Способ управления преобразователем с полностью управляемыми вентилями для регулирования мощности неиндуктивной нагрузки

(5)5 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ К АВТОРСКО СВИДЕТЕЛЬСТВУ ле етс ирвел лее азо- лю- ень иГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Научно-исследовательский институт по передаче электроэнергии постоянным током высокого напряжения(56) Солодухо Я,Ю, Состояние и перспективы внедрения в электропривод статических компенсаторов реактивной мощности (обобщение отечественного и зарубежного опыта). - Реактивная мощность в сетях с несинусоидальными токами и статические устройства для ее компенсации, М;: Информэлектро, 1981.Руденко В,С., Сенько В.И., Чиженко И.М. Основы преобразовательной техники, - М.: Высшая школа, 1980, с,55, р.1 и с,424,Супронович Г. Улучшение коэффициента мощности преобразовательных установок, - М.: Энергоатомиздат, 1985.Авторское свидетельство СССР М. 995254, кл. Н 02 М 1/08, 1981. Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к способам регулирования активной мощности на выходе и реактивной мощности на входе преобразовательных устройств, использующихся в системах электропитания предприятий, технологические процессы которых включают мощные электрические нагрузки, например электродуговые печи, установки электоокрегинга и др.Известны способы управления преобразователями с преимущественно резистивной нагрузкой, построенными на частично управляемых вентилях, состоящие(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ С ПОЛНОСТЬЮ УПРАВЛЯЕМЫМИ ВЕНТИЛЯМИ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ НЕИНДУКТИВНОЙ НАГРУЗ(57) Сущность изобретения. повышение экономичности питающей сети достигается путем установления фазовых углов включающих и отключающих импульсов по задаваемым значениям активной и реактивной мощности из двух соотношений, обус- . лавливающих связь заданных значений активной и реактивной мощности с искомыми значениями фазовых углов включающего и отключающего импульСов. 7 ил,гв регулировании углов включения вентипричем каждому значению угла соотв. вуют определенные значения активнойактивной мощности,Известны способы управления босложными компенсационйыми преобрвателями путем регулирования углов вкчения вентилей, причем требуемый уровреактивной мощности на входе преобравателей обеспечивается за счет введенисхему преобразователей трехфазной групы конденсаторов.10 20 25 30 55 Известны способы управления преобразователями с искусственной коммутацией путем установки углов включения и углов отключения вентилей таким образом, чтобы обеспечить нулевой сдвиг во времени тока первой гармоники и напряжения и, тем самым, полную компенсацию реактивной мощности на входе преобразователей при выбранном значении выходной активной мощности,Известен способ управления мостовым преобразователем с полностью управляе-. мыми вентилями, в котором управление вентилями производится одновременной .подачей включающих и отключающих импульсов с определенным фазовым углом в диапазоне от -180 эл,град, до+180 эл,град так что фазовьй угол включающего импульса однозначно связан с фазовым углом отключающего импульса, поскольку момент отключения вентиля совпадает с моментом включения очередного (по порядку следова-. ния коммутаций) вентиля мостового преобразователя.однако все известные способы управления преобразователями не позволяют одновременно и независимо регулировать и активную мощность на выходе и реактивную мощность на входе преобразователей, что является сущесгвенным недостатком этих способов, Необходимость независимого регулирования реактивной мощности при регулировании активной мощности преобразователей приводит к необходимости установки на электрических шинах питающей сети дополнительных устройств, обеспечивающих регулирование реактивной мощности.На фиг.1 показан вид выходного напряжения мостового преобразователя с полностью управляемыми вентилями, управляемого по известному способу при положительных (а) и отрицательных (б) фазовых углах а управляющих импульсов и равных величинах постоянных составляющих выходного напряжения (Од), в зависи, мости от времени в радианах ( ю),Уровень выходного напряжения и, тем самым, активной мощности преобразователя (Р) регулирования изменением фазовых углов включаЮщих и отключающих импульсов. Требуемый уровень активной мощности преобразователя с полностью управляемыми вентилями обеспечивается при работе преобразователя как при отрицательных(аО), так и при положительных ( аО) фазовых углах включающих и отключающих импульсов, При этом работа преобразователя сотрицательными фазовыми углами управляющих импульсов(аО) характеризуется генерацией реактивной мощности, а работа с положительными фазами ( аО) - потреблением реактивной мощности. Изменение знака реактивной мощности при поддержании заданной по величине активной мощности осуществляется изменением знака фазовых углов упра вл я ю щих импул ьсов.