Способ релейного формирования сетевых токов в трехфазном мостовом сетевом инверторе
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в сетевых инверторах, входящих в состав электроприводов постоянного и переменного тока, в электротехнических установках. Технический результат изобретения - улучшение формы потребляемого из сети и отдаваемого в сеть тока, возможность регулирования потребляемой из энергосистемы реактивной мощности. Способ релейного формирования сетевых токов заключается в циклическом, с частотой срабатывания релейного регулятора, переключении двух режимов работы. При этом ток каждой фазы формируется соответствующим фазным релейным регулятором согласно заданию, определяемому для каждой фазы по формуле, указанной в формуле изобретения. Режим увеличения тока в соответствующей фазе сети достигается срабатыванием транзистора анодной или катодной группы данной фазы, направление коллектор-эмиттер которого совпадает с направлением задания на ток данной фазы. Для уменьшения тока в фазе сети управляющие импульсы на транзисторы не подаются. При этом в режиме потребления и рекуперации изменяется цепь замыкания. В способе амплитуда задания на действующее значение сетевого тока формируется исходя из условия равенства активной мощности на входе и выходе сетевого инвертора согласно закону, указанному в формуле изобретения. В формировании сетевых токов участвуют диоды и транзисторы сетевого инвертора. Продолжительность протекания тока через диоды и тока через транзисторы определяется темпом уменьшения и темпом увеличения тока в соответствующей фазе сети, который для режимов потребления и рекуперации энергии различен. В режиме потребления энергии преобладает ток через диоды сетевого инвертора, а в режиме рекуперации - через транзисторы. 1 з.п. ф-лы, 10 ил.
Способ релейного формирования сетевых токов в трехфазном мостовом сетевом инверторе относится к области полупроводниковой преобразовательной техники и может быть использован в электроприводах постоянного и переменного тока для электротехнических установок.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является принятый за прототип способ по патенту на изобретение №2280310 "Способ релейного формирования тока и устройство для его осуществления", опубликовано 20.07.2006 в бюллетене №20 Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, авторы Микитченко А.Я., Могучев М.В., патентообладатель ОАО «Рудоавтоматика»).
Известен способ релейного формирования тока в трехфазном мостовом сетевом инверторе, который заключается в циклическом, с частотой срабатывания релейного регулятора, подключении нагрузки через цепочку, состоящую из последовательно соединенных диодов и транзисторов выпрямителя и коммутатора канала потребления, к линейному напряжению сети, положительному по отношению к направлению тока в нагрузке (режим потребления), при этом ток в нагрузке возрастает быстрее темпа изменения сигнала задания на ток на входе релейного регулятора, отключении транзисторов коммутатора канала потребления, при этом замыкание вытесненного из отключаемых транзисторов тока происходит через другие диоды и транзисторы выпрямителя и инвертора канала рекуперации на линейное напряжение сети, отрицательное по отношению к направлению тока в нагрузке (режим рекуперации) и убывании тока в нагрузке быстрее изменения сигнала задания. В режиме рекуперации энергии нагрузку подключают к тому же линейному напряжению сети, что и в режиме потребления, в полярности, противоположной режиму потребления. При этом транзисторы цепи рекуперации открываются в крайнем инверторном режиме без регулирования.
Недостатками данного способа является то, что форма потребляемого и отдаваемого тока далека от синусоидальной формы из-за наличия высших гармоник канонического ряда ν=6k±1, где k=0, 1, 2... и т.д. (т.е. 1, 5, 7, 11, 13... и т.д.), а также отсутствует возможность работы устройства с изменяемым коэффициентом мощности.
Технический результат изобретения - улучшение формы потребляемого из сети и отдаваемого в сеть тока, возможность регулирования потребляемой из энергосистемы реактивной мощности.
Способ релейного формирования сетевых токов заключается в циклическом с частотой срабатывания релейного регулятора переключении двух режимов работы: режим увеличения тока, при этом ток увеличивается быстрее задания на него, и режим уменьшения тока, при этом ток уменьшается быстрее задания на него. Ток каждой фазы формируется соответствующим релейным регулятором в каждой фазе сети согласно заданию, которое определяется амплитудой действующего значения тока фазы сети, необходимого для обеспечения равенства активной мощности на входе и выходе сетевого инвертора согласно формуле:
где, Iф.м. - амплитуда действующего значения тока фазы сети;
Id - ток звена постоянного напряжения, отдаваемый или получаемый нагрузкой;
Ud - напряжение звена постоянного напряжения (может быть регулируемым);
Uф - фазное напряжение сети;
Cosϕ - желаемый коэффициент мощности;
а также его формой, полученной от датчиков фазных напряжений сети или любого другого источника трехфазного напряжения, имеющего ту же частоту, что и сеть, и фазой с учетом желаемого коэффициента мощности.
