RU2734554C1

RU2734554C1 - Устройство управления трехфазными трехуровневыми активными выпрямителями напряжения

Info

Publication number: RU2734554C1
Application number: RU2020120344A
Authority: RU
Inventors: Тимур Рифхатович Храмшин; Рифхат Рамазанович Храмшин; Геннадий Петрович Корнилов
Priority date: 2020-06-19
Filing date: 2020-06-19
Publication date: 2020-10-20

Abstract

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использовано для управления трехфазными трехуровневыми активными выпрямителями напряжения высоковольтного преобразователя частоты как при номинальном напряжении сети, так и при кратковременном несимметричном провале напряжения сети. Технический результат заключается в создании усовершенствованной системы управления, которая ограничивает увеличения фазных токов трехфазного трехуровневого активного выпрямителя при кратковременном несимметричном провале напряжения трехфазного источника питания, снижает количество ложных срабатываний ключей активного выпрямителя благодаря введению фильтров нижних частот в систему управления, а также ограничивает размах колебания напряжения на конденсаторах звена постоянного тока активного выпрямителя в пределах допустимых значений. Технический результат достигается тем, что устройство управления трехфазными трехуровневыми активными выпрямителями напряжения дополнительно снабжено четвертым блоком преобразования координат (20), первым (21) и вторым (22) фильтрами нижних частот, пятым блоком преобразования координат (23), блоком инвертирования (24), кроме того, блок пропорционально-интегральных регуляторов тока (13) включает в себя первый (25) и второй (26) блоки пропорционально-интегральных регуляторов тока, второй (27), третий (28) и четвертый (29) блоки вычитания, третий блок суммирования (30), первый (31) и второй (32) блоки компенсации перекрестных связей. Заявляемое устройство управления повышает надежность работы активных выпрямителей напряжения благодаря усовершенствованной системе управления, которая ограничивает увеличение фазных токов выпрямителей при кратковременном несимметричном провале напряжения трехфазного источника питания, а также ограничивает размах колебания напряжения на конденсаторах звена постоянного тока активных выпрямителей в пределах допустимых значений. Кроме того, благодаря введению фильтров нижних частот в систему управления повышается коэффициент полезного действия активных выпрямителей и надежность работы высоковольтного преобразователя частоты в целом. 8 ил.

Description

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использовано для управления трехфазными трехуровневыми активными выпрямителями напряжения высоковольтного преобразователя частоты, как при номинальном напряжении сети, так и при кратковременном несимметричном провале напряжения сети.

Известен высоковольтный преобразователь частоты большой мощности с активными выпрямителями, содержащий первый и второй фазосдвигающие трансформаторы соответственно на 0 и +30 градусов, первичная обмотка первого фазосдвигающего трансформатора имеет шесть выводов и соединена последовательно с первичной обмоткой второго фазосдвигающего трансформатора, которая соединена в звезду, при этом начало первичной обмотки первого фазосдвигающего трансформатора подключено к источнику питания, вторичные обмотки указанных трансформаторов соединены в звезду и треугольник и подключены соответственно к первому и второму преобразователям частоты, каждый из которых состоит из трехуровневого активного выпрямителя, трехуровневого инвертора напряжения и дросселя, при этом одноименные выходные зажимы фаз преобразователей частоты соединены между собой и подключены к двигателю переменного тока, а входы общего для обоих преобразователей частоты звена постоянного тока с нулевой точкой подключены к выходам обоих активных выпрямителей, выходы указанного звена подключены к входам обоих инверторов напряжения, блок задания напряжения звена постоянного тока, блок задания реактивной мощности и систему управления, включающая датчик напряжения и датчик тока источника питания, датчик напряжения звена постоянного тока, датчик несимметрии напряжения источника питания, блок коррекции фазных напряжений активных выпрямителей и блок управления, при этом первый и второй входы блока управления соединены соответственно с блоком задания напряжения звена постоянного тока и блоком задания реактивной мощности, третий вход блока управления соединен с выходом датчика напряжения источника питания, вход указанного датчика подключён к источнику питания, четвертый вход блока управления соединен с выходом датчика тока источника питания, вход которого подключён в точку соединения первичных обмоток первого и второго фазосдвигающих трансформаторов, пятый вход блока управления соединен с выходом датчика напряжения звена постоянного тока, входы которого соединены с выходами звена постоянного тока с нулевой точкой, а выход блока управления подключен к первому входу блока коррекции фазных напряжений активных выпрямителей, первый и второй выходы которого подключены к входам управления трехуровневых активных выпрямителей соответственно первого и второго преобразователей частоты, при этом второй вход блока коррекции фазных напряжений активных выпрямителей через датчик несимметрии напряжения источника питания подключен к последнему (см. патент РФ №157682, Н02M 5/458).

Отметим особенность работы активного выпрямителя напряжения при кратковременном несимметричном провале напряжения сети. Из курса теоретических основ электротехники известно, что при несимметричных провалах напряжения трехфазные источники питания, кроме напряжения прямой последовательности содержат также напряжение обратной последовательности. Если при этом со стороны трехфазного активного выпрямителя отсутствует подобное напряжение обратной последовательности, то это приведет к увеличению отдельных его фазных токов в два раза и более. Это обусловлено тем, что значения указанных токов ограничиваются только реактивными сопротивлениями реакторов или реактивными сопротивлениями рассеяния трансформаторов, которые установлены на входе активного выпрямителя.

Таким образом, при кратковременных несимметричных провалах напряжения сети для повышения надежности работы преобразователей частоты с активными выпрямителями напряжения необходимо создать эффективную систему управления выпрямителями. Указанная система управления при появлении несимметрии должна сформировать на входе активного выпрямителя напряжение как прямой, так и обратной последовательности. Последнее ослабит действие напряжения обратной последовательности трехфазного источника питания, что ограничит значительное увеличение отдельных его фазных токов.

В известном устройстве система управления использует метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с удалением восьми выделенных гармоник напряжения и девятью переключениями ключей активного выпрямителя за четверть периода сетевого напряжения. Из литературных источников известно, что указанный метод модуляции получил широкое применение в системах управления мощных электроприводов прокатных станов (Храмшин Т.Р., Крубцов Д.С., Корнилов Г.П. Методы широтно-импульсной модуляции мощных активных выпрямителей при несимметрии напряжения. Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. 2014. Том 2, №4. С. 7 - 13).

Отметим отличительную особенность метода ШИМ с удалением выделенных гармоник в известном устройстве. Во-первых, указанный метод позволяет исключить из канонического ряда двенадцатипульсной схемы выпрямления восемь гармоник напряжений - 11, 13, 23, 25, 35, 37, 47, 49 для симметричного режима работы источника питания или восемь гармоник – 3, 5, 7, 9,11, 13, 15, 17 для несимметричного режима работы источника питания. Это обеспечивает для указанных режимов работы соответственно хорошую и удовлетворительную электромагнитную совместимость активного выпрямителя с питающей сетью. Во-вторых, метод ШИМ с удалением выделенных гармоник позволяет снизить частоту переключения ключей активного выпрямителя напряжения, что снижает тепловые потери в указанных ключах и в фазосдвигающих трансформаторах, а значит, повышает коэффициент полезного действия устройства. Таким образом, низкая частота коммутаций силовых ключей обеспечивает приемлемый гармонический состав токов трансформаторов и напряжения в точке общего подключения.