Таким образом, известный способ управления обеспечивает требуемую по условиям технологического процесса активную мощность на выходе преобразователя, которой соответствует только два одинаковых по величине и различающихся по знаку зна-. чения реактивной мощности на его входе, При этом может выбираться только необходимый знак реактивной мощности преобразователя, в то время, как величина ее может не соответствовать требованиям по условиям работы питающей сети. Этот способ также, как и другие известные способы, не регулирует одновременно и независимо активную и реактивную мощность преобразователя. Для устранения этого недостатка на шинах питающей сети так же, как и в случае преобразователей с частично управляемыми вентилями, устанавливают дополнительные компенсирующие устройства, которые регулируют реактивную мощность, потребляемую из сети, Дополнительные компенсирующие устройства существенно увеличивают капитальные и эксплуатационные затраты, увеличивают потери электроэнергии, снижают экономичность работы питающей сети.Целью изобретения является повышение экономичности питающей электрической. сети для технологических процессов с эпектрическйми нагрузками, мощность которых регулируется преобразователями с полностью управляемыми вентилями путем одновременного, независимого и непрерывного регулирования активной и реактивной мощности преобразователей без применения дополнительных компенсирующих устройств,Указанная цель достигается тем, что согласно способу управления преобразователем с полностью управляемыми вентилями для регулирования мощности неиндуктивной нагрузки, заключающемуся в том, что задают уставку активной мощности и формируют импульсы управления вентилями преобразователя с фазовыми углами включения в диапазоне от -180 эл,град. до +180 эл,град., дополнительно задают уставку реактивной мощности и для формирования импульсов управления вентилями преобразователя определяют значения фазовых углов включения и отключения в диапазоне от-180 эл.град, до +180 эл,град, путем решения системы из двух уравнений с двумя неизвестными Р = 11(х 1,х 2) и а = 1 г(х 1,хг), .5 обуславливающей для каждой конкретной схемы преобразователя однозначную связь между заданными уставками активной и реактивной мощностей изначениями фазовых углов включения (х 1) и отключения (хг) вен тилей преобразователя.Сущность предлагаемого способа заключается в независимом регулировании фазовых углов включающих и отключающих импульсов в диапазоне от -180 эл,град, до 15 +180 эл,градчто позволяет одновр:менно, независимо и непрерывно регулировать величину и знак входной реактивной мощности и активнуюмощность на выходе преобразователя, В качестве уставок актив ной и реактивной мощностей используют величины, заданные условиями работы технологической нагрузки и питающей сети. Отсчетфазовых углов управляющих импульсов ведется от момента естественного 25 включения вентилей в неуправляемом режиме. Выбор фазовых углов включения и отключения каждого вентиля определяет форму кривой тока( Р ) через резистивную нагрузку и, соответственно, угол сдвига 30 р(,)между кривой напряжения на комплексе преобразовательной устройство - резистивная нагрузка и кривой первой гармонической составляющей тока (ц, протекающего через нагрузку.35Таким образом, выбором фазовых углов включения и отключения вентилей предлагаемый способ однозначно обеспечивает требуемую активную мощность, выделяемую в нагрузке, и требуемую реактивную 40 мощность, потребляемую из питающей. электрической сети или выдаваемую в сеть.Способ управления по двум параметрам осуществляют необходимое независимое регулирование активной и реактивной мощностей преобразователей без применения дополнительных устройств для компенсации реактивной мощности. Это приводит к повышению экономичности работы питающей сети за счет исключения дополни 50тел ьн ых компенсирующих устройств.На фиг.2 и 3 показаны схемы преобразовательных устройств, управляемых по предлагаемому способу; на фиг,4-6 - кривые и диаграмма, характеризующие режим преобразователей; на фиг.7 - блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ,Электрическая схема (фиг,2) системыпитающая сеть - преобразовательное устройство - технологическая нагрузка содержит преобразователь 5, преобразующийэнергию переменного тока на входе в энергию переменного тока на выходе, и представляющий собой два полностьюуправляемых вентиля 1 и 2, включенныхвстречно-параллельно, Преобразовательподключен к ЭДС питающей сети 3 последовательно с резистивной нагрузкой 4. Схема(фиг,2) приведена для случая, когда индуктивности в цепи коммутации тока вентилями малы.