Задания на сетевые токи определяются согласно выражениям:
для фазы А: 
для фазы В: 
для фазы С: 
где Iф - действующее значение тока фазы сети;
ω - круговая частота сети;
t - время;
ϕ - угол нагрузки (фазовый сдвиг между напряжением и током соответствующей фазы);
π - постоянное число 3,14159.
На фиг.1 представлена структурно-принципиальная схема устройства релейного формирования сетевых токов, содержащая датчики фазного сетевого напряжения 1, датчики фазного тока 2, систему управления с фазными релейными регуляторами сетевых токов 3, сетевые индуктивности 4, сетевой инвертор, выполненный в виде трехфазного мостового выпрямителя, ключи катодной 5 и анодной 6 группы которого состоят из встречно-параллельно включенных диодов и транзисторов, звено постоянного напряжения 7 и нагрузку 8 в качестве потребителя или источника электроэнергии; на фиг.2 - структурно-принципиальная схема, поясняющая работу устройства при увеличении тока в фазе сети в режиме потребления энергии; на фиг.3 - структурно-принципиальная схема, поясняющая работу устройства при увеличении тока в фазе сети в режиме рекуперации энергии; на фиг.4 - структурно-принципиальная схема, поясняющая работу устройства при уменьшении тока в фазе сети в режиме потребления энергии; на фиг. 5 - структурно-принципиальная схема, поясняющая работу устройства при уменьшении тока в фазе сети в режиме рекуперации энергии; на фиг.6 - пример конкретного выполнения устройства, включающий систему управления с релейными регуляторами сетевых токов; на фиг.7 - осциллограммы ЭДС сетевого трансформатора, сетевого тока, задания на него, поясняющие процессы в сетевом инверторе при работе с опережающим коэффициентом мощности в режиме потребления энергии; на фиг.8 - осциллограммы токов через элементы ключей одной фазы сети, поясняющие процессы в сетевом инверторе при работе с опережающим коэффициентом мощности в режиме потребления энергии; на фиг.9 - осциллограммы ЭДС сетевого трансформатора, сетевого тока, задания на него, поясняющие процессы в сетевом инверторе при работе с опережающим коэффициентом мощности в режиме рекуперации энергии; на фиг.10 - осциллограммы токов через элементы ключей одной фазы сети, поясняющие процессы в сетевом инверторе при работе с опережающим коэффициентом мощности в режиме рекуперации энергии.
Пример выполнения способа релейного формирования сетевых токов в трехфазном мостовом сетевом инверторе и работа устройства.
Поочередным включением первого (увеличение тока) и второго (уменьшение тока) режимов достигается поддержание сетевых токов на уровне заданных: для увеличения тока в соответствующей фазе сети срабатывает то транзистор данной фазы анодной 6 или катодной 5 группы (фиг.1), направление коллектор-эмиттер которого совпадает с направлением задания на ток данной фазы, при этом в режиме потребления энергии (фиг.2) ток замыкается по цепочке - индуктивность данной фазы сети 4 (La), открытый транзистор данной фазы VT4 (или VT1), диод этой же группы другой фазы VD2 или VD6 (VD3 или VD5), на катоде (или аноде) которого присутствует меньший (или больший) потенциал, сетевая индуктивность 4 другой фазы сети (Lb или Lc). В режиме рекуперации энергии (фиг.3) увеличивающийся ток протекает по цепочке - индуктивность данной фазы 4 (La), открытый транзистор данной фазы VT4 (или VT1), конденсатор в звене постоянного напряжения 7 (С), открытый транзистор другой группы и фазы VT3 или VT5 (VT6 или VT2), контурный потенциал которого ниже, сетевая индуктивность 4 другой фазы сети (Lb или Lc). Для уменьшения тока в фазе сети управляющие импульсы на транзисторы не подаются, при этом ток в режиме потребления (фиг.4) и рекуперации (фиг.5) замыкается по цепочке - сетевая индуктивность 4 данной фазы сети (La), диод данной фазы VD1 (или VD4), направление анод-катод которого совпадает с направлением тока, емкость (С) в звене постоянного напряжения 7, диод другой группы и фазы VD2 или VD6 (VD3 или VD5), на катоде (или аноде) которого присутствует меньший (или больший) потенциал, сетевая индуктивность 4 другой фазы сети (Lb или Lc). Система управления с релейными регуляторами сетевых токов на фиг.6 содержит релейные регуляторы 9, 10, 11 - по количеству фаз сети, на вход которых подается сигнал рассогласования задания на ток соответствующей фазы и сетевого тока этой же фазы. Сигнал задания на ток по форме формируется согласно синусоидальной форме фазного напряжения сети, по фазе - определяется заданием на требуемый коэффициент мощности (±ϕ), амплитуда действующего значения сигнала задания на ток задается блоком 12 по сигналам задания на напряжение и обратных связей напряжения и тока звена постоянного напряжения.