Отметим, что метод ШИМ с удалением выделенных гармоник предусматривает выполнение предварительных расчетов, целью которых является создание базы данных – зависимости углов переключений от коэффициента модуляции (Храмшин Т.Р., Крубцов Д.С., Корнилов Г.П. Оценка методов широтно-импульсной модуляции напряжения активных выпрямителей прокатных станов. Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. 2013. №2. С. 48 - 52). Для известного устройства рассчитаны зависимости девяти углов переключения от коэффициента модуляции. Для расчета указанных углов в данном методе ШИМ задается целевая функция, в которой учитываются два условия: поддержание первой гармоники на уровне, задаваемом коэффициентом модуляции; уменьшение уровня высших гармоник в токе до желаемого значения. В известном устройстве в блоке коррекции фазных напряжений хранится база данных для девяти углов переключения в зависимости от значения коэффициента модуляции для симметричного и несимметричного режимов работы источника питания. Отметим, что при несимметричном режиме работы источника питания в течение периода сетевого напряжения значение коэффициента модуляции и значения углов переключений меняются.

Недостатком известного устройства является низкая надежность, так как в начальный момент появления несимметрии наблюдается бросок одного из фазных токов активного выпрямителя, который может превысить номинальный ток в 2 раза и более, что приводит к срабатыванию токовой защиты устройства и его отключению. Кроме того, значительное увеличение тока активного выпрямителя вызывает увеличение размаха колебания напряжения на конденсаторах звена постоянного тока выше предельно-допустимого значения, что также приводит к срабатыванию защиты известного устройства по выпрямленному напряжению и его отключению.

Поясним, почему происходит бросок одного из фазных токов активного выпрямителя. В известном устройстве установлен датчик несимметрии напряжения источника питания, который переключает режим работы системы управления с «симметричного» режима управления на «несимметричный» режим управления. Принцип работы указанного датчика основан на обнаружении напряжения прямой и обратной последовательности в составе сетевого напряжения. Если датчик несимметрии не обнаружил напряжения обратной последовательности, то система управления сохраняет «симметричный» режим управления. Если же датчик несимметрии обнаружил напряжения обратной последовательности в составе сетевого напряжения, то система управления переключается на «несимметричный» режим управления.

Процесс разложения сетевого напряжения на прямую и обратную последовательности приводит к временной задержке формирования сигнала управления ключами активного выпрямителя. Это время может достигать полпериода или, в лучшем случае, четверть периода сетевого напряжения. Указанная задержка оказывает ощутимое влияние при появлении несимметрии, так как это приводит к задержке переключения режима управления активным выпрямителем с «симметричного» режим на «несимметричный» режим. При этом в фазе с наибольшей разницей между напряжением источника питания и первой гармоникой напряжения активного выпрямителя наблюдается бросок тока, который существенно превышает номинальный ток, что снижает надежность работы известного устройства.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является устройство управления трехфазными трехуровневыми активными выпрямителями напряжения, содержащее высоковольтный преобразователь частоты, вход которого через трехфазный датчик тока подключен к трехфазному источнику питания, выход указанного преобразователя частоты, который содержит два активных выпрямителя напряжения, общее звено постоянного тока и два инвертора напряжения, подключен к двигателю переменного тока, измерительные выходы датчика тока подключены к первому входу системы управления активными выпрямителями, ко второму входу системы управления подключены информационные выходы датчика трехфазного напряжения, входы которого подключены к точке соединения выхода трехфазного датчика тока и входа высоковольтного преобразователя частоты, к третьему входу системы управления подключен выход датчика напряжения звена постоянного тока, входы которого подключены к информационному выходу высоковольтного преобразователя частоты, к четвертому входу системы управления подключен задатчик напряжения на конденсаторах звена постоянного тока преобразователя частоты, к пятому входу системы управления подключен задатчик реактивной составляющей сетевого тока, управляющий выход системы управления по шине управления через блок широтно-импульсных модуляторов подключен к управляющему входу высоковольтного преобразователя частоты, при этом система управления активными выпрямителями напряжения содержит первый блок преобразования координат, блок фазовой автоподстройки частоты, блок пропорционально-интегральных регуляторов тока, блок пропорционально-интегрального регулятора выпрямленного напряжения, первый блок вычитания, второй блок преобразования координат, первый и второй сумматоры, третий блок преобразования координат, первый, второй и третий входы первого блока преобразования координат подключены к первому входу системы управления, четвертый вход указанного блока подключен к первому выходу блока фазовой автоподстройки частоты, первый и второй выходы первого блока преобразования координат подключены соответственно к первому и второму входам блока пропорционально-интегральных регуляторов тока, к третьему входу блока регуляторов тока подключен второй выход блока фазовой автоподстройки частоты, первый, второй и третий входы которого подключены ко второму входу системы управления, четвертый вход блока пропорционально-интегральных регуляторов тока подключен к пятому входу системы управления, пятый вход блока регуляторов тока подключен к выходу блока пропорционально-интегрального регулятора выпрямленного напряжения, вход которого подключен к выходу первого блока вычитания, первый и второй входы которого подключены соответственно к четвертому и третьему входам системы управления, первый и второй выходы блока пропорционально-интегральных регуляторов тока подключены соответственно к первому и второму входам второго блока преобразования координат, третий вход которого подключен к первому выходу блока фазовой автоподстройки частоты, первый и второй выходы второго блока преобразования координат подключены соответственно к первому входу первого и к первому входу второго сумматоров, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам третьего блока преобразования координат, третий вход которого подключен к первому выходу блока фазовой автоподстройки частоты, выходы третьего блока преобразования координат по шине управления подключены к управляющему выходу системы управления (см. патент РФ №161102, Н02M 7/00).

Недостатком известного устройства, которое принято за прототип, является низкая надежность, так как в начальный момент появления несимметрии наблюдается бросок одного из фазных токов трехфазного трехуровневого активного выпрямителя, который может превысить номинальный ток в 2 раза и более, что приводит к срабатыванию токовой защиты устройства и его отключению. Кроме того, в установившемся режиме может иметь место несимметрия фазных токов активного выпрямителя, а также увеличение размаха колебания напряжения на конденсаторах звена постоянного тока выше предельно-допустимого значения, что также приводит к срабатыванию защиты известного устройства по выпрямленному напряжению и его отключению.

Бросок тока и несимметрия фазных токов активного выпрямителя обусловлены тем, что в комбинированном способе регулирования (по отклонению и по возмущению) известной системы управления используется регулирование по напряжению обратной последовательности сетевого напряжения (канал регулирования по возмущению). Недостатком указанного канала регулирования является то, что формирование сигнала напряжения обратной последовательности осуществляется с временной задержкой на полпериода, или в лучшем случае, на четверть периода относительно сетевого напряжения. Указанная временная задержка приводит к тому, что сигналы управления силовыми ключами активного выпрямителя формируют входные фазные напряжения выпрямителя, содержащие напряжение обратной последовательности, которое также имеет временную задержку на полпериода, или в лучшем случае, на четверть периода относительно напряжения обратной последовательности сетевого напряжения. Таким образом, сформированное с задержкой напряжение обратной последовательности активным выпрямителем не обеспечивает эффективного подавления напряжения обратной последовательности сетевого напряжения. При этом, как ранее отмечалось, в начальный момент появления несимметрии наблюдается бросок одного из фазных токов активного выпрямителя, а в установившемся режиме может иметь место несимметрия фазных токов активного выпрямителя, а также колебание напряжения в звене постоянного тока, что приводит к отключению выпрямителя. Все вышеизложенное снижает надежность работы выпрямителя.

Техническая проблема, решаемая заявляемым устройством управления, заключается в повышении надежности работы трехфазного трехуровневого активного выпрямителя напряжения и повышении его коэффициента полезного действия при кратковременном несимметричном провале напряжения трехфазного источника питания.

Технический результат, создаваемый изобретением, заключается в создании усовершенствованной системы управления, которая ограничивает увеличения фазных токов трехфазного трехуровневого активного выпрямителя при кратковременном несимметричном провале напряжения трехфазного источника питания, снижает количество ложных срабатываний ключей активного выпрямителя, благодаря введению фильтров нижних частот в систему управления, а также ограничивает размах колебания напряжения на конденсаторах звена постоянного тока активного выпрямителя в пределах допустимых значений.

