Способ управления преобразователем частоты с непосредственной связью
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИ4ЕСНИХ
РЕСПУБЛИН дП4 Н 02 М 5/22
Г+ 2 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ ПРИ ГКНТ СССР (21) 3525643/21-07 (22) 21.12.82 (46) 07 . 03 . 89. Бюл. К- 9 (72) И . В . Нежданов, Е .А . Подь яков, М.N. 1цхнин и В.В. Иванцов (53) 621 .314.27 (088.8) (56) Писарев А.Л,, Деткин А.П. Управ— ление тиристорными преобра зователями.— М.: Энергия, 1975, с. 28. Разработка системы управления для непосредственного преобразовате ля частоты с мощностью 30 кВт. От— чет по НИР 11 - Б 425576. НЭТИ, Новосибирск, 1975, с. 32. (54) (57) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ С НЕПОСРЕДСТВЕННОЙ СВЯЗЬЮ, заключающийся в том, что формируют эталонное напряжение заданной величины и эталонный сигнал начального уровня противоположной полярности, для каждой фазы определяют моменты естественного включения тиристоров, формируют прямоугольные импульсы длительностью 180 эл.град., формируют опорный сигнал пилообразной формы, линейные участки прямого хода которого совпадают по времени с прямоугольными импульсамн и амплиту— да опорных сигналов в моменты окончания прямого хода равна эталонному напряжению, участки обратного хода имеют длительность менее 180 эл.град. и участки неизменного напряжения, равного эталонному сигналу начального уровня, заключенные между интервалами обратного хода и интервалами прямого хода, формируют сигнал ограничения той же полярности, что и эталонный сигнал начального уровня, формируют низкочастотное задающее ЛМ;,,. 1464269 2 напряжение сикусоидальной формы, из— меряют выходное напряжение преобразователя частоты и формируют управляющий сигHBë, равный разности выходного и задающего напряжений и не пре— вып аюший по амплитуде сигнала ограничения, сравнивают управляющий и опорный сигналы, формируют импульсы управления в моменты равенства опорных и управляющего сигналов и пo— дают их на тиристоры преобразователя, отличающийся тем, что, с целью улучшения формы выходного напряжения и повышения нагрузочной спосооности преобразователя час тоты, определяют моменты начала по- а ложителькых полуволн фазного напряжения, выбирают синхронизирующие моменты времени на интервале между началом положительных полуволн и моментами естественного включения тиристаров, указанное формирование прямоугольных импульсов начинают в синхрокизирующие моменты, устанавли— вают значение эталонного сигнала «a — ©" чального уровня, равное 4: Щ где 11„. и П;, — значения эталонного сигнала начального уровня и эталонного напряжения, — частота сети, — время синхронизирую— щего момента и момента естественного вклю AHKcHpylnT значение опорного сигнала в момент естественного включения 1464269 тиристорон и устанавливают величину сигнала ограничения болыяе зафиксированного значения опорного сигнала, но меныяе значения эталонного сигнала начального уровня, в номинальном режиме устанавливают амплитуду управляющего сигнала на уровне, не превышающем зафиксированного значе— ния опорного сигнала. Изобретение относится к электро|технике и может быть использовано ! для управления преобразователем ч астоты с непосредственной связью и естественной коммутацией, входящим состав источника электропитания 1теременного тока стабильной частоты. Цель изобретения — улучшение фор лы выходного напряжения и повышение 1лагрузочной .способности преобразоателя частоты. На фиг. 1 представлена схема устойства, реализующего способ управения; на фиг. 2 — схема преобразоателя с непосредственной связью, 15 ta фиг. 3 — диаграммы, поясняющие способ и работу устройства. Устройство, реализующее предла гаемыйл способ содержит генератор 1 (Ьадающего напряжения синусоидальной 20 формы, выход которого соединен с перВым входом сумматора 2. Выход сумматора 2 подключен к входу усилителяЬграничителя 3, к другому входу ко торого подключен первый выход источ — 25 Ника 4 эталонных напряжений, второй Выход которого подключен к входу геВератора 5 опорных сигналов. Выход råHåратора 5 соединен с одним входом блока 6 компар»торов, второй вход Ко- 30 roporo соединен с выхоцом усилителяограничителя 3. Выход блока 6 через блок 7 формирователей импульсов подключен к управляющему входу преобразователя 8, который получает питание от первичного источника 9 переменного напряжения, выход которого через блок 1 0 синхронизации подключен к второму входу генератора 5. Выход преобразователя 8 через силовой 40 фильтр 11 подключен к нагрузке 12. Вы- .