Способ многозонного широтно-импульсного управления вентильным преобразователем

 

Способ обеспечивает непрерывное регулирование напряжения на выходе многофазного вентильного преобразователя, выполненного на двухоперационных ключах, путем сочетания амплитудной и широтно-импульсной модуляции. Возрастание управляющего сигнала сопровождается ступенчатым изменением амплитуды среднего значения выходного напряжения при переходе из одной зоны регулирования в другую, дополняемое плавным регулированием этого напряжения внутри каждой зоны способом широтно-импульсной модуляции. Выработка управляющих импульсов осуществляется на основе вертикального принципа в результате одновременного сравнения управляющего и периодически изменяющихся синхронно с пульсациями выпрямленного напряжения опорных сигналов количеством, равным числу амплитудных зон, и формой, отличающейся друг от друга смещением по уровню и начальной фазой. Переключение вентилей в указанные моменты чередуется с переключением в тактовые моменты, совпадающие с началом и серединой каждого такта. Может быть использован в преобразователях с непосредственной связью сети и нагрузки для расширения частотной полосы пропускания и уменьшения амплитуды пульсаций напряжения и тока, что является техническим результатом. 3 ил., 1 табл.

Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике и может быть применено для регулирования напряжения или частоты на выходе многофазного вентильного преобразователя с непосредственной связью сети и нагрузки /управляемые выпрямители, непосредственные преобразователи частоты, регуляторы переменного напряжения/, силовая схема которых выполняется на полностью управляемых вентилях типа GTO, JGBT и др.

Известны способы управления преобразователями указанного класса на основе широтно-импульсной модуляции второго рода /ШИМ-2/, реализация которой осуществляется путем поочередного подключения с тактовой частотой цепи нагрузки к двум фазам сети, имеющим на каждом такте минимальные отклонения мгновенных значений напряжения по сравнению с управляющим сигналом, приведенным к выходной цепи преобразователя. Подобные способы регулирования предпочтительны тем, что обеспечивают минимальные перепады выходного напряжения при коммутациях, а значит, уменьшают глубину пульсаций тока и скачки обратного напряжения на вентилях /см., например, Повышение качества электрической анергии. Под ред. А.К. Шидловского. Киев; "Наук. думка", 1963, с. 140/.

Наиболее близким по технической сущности можно признать способ управления, который предполагает отыскание так называемых амплитудных зон в многофазной системе напряжений сети и соответствующее изменение алгоритма переключений вентилей в каждой из указанных зон /см. Способы управления преобразователями частоты с непосредственной связью и искусственной коммутацией. Рутманис Л.А., Дрейманис Я.П., Аржаник О.И. г. Рига; "Зинатне", 1976 г., с. 83/. Для реализации данного способа используется специальный анализатор амплитудных зон сетевых напряжений, наличие которого, на наш взгляд, усложняет систему широтно-импульсного управления преобразователем. Общие существенные признаки предлагаемого технического решения и указанного прототипа состоят в выделении тактовых интервалов длительностью 2π/m, границы которых совпадают с моментами перехода сетевых напряжений через нулевое значение и поочередном подключении цепи нагрузки к двум фазам сети, имеющим напряжения в течение такта в одной фазе большее, а в другой - меньшее по сравнению с приведенным к выходной цепи преобразователя сигналом управления, а также в регулировании длительности подключений на основе вертикального принципа путем отыскания моментов включения очередных и одновременного выключения работавших вентилей в моменты равенства управляющего и периодически изменяющихся синхронно с пульсирующим выпрямленным напряжением опорных сигналов.

