Способ управления трехфазным мостовым преобразователем переменного тока в постоянный

(д) 4 Н 02 М 7/162 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ЬСТВУ АВТОРСКОМУ. СВИДЕ Ъдс ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРпО делАм изОБРетений и ОтнРытий(71) Ташкентский политехнический институт им, А.Р. Бируни(56) Авторское свидетельство СССР В 111746, кл. Н 02 М 7/19, 1957.Авторское свидетельство СССР У 187880, кл. Н 02 М 7/72, 1964.Авторское свидетельство СССР В 404171, кл. Н 02 Р 3/16, 1971.(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТРЕХФАЗНЫМ МОСТОВЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ПОСТОЯННЬЮ(57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для повышения энергетических показателей управляемых выпрямителей и улучшения их динамических характеристик. Целью изобретения является,улучшение гармонического состава первичного тока и выпрямленного напряжения преобразователя, повышение быстродействия регулирования и упрощение системы управления вентилями. Эта цель достигается использованием предлагаемых алгоритмов отпирания вентилей преобразователяпри включе- нии их с любым четным числом раз в течение периода напряжения сети. Такое управление вентилями обеспечивает снижение амплитуд низших гармоник первичного тока и выпрямленного напряжения за счет увеличения амплитуд гармоник более высокого порядка, которые легче фильтруются. Повышениес кратности принудительного включения вентилей приводит также к снижению времени реакции преобразователя на . Сфф изменение управляющего воздействия, т.е. к повышению быстродействия приЬи регулировании выпрямленного напряжения. 1 з.п. ф-лы, 12 ил.1282293 Составитель Е. МельниковаТехред В. Кадар орректор И, М Редактор В. Данко Заказ 72 одписно НИИПИ по д 13035 Производственно-полиграфическое предприят Тираж 661Государственноголам изобретенийМосква, Ж, Р омитета СССР открытийушская наб., д. 4/5 жгород, ул, Проектная, 4О 20 25 Изобретение относится к электротехнике и может бьпь использовано для повышения энергетических показателей трехфазных мостовых управляемых выпрямителей и улучшения их динамических характеристик,Целью изобретения является улучшение гармонического состава первичного тока и выпрямленного напряжения и повышение быстродействия регулирования.На Фиг. 1 приведены диаграммы токов вентилей , -х и тока Фазы А питающей сети х, а также выпрямленного напряжения ц,1 трехФазного мостового преобразователя прц управлении с четырехкратным включением вентилей, работающего в выпрямительном режиме с отстающим коэффициентом сдвига к . 11 (углы отпирания вентилей на Фиг.соответствуют частным значениям углов У,= 36 и Р = 18 и в соответствии с приведенными Формулами равны с 1.,= 36 , о = 126, д.228 , о = 258 ; .алгоритм отпира ния вентилей на фиг. 1 соответствует спускаю, когда разность углов271 б18= 30 ) :на Фиг. 2 - диагЗараммы этих же токов и напряжений при управлении с четырехкратным включением вентилей для случая, когда выпрямитель работает в инверторном режиме с опережающим коэффициентомгсдвйга к,(разность углов = -18 и У= -60 оавца в этом слу 2 гчае У - Р = 42- = 30 , а углыЗоуотпирания вентилей в соответствии с алгоритмом для этого значения разности углов р, и У равны с( =-18 б, о.2 0 о) . фиг. 3 - диаграммы этих же токов и напряжений при управлении с четырехкратным включением вентилей при работе преобразователя в выпрямительном режиме с коэффициентом сдвига К =1 Гэти диаграмиы соответствуютсО частным значениям углов=- М =9ф причем разность этих углов равнаб О18 - т.е, меньше 30; углы отпира - ния вентилей в соответствии с алгоритмом для этого значения разности углов ,и р равны Ы, = 9 , Ы = 99 , оЗ = 201, Фб = 231, приэтом диаграммы на Фиг. 1-3 соответствуют управлению, с изменяющимся впроцессе регулирования алгоритмомотпирания вентилей в зависимости от 1 величины разности углов 1 и ч; наа Фиг. 4 - диграммы этих же токов и напряжений преобразователя при управлении с шестикратным включением вентилей, соответствующие алгоритму отпирания вентилей, который остается неизменным на всем диапазоне регулирования, т.