ход фильтра 1 l через блок 13 обратНой связи соединен с вторым входом сумматора 2. Первичный источник 9 вырабатывает многофазное переменное напряжение синусоидальной формы, которое- поступает на вход преобразователя 8 и на вход блока 1 О. На фиг . 2 показана развернутая схема преобразователя S, источника 9 и блока 10, в которой источник 9 представлен шестью фазными источниками 14-19 переменной ЭДС, формирующими симметричную шестифазную поспедовательность сигналов, преобразователь 8 содержит дроссели 20-25 и тиристоры 26-37, преобразователь 8 подключен через конденсатор 38 фильт— ра 11 к резистору 39 нагрузки 12, а блок 10 представляет собой набор компараторов входы которых подключеУ ны к источникам 14-19. Блок 10 фор— мирует напряжения прямоугольной формы по числу фаз источника 9, синхронизированные по фазе с ЭДС источника. Сформированные напряжения прямоугольной формы поступают на вход генератора 5 опорных сигналов и используются при формировании опорных сигналов пилообразной формы в качестве синхронизирующих сигналов, определяющих сдвиг фазы опорных сигналов относительно ЭДС источников 14 †1. На два других входа генератора 5 опорных сигналов поступают эталонный сигнал начального уровня Бн, например, положительной полярности и эталонное напряжение U> противоположной отрицательной полярности с выхода источ— ника 4. Эти два сигнала определяют верхний и нижний уровни опорных сигналов пилообразной формы, вырабатываемых генератором 5. .Источник 4 также формирует сигнал orраничения П той же полярности, что и эталонный сигнал начального уровня U H,ío меньшей величины. Сигнал Uo поступает на управляющий вход усилигеля14642 ограничителя 3, формирующего управляющий сигнал. Управляющий сигнал представляет собой низкочастотное переменное напряжение, повторяющее форму сигнала на выходе сумматора 2, если амплитуда его меньше сигнала U«, и равное gU на интервале превышения модулем выходного сигнала сумматора 2 уровня сигнала U „ . Управляю1 щий сигнал с выхода усилителя-ограничителя 3 и опорные сигналы пило образной формы с выхода генератора 5 поступают в блок 6, в котором вырабатываются импульсы управления в моменты равенства опорных и управляющего сигналов. Эти импульсы формируются по длительности, усиливаются по мощности в блоке 7 и подаются на управляющие электроды тиристоров преобразователя 8. Для пояснения принципа формирования опорных сигналов пилообразной формы и управляющего сигнала рассмот рим диаграммы(фиг. 3), на которых показана система ЭДС источников 1419, для шестифазной нулевой схемы преобразователя (фиг. 2), одно из напряжений прямоугольной формы и один из опорных сигналов пилообразной формы, формируемых генератором 5. Для формирования опорных сигналов выделяются характерные моменты времени г — tg . Момент „ соответствует началу положительной полуволны фазной ЭДС питающей сети, момент t> — пересечению ЭДС фаз питающей сети между собой в точке естественного включения тиристоров для шестифазной нулевой схемы, синхронизирующий момент t выбран в точке пересечения ЭДС фаз питающей сети между собой, опережающей момент естественного включения t и отстающей от момента t<, соответствующего началу положительной полуволны 1 фазной ЭДС питающей сети; момент tg отстает от момента естественного включения t> на 90 эл.град., момент отстает от момента 22 íà 180 эл. град . В блоке 1 О на интервале времени t< — для каждой фазы преобразователя 8 с помощью компараторов блока 10 формируются напряжения Uq . Компараторы блока 10 осуществляют сравнение ЭДС фаз питающей сети и формируют напряжение U, фронты которых совпадают с момен10 20 — 25 69 6 тами пересечения соответствующих фазных ЭДС (фиг. 3) . Сформированные компараторами блока !0 напряжения U поступают в генератор 5, который формирует опорные сигналы пилообразной формы для каждого тиристора 26-37 преобразователя 8. Опорные сигналы U . содержат линейные участки прямого хода длительностью 180 эл.град. B начале каждого участка напряжение по величине равно сигналу Би и по фазе совпадает с моментом t<, в конце участка напряжение равно напряжению Uq и по фазе совпадает с моментом t<.. Участки обратного хода следуют за моментами и имеют длительность менее 180 эл.