Предлагаемое решение отличается тем, что опорные сигналы количеством m, равным числу пульсаций на периоде сети, и амплитудой отклонений, в m раз меньшей по сравнению с амплитудой изменения управляющего сигнала при регулировании выпрямленного напряжения во всем диапазоне от максимального отрицательного до максимального положительного значений (U_ум), формируют на выходе генератора первичного опорного сигнала непрерывной с периодом 2π/m формы, образованной чередованием линейно возрастающего участка в течение первой половины такта и линейно убывающего участка в течение второй половины этого же такта, а также на выходах m повторителей опорного сигнала, обладающих способностью смещения и инвертирования фазы выходного сигнала, так что у каждого повторителя с нечетным порядковым номером к = 1,3,...m-1 опорный сигнал на выходе смещен по уровню на величину, составляющую часть амплитуды управляющего сигнала, имея границы тактов, совпадающие с моментами перехода через нуль фазных напряжений сети, а у каждого повторителя с четным порядковым номером к 2,4,...m сигнал на выходе кроме смещения на указанную величину подвергнут фазовому сдвигу на 180 эл. градусов по сравнению с первичным опорным сигналом, имея при атом границы тактов, совпадающие с моментами перехода через нуль линейных напряжений сети, причем, если управление осуществляется в к-ой зоне, то есть управляющий сигнал изменяется в пределах и управляющие импульсы вырабатываются на выходе к-го повторителя, порядковий номер которого удовлетворяет условию то эти импульсы направляются для поочередного включения на каждом такте вентилей двух фаз сети, имеющих междуфазовый сдвиг и точку пересечения отрицательных полуволн на каждом периоде, совпадающую с серединой такта, причем включение вентилей одной из этих фаз в течение такта осуществляется дважды в моменты совпадения управляющего и опорного сигналов, а включение вентилей другой фазы - однократно в указанный момент пересечения отрицательных полуволн сетевых напряжений, совпадающий с серединой такта, если же управляющие импульсы будут вырабатываться на выходе повторителя с порядковым номером алгоритм включения вентилей будет аналогичным, с той лишь разницей, что в тактовые моменты будут включаться вентили тех фаз, у которых с серединой каждого такта будут совпадать точки пересечения не отрицательных, а положительных полуволн сетевых напряжений.

Технический результат предлагаемого решения состоит в упрощении системы управления преобразователем за счет устранения указанного выше анализатора амплитудных зон.

На фиг. 1 изображены временные диаграммы управляющего U_у, опорных U_опк и выпрямленного U_d напряжений, а также синхронизирующих импульсных сигналов временных зон 12, 22, 32, 42, 52, 62 и управляющих импульсов 1, 2, 3, 4, 5, 6, направляемых для включения очередных и одновременного выключения ранее работавших двухоперационных вентилей. Диаграммы иллюстрируют предложенный способ на примере управления 3-фазной мостовой схемой выпрямления. На фиг. 2 приведены блок-схема управляемого преобразователя /a/ и его регулировочные характеристики /б/, полученные интегрированием мгновенных значений выпрямленного напряжения на периоде пульсаций. На фиг. 3 изображена упрощенная схема цепей управления рассматриваемым преобразователем, иллюстрирующая один из возможных примеров ее исполнения, в данном случае на анологовой элементной базе.

С целью общности рассмотрения диаграммы на фиг. 1 изображают процесс отработки 3-фазным мостовым преобразователем управляющего сигнала, увеличивающегося от 0 до максимума. Полагается, что преобразователь выполнен по реверсивной двухмостовой встречно-параллельной схеме выпрямления на двухоперационных вентилях /см. фиг. 3/. Управление вентильными комплектами в подобных схемах может быть осуществлено путем одновременной подачи отпирающих импульсов на каждые два встречно-параллельных вентиля разных мостов, подключенных к одной фазе. Известно, что подобная реализация совместного согласованного управления вентильными комплектами возможна лишь при наличии запираемых вентилей, обеспечивая мгновенную готовность к возникновению выпрямительного или инверторного режима без появления уравнительных токов. С целью наглядности указанные противопараллельные вентили разных мостов обозначены на фиг. 3 одинаковыми номерами. Отыскание моментов переключения вентилей осуществляется по вертикальному принципу, то есть в точках равенства управляющего и опорных сигналов U_у = U_опк, где к = 1, 2, 3,...6 - номер опорного сигнала, совпадающий с порядковым номером зоны управления. Полагается, что при работе в зонах к = 1, 2, 5, 6 каждое включение очередных вентилей сопровождается одновременным выключением ранее работавших вентилей, а в зонах с номерами к = 3, 4 указанное выключение вентилей не производится, что обеспечивает кратковременное шунтирование нагрузки, способствующее получению формы выпрямленного напряжения с минимальными пульсациями.