Поставленная задача решается тем, что устройство управления трехфазными трехуровневыми активными выпрямителями напряжения, содержащее высоковольтный преобразователь частоты, вход которого через трехфазный датчик тока подключен к трехфазному источнику питания, выход указанного преобразователя частоты, который содержит два активных выпрямителя напряжения, общее звено постоянного тока и два инвертора напряжения подключен к двигателю переменного тока, измерительные выходы датчика тока подключены к первому входу системы управления активными выпрямителями, ко второму входу системы управления подключены информационные выходы датчика трехфазного напряжения, входы которого подключены к точке соединения выхода трехфазного датчика тока и входа высоковольтного преобразователя частоты, к третьему входу системы управления подключен выход датчика напряжения звена постоянного тока, входы которого подключены к информационному выходу высоковольтного преобразователя частоты, к четвертому входу системы управления подключен задатчик напряжения на конденсаторах звена постоянного тока преобразователя частоты, к пятому входу системы управления подключен задатчик реактивной составляющей сетевого тока, управляющий выход системы управления по шине управления через блок широтно-импульсных модуляторов подключен к управляющему входу высоковольтного преобразователя частоты, при этом система управления активными выпрямителями напряжения содержит первый блок преобразования координат, блок фазовой автоподстройки частоты, блок пропорционально-интегральных регуляторов тока, блок пропорционально-интегрального регулятора выпрямленного напряжения, первый блок вычитания, второй блок преобразования координат, первый и второй сумматоры, третий блок преобразования координат, первый, второй и третий входы первого блока преобразования координат подключены к первому входу системы управления, четвертый вход указанного блока подключен к первому выходу блока фазовой автоподстройки частоты, первый и второй выходы первого блока преобразования координат подключены соответственно к первому и второму входам блока пропорционально-интегральных регуляторов тока, к третьему входу блока регуляторов тока подключен второй выход блока фазовой автоподстройки частоты, первый, второй и третий входы которого подключены ко второму входу системы управления, четвертый вход блока пропорционально-интегральных регуляторов тока подключен к пятому входу системы управления, пятый вход блока регуляторов тока подключен к выходу блока пропорционально-интегрального регулятора выпрямленного напряжения, вход которого подключен к выходу первого блока вычитания, первый и второй входы которого подключены соответственно к четвертому и третьему входам системы управления, первый и второй выходы блока пропорционально-интегральных регуляторов тока подключены соответственно к первому и второму входам второго блока преобразования координат, третий вход которого подключен к первому выходу блока фазовой автоподстройки частоты, первый и второй выходы второго блока преобразования координат подключены соответственно к первому входу первого и к первому входу второго сумматоров, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам третьего блока преобразования координат, третий вход которого подключен к первому выходу блока фазовой автоподстройки частоты, выходы третьего блока преобразования координат по шине управления подключены к управляющему выходы системы управления, согласно изобретению, устройство управления, дополнительно снабжено четвертым блоком преобразования координат, первым и вторым фильтрами нижних частот, пятым блоком преобразования координат, блоком инвертирования, кроме того блок пропорционально-интегральных регуляторов тока включает в себя первый и второй блоки пропорционально-интегральных регуляторов тока, второй, третий и четвертый блоки вычитания, третий блок суммирования, первый и второй блоки компенсации перекрестных связей, первый, второй и третий входы четвертого блока преобразования координат подключены ко второму входу системы управления, четвертый вход четвертого блока подключен к выходу блока инвертирования, вход которого подключен к первому выходу блока фазовой автоподстройки частоты, первый и второй выходы четвертого блока преобразования координат соответственно через первый и второй фильтры нижних частот подключены к первому и второму входам пятого блока преобразования координат, третий вход пятого блока подключен к выходу блока инвертирования, первый и второй выхода пятого блока преобразования координат подключены соответственно ко второму входу первого и ко второму входу второго сумматоров, первый и второй входы второго блока вычитания подключены соответственно к пятому и к первому входам блока пропорционально-интегральных регуляторов тока, выход второго блока вычитания подключен к входу первого блока пропорционально-интегральных регуляторов тока, выход которого подключен к первому входу третьего блока суммирования, первый и второй входы третьего блока вычитания подключены соответственно к четвертому и ко второму входам блока пропорционально-интегральных регуляторов тока, выход третьего блока вычитания подключен к входу второго блока пропорционально-интегральных регуляторов тока, выход которого подключен к первому входу четвертого блока вычитания, первый вход первого и первый вход второго блоков компенсации перекрестных связей подключены соответственно к первому и второму входам блока пропорционально-интегральных регуляторов тока, вторые входы блоков компенсации подключены к третьему входу блока пропорционально-интегральных регуляторов тока, выход первого блока компенсации перекрестных связей подключен ко второму входу четвертого блока вычитания, выход которого подключен ко второму выходу блока пропорционально-интегральных регуляторов тока, выход второго блока компенсации перекрестных связей подключен ко второму входу третьего блока суммирования, выход которого подключен к первому выходу блока пропорционально-интегральных регуляторов тока.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

- на фиг. 1 изображена функциональная схема устройства управления трехфазными трехуровневыми активными выпрямителями напряжения высоковольтного преобразователя частоты;

- на фиг. 2 изображена функциональная схема высоковольтного преобразователя частоты;

- на фиг. 3 изображена схема трехфазного трехуровневого активного выпрямителя напряжения;

- на фиг. 4,а изображена форма фазного напряжения на входе трехфазного трехуровневого активного выпрямителя, а также указаны девять углов переключения ключей

активного выпрямителя за четверть периода сетевого напряжения;

- на фиг. 4,б показаны зависимости девяти углов переключения ключей активного выпрямителя

от коэффициента модуляции

;

- на фиг. 5 изображена форма фазного напряжения на входе трехфазного трехуровневого активного выпрямителя, которое содержит ложные срабатывания;

- на фиг. 6 приведены осциллограммы составляющих сетевого напряжения

и

, которые содержат высокочастотные составляющие;

- на фиг. 7,а приведены осциллограммы фазных токов активного выпрямителя для заявляемой системы управления;

- на фиг. 7,б приведена осциллограмма напряжения звена постоянного высоковольтного преобразователя частоты для заявляемой системы управления;

- на фиг. 7,в приведена зависимость относительного значения коэффициента модуляции для заявляемой системы управления;

- на фиг. 8 приведены осциллограммы фазных токов активного выпрямителя для известной системы управления (для прототипа).