е. не зависит от значе" ния разности углов Ф,и Ч (эти углы на Фиг,4 равны М = - ч = 6, а углы отпирания вентилей в соответствиио с этим алгоритмом равны о 1., = 6 о( -- 46, о. = 86", о = 194, б( = = 234 , с, = 274 , диаграммы на фиг. 4 соответствуют работе преобразователя в выпрямительном режиме с коэффициентом сдвига, равным единице); на Фиг. 5 - зависимость максимального коэффициента мощности К преобразователя при управлении по закону М=М от величины выпрямленного напряжения в относительных единицах для случаев а=2 (кривая ) и я-ж (кривая 2); на Фиг. 6 - зависимости относительных значений амплитуд гармоник первичного тока от, величины выпрямленного напряженияпри управлении с двукратным (ц = 2)включением вентилей по закону , =- Уф -0 ,при котором К,= 1, а Кр К ,.,(кри-10ю мКквая 3 показывает характер изменения амплитуды 5-й гармоники первичного тока в процессе регулированиявыпрямленного напряжения, кривая 4- 35 7-й гармоники, кривая 5-11-й гармоники, кривая 6- 13 - й гармоники, акривая 7 - 1-й гармоники; пунктирными линиями 8 - 11 изображены соответственно величины 5-й, 7-й, 11-й 40 и 13-й гармоник первичного тока преобразователя при обычном и симметричном управлении вентилями в такоуправлению соответствует равенствоуглов М,и); на фиг, 7 - аналогич ные зависимости при управлении с че"тырехкратным (ц=4) включением вентилей по закону Ч, =-М, на Фиг. 8 - зависимости относительных амплитуд гармоник выпрямленного напряжения отвеличины его среднего значения приуправлении с двукратным включениемвентилей по закону У, =- У (кривая12 показывает изменение 6-й гармоники выпрямленного напряжения, кривая13- изменение 12-й гармоники, пунктирные линии 14 и 15 - изменение соответственно 6-й и 12-й гармоник выпрямленного напряжения при обычномсимметричном управлении, т.е. при4-й -о = Ч4 3Ч, = Ч ); на фиг, 9 - аналогичные зависимости, соответствующие управлению с четырехкратным включением вентилей; на фиг. 10 - упрощенная функциональная схема системы управления с шестикратным включением вен-, тилей преобразователя, реализующая алгоритм управления, по п. 1 фор-мулы изобретения (схема имеет два канала, так как в соответствии с 10 реализуемым алгоритмом управления одновременно должны изменяться два угла - Ч,и Ч ); на фиг. 1 - диаграммы выходных импульсов отдельных элементов схемы при реализации алго ритма управления по п. 1 формулы изобретения; на фиг. 12 - аналогичные диаграммы при реализации алгоритма управления по п,2 формулы изобретения. 20Система управления (фиг.10) содержит генератор 16 задающих У и синхронизирующих У, импульсов, синхронизированных с напряжением питающей преобразователь сети, фазосдвигающие устройства блоки задержки) 17 и 18, узел 19 сравнения фаз импульсов фаэосдвигающих устройств,1 и 8, коммутатор 20 выходных импульсов.Генератор 16 вырабатывает непре рывную последовательность задающих импульсов Б, следующих с 18 -кратной частотой (т.е, с частотой 900 Гц), а также последовательность синхронизирующих импульсов, следую щих с частотой 50 Гц (синхронизирующие импульсы необходимы для фиксации начала каждого нового периода). Серия задающих импульсов У- на протя 3жении одного периода показана на 4( фиг. 11. На выходах фазосдвигающих устройств 17 и 8 получаются такие же серии импульсов, но сдвинутые относительно задающих импульсов У соответственно на углы ч и Ч (импуль сы У щ ,и У:на фиг.11). Фазоч зв.сдвигающие устройства 17 и 18 являются управляемыми, т.е. углы Ч и Ч изменяются пропорционально изменению управляющего напряжения У.50Импульсы с выходов фазосдвигающих устройств поступают на вход коммутатора 20, который распределяет их по шести выходным каналам, обозначенным -на фиг. 1 О номерами соответствующих 55 силовых тиристоров преобразователя. Коммутатор 20 представляет собой два распределителя импульсов, имеющих ф общие выходные цепи. В соответствии с алгоритмом управления по и, 1 формулы изобретения при Ч -Ч ( Ч /9 коммутатор 20 должен1 Дпропускать в канал управления, например тиристором Ч 1, шесть импульсов, сдвинутых относительно момента естественного отпирания этого тирис" тора 1(этот момент совпадает с началом отсчета на фиг. 1) соответственно на углы1-й импульс - с - Ч,р )2-й - ЫЧ + - + - =,Ч +4;1 93-й -д. =Ч,+ - +2- =Р 1+5-;4-й -с =Ч + . + 4- = Ч +10-4 д 3 9 а 927 й ).