Особенность предлагаемого способа управления состоит в наличии нескольких опорных сигналов, из которых первичный опорный сигнал изображен на диаграммах утолщенной линией. Как видно, этот сигнал на каждом периоде /такте/ длительностью 2π/6 имеет форму равнобедренного треугольника с величиной, синхронизированной с точкой пересечения тех полуволн сетевых напряжений, которые участвуют в процессе переключений на данном такте. Амплитуда первичного опорного сигнала в m = 6 раз меньше по сравнению с амплитудой изменения управляющего сигнала U_ум, необходимой для изменения выпрямленного напряжения от максимального отрицательного до максимального положительного значений. Первичный опорный сигнал повторяется на выходах к 1, 2, 3, . . .6 повторителей, причем опорные сигналы на выходах повторителей с нечетными номерами, обозначенные 11, 31, 51, отличаются от первичного смещением по уровню на постоянную величину, равную часть амплитуды управляющего сигнала U_ум, а опорные сигналы на выходах повторителей с четными номерами, обозначенные как 21, 41, 61, отличаются от первичного сигнала еще и тем, что изменены по фазе на 180 эл. градусов. Синхронизирующие импульсы временных зон 12, 32, 52 показывают, что опорные сигналы на выходах повторителей с нечетными номерами имеют границы тактов, совпадающие с моментами перехода через нуль фазных напряжений сети, а опорные сигналы повторителей с четными номерами имеют границы тактов, совпадающие с моментами перехода через нуль линейных напряжений сети. Сравнение управляющего и опорных сигналов осуществляется по параллельному принципу, однако выработка управляющих импульсов будет происходить в течение такта на выходе только одного повторителя-формирователя, порядковый номер которого соответствует зоне управления. Так, если значение управляющего сигнала находится в пределах 0 ≅ U_у ≅ U_ум/6, выработка управляющих импульсов будет происходить с выхода к = 1-го повторителя-формирователя в моменты равенства управляющего U_у и опорного 11 сигналов. В данной зоне широтно-импульсной модуляции должны подвергаться пары сетевых напряжений, имеющие на каждом такте наиболее отрицательные значения по сравнению с напряжениями других фаз, например напряжения U_ac и U_bc на интервале появления синхроимпульса 12. Нетрудно заметить, что указанные линейные напряжения должны иметь минимальный межфазовый сдвиг 2π/6 и точку пересечения отрицательных полуволн, совпадающую с серединой текущего такта, границы которых совпадают с моментами перехода через нуль фазных напряжений сети и определяются синхронизирующими импульсами 12, 32, 52. Как будет показано, данный признак может быть положен в основу работы распределителя управляющих импульсов по вентилям моста. Заявленный алгоритм предусматривает общее 4-кратное переключение вентилей на каждом такте, из них 2-кратное включение одних и тех же вентилей в моменты равенства управляющего и опорного сигналов, чередующееся с включением других пар вентилей в начале и середине такта. Например, 2-кратное включение вентилей 1, 2, подключенных к напряжению U_ac в моменты t₁, t₂, чередуются с включением вентилей 2, 3, находящихся под напряжением U_bc, сдвинутым по фазе 2π/6 в моменты, совпадающие с началом и серединой такта. Если управляющий сигнал возрастет и окажется в пределах U_ум/6 ≅ U_у ≅ U_ум/3, управляющие импульсы начнут вырабатываться с выхода к = 2-го повторителя-формирователя в моменты равенства с опорным сигналом 21. Последний по сравнению с первичным опорным сигналом 11 смещен по уровню на 2π/6 и сдвинут по фазе на 180^o. В данной зоне границы тактов совпадают с моментами перехода через нуль линейных напряжений сети и задаются синхроимпульсами 22, 42, 62. При этом управляющие импульсы должны направляться на вентили тех пар линейных напряжений сети, которые имеют межфазовый сдвиг 4 π /6 и точку пересечения отрицательных полуволн, совпадающую с серединой текущего такта. Например, на интервале появления синхроимпульса 62 включения вентилей 3, 4, находящихся под напряжением U_ba в моменты t₆, t₇, должны чередоваться с включениями вентилей 5, 6, находящихся под напряжением U_cb в начале и середине такта. Если управляющий сигнал начнет изменяться в к = 3-й зоне в пределах U_ум/3 ≅ U_у ≅ U_ум/2, управляющие импульсы будут появляться с выхода повторителя-формирователя в моменты равенства с опорным сигналом 31. Данный опорный сигнал смещен по уровню на величину 2U_ум/3, а границы тактов так же, как и в первой зоне задаются синхроимпульсами 12, 32, 52. В зонах с номерами к = 3, 4 переключениям подвергаются вентили тех линейных напряжений сети, которые имеют на рассматриваемом такте фазовый сдвиг π рад. При этом с целью уменьшения пульсаций включения вентилей указанных фаз должны чередоваться с шунтированием цепи нагрузки противофазными вентилями моста. Как следует из диаграмм на фиг. 1, такая работа вентилей не требует какого-либо изменения алгоритма переключений. Так, например, включение вентилей 2, 3 в середине такта 52 приведет к подключению нагрузки к линейному напряжению. Последующее включение вентилей 5, 6, подключенных к напряжению U_cb в момент t₁₂, приведет к шунтированию цепи нагрузки до следующего переключения. Работа преобразователя в 5 и 6-й зонах управления будет отличаться лишь тем, что в процессе широтно-импульсной модуляции участвуют те напряжения сети, у которых с серединой текущего такта совпадает точка пересечения положительных полуволн.