град. Участки неизменного напряжения равны сигналу U на интервале t — t между участками обратного и прямого хода. Сигнал U„, напряжение U|1, а также сигнал ограничения Ц„ формируются источником 4. Для реализации способа управления необходимо обеспечить определенные соотношения между величинами постоянных сигналов UA, U, Uo- и амплитудой управляющего сигнала, величина которой изменяется при изменении режима работы нагрузки 12. Для этого, во-первых, источник 4 формирует сигналы Бн, U<, U« с определенным соотношением их значений по модулю, однозначно связанным с фазовыми соотношениями между началом прямого хода опорных сигналов (t<) и моментом естественного включения тиристоров в данной фазе. Это соотношение определяется формулой Г+ 2d(tg — tg) "А Z-- 2.1(- ) где и) — частота сетевого напряжения. При этом начало формирования прямого хода опорных сигналов совпадает с моментами в ремени t, когда величина опорного сигнала равна эталонному сигналу начального уровня U< и заканчивается через 180 эл.град. в моменты времени t, когда опорный сигнал равен эталонному напряжению Ц . Соотношение напряжения U+ и сигнала U таково, что моменты перехода через ноль опорных с.èãíàëîí (ta) на участке прямого хода отстают на 90 эл.град. от моментов естественного включения t . Интервал tq 14642б9 35 55 соответствует постоянству опорного сигнала, который поддерживается равным эталонному сигналу начального уровня. При таком выборе синхронизирующих моментов t< и выполнении равенства в соотношении, связывающем U и U начало прямого хода опорного сигнала смещается в сторону опережения относительно моментов естественного включения i.g на 30 эл.град При этом обеспечивается согласование управления комплектами тиристорами преобразователя, т.е. равенство углов управления тиристорами выпрямительного (тиристоры 26-31) и инверторного (тиристоры 32-37) комплектов при одинаковых сигналах управления, При этом моментам естественного включения t> соответствует предельный уровень управляющего сигнала постоянного тока U меньший чем эталонный сигнал начального (. уровня U а углам управления (90 эл. град. — сигнал управления на выходе усилителя — ограничителя 3, равный нулевому уровню. Сигнал огра— ничения U>q определяющий максимально возможную амплитуду управляющего сигнала на выходе усилителя-ограничителя 3 (фиг. 1)., выбирается большим чем U„ð, соответствующее моментам естественного включения, но меньшим чем начальный уровень опорных сигналов Пя, что обеспечивает пересечение опорных сигналов гене1 ратора 5 и низкочастотного управляющего сигнала, формируемого на выходе усилителя-ограничителя 3, на участках прямого хода опорных сигналов хотя бы один раз за период управляющего сигнала при любой его амплитуде. Моменты равенства напряжения управления Пуп и Uрп выделяются ком— параторами блока б и соответствуют моментам включения тиристоров преобразователя 8. Выходные импульсы блока 6 после формирования по длительности и усиления по мощности в блоке 7 поступают на тиристоры пре— образователя 8. В результате включения тиристоров преобразователя 8 на его выходе формируется низкочастотное переменное напряжение с частотой основной гармоники„ равной частоте выходного сигнала генератора 1, и амплитудой, пропорциональной амплитуде сигнала на выходе усилителя-orðÿHè÷èòåëÿ 3 и величине напряжения источника 9. Это напряжение проходит через силовой сглаживающий фильтр 11 и поступает на нагрузку 12. В свою очередь, напряжение с выхода фильтра 11 поступает через блок 13 на второй вход сумматора 2 и вычитается иэ низкочастотного задающего напряжения синусоидальной формы, уменьшая тем самым амплитуду сигнала на выходе сумматора 2. При этом замыкается отрицательная обратная связь по выходному найряжению преобразователя и стабилизируется величина основной гармоники выходного напряжения, уменьшаются составляющие этого напряжения с частотами, отличными от основной. Блок 13 в данном случае выполняет роль регулятора и в зависимости от своей структуры и параметров может корректировать амплитудно-частотную характеристику замкнутой системы, улучшая ее качественные показатели. Однако и при использовании блока 13, не корректирующего амплитудно-частотную характеристику, например при применении пропорционального звена, достигается требуе— мый эффект. В режиме работы на номинальную на— грузку выбирают соотношение эталонного сигнала начального уровня, эталонного напряжения и амплитуды управляющего сигнала таким, чтобы амплитуда основной гармоники, управляющего сигнала была примерно равна упомянутому предельному уровню (Пщ, ) и не превышала его. Выбор необходимого соотношения обеспечивается выбором амплитуды низкочастотного задающего напряжения синусоидальной формы и величины напряжения источника 9 при определенных параметрах преобразователя 8, фильтра 11 и нарузки 12. При выбранном соотношении указанных сигналов и описанном выше способе формирования опорных сигналов им— пульсы управления на тиристоры вы— прямительного и инверторного комплектов формируются с частичным перекрытием вблизи моментов перехода через ноль управляющего сигнала, т.