдвинута в сторону отставания от точек начала естественной KCWмутации на угол, равный или больщий углам подачи импульсов инверторного режима, и на третий вход подаются сигналы инверторного режима. Импульсы выпрямительного режима на управляющем электроде определенного тиристора с углом регулирования, равным нулю, формируюэвся в том случае, когда имеется соответствующее состояние за-. дающего генератора 33, полярность протекающего в нагрузке тока (совпадает с полярностью выходного напряжения преобразователя и синхронизатор 39 и смеситель 38 вырабатывают сигналы в точках начала естественной коммутации для данного тиристора, а значение выходного тока нагрузки (соответственно значение мощности нагрузки) 25 превосхпдит определ ное заданное, значение. При :ЭТом стабилитрон 29 и транзистор 30 включены, а с помощью ст(.емы 4О инвертирования потенциал щины 4t равен единице. Поэтому логическая схема 42 разрещает прохождение сигналов с выхода смесителя 38у При снижении мсяаности нагрузки нкже заданного уровня осуществгпяется запрет с помощью блока 42 форми рования H jnynbcoB вьгарямительаого ре.жвпма с углами рет-упироваиин равными нулю и разрешекие подачи импульсов с углами регулирования большими или равными углам запаса в инверуорном режиме. Это разрешение осущес рвляе«:я с помощью блока 43 через шину 44, поскольку транзистор 30 входиг в режим Импульсы инвергорного режима для определенного тиристора вырабатываются в течение всего промежутка времени, пока ток нагрузки имеет определенкую полярность, Б моменты, соответствукщйв опереженшо ш 30 эл, град, точек начала есгествеьшой коммутации, что определяет ся дискретностью фазового положения из чпульсов, вырабвтываемьос синхронизатором 39. Запрет и разрешение на выработку импульсов ипверторного режима осуществляется с помощью логического блока 45, на вход которого поступают сигналы от синхронизатора 39 и с выходов 46 датчиков 31 и 32 нуля тока, Таким образом, при совпадении полярноега тока и напряжен щ в нагрузке систгала управления вырабатывает как импульсы инвертора реиоа а, так и импульсы режима выпрямительного, а когда генерация импульсов выпрямительного режима прекрешается, то генерация инверторных импульсов до тех пор, пока ток данной погофности не снизится до нуля. В соогветствии с предлагаемым yci ройством отравления в режимах нагрузки преобразователя, когда ток нагрузки и. соответственно ее мощность или cosif пре.восходят некоторое заданное значение, i Т е. преобладает активная составляющая нагрузки при характернее законе изменения в соответствии с фиг. 2, с выхода порогового элемента, контролирующего вел1гч1шу тока нагрузки, на шину 41 пост пает сигнал разрешаюший подачу импуль сов выпрямительного режима с углами регулирования,-равными нулю, что обеспе чивает максимальное нспольэованне напря жения источника питания и улучшение кЬэф(1)ициента мощности на входе преобразователя, уменьшение установленной мош ности источника питания. При этта за едет преобладания активной сосгавлякиаей мощности нагрузки обеспечивается доста- точная устойчивость проц«;са преобразования к допустимая веягчина суб1 армо- нических составляющих в тчже нагрузки, При снижения тока нагрузки (соогвегсгвенно McanHocTWH созЧнагрузки) ниже заданного уровня пороговое устройство 27-30 выдает сигнал, разрешакяций поачу импульсов выпрямительного режима ерео шину 44 и элемент 43 с углами егулирования, равными или большими углов; запаса инвёрторнрго режима, подаваемыми через элемент 45. При этом на шине 41 появляется сигнал запрета. Введение углов регулирования при алых нагрузках и низких соа нагрузки обеспечивает устойчивую работу преобразователя частоты, отсутствие субгармонических составляющих в выходном токе преобразователя. При этом, поскольку установленная мощность источника пита- ния или генератора определяется в режимах, близких к номинальным, такое переключение углов не -вызывает ухудшения энергетических показателей системы, а также использования напряжения источника, так как при снижении модности рагрузки уменьшается коммутапионное радение напряжения. . Представленное на фиг. 4 устройство управления обеспечивает с помсядью конг роля тока в фазах генератора дискретное п еключение углов регулирования вьшрямнтельного режима с О на 30 эл. град, глы запаса инверторного режима выбраны равными тажже 30 эл. град. Проследим пришшп действия предлагаемого .устройства на примере управления тиристором I преобразователя в соответствии с фиг. 3. Пусть в рассматриваемый момент времени сигналы полярности выходного на: пряжения с выхода задающоо генератора : 33 и тока наррузк : с выхода датчика 31 совпадают. В этом случае на выходе Зббпо- ка 34 имеется разрешающий сигнал, который подается на один из входов блока 42 (И). Пачка из четырех импульсов, первый из которых соответствует по фаэе мрмеиту начала естествениой коммугашга тиристора I в выпрямительнсм режиме, подается на другой вход блока 42 (И), В случае, если ток нагрузки или мощность нагрузки, или ее нагрзэки (соответственно ток или мощность нагрузки) превосходят некоторое заданное значейие (например, cosV О,7), ва ШЕГне 41 имеется также разрешакяций сигнал. На выходе блока 42 в этом случае пояЕшяется пачка вьшрямительных импульсов 30,6О,9О н 12О эл. град, по первичной частоте, которая подается на вход формирователя тиристора I, На этот же вход .формирователя поступаюг импульсы инверторного режима с углом ISO 9П, град. При снижении указанвьпс парамегров нагрузки ниже заданного уровня на выходе 41 появляется запрещающий сигнал и одновраленно появляется разрешающий сигнал на шине 44. В эгом случае на один вход блока 43 посг пает разрешающий сигнал. На .его другой вход посгупаег серия импульсов 6О, 9О, 120 к 15О эл. град, от смесителя 38, а также разрешакший сигнал от блока 34. В результате импульсы вьшрямитель ного р ежяма дискретно изменяют свою фазу на ЗО эл град. Среднее значение выходного напряжения на интервале выпрямительного режима снижается и стаёт среднему значеншо вьрсодного на 1рянюния на интервале инверторного,режима. Ири высокоиндуктивной нагрузке это обеспечивает устойчивую работу прео6р1азователя без субгармонических составлшкщнх в токе и напряжавии- н-агрузки. Койтрольпараметров нагрузки монсет бьгеь реализован, тшсже аа принийое спеже Ния за сдвигом тока нагрузки по отнощенш к напряжению. Нафиг.5 изоб ражена принци ниалыгая схема такого порогового ус тррйст ва. Одновибрагоры 47 и 48 запускаются передними фронтами прямого и иквфсйого сигйалов задаюшего генератора 33. Инверсный сигнал генератора 33 образуе ся с помощью инвертора 49 (логическая схема НЕ). Время сраба1ывания и длительность выходных импульсов од«обибраторов задаются на уровне предельного временного сдвига тока .нагрузки по отно шению к напряжещгю, т е. Такого сдвига при котором должно происходить першсщочение режимов управлён токосборньми группами с одного угла рагулировашй на другой { напрщугер, с cL - О на угол сзС 30 эл. грац.или наоборот). В схемах SO и 51 совпадения (схемы И) происходит сравнение заданной длитейьнос ти отставания тока По отнощеник к напря жению 1алитепьностя инверторного режима) с фактическим по отношению к напряжению. В результате этого сравнения на выходе блоков SO и 51 появляются импульсы, если фактическое отстав вание тока по отношению к напряжению превосходит заданное одновибраторамн 47 и 48. В результате на выходных выводах счетных триггеров 52 и 53 появляются разрешающие сигналы на подачу импульсов выпрямительного режима с соответствующими углами регулирования аналогично описанному выше. На фиг. 6 приведена диаграмме напряжения и тока на выходе преобразоватеш в режиме подачи импульсов выпрямительного режима с отставанием на ЗО эл. град, от точек естественной коммутации и лмпульсов инверторного режима с углами запаса ЗО эл. град. При изменениях козффипиента мсадности нагрузки режима управления преобразователем изменяют таким образом, что кривая выходного напряжения скачком изменяется от фиг, I до фиг. 6 или наоборот. Ф о р м у л а и э о б р е т е н и я Устройство управления непосредствен ным щзеобраэователем частоты, преимущественно для транспортной автономной системы э.лектроснабжения, содержащее задакяций генег тор выходной частоты и датчик полярности тока нагрузки, выходы которых подключены к входу основного блока запрета и разрешения импульсов ; выпрямительного режима, выполненного j в виде двувходовой схемы совпадения, выход, этого блока соединен с одними из входов блоков запрета и разрешения импульсов выпрямительного режима, вьшолненных в виде трехвходовых схт совпадения цо числу вентилей преобразователя, к другим входам которых подсоединены выходы синхроЕШзатора, вырабатывакяцего в моменты начала естественней коммутации икгаульсы выпрямительного режима, а также логические блоки запрета ;И разрешения управлякшшх импульсов инвер торного режима, вьтолненные в ввде двувходовых Логических схем совпадеввия по числу в гтилей преобразователя И обеспечивающие под а управляющих тагаульсов в инверторном режиме с задан«ьвл углом опережения относительно начальных MOMteBTOB естественной коммуташш, причем выходы указанных блоков запрета и разрешения кмпульсов вьшр$1ми тельного и нйверторного режимов подключшы к формирователям управляющих импульсов, о тлич ающ еес я тем, , что. с целью улучшения формы кривой выходного напряжения преобразователя фи работе на аЕТявно-шщуктивную нагрузку, оно снабжено измерителем величины тока нагрузки с поро1ч вым эп&лентом, выход которог}э подсоединен к третьим входам блоков запретч и раарешения импульсов выпрямиявпьвого режима и к одВому нз входов введевЬых .по числу вентлей преобразователя дополвитвльвых запрета и разрешения импульсов вьофякштельного режима, выполнен-