й,.:Ч + - +5- = Ч +11-53 992 У Э36-й -Ы =Ч++6- = Ч +12-.3 9 2 9 Такие углы имеют соответственно 1-й, 5-й,и 6-й импульсы серии Б и 11-й, 12-й и 13-й импульсы серййСледовательно, коммутатор 20 должен быть выполнен так, чтобы при Ч,-М ( Э: /9 он пропускал в канал Ч 1 именно эти импульсы - серия импульсов Ц(фиг. 11).При Ч,-Ч ) 1 /9 в канал управпения тиристором Ч 1 также должны посту-. пать шесть импульсов, но уже с другими углами сдвига 5-й - с =Ч+3+ 5- = М +14-Л й, 9ф6-й -Ы = Ч +3 Г +6- = Ч +15 - .399Такие углы сдвига имеют соответственно 1-й, 2-й и 3-й импульсы серии У , и 1-й, 15-й и 16-й импульсы серйи П. Таким образом, какритолько разность углов Ч - Ч превысит 20, коммутатор 20 должен изменить характер функционирования и пропускать в канал Ч 1 уже другие импульсы - серии У, (на фиг. 11). Изменение характера функционирования коммутатора 20 осуществляется под воздействием выходного сигнала узла 19 сравнения фаз импульсов фазосдвигающих устройств (фиг. 10). Такую перестройку работы коммутатора 20 можно осуществить, используя в нем к примеру не одну, а две пары рас(2) где пределителей, причем в зависимости от характера выходного сигнала узла 19 сравнения импульсы в выходные каналы пропускаЕт то одна пара, то другая,Если при построении системы управления вентилями использовать алгоритм управления по и.2, Формулы .изобретения, то импульсы, поступающие в канал Ч) независимо от значения разности углов Чг,-у, долйны быть сдвинуты относительно момента естественного отпирания тиристора Ю на углы импульс в .4 =-ы. = с + - +6- = а + 12-;3 9 "г 923- с = у + - +8 - = с +14-,3 99,Такие углы имеют (Фиг. 12) 1-й,3-й и 5-й импульсы серии 1/ и 11-й,13-й и 15-й импульсы серии УКом 9 Ь 32мутатор 20 должен пропускать в каналЧ 1 импульсы серии (УЬ (фиг.,г)при любых значениях разности углов.Ч; - , поэтому при реализации этогоалгоритма узел 19 сравнения в схемене нужен. При этом упрощается и схемаКоммутатора 20, так как он не должен в процессе работы изменять характер функционирования,Таким образом, использование алгоритма управления поп.2. формулы изобретения приводит к упрощению системы управления вентилями преобразователя.Зависимости, изображенные на фиг. 5-9, рассчитаны по общим формулам, полученным,в результате анализа работы трехфазного мостового пре"образователя при управлении с произвольным значением четной кратности включения вентилей и (в том числе и при ц=2). Выпрямленное напряжение в относительных единицах определяется по Формулел -Ч,- 1) . Ч,+М,(З-, - Г-),соз -- .Б,1 2. 3о33( ) 6Коэффициент мощности преобразова-.теля равен а 5 1 2 ( , М, )Максимальному значению коэффициента мощности соответствует управление по закону чг-М . При таком управлении и (1- м коэфФициент мощности определяется следующим предельным выражениемК = - у, (4)Амплитуды гармоник первичного то.ка в относительных единицах рассчитываются по формулег Ьа ЙЯа кк), 1 11 (5)с, 20 где 1 - ток нагрузки преобразователя;11,1 г к 2 кР р, Ч д = 5 ь бо соэ гк 11 2 3 25 з,к( зч, 2(6)К Л 81 г ЪЧВ 1 ,+а ,к 11 2 3 г к 1135 31К - порядковый номер гармоники пер,вичного тока (К=1,5,7,11,13 и т.д.).Амплитуды гармоник выпряленного40напряжения в относительных единицахрассчитываются по известным значениям коэфФициентов а(6) и Ъ(7)по формулец а: - /(а + а ЙЬ Ьа,Ц, 3М Я 1) 2 Т ьь+1 ла 451 где и - порядковый номер гармоникивыпрямленного напряжения (и = 6,12,18 и т.д.).50,Из (Фиг. 5) видно, что коэффи. циент мощности при оогмало отличает"ся от его значения при о=2 и, следовательно, при любой другой четной1 кратности включения вентилей,Сравнение зависимостей, изображенных на фиг. 6 и 7, показывает, чтопри с 1 -4 амплитуды 5-й и 7-й гармоник первичного тока значительно .282293 8алгоритм отпирания вентилей, которыйостается неизменным при измененииразности углов Ч,и М (фиг. 4), поскольку упрощению алгоритма соответствует и упрощение системы управления вентилями.