и ими можно пренебречь.Последнее обстоятельство характерно дляиспользования преобразователей при регулировании мощности в электродуговых печах, установках электрокрекинга ив другихподобных технологических установках сбольшими токами через электрическую нагрузку и малыми напряжениями на ней.На фиг,3 приведены кривые синусоидального напряжения е ( ту ) на комплексепреобразователь - реэистивная нагрузка икривая тока(ю ), протекающего через нагрузку в однофазном преобразователе,(фиг.2), фазные углы включения вентиля а 1 иотключения вентиля аг, отсчет которых ведется от момента перехода кривой синусоидального напряжения на комплексе е (ю ) и создаютопределенный угол сдвига р(;) между кривой напряжения на комплексе преобразовательное устройство - резистивная нагрузкаи кривой первой гармонической составляющей тока нагрузки (1), что и определяет однозначно активную мощность в нагрузке иреактивную мощность, генерируемую устройством в питающую сеть или потребляемую из нее.Соотношения для активной мощностиР, выделяемой в нагрузке 4 (фиг.2) и реактивной мощности О, генерируемой в питающую сеть или потребляемой из нее, имеютследующий вид:Р= 2. (2(аг-а 1)-(зп 2 а - зп 26), (1)О = (соз 2 аг - соз 2 а.), (2)где Р = Р/Б, С 1 =ИЯ;Р - активная мощность;,О - реактивная мощность:,-гЯ = -- максимальная мощность, которую можно выделить в нагрузке;Е - действующее значение напряжения;й - сопротивление нагрузки;1 - фазовый угол включения вентилей,аг - фазовый угол отключения вентилей.2, (соз 2 а 2 - соз 2 а 112 литическую связь межд1 иаг- О,у искомым ана гла ми 3 л - а 1 учен ну агПодставляя поЯ, получают1Р= (2 л - 42 лпх 1 (4),х=2 а 1,Уравнение(4) зь в уравне ние 2 а 1) = -1 л гь приве а 1+ где может б но к л (Р - 1)+ х = ипх (5)и решено графически относительно неизвестного х, Решением уравнения (5) будет проекция на ось абсцисс (х = 2 а 1 ) точки перечисленйя прямой У(х) =- л (Р - 1) и кривой Уг(х) = зпх, Диаграмма расчета фазовых углов управления путем графического решения уравнений (1) и (2) для трех характерных режимов преобразователя (фиг.2) приведена на фиг.4. Для рассматриваемых трех режимов из уравнения (5), полученного решением уравнений (1) и (2), получают соответственно:при Р =- 0 - л + х = зпх; (5 а) и ри Р =- 0,5 - + х -- зп х; (56)7 Решение уравнений (1) и (2) относительно неизвестных а 1 и а 2 при заданных значениях Р и 0 позволяет определить фазовые углы включения и выключения, необходимые для обеспечения требуемых 5 значений Р и О.Уравнения имеют трансцендентный характер и в общем случае не имеют аналитического решения для неизвестных а 1, а т,е. не позволяют построить расчетные соот ношения, выражающие в явном виде искомые зависимости а 1 =1 а 1 (Р.0) и а 1 = т аг (Р,О), Поэтому в общем случае необходимо.численное решение. уравнений (1) и (2) относительно неизвестных а 1 и а 2 на основе традиционно используемых методов.П р и м е р. Решение уравнений на трех характерных рекимах преобразователя (фиг,2 с уставками активной мощности, равными Р 1 = О, Р 2 =. 0,5 и Рз =- 1,0 и уста вкой для реактивных мощностей во всех указанных трех режимах, равной нулю, т е, 01= 02 =. 0 з = О, ч го соответствует отсутствию потребления из сети реактивной мощности преобразователем или генерации ее в сеть.Равенство нулю реактивной мощности в рассматриваемых характерных рекимах позволяет получлть из уравнения (2), принимающего вид при Р =- 1,0 х =- з 1 пх. (5 в) Как видно из фиг.4, в случае Р .=- 0 (уравнение (5 а кривые У 1(х) и Уг(х) пересекаются непосредственно на оси абсцисс в точке х =л=2 а 1 =л. Таким образом, а =и в соотлветствии с (3) а 2 =.л - а 1 -2В случае Р = 0,5 (уравнение (56) пересечение У(х) л Уг(х) имеет проекцию на ось абсцисс в точке х = 2 а 1 =2,31, таким образом а 1 = 1,155 и а 2 = л - 1,155 =- 1,985,В случае Р = 1,0 (уравнение (5 в кривые У 1(х) и Уг(х) пересекаются в точке начала координат,такимобразом а 1=0 и аг =л .Приведенные результаты решения исходных уравнений (1 и 2 ) относительно углов аи а 2 для трех укаэанных режимов сведены в таблицуШестифазная мостовая схема преобразователя с полностью управляемыми вентилями приведена на фиг.З, а на фиг.