ных аналогично основному блоку запрета и разрешения, причем вторые входы дополнительных блоков подсоединены к выходу основного блока запрета и разрешения импульсов вьгарямительйого режима, а третьи входы подключены к тем выходам синхронизатора, импульсы которых сметцены по фазе в сторону отставания на угол, paBHbrfi или больший упомянутого угла опережения подачи импульсов в ннверторном режиме.

Источники информашш, принятыево внимание при экспертизе.

1,БЬШОВ Ю, М. Непосредственные преобразователи частоты с автономным источником энергии. М., Энергия, 1977.,

2.Вотчкпев Г. М. Савостьянов С. А Особенности работы непосредственного

преобразователя частоты при актквноинауктивной нагрузке. Труды институтов инженеров железнодорожного транспорта Межвузовский сборник, вып. 585, с. 101108.

3, Жемеров Г. Г. Тиристорные преобразователи частоты с непосредственной связью, Энергия, 1977, с. 21О-218.

4. Лозовой ro.s И, Основные проблемы однофазного преобразователя частоты на тиристорах. Изв. вьгсш. учебн. завед. Электромеханика, 1968, & 5, с. 548.

5. Белоновский В. А., Пар. И. Т.

Способы устранения режима вытеснения в асинхронном электроприводе с непосред ственным преобразователем частоты. Электротехника, 1978, Г 7, с. 17-2О. лг/ /Г/ rej /и

09f.J /лг

Lt

%

«5

«I

5

Л

%

i

S