е. с частичным перекрытием интервалов совместной работы тиристоров выпрямительного и инверторного комплектов, и с углами управления, не выходящими за точки естественного включения, )464269 )О.а закон модуляции импульсов управления близок к синусоидальному. Такое управление позволяет улучшить качЕство формы выходного напряжения на нагрузке за счет обеспечения плавного перехода тока с комплекта на комплект без появления зоны прерывистого тока, а также за счет согласованного управления на интервалах совместной работы комплек тов, обеспечиваемого выбором соотношения эталонного сигнала ))ц и эталонного напряжения Uд . Одновременно с улучшением формы выходного напряжения в номинальном режиме обеспечивается повышение нагрузочной способности преобразователя частоты. При выбранном соотношении начального (Пн) и конечного (U4) уровней опорных сигналов и амплитуды управляющего сигнала, обеспечиваю щем формирование импульсов управления с синусоидальным законом модуляции при глубине, близкой к единице, интервалы одновременного формирования импульсов управления и одновременной работы тиристоров выпрямитель ного и инверторного комплектов занимают относительно небольшую часть периода управляющего сигнала. Это позволяет уменьшить уравнительный ток и за счет этого снизить нагрузку тиристоров по току при том же токе ! нагрузки либо увеличить ток нагрузки при сохранении величины тока тиристоров, т.е. повысить нагрузочную способность преобразователя. При уменьшении нагрузки 12 выходное напряжение стремится увеличиться вследствие уменьшения падения напряжения на сопротивлениях силовых цепей, что приводит к повышению амплитуды сигнала на выходе блока 13, вычитающегося из сигнала генерато-. ра 1. В результате уменьшается амплитуда сигнала на выходе сумматора 2 и на выходе усилителя-ограничителя 3. При этом увеличивается эона одновременного формирования импульсов управления тиристорами выпрямительного и инверторного комплектов, а значит увеличивается зона совместного согласованного управления, и в режиме холостого хода нагрузки 12 амплитуда сигнала управления может стать менее эталонного напряжения U„ „ что соответствует переходу на полное согласованное совместное управление комплектами преобрйзова геля, что также улучшает форму формируемого выходного напряжения. С ростом нагрузки выходное напряжение уменьшается за счет повышения падения напряжения на сопротивлениях силовых цепей и амплитуда сигнала на выходе сумматора 2 увеличивается, становясь более предельного уровня управляющего напряжения и эталонного нгпряжения. При этом блок 6 формирует импульсы управления в моменты времени, опережающие точки естественного включения, соответствующие нормальным режимам работы, что повышает напряжение на нагрузке l2 в режиме перегрузки и увеличивает 2О нагрузочную способность преобразователя. При значительном повышении нагрузки 12, сопровождающемся значительным снижением выходного напряжения фильтра Il, амплитуда сигнала 25 разности задающего напряжения н выходного напряжения блока 13 существенно возрастает и становится более уровня опорных сигналов, соответствующего моментам естественного 30 включения, и более эталонного сигнала начального уровня UH . При этом за счет действия усилителя-ограничителя 3 управляющий сигнал становится трапецеидальным с амплитудой, равной З5 Пог, величина которого превышает уровень опорных сигналов, соответствующий моментам естественного зажигания, и амплитуду опорных сигналов (Бд ). Это позволяет значительно уве4О личить действующее значение тока нагрузки преобразователя за счет перехода на прямоугольный закон модуляции импульсов управления, формируемых блоком 6 в моменты пересечения 45 опорных сигналов пилообразной формы, и управляющего сигнала прямоугольной формы с выхода усилителя — ограничителя 3, за счет почти полного исключения интервала одновременного фор5п мирования импульсов управления выпрямительного и инверторного комплектов, а значит и уравнительного тока, что обеспечивается при превышении амплитуды управляющего сигна55 ла над эталонным напряжением, и за счет дополнительного уменьшения углов управления тиристорами, которые включаются ранее точек естественного включения, соответствующих нормаль— Составитель В. Миронов Техред Л. Олийнык Корректор Т. Колб Редактор Н. Тупица Заказ 2759 Тираж 646 Подписное комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 ВНИИПИ Государственного 113035 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 l.il 1464269 12 ным режимам работы. Исключение урав — ную способность преобразователя час— нительного тока повьппает нагрузоч— тоты. 7 8