б показаны кривые напряжения и тока на выходе преобразователя за период Т промышленной частоты при работе на резистивную нагрузку 4 преобразователя 5, подключенного к шинам питающей сети б,Фазовые углы включения а 1 и отключе- ния аг каждого вентиля моста отсчитываются от момента естественного вклюнения вентиля в неуправляемом режиме о,В предполокении о мгновенной коммутации тока вентилями преобразователя (фиг.З), что соответствуетусловиям осуществления предлагаемого способа регулирования мощности в электродуговых печах, установках электрокрекинга и других подобных технологических процессах с большими токами через нагрузку, для которых характерны весьма малые значения индуктивностей, входящих в контуры коммутации и, следовательно, малые времена коммутации тока вентилями, получены следующие соотношения, описывающие связи активной Р и реактивной 0 мощностей с фазовыми углами импульсов управления а 1 и а 23Р - л И а 2 - а 1) + зп( аг - а 1) соз(- а- зГп(аг - а 1)з 1 п(аг+АЗ ). (73 лОпределение фазовых углов управляющих импульсов а 1 и а 2 из соотношений(6) и(7) при заданных Р и 0 позволяет обеспечить требуемые уровни активной и реактивной мощностей преобразователя. 5На фиг,7 приведена блок-схема устройства управления, реализующего предлагаемый способ управления преобразователемс полностью управляемыми вентилями длярегулирования мощности неиндуктивной 10нагрузки. Для формирования импульсов управления преобразователем 7 с соответствующими фазовыми углами устройствосодержит блок 8 задания уставок активнойи реактивной мощностей, вырабатывающий 15аналоговые сигналы Рзад и Озэд, пропорциональные заданным внешними устройствами значениям уставок мощности,аналого-цифровой преобразователь 9, преобразующий аналоговые сигналы в цифравой код (Р, О ), микропроцессорное/ уустройство 10, содержащее программу расчета значений углов а 1 и а 2 по уравнениям (1) и (2) или (б) и (7), цифроаналоговыйпреобразователь 11, преобразующий цифровые кодовые сигналы а и а 2 вычисленных микропроцессорным устройством10 цифровых значений углов а 1 и а 2 ваналоговые величины а 1 и а 2, блок 12формирования импульсов управления, навыходе которого формируются управляющие импульсы включения (Ив) и отключения(Ио) каждого из вентилей преобразователя7 в соответствии с вычисленными и поданными на вход блока 12 значениями фазовых З 5углов включения и отключения вентилей.Расчет микроп роцессорным устройством 10искомых значений углов а 1 и а 2 производится по программе, основанной на использовании одного из известных численных 40методов решения трансцендентных уравнений, например метода Ньютона,Управление преобразователем по предлагаемому способу с независимым регулированием активной и реактивной 45 мощностей позволяет полностью отказаться от установки компенсирующих устройств, что приводит к технико-экономическому эффекту, обусловленному уменьшением капитальных затрат на установку дополнительных устройств компенсацииреактивной мощности на шинах предприятий, затрат на необходимое резервное оборудование, трудозатрат на эксплуатацию и ремонт устройства компенсации реактивной мощности, а также. обусловленному улучшением массо-габаритных показателей оборудования для обеспечиваемых энергией технологических процессов с неиндуктивной нагрузкой и, как следствие, уменьшением строительных обьемов,Формула изобретения Способ управления преобразователем с полностью управляемыми вентилями для регулирования мощности неиндуктивной нагрузки, заключающийся в том, что задают уставку активной мощности и формируют импульсы управления вентилями преобразователя с фазовыми углами включения в диапазоне от -180 зл.град. до +180 эл,град о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения экономичности работы питающей сети путем одновременного независимого и непрерывного регулирования активной и реактивной мощностями преобразователя, дополнительно задают уставку реактивной мощности и для формирования импульсов управления вентилями преобразователя определяют значения фазовых углов включения и отключения в диапазоне от -180 эл.град. до+180 эл.град. путем решения системы из двух уравнений с двумя неизвестными Р = т 1( а 1 и 02) и 0 =т 2 а 1 и 02), обусловливающей для каждой конкретной схемы преобразователя однозначную связь между заданными уставками активной и реактивной мощностей и значениями фазовых углов включения а 1 и отключенияа 2 вентилей преобразователя.1750000 лг. б иг.7 Составитель А,Павловскийехред М.Моргентал Корректор О.Ци дактор И.Дербак роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. У гарина, 101 Заказ 2602 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГК 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5