Заявляемое устройство управления (фиг. 1) трехфазными трехуровневыми активными выпрямителями напряжения, содержит высоковольтный преобразователь частоты 1, вход которого через трехфазный датчик тока 2 подключен к трехфазному источнику питания 3, а выход преобразователя - к двигателю переменного тока 4. Преобразователь содержит два активных выпрямителя напряжения, общее звено постоянного тока и два инвертора напряжения (будут показаны позже). Измерительные выходы датчика тока 2 подключены к первому входу системы управления 5 активными выпрямителями. Ко второму входу системы управления 5 подключены информационные выходы датчика трехфазного напряжения 6, входы которого подключены к точке соединения выхода трехфазного датчика тока 2 и входа высоковольтного преобразователя частоты 1. К третьему входу системы управления 5 подключен выход датчика напряжения звена постоянного тока 7, входы которого подключены к информационному выходу высоковольтного преобразователя частоты 1. К четвертому входу системы управления 5 подключен задатчик напряжения 8 на конденсаторах звена постоянного тока преобразователя частоты 1. К пятому входу системы управления 5 подключен задатчик реактивной составляющей сетевого тока 9. Управляющий выход системы управления 5 по шине управления через блок широтно-импульсных модуляторов 10 подключен к управляющему входу высоковольтного преобразователя частоты 1. При этом система управления 5 активными выпрямителями напряжения содержит первый блок преобразования координат 11, блок фазовой автоподстройки частоты 12, блок пропорционально-интегральных регуляторов тока 13, блок пропорционально-интегрального регулятора выпрямленного напряжения 14, первый блок вычитания 15, второй блок преобразования координат 16, первый 17 и второй 18 сумматоры, третий блок преобразования координат 19. Первый, второй и третий входы первого блока преобразования координат 11 подключены к первому входу системы управления 5. Четвертый вход указанного блока подключен к первому выходу блока фазовой автоподстройки частоты 12. Первый и второй выходы первого блока преобразования координат 11 подключены соответственно к первому и второму входам блока пропорционально-интегральных регуляторов тока 13. К третьему входу блока регуляторов тока подключен второй выход блока фазовой автоподстройки частоты 12. Первый, второй и третий входы которого подключены ко второму входу системы управления 5. Четвертый вход блока пропорционально-интегральных регуляторов тока 13 подключен к пятому входу системы управления 5. Пятый вход блока регуляторов тока подключен к выходу блока пропорционально-интегрального регулятора выпрямленного напряжения 14, вход которого подключен к выходу первого блока вычитания 15. Первый и второй входы, которого подключены соответственно к четвертому и третьему входам системы управления 5. Первый и второй выходы блока пропорционально-интегральных регуляторов тока 13 подключены соответственно к первому и второму входам второго блока преобразования координат 16. Третий вход, которого подключен к первому выходу блока фазовой автоподстройки частоты 12. Первый и второй выходы второго блока преобразования координат 16 подключены соответственно к первому входу первого 17 и к первому входу второго 18 сумматоров, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам третьего блока преобразования координат 19. Третий вход, которого подключен к первому выходу блока фазовой автоподстройки частоты 12. Выходы третьего блока преобразования координат 19 по шине управления подключены к управляющему выходу системы управления 5.

Устройство управления, дополнительно снабжено четвертым блоком преобразования координат 20, первым 21 и вторым 22 фильтрами нижних частот, пятым блоком преобразования координат 23, блоком инвертирования 24. Кроме того, блок пропорционально-интегральных регуляторов тока 13 включает в себя первый 25 и второй 26 блоки пропорционально-интегральных регуляторов тока, второй 27, третий 28 и четвертый 29 блоки вычитания, третий блок суммирования 30, первый 31 и второй 32 блоки компенсации перекрестных связей. Первый, второй и третий входы четвертого блока преобразования координат 20 подключены ко второму входу системы управления 5. Четвертый вход четвертого блока 20 подключен к выходу блока инвертирования 24, вход которого подключен к первому выходу блока фазовой автоподстройки частоты 12. Первый и второй выходы четвертого блока преобразования координат 20 соответственно через первый 21 и второй 22 фильтры нижних частот подключены к первому и второму входам пятого блока преобразования координат 23. Третий вход пятого блока 23 подключен к выходу блока инвертирования 24. Первый и второй выходы пятого блока преобразования координат 23 подключены соответственно ко второму входу первого 17 и ко второму входу второго 18 сумматоров.

Первый и второй входы второго блока вычитания 27 подключены соответственно к пятому и к первому входам блока пропорционально-интегральных регуляторов тока 13. Выход второго блока вычитания 27 подключен к входу первого блока пропорционально-интегральных регуляторов тока 25, выход которого подключен к первому входу третьего блока суммирования 30. Первый и второй входы третьего блока вычитания 28 подключены соответственно к четвертому и ко второму входам блока пропорционально-интегральных регуляторов тока 13. Выход третьего блока вычитания 28 подключен к входу второго 26 блока пропорционально-интегральных регуляторов тока, выход которого подключен к первому входу четвертого блока вычитания 29. Первый вход первого 31 и первый вход второго 32 блоков компенсации перекрестных связей подключены соответственно к первому и второму входам блока пропорционально-интегральных регуляторов 13. Вторые входы блоков компенсации 31 и 32 подключены к третьему входу блока пропорционально-интегральных регуляторов тока 13. Выход первого 31 блока компенсации перекрестных связей подключен ко второму входу четвертого 29 блока вычитания, выход которого подключен ко второму выходу блока пропорционально-интегральных регуляторов тока 13. Выход второго 32 блока компенсации перекрестных связей подключен ко второму входу третьего блока суммирования 30, выход которого подключен к первому выходу блока пропорционально-интегральных регуляторов тока 13.

Система управления 5 (фиг. 1) трехфазными трехуровневыми активными выпрямителями напряжения может быть выполнена на базе специализированного микроконтроллера, имеющего периферийные устройства, процессор, ОЗУ и ПЗУ.

Дадим краткое описание высоковольтному преобразователю частоты 1 (фиг. 2). Он содержит первый 33 и второй 34 преобразователи частоты, каждый из которых, в свою очередь, содержит трехуровневый активный выпрямитель напряжения 35, трехуровневый инвертор напряжения 36 и дроссель 37. Одноименные выходные зажимы фаз преобразователей частоты 33 и 34 соединены между собой и подключены к двигателю переменного тока 4. Входы общего для обоих преобразователей частоты звена постоянного тока 38 с нулевой точкой подключены к выходам обоих активных выпрямителей 35, а выходы указанного звена 38 подключены к входам обоих инверторов напряжения 36. Кроме того, преобразователь частоты 1 оснащен первым 39 и вторым 40 фазосдвигающими трансформаторами соответственно на 0^о и +30^о градусов. Первичная обмотка первого фазосдвигающего трансформатора 39 имеет шесть выводов и соединена последовательно с первичной обмоткой второго фазосдвигающего трансформатора 40, которая соединена в звезду. При этом начало первичной обмотки первого фазосдвигающего трансформатора подключено к источнику питания. Вторичные обмотки указанных трансформаторов соединены в звезду и треугольник и подключены соответственно к первому 33 и второму 34 преобразователям частоты. Описанные соединения позволяют получить двенадцатипульсную схему выпрямления. В силовых схемах трехуровневых активных выпрямителей 35 и инверторов напряжения 36 используются полностью управляемые тиристорные ключи.

Трехфазный трехуровневый активный выпрямитель напряжения 35 (фиг. 3) содержит три фазные стойки 41, 42 и 43, выходы которых соединены параллельно и подключены к звену постоянного тока 38, которое содержит два последовательно соединенных конденсатора 44 и 45. Первый конденсатор 44 создает положительный потенциал на фазах инвертора 36, а второй конденсатор 45 – отрицательный потенциал. Общая точка конденсаторов 46 является нейтральной точкой трехфазного трехуровневого активного выпрямителя 35 и создает нулевой потенциал на его фазах. Каждая из фазных стоек 41, 42 и 43 содержит четыре последовательно соединенных полностью управляемых тиристорных ключа 47, 48, 49 и 50. К точке соединения первого 47 и второго 48 управляемых ключей в каждой фазной стойке подключен катод первого диода 51, анод которого подключен к нейтральной точке 46 активного выпрямителя. Точка соединения второго 48 и третьего 49 управляемых ключей является силовым входом активного выпрямителя 35 в каждой фазной стойке. К точке соединения третьего 49 и четвертого 50 управляемых ключей в каждой фазной стойке подключен анод второго диода 52, катод которого подключен к нейтральной точке 46 активного выпрямителя. Силовые входы первого и второго активных выпрямителей 35 (фиг. 2) подключены соответственно к вторичным обмоткам первого 39 и второго 40 фазосдвигающих трансформаторов.