По осциллограммам, поясняющим процессы в сетевом инверторе, наблюдаются переключения режимов работы релейного регулятора (режим увеличения тока и режим уменьшения тока) при работе с опережающим коэффициентом мощности в режиме потребления энергии (фиг.7 и 8) и рекуперации энергии (фиг.9 и 10). На осциллограммах формы тока фазы сети (фиг.7 и 9) присутствуют высшие гармоники, но они не принадлежат к каноническому ряду ν=6k±1, где k=0, 1, 2... и т.д., а определяются частотой срабатывания релейного регулятора и мало влияют на синусоидальный характер формы тока. В режиме потребления энергии (фиг.8) преобладает ток через диоды сетевого инвертора, транзисторы открываются для увеличения тока в фазе сети и частота их коммутации определяется темпом увеличения и уменьшения сетевого тока. Темп увеличения сетевого тока выше (при этом в данной фазе открыт транзистор), чем темп его уменьшения (при этом в данной фазе открыт диод), и время проводящего состояния транзистора соответственно меньше времени проводящего состояния диода. В режиме рекуперации энергии (фиг.10) преобладает ток через транзисторы, диоды открываются для уменьшения тока в фазе сети. В этом режиме темп увеличения сетевого тока ниже (при этом ток замыкается через открытый транзистор данной фазы), чем темп его уменьшения (при этом ток замыкается через открытый диод данной фазы), и время проводящего состояния транзистора соответственно больше времени проводящего состояния диода. Другие интервалы времени, в течение которых происходят увеличения и уменьшения тока в фазе сети (фиг.7 и 9), напрямую не связанные с процессами коммутации диодов и транзисторов данной фазы (фиг.8 и 10), объясняются независимо происходящими от данной фазы процессами коммутации в других фазах сети согласно соотношению:
где Iфa - ток фазы А;
Iфb - ток фазы В;
Iфc - ток фазы С.
Выбросы тока при коммутации транзисторов (фигуры 8 и 10) объясняются наличием снабберных цепей, включенных для защиты ключевых элементов от перенапряжений (на фиг.1, 2, 3, 6 условно не показаны).
Преимущества предлагаемого способа формирования сетевых токов заключаются в том, что потребляемые и отдаваемые в питающую сеть токи имеют синусоидальный характер, а также возможна работа устройства с отстающим или опережающим коэффициентом мощности (при изменении задания на ϕ).
1. Способ релейного формирования сетевых токов, потребляемых и отдаваемых сетевым инвертором, выполненным в виде трехфазного мостового выпрямителя, ключи которого состоят из встречно-параллельно включенных диодов и транзисторов, состоящий в циклическом (с частотой срабатывания релейного регулятора) переключении двух режимов работы: режима увеличения тока, при этом ток увеличивается быстрее задания на него, и режима уменьшения тока, при этом ток уменьшается быстрее задания на него, отличающийся тем, что ток каждой фазы сети формируется соответствующим фазным релейным регулятором согласно задания
для фазы А: 
для фазы В: 
для фазы С: 
где Iф - действующее значение тока фазы сети;
ω - круговая частота сети;
t - время;
ϕ - угол нагрузки (фазовый сдвиг между напряжением и током соответствующей фазы);
π - постоянное число 3,14159,
для увеличения тока в соответствующей фазе сети срабатывает тот транзистор данной фазы (анодной или катодной группы), направление коллектор-эмиттер которого совпадает с направлением задания на ток данной фазы, при этом в режиме потребления энергии ток замыкается по цепочке индуктивность данной фазы сети, открытый транзистор данной фазы, диод этой же группы другой фазы (на катоде или аноде которого присутствует меньший или больший потенциал соответственно), индуктивность другой фазы сети, в режиме рекуперации энергии ток замыкается по цепочке индуктивность данной фазы, открытый транзистор данной фазы, конденсатор в звене постоянного напряжения, открытый транзистор другой группы и фазы (контурный потенциал которого ниже), сетевая индуктивность другой фазы, для уменьшения тока в фазе сети управляющие импульсы на транзисторы не подаются, при этом ток в режиме потребления и рекуперации замыкается по цепочке индуктивность данной фазы, диод данной фазы, направление анод-катод которого совпадает с направлением тока, емкость в звене постоянного напряжения, диод другой группы и фазы (на катоде или аноде которого присутствует меньший или больший потенциал соответственно), сетевая индуктивность другой фазы.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что амплитуда задания на действующее значение сетевого тока формируется исходя из условия равенства активной мощности на входе и выходе сетевого инвертора согласно формуле
где Iф.м. - амплитуда действующего значения тока фазы сети;
Id - ток звена постоянного напряжения, отдаваемый или получаемый нагрузкой;
Ud - напряжение звена постоянного напряжения (может быть регулируемым);
Uф - фазное напряжение сети;
Cosϕ - желаемый коэффициент мощности,
а форма и фаза задания формируется либо от датчиков фазных напряжений сети (при Cosϕ=1), либо от независимого трехфазного источника той же частоты (при Cosϕ≠1).