Представленный алгоритм управления отвечает необходимому условию плавного изменения среднего выпрямленного напряжения в процессе регулирования при переходе из одной зоны в другую. Получим выражения регулировочной характеристики, связывающей среднее значение выпрямленного напряжения с управляющим напряжением U_d = f(U_у), полагая, что структурная схема преобразователя состоит из двух последовательно включенных звеньев: системы управления /СУ/ с характеристикой α = f(U_у) и собственно вентильного преобразователя /ВП/ с характеристикой Ud = f(α) /см. фиг. 2а/. Записывая уравнения точки встречи управляющего и опорного сигналов и осуществляя после этого интегрирование и усреднение выпрямленного напряжения за период пульсаций 2π/6, приведем уравнения регулировочных характеристик указанных звеньев: в первой зоне 0 ≅ U_у^* ≅ 5/30 во второй зоне 5/30 ≅ U_у^* ≅ 10/30 в третьей зоне 10/30 ≅ U_у^* ≅ 15/30
Ввиду симметрии напряжения выражения регулировочных характеристик в остальных зонах регулирования будут аналогичными. Результаты расчета приведенных уравнений сведены в таблицу.

График регулировочной характеристики U_d^* = f(U_у^*), построенный на фиг. 2б, свидетельствует, что отклонения данной зависимости от идеальной линейной формы не превышают нескольких процентов.

Реализация преложенного способа управления возможна с помощью устройства, изображенного на фиг. 3. Устройство содержит реверсивный преобразователь по 3-фазной мостовой схеме выпрямления на встречно-параллельных тиристорах 1 - 6, потенциометрический задатчик управляющего напряжения 7 с цепью смещения U_ум/2, необходимой для согласования знакопеременного задающего сигнала U_з с однополярной характеристикой системы управления, генератор первичного опорного сигнала 8, подключенный входом с целью синхронизации к обмоткам сетевого согласующего трансформатора, а выходом - к параллельным входам повторителей опорного сигнала 9-14, выполняющим одновременно функции формирователей управляющих импульсов. Полагается, что последние вырабатывают управляющие импульсы на своих выходах в соответствии с вертикальным принципом в моменты равенства управляющего и опорных сигналов. В связи с этим вторые параллельные входы указанных повторителей-формирователей подключены к выходу потенциометрического задатчика. Управляющие импульсы, в каждый момент выделяющиеся на одном из выходов повторителей-формирователей, поступают на входы распределителя управляющих импульсов, который содержит формирователи синхронизирующих импульсов, фронты которых совпадают с моментами перехода через нулевое значение фазных /15/ и линейных /16/ напряжений сети, которые также подключены своими входами к обмоткам согласующего трансформатора, а выходами к формирователям синхронизирующих импульсов временных зон 17, 18. На выходах формирователя 17 выделяются синхроимпульсы, границы которых определяют длительность тактов опорных сигналов, с нечетными порядковыми номерами, а на выходе формирователя 18 - синхроимпульсы, определяющие длительность тактов опорных сигналов с четными номерами. Распределитель состоит из шести идентичных каналов управления, каждый из которых предназначен для выработки импульсов управления определенной пары силовых вентилей. Так, например, канал управления вентилями 1, 2 содержит десять логических схем совпадения, первые входы которых подключаются к выходам повторителей-формирователей управляющих импульсов. Вторые входы указанных схем совпадения служат для подачи синхроимпульсов временных зон. Тогда, если управляющие импульсы будут формироваться на выходе повторителя 9 /первая зона управления/, то они будут поступать на вентили 1, 2 в течение тех интервалов времени, пока на выходе формирователя 17 будут выделяться синхроимпульсы 12. Аналогично работают остальные каналы распределителя импульсов. Включение вентилей в тактовые моменты происходит с помощью специального формирователя тактовых импульсов, который также состоит из шести одинаковых каналов. Полагается, что выработке импульса в начале каждого такта должно предшествовать появление управляющего импульса с одного из выходов рассмотренного выше распределителя. Поступление последнего на S-вход триггера 19 приведет к появлению разрешающего сигнала на входе логической схемы совпадения 20. В результате появление очередного тактового импульса с общего выхода формирователя 15 приведет к тому, что этот импульс будет пропущен на выход логической схемы 20, а далее - на управляющие электроды силовых вентилей 2, 3, что необходимо в соответствии с указанным алгоритмом. Одновременно с этим произойдет сброс триггера 19 в исходное состояние. Аналогично работают цепи формирования управляющих импульсов в середине такта, содержащие триггер 21 и логическую схему совпадения 22. Полагается, что таким же образом могут быть выполнены остальные каналы распределителя.