Отметим, что ключи 47, 48, 49 и 50 (фиг. 3) в фазных стойках 41, 42 и 43, получая по шине данных сигналы управления с блока широтно-импульсных модуляторов 10, формируют на входе активного выпрямителя 35 широтно-модулированные фазные напряжения. При этом амплитудные значения основных гармоник этих напряжений задаются управляющими сигналами напряжения

,

(фиг. 1). Указанные сигналы формируются на выходе системы управления 5 и по шине данных подаются на вход блока широтно-импульсных модуляторов 10.

Отметим, что трехфазные трехуровневые активные выпрямители напряжения 35 (фиг. 2) первого 33 и второго 34 преобразователей частоты идентичны. Ранее отмечалось, что их выходы подключены к входам общего для них звена постоянного тока 38 с нулевой точкой, а входы одного и другого выпрямителей 35 подключены соответственно к вторичным обмоткам первого 39 и второго 40 фазосдвигающих трансформаторов на

градусов относительно сетевого напряжения. С учетом изложенного, благодаря сигналу управления

,

фазы основных гармоник напряжений, сформированные на входах обоих активных выпрямителей 35 должны иметь сдвиги

градусов относительно сетевого напряжения.

Дадим краткое описание всех блоков системы управления 5 (фиг. 1) и укажем их назначение. Отметим, что работа системы управления 5 выполнена во вращающейся ортогональной системе координат

, ориентированной по вектору напряжения сети

.

Входными сигналами для системы управления 5 (фиг. 1, фиг. 2) являются:

– сетевой ток;

– сетевое напряжение;

– текущее значение напряжения на конденсаторах звена постоянного тока 38 высоковольтного преобразователя частоты 1;

– заданное значение напряжения на конденсаторах звена постоянного тока;

– заданное значение реактивной составляющей сетевого тока

. Выходным сигналом системы управления 5 является сигнал

,

– управляющий сигнал напряжения для активных выпрямителей 35.

Первый блок преобразования координат 11 (фиг.1) осуществляет преобразование мгновенных значений сетевого тока

из неподвижной системы координат

в активную

и реактивную

составляющие сетевого тока во вращающейся системе координат

на частоте

основной гармоники напряжения сети. Отметим, что сигналы

и

являются сигналами обратной связи для блока пропорционально-интегральных регуляторов 13.

Блок фазовой автоподстройки частоты 12 (фиг.1) формирует фазовый угол

и частоту ω для пространственного вектора основной гармоники напряжения питающей сети

. Фазовый угол

обеспечивает точную синхронизацию формируемых сигналов управления в блоках преобразования координат 11, 16 и 19 заявляемой системы управления 5. Частота ω обеспечивает работу блоков компенсации перекрестных связей 31 и 32 в блоке пропорционально-интегральных регуляторов 13.

Задающими сигналами для блока регуляторов тока 13 (фиг.1) являются сигналы

и

, формируемые соответственно блоком пропорционально-интегрального регулятора выпрямленного напряжения 14 и задатчиком реактивной составляющей сетевого тока 9.

Блок пропорционально-интегрального регулятора выпрямленного напряжения 14 осуществляет астатическое регулирование напряжения

на конденсаторах звена постоянного тока 38 (фиг. 2), поддерживая его на уровне

. На вход указанного регулятора 14 поступает сигнал ошибки

с выхода первого блока вычитания 15. На входы последнего 15 подаются задающий сигнал

с задатчика напряжения 8 на конденсаторах звена постоянного тока и сигнал обратной связи

с датчика напряжения звена постоянного тока 7.

В блоке пропорционально-интегральных регуляторов тока 13 второй блок вычитания 27 (фиг. 1) формирует сигнал ошибки

, который равен разности сигнала задания

и сигнала обратной связи

для составляющей d канала регулирования сетевого тока. Сигнал ошибки

подается на вход первого пропорционально-интегрального регулятора тока 25, который обеспечивает астатическое регулирование активной составляющей сетевого тока

. Выходной сигнал напряжения

регулятора 25 подается на первый вход третьего блока суммирования 30. На второй вход блока 30 подается сигнал

, который формирует второй блок компенсации перекрестных связей 32. Сигнал

устраняет взаимное влияние между d и q каналами регулирования в блоке пропорционально-интегральных регуляторов 13. Здесь

– индуктивность реактора или индуктивность рассеяния трансформаторов, которые установлены на входе активного выпрямителя 35 (фиг.2).

Известно, что во вращающейся системе координат

существует перекрестное влияние реактивной составляющей тока

активного выпрямителя 35 на его активную составляющую тока

и наоборот (см. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. Екатеринбург. УРО РАН, 2000. 654 с.).

Выходной задающий сигнал напряжения

третьего блока суммирования 30 подается на первый вход второго блока преобразования координат 16 активной

и реактивной

составляющих напряжений из вращающейся системы координат

в составляющие напряжений

и

неподвижной ортогональной системы координат

.

В блоке пропорционально-интегральных регуляторов тока 13 третий блок вычитания 28 (фиг. 1) формирует сигнал ошибки

, который равен разности сигнала задания

и сигнала обратной связи

для составляющей

канала регулирования сетевого тока. Сигнал ошибки

подается на вход второго пропорционально-интегрального регулятора тока 26, который обеспечивает астатическое регулирование реактивной составляющей сетевого тока

. Выходной сигнал напряжения

регулятора 26 подается на первый вход четвертого блока вычитания 29. На второй вход блока 29 подается сигнал

, который формирует первый блок компенсации перекрестных связей 31. Сигнал

устраняет взаимное влияние между d и q каналами регулирования в блоке пропорционально-интегральных регуляторов 13.

Выходной задающий сигнал напряжения

четвертого блока вычитания 29 подается на второй вход второго блока преобразования координат 16 активной

и реактивной

в составляющие напряжений

и

.

Выходные задающие сигналы напряжений

и

второго блока преобразования координат 16 подаются соответственно на первый вход первого 17 и на первой вход второго 18 сумматоров.

Отметим, что отличительной особенностью заявляемого изобретения является то, что оно снабжено пятью новыми блоками: четвертым блоком преобразования координат 20, первым 21 и вторым 22 фильтрами нижних частот, пятым блоком преобразования координат 23 и блоком инвертирования 24.

Указанные блоки позволяют ввести практически мгновенно, т.е. без существенной задержки, в состав сигнала управления активными выпрямителями

,

дополнительный сигнал – сигнал сетевого напряжения. Сформированные широтно-модулированные фазные напряжения на входе активного выпрямителя будут содержать напряжение обратной последовательности, которое существенно ослабит действие напряжения обратной последовательности со стороны источника питания. Следовательно, в момент появления несимметрии броска тока в фазах активного выпрямителя не будет, что существенно повысит надежность работы трехфазного активного выпрямителя напряжения. Поясним назначение вновь вводимых блоков в систему управления активными выпрямителями.

Блок инвертирования 24 осуществляет изменение знака фазового угла

на фазовый угол

. В дальнейшем фазовый угол

, под действием которого пространственный вектор напряжения вращается в противоположную сторону по отношению к напряжению сети, будет использован блоками 20 и 23 для преобразования координат из одной системы в другую систему.

Четвертый блок преобразования координат 20 (фиг.1) осуществляет преобразование мгновенных значений сетевого напряжения

из неподвижной системы координат

в ортогональные составляющие

и

сетевого напряжения во вращающейся системе координат

обратной последовательности.

Отметим, что сигналы напряжения

и

содержат составляющие первых гармоник напряжения обратной последовательности

и

, значения которых во введенной вращающейся системе координат

представляют собой постоянные уровни. Кроме того, сигналы напряжения

и

содержат составляющие первых гармоник напряжения прямой последовательности

и

изменяются с удвоенной частотой питающей сети

.