Таким образом, использование предлагаемых алгоритмов отпирания вентилей трехфазного мостового преобразо 10 вателн позволяет улучшить гармонический состав первичного тока и выпрямленного напряжения, повысить быстродействие регулирования и упростить систему управления вентилями.15Формула изобретения1. Способ управления трехфазныммостовым преобразователем переменного тока в постоянный путем принуди. 20 тельного многократного включения каждого вентиля в течение периода напряжения сети, о т л и,ч а ю щ и й с ятем, что, с целью улучшения гармонического состава первичного тока и25 выпрямленного напряжения и повьппениябыстродействия регулирования, каждый,вентиль преобразователя включается втечение периода, напряжения сети четное число Я =4, б, 8, 10 и т.д, раэ,30 при этом первое отпирание вентиля осу-ществляется с углов о( = 1, диапазонизменения которого произволен, второеи последующиедо 1,/2 включительноотпиранин осуществляются с углами35 ы = ю + - +(-1)д2 л3 3%где= 2,3 Я/2,остальные о/2 отпираний осуществляютсн с углами2 У, гУ40 Ы ф + - - +2- +1),- +2), Дпри условии, что разность углов Ч",и45 1 изменяется в диапазоне21 меньше, а амплитуды 11-й и 13-й гармоник больше, чем при о =2. Анализ показывает, что при о = 4 уменьшаются также амплитуды 17-й и 19-й, 29-й, 31-й и т,д. гармоник, а возрастают амплитуды 23-й, 25-й 35-й, 37-й и т.д. гармоник. С повышением кратности включения вентилей С 1 снижаются амплитуды у все большей части гармоник низших порядков. Так, при 1 = б сниженными оказываютсяамплитуды не только 5-й и 7-й гармоник, но также и 11-й и 13-й.1(ак известно, размеры и вес резонансных фильтров высших гармоник снижаются с увеличением их частоты (или кратности последней по .отношению к частоте основной гармоники). С повышением кратности включения вентилей резонансные Фильтры должны настраиваться на все более высокие частоты, благодаря чему их размеры и вес будут снижаться.Сравнение зависимостей на фиг. 8 и 9 показывает, что повьппение кратности включения вентилей оказывает на амплитудный спектр гармоник выпрямленного напряжения такое же влияние, что и на амплитудный спектр гармоник первичного тока: при 9=4 амплитуда б-й гармоники выпрямленного напряжения значительно меньше, а амплитуда 12-й гармоники больше, чем при=2, Если нагрузкапреобразователя является активно-индуктивной (например, нагрузкой явлнется электродвигатель), то такая нагрузка, как известно, обладает естественными Фильтрующими свойствами, улучшающимися с повышением частоты гармоник, Поэтому можно сделать вывод, что повьппение кратности включения вентилей, сопровождающееся снижением амплитуд гармоник выпрям,ленного напряжения низших порядков при одновременном увеличении амплитуд гармоник высоких порядков, приводит к улучшению гармонического состава выпрямленного напряжения. 50 Вполне очевидно, что с повышением кратности вкжочения вентилей уменьшается время запаздывания реакции преобразователя на изменение управляющего воздействия, т.е. повышается быстродействие регулирования.При управлении с четной кратностью включения вентилей (=6,1 О, 14 и т,д.) целесообразнее использовать ОьЧ - Р-И1 Яа при изменении разности этих угловв диапазоней-о1 2 Ъспервые /2 отпираний осуществляютсяс углами 2 Эо 1.; = 9, +( - )где= 1,2 /2, следующее отпирание осуществляется с углом1 Оз4 и где= 1,2 с 1/2а остальные отпирания - с углами5г, 4 УА,-(р + - +(1-2) -з з пде 1, -+2), 1, -+3)Ч 9 1282293а остальные отпирания осуществляютсяс углами1232, Способ по п1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью упрощения системы управления, при четной кратности включения вентилей = 6, 10; 14 и т.д. первый /2 отпираний каждого вентиля осуществляются с уг- лами причем угол Ч,может изменяться в произвольном диапазоне, а диапазон изменения угла М ограничен условием 4 ЙОс -Ч сз1 282293 1 И)ад И 0 аг ае о И 10йа.д Фиг.7 0 аа РМ пг 9 ОР И