Формула изобретения

Способ многозонного широтно-импульсного управления вентильным преобразователем путем выделения тактовых интервалов длительностью 2π/m, границы которых совпадают с моментами перехода напряжений сети через нулевое значение и поочередного подключения выходной цепи нагрузки к двух фазам сети, имеющим напряжения на указанном тактовом интервале в одной фазе большее, а в другой - меньшее по сравнению с приведенным к выходной цепи преобразователя сигналом управления, а также регулирование длительности подключений на основе вертикального принципа отысканием моментов включения и одновременного выключения ранее работавших вентилей в точках равенства управляющего и периодически изменяющихся синхронно с пульсирующим выпрямленным напряжением опорных сигналов, отличающийся тем, что, опорные сигналы количеством m, равным числу пульсаций на периоде сети и амплитудой отклонений, в m раз меньшей по сравнению с амплитудой изменения управляющего сигнала при регулировании выпрямленного напряжения во всем диапазоне от максимального отрицательного до максимального положительного значения (U_ум), формируют на выходе генератора первичного опорного сигнала непрерывной с периодом 2π/m формы, образованной чередованием линейно возрастающего участка в течение первой половины такта и линейно убывающего участка в течение второй половины этого же такта, также на выходах m повторителей опорного сигнала, обладающих способностью смещения по уровню и инвертирования фазы выходного сигнала, так, что у каждого повторителя с нечетным порядковым номером к = 1, 3, ...m-1 опорный сигнал на выходе имеет границы тактов, совпадающие с моментами перехода через нуль фазных напряжений сети, причем каждый смещен по уровню на величину, составляющую ую часть амплитуды управляющего сигнала U_ум, а у каждого повторителя с четным порядковым номером к = 2, 4, ...m опорный сигнал на выходе кроме смещения на указанную величину подвергнут фазовому сдвигу на 180 эл.град. по сравнению с первичным опорным сигналом, имея при этом границы тактов, совпадающие с моментами перехода через нуль линейных напряжений сети, причем, если управление осуществляется в к-ой зоне, то есть управляющий сигнал изменяется в пределах и управляющие импульсы вырабатывают на выходе к-го повторителя-формирователя, порядковый номер которого удовлетворяет условию то эти импульсы направляются для поочередного включения на каждом такте вентилей двух фаз сети, имеющих междуфазовый сдвиг и точку пересечения отрицательных полуволн на каждом периоде, совпадающую с серединой текущего такта, при этом включение вентилей одной из этих фаз в течение такта осуществляется дважды в момент совпадения управляющего и опорных сигналов, а включение вентилей другой фазы - однократно в указанный момент пересечения отрицательных полуволн сетевых напряжений, совпадающий с серединой такта, если же управляющие импульсы будут вырабатываться на выходе повторителя-формирователя с порядковым номером , алгоритм включения вентилей будет аналогичным, с той лишь разницей, что в тактовые моменты будут включаться вентили тех фаз, у которых с серединой текущего такта будут совпадать точки пересечения положительных полуволн сетевых напряжений.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4