Кроме того, сигналы напряжения

и

также содержат высокочастотные составляющие

. Поясним, почему указанные составляющие

присутствуют в составе напряжений

и

, а также, почему высокочастотные составляющие

не должны попасть в сигналы задания по напряжению системы управления 5.

Ранее было обосновано, что в заявляемом устройстве используется метод ШИМ с удалением восьми выделенных гармоник напряжения и девятью переключениями ключей активного выпрямителя за четверть периода сетевого напряжения. Для указанного метода ШИМ на фиг. 4,а приведена идеальная форма фазного напряжения на входе трехфазного трехуровневого активного выпрямителя 35 (фиг. 3) по отношению к нейтральной точке 46 звена постоянного тока 38. На фиг. 4,б приведены зависимости углов переключения ключей

активного выпрямителя 35 от коэффициента модуляции

для указанного метода ШИМ, обеспечивающего заданное значение первой гармоники напряжения активного выпрямителя 35.

Для известного устройства рассчитаны зависимости девяти углов переключения от коэффициента модуляции. Для расчета указанных углов в данном методе ШИМ задается целевая функция, в которой учитываются два условия: поддержание первой гармоники на уровне, задаваемом коэффициентом модуляции; уменьшение уровня высших гармоник в токе до желаемого значения. В известном устройстве в блоке коррекции фазных напряжений хранится база данных для девяти углов переключения в зависимости от значения коэффициента модуляции для симметричного и несимметричного режимов работы источника питания.

Если в заявляемом устройстве не приняты меры, которые должны устранить высокочастотные составляющие

, то на входе активного выпрямителя 35 (фиг. 3) мы будем иметь осциллограммы фазного напряжения, которые изображены на фиг. 5. Это напряжение было получено относительно нейтральной точки 46 (фиг. 3) активного выпрямителя в результате моделирования заявляемой системы управления в программной среде Matlab Simulink. Здесь вместо 9 переключений за четверть периода сетевого напряжения мы наблюдаем множественные ложные срабатывания широтно-импульсного модулятора 10 (фиг. 2). Такие переключения весьма нежелательны и недопустимы, так как в реальном активном выпрямителе 35 это может привести к перегреву тиристоров, срабатыванию защиты, что снижает надежность работы активного выпрямителя и системы управления в целом.

Причиной множественных ложных срабатываний широтно-импульсного модулятора 10 является то, что в канал регулирования по сетевому напряжению системы управления 5 с датчика трехфазного напряжения 6 (фиг. 1) поступает сигнал, содержащий высокочастотные составляющие напряжения, которые вызывают ложные срабатывания.

Это обусловлено тем, что датчик трехфазного напряжения 6 подключен к средней точке делителя напряжения, который со стороны активного выпрямителя 35 (фиг.2) представлен индуктивным сопротивлением реактора или индуктивным сопротивлением рассеяния трансформатора 39 (40), а со стороны трехфазного источника питания 3 - его внутренним индуктивным сопротивлением. При этом к указанному делителю напряжения со стороны активного выпрямителя в идеальном случае приложено широтно-модулированное напряжение как на фиг. 4,а, а со стороны трехфазного источника питания 3 в идеальном случае приложено синусоидальное напряжение. Заметим, что трехфазный источник питания 3 в реальных условиях эксплуатации из-за воздействия других потребителей также может содержать высокочастотные составляющие напряжения. С учетом изложенного можно утверждать, что напряжение в точке подключения датчика трехфазного напряжения 6 содержит как синусоидальную составляющую сетевого напряжения, так и высокочастотные составляющие напряжения.

На фиг. 6 в качестве примера показаны результаты моделирования в программной среде Matlab Simulink. Здесь приведены составляющие сетевого напряжения

и

в неподвижной ортогональной системе координат

, полученные из фазных сетевых напряжений

, которые содержат высокочастотные составляющие. На осциллограммах (фиг. 6) видны высокочастотные составляющие, попадание которых в канал регулирования по сетевому напряжению системы управления 5 приведут к ложным срабатываниям широтно-импульсного модулятора 10 (фиг. 2), а также ложным срабатываниям активного выпрямителя 35 (фиг. 5). Последнее, как ранее отмечалось, недопустимо, так как это снижает надежность заявляемой системы управления.

Таким образом, чтобы не допустить высокочастотные составляющие

в канал регулирования по сетевому напряжению системы управления 5 (фиг. 1) их необходимо отфильтровать из сигналов

и

, которые сформированы на выходе блока 20. Эту задачу решают фильтры нижних частот 21 и 22.

На фиг. 1 фильтры 21 и 22 пропускают составляющие первой гармоники сетевого напряжения обратной последовательности

,

и прямой последовательности

,

, а также удаляют высокочастотные составляющие

. В качестве фильтров нижних частот в заявляемой системе управления используются фильтры с конечной импульсной характеристикой, работающие по принципу выделения скользящего среднего (с периодом усреднения 0,001 с).

Пятый блок преобразования координат 23 осуществляет преобразование сигналов

,

и

,

из вращающейся системы координат

обратной последовательности в составляющие напряжений

и

. Отметим, что сигналы

и

являются сигналами регулирования по сетевому напряжению

. Указанные сигналы

и

содержат составляющие напряжений как прямой последовательности, так и обратной последовательности сетевого напряжения, если в источнике питания 3 имеет место несимметрия. При этом сигналы

и

не содержат высокочастотные составляющие.

Отметим, что в канале регулирования по сетевому напряжению, т.е. в блоках 20, 21, 22 и 23 практически отсутствует временная задержка с обработкой сигналов. В четвертом 20 и пятом 23 блоках преобразования координат выполняются арифметические и логические операции без временной задержки, а в фильтрах нижних частот 21 и 22, работающих по принципу выделения скользящего среднего (с периодом усреднения 1/1000 с), задержка не превышает 0,001 с.

Указанная задержка в 5 раз меньше четверти периода сетевого напряжения. Ранее было отмечено, что задержка, равная четверти периода сетевого напряжения имеет место в канале системы управления по напряжению в прототипе. При этом при кратковременном несимметричном провале напряжения в одной из фаз активного выпрямителя происходит значительный бросок тока, что снижает надежность системы управления и всей системы в целом (в прототипе).

Выходные сигналы напряжений

и

пятого блока преобразования координат 23 (фиг.1) подаются соответственно на второй вход первого 17 и на второй вход второго 18 сумматоров. Выходные задающие сигналы

и

указанных сумматоров подаются соответственно на первый и второй входы третьего блока преобразования координат 19. Указанный блок осуществляет преобразование в неподвижной системе координат задающих управляющих напряжений

и

в управляющие напряжения

,

, которые подаются на блок широтно-импульсных модуляторов 10. Последний блок по шине данных управляет работой ключей 47, 48, 49 и 50 (фиг. 3) в соответствующих фазах активного выпрямителя 35, при этом на его входе формируется требуемое широтно-модулированное напряжение фиг. 4,а.

Устройство управления трехфазными трехуровневыми активными выпрямителями напряжения высоковольтного преобразователя частоты 1 работает следующим образом.

На первый и второй входы системы управления 5 (фиг. 1) поступают соответственно сигналы мгновенных значений сетевого тока

и сетевого напряжения

. На третий вход – сигнал текущего значения напряжения на конденсаторах звена постоянного тока

. На четвертый и пятый входы – задающие сигналы

и

.

Ранее отмечалось, что в системе управления 5 (фиг. 1) используется комбинированный способ регулирования по отклонению и по возмущению. Канал регулирования по отклонению, в который входят блоки 11, 13, 14, 15 и 16 под действием задающих сигналов

,

и сигналов обратной связи

,

формирует управляющие сигналы

и

. Ранее было подробно описано, как осуществляется процесс формирования указанных сигналов.

Канал регулирования по возмущению, в который входят блоки 20, 21, 22, 23 и 24 под действием сигнала

формирует управляющие сигналы

и

. Ранее было подробно описано, как осуществляется процесс формирования этих сигналов.

Под действием указанных управляющих сигналов

,

и

,

на выходе системы управления 5 формируется сигнал

, который управляет работой блока широтно-импульсных модуляторов 10. Указанный блок 10 по шине данных управляет работой ключей 47, 48, 49 и 50 (фиг. 3) активного выпрямителя 35, при этом на его входе формируется требуемое широтно-модулированное напряжение, например, как на фиг. 4,а.

Отметим отличительные особенности канала регулирования по возмущению в заявляемом изобретении.

Во-первых, блоки преобразования координат 20 и 23 не создают временной задержки сигналов в процессе их преобразования, так как в указанных блоках выполняются арифметические и логические операции.

Во-вторых, применение системы координат

обратной последовательности позволяет сохранить с максимальной достоверностью информацию о составляющих напряжения обратной последовательности

и

в составе сетевого напряжения при его несимметричном провале. Это позволяет пятому блоку преобразования координат 23 (фиг.1) сформировать сигналы

и

, которые содержат достоверную информацию об обратной последовательности сетевого напряжения. Ранее об этом было подробно описано.

В третьих, применение фильтров нижних частот 21 и 22, которые работают по принципу выделения скользящего среднего (с периодом усреднения 1/1000 с) позволяет исключить ложные срабатывания ключей активного выпрямителя 35. Ранее об этом было подробно описано.

В четвертых, задержка в формировании управляющих сигналов

и

не превышает 0,001 с, в то время как в прототипе задержка сигналов достигает 0,01 с, или в лучшем случае 0,005 с. Указанное достоинство позволяет при кратковременном несимметричном провале сетевого напряжения

сформировать на входе активного выпрямителя 35 напряжение подобное сетевому напряжению. При этом в фазах активного выпрямителя не будут иметь место броски токов. Ранее об этом было подробно описано.

Рассмотрим три режима работы заявляемого устройства управления трехфазными трехуровневыми активными выпрямителями напряжения.

Первый режим – работа устройства в установившемся режиме и симметричном напряжении источника питания 3.

Канал регулирования по сетевому напряжению формирует управляющие сигналы

и

, которые содержат составляющие только прямой последовательности. Благодаря фильтрам нижних частот 21 22 управляющие сигналы

и

не содержат высокочастотные составляющие.

Канал регулирования по отклонению формирует управляющие сигналы

,

, которые обусловлены сигналами задания

,

и сигналами обратной связи

,

. Пропорционально-интегральные регуляторы тока 25, 26 и напряжения 14 обеспечивают астатическое регулирование контролируемых параметров

,

и

в канале регулирования по отклонению.

Сформированный системой управления 5 сигнал

содержит информацию о значении коэффициента модуляции

, который обеспечивает заданное значение первой гармоники напряжения активного выпрямителя 35. В соответствии со значением коэффициента модуляции

в блоке широтно-импульсных модуляторов 10 из базы данных осуществляется выбор значений углов переключений ключей

(фиг. 4,б) активного выпрямителя 35.

Для подтверждения работоспособности заявляемого устройства в программной среде Matlab Simulink было выполнено его моделирование для симметричного и несимметричного режимов работы.

Моделирование показало (фиг. 7,а), что для рассматриваемого режима работы фазные токи активного выпрямителя 35 практически синусоидальные и имеют одинаковую амплитуду

. На фиг. 7 описываемому первому режиму работы системы управления соответствует временной интервал от 0,15 с до 0,2 с. Сравнение осциллограмм на фиг. 6 и фиг. 7,а позволяет сделать вывод, что уровень высших гармоник на фиг. 7,а значительно меньше, чем на фиг. 6. Наличие незначительных высших гармоник в составе сетевого тока обусловлены широтно-модулированными входными напряжениями активного выпрямителя 35 (фиг. 4,а). Ложные срабатывания ключей активных выпрямителей как на фиг. 5 в заявляемом устройстве отсутствуют, благодаря работе фильтров нижних частот 21 и 22 (фиг. 1) в канале регулирования по сетевому напряжению.

На фиг. 7,б приведена осциллограмма изменения текущего значения напряжения

на конденсаторах звена постоянного тока 38 (фиг.2, 3) высоковольтного преобразователя частоты 35. Ранее отмечалось, что напряжение

- это контролируемый параметр, поддержание которого на уровне

осуществляет канал регулирования по отклонению. Для первого режима работы заявляемого устройства отклонение напряжения

от заданного

менее 0,5%. Это хороший показатель.

На фиг. 7,в приведена зависимость относительного значения коэффициента модуляции для трех режимов работы заявляемой системы. Если задающие сигналы системы управления 5 неизменны, то для симметричного режима работы указанный коэффициент остается величиной постоянной. В нашем случае его значение равно

.

Второй режим – работа устройства в переходном режиме, т.е. с момента провала напряжения в трехфазном источнике питания 3 до момента установившегося несимметричного режима работы активного выпрямителя. На фиг. 7 второму режиму соответствует интервал времени от 0,2 с до 0,23 с, т.е. полтора периода сетевого напряжения.

В момент времени

(фиг. 7) произошел двухфазный провал напряжений в фазе

на 20%, в фазе

на 45%.

и

(фиг. 1), которые содержат составляющие прямой и обратной последовательности и не содержат высокочастотные составляющие.

,

, которые обусловлены сигналами задания

,

и сигналами обратной связи

,

и

в канале регулирования по отклонению.

Как и ранее сформированный системой управления 5 сигнал

осуществляет выбор значений углов переключения ключей

(фиг. 4,б) из базы данных блока широтно-импульсных модуляторов 10.

Моделирование показало, что в заявляемом устройстве система управления 5 (фиг. 1) оперативно отрабатывает появление несимметрии, что подтверждает график быстрого уменьшения относительного значения коэффициента модуляции на фиг. 7,в. Благодаря уменьшению коэффициента модуляции от

до

в течение времени от

до

напряжение на входе активного выпрямителя 35 также быстро изменяется, практически без задержки. Ранее было отмечено, что система управления 5 должна сформировать такие сигналы управления

для активного выпрямителя, чтобы он, в свою очередь, сформировал на своем входе напряжение подобное сетевому напряжению, которое ограничит броски фазных токов выпрямителя.

Отметим, что после провала напряжения пространственный вектор сетевого напряжения

в ортогональной системе координат

описывает кривую в виде овала за период сетевого напряжения. Это обусловлено наличием составляющей обратной последовательности напряжения в составе сетевого напряжения. Наличие обратной последовательности приводит к тому, что зависимость коэффициента модуляции

(фиг. 7,в) кроме постоянной составляющей содержит переменную составляющую. Частота колебания

равна удвоенной частоте сетевого напряжения, а ее амплитудное значение составляет

от уровня постоянной составляющей коэффициента модуляции

.

Моделирование показало, что броски фазных токов в течение переходного режима не превышают

, что можно считать допустимым значением

, так как задающие значения

для системы управления 5 остались неизменными, а система управления осуществляет их поддержание.

Для сравнения заявляемой системы управления (фиг. 1) и системы управления, которая была применена в прототипе, было выполнено её моделирование (прототипа) в программной среде Matlab Simulink. Напомним, в прототипе в канале регулирования по напряжению используется блок выделения напряжения прямой и обратной последовательности. Ранее было отмечено, что указанный блок вносит временную задержку до 0,01 с или в лучшем случае до 0,005 с в формировании сигнала управления. При этом в момент появления несимметрии наблюдается бросок одного из фазных токов трехфазного трехуровневого активного выпрямителя, который может превысить номинальный ток в 2 раза и более, что приводит к срабатыванию токовой защиты известного устройства (прототипа) и его отключению. Несимметрия фазных токов для прототипа, а также увеличение размаха колебания напряжения на конденсаторах звена постоянного тока выше предельно-допустимого значения, приводит к срабатыванию защиты известного устройства по выпрямленному напряжению и его отключению. На фиг. 8 приведены осциллограммы фазных токов активного выпрямителя для прототипа, подтверждающие вышесказанное.

Сравнивая осциллограммы бросков тока выпрямителя заявляемой системы

(фиг. 7,а) и известной системы (прототип)

(фиг. 8,а) можно сделать вывод, что в переходном режиме от 0,2 с до 0,23 с броски тока в заявляемой системе управления существенно меньше и не превышают допустимые значения

, здесь

.

Моделирование показало (фиг. 7,б), что для рассматриваемого режима работы устройства наблюдается отклонение напряжения

(снижение

) на конденсаторах звена постоянного тока 38 от заданного значения

Однако указанное отклонение не превышает 5% от

, что соответствует допустимому значению. В течение времени переходного процесса от

до

с можно считать, что происходит восстановление напряжения

до заданного значения

.

Таким образом, благодаря заявляемой системе управления (фиг. 1) основные параметры активного выпрямителя 5 – входные токи

(фиг. 3, фиг. 7) и напряжение звена постоянного тока

(фиг. 2, фиг. 7) в течение времени переходного процесса не превышают предельно-допустимых значений.

Третий режим – работа устройства в установившемся режиме при несимметричном напряжении источника питания 3.

Рассматриваемый режим работы устройства непродолжительный, так как провал напряжения кратковременный длительностью не более 0,5 с. Однако этот режим работы устройства также представляет интерес.

На фиг. 7 этому режиму работы активного выпрямителя соответствует интервал времени от 0,23 с до 0,25 с.

Ранее описанные каналы регулирования по отклонению и по сетевому напряжению продолжают свою работу, как и во время переходного процесса, а сигнал управления

формирует на входе активного выпрямителя 35 напряжение требуемой формы, которое ограничивает броски его фазных токов.

Для рассматриваемого режима работы, как и в предыдущем переходном режиме, зависимость коэффициента модуляции

(фиг. 7,в), а также зависимость

содержат переменные составляющие, которые обусловлены обратной последовательностью напряжения в составе сетевого напряжения. Амплитудное значение переменной составляющей

составляет

от уровня заданного значения

, что подтверждает высокие показатели качества регулирования и надежность заявляемой системы управления.

Моделирование показало, что при неизменной нагрузке 4 (фиг. 1) высоковольтного преобразователя частоты 1 и сохранении задающих сигналов активного выпрямителя (фиг. 3) на прежнем уровне амплитудные значения его фазных токов (фиг. 7,а) увеличены и равны

,

и

.

При номинальном значении тока активного выпрямителя

несимметрия его фазных токов не превышает 2,5%, что также подтверждает высокие показатели качества регулирования и надежность заявляемой системы управления.

Сравнивая осциллограммы тока выпрямителя заявляемой системы (фиг. 7,а) и известной системы (прототип) (фиг. 8,б) можно сделать вывод, что в переходном и установившемся режиме несимметрия фазных токов прототипа достигает 40% и более, что подтверждает низкие показатели качества регулирования и низкую надежность системы управления прототипа.

Таким образом, заявляемое устройство управления повышает надежность работы трехфазных трехуровневых активных выпрямителей напряжения высоковольтного преобразователя частоты при кратковременном несимметричном провале напряжения трехфазного источника питания. Благодаря усовершенствованной системе управления активными выпрямителями напряжения ограничивается увеличение фазных токов выпрямителей при кратковременном несимметричном провале напряжения трехфазного источника питания, а также ограничивается размах колебания напряжения на конденсаторах звена постоянного тока активных выпрямителей в пределах допустимых значений. Кроме того, благодаря введению фильтров нижних частот в систему управления повышается коэффициент полезного действия активных выпрямителей и надежность работы высоковольтного преобразователя частоты в целом.

Claims

Устройство управления трехфазными трехуровневыми активными выпрямителями напряжения, содержащее высоковольтный преобразователь частоты, вход которого через трехфазный датчик тока подключен к трехфазному источнику питания, выход указанного преобразователя частоты, который содержит два активных выпрямителя напряжения, общее звено постоянного тока и два инвертора напряжения подключены к двигателю переменного тока, измерительные выходы датчика тока подключены к первому входу системы управления активными выпрямителями, ко второму входу системы управления подключены информационные выходы датчика трехфазного напряжения, входы которого подключены к точке соединения выхода трехфазного датчика тока и входа высоковольтного преобразователя частоты, к третьему входу системы управления подключен выход датчика напряжения звена постоянного тока, входы которого подключены к информационному выходу высоковольтного преобразователя частоты, к четвертому входу системы управления подключен задатчик напряжения на конденсаторах звена постоянного тока преобразователя частоты, к пятому входу системы управления подключен задатчик реактивной составляющей сетевого тока, управляющий выход системы управления по шине управления через блок широтно-импульсных модуляторов подключен к управляющему входу высоковольтного преобразователя частоты, при этом система управления активными выпрямителями напряжения содержит первый блок преобразования координат, блок фазовой автоподстройки частоты, блок пропорционально-интегральных регуляторов тока, блок пропорционально-интегрального регулятора выпрямленного напряжения, первый блок вычитания, второй блок преобразования координат, первый и второй сумматоры, третий блок преобразования координат, первый, второй и третий входы первого блока преобразования координат подключены к первому входу системы управления, четвертый вход указанного блока подключен к первому выходу блока фазовой автоподстройки частоты, первый и второй выходы первого блока преобразования координат подключены соответственно к первому и второму входам блока пропорционально-интегральных регуляторов тока, к третьему входу блока регуляторов тока подключен второй выход блока фазовой автоподстройки частоты, первый, второй и третий входы которого подключены ко второму входу системы управления, четвертый вход блока пропорционально-интегральных регуляторов тока подключен к пятому входу системы управления, пятый вход блока регуляторов тока подключен к выходу блока пропорционально-интегрального регулятора выпрямленного напряжения, вход которого подключен к выходу первого блока вычитания, первый и второй входы которого подключены соответственно к четвертому и третьему входам системы управления, первый и второй выходы блока пропорционально-интегральных регуляторов тока подключены соответственно к первому и второму входам второго блока преобразования координат, третий вход которого подключен к первому выходу блока фазовой автоподстройки частоты, первый и второй выходы второго блока преобразования координат подключены соответственно к первому входу первого и к первому входу второго сумматоров, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам третьего блока преобразования координат, третий вход которого подключен к первому выходу блока фазовой автоподстройки частоты, выходы третьего блока преобразования координат по шине управления подключены к управляющему выходы системы управления, отличающееся тем, что устройство управления, дополнительно снабжено четвертым блоком преобразования координат, первым и вторым фильтрами нижних частот, пятым блоком преобразования координат, блоком инвертирования, кроме того блок пропорционально-интегральных регуляторов тока включает в себя первый и второй блоки пропорционально-интегральных регуляторов тока, второй, третий и четвертый блоки вычитания, третий блок суммирования, первый и второй блоки компенсации перекрестных связей, первый, второй и третий входы четвертого блока преобразования координат подключены ко второму входу системы управления, четвертый вход четвертого блока подключен к выходу блока инвертирования, вход которого подключен к первому выходу блока фазовой автоподстройки частоты, первый и второй выходы четвертого блока преобразования координат соответственно через первый и второй фильтры нижних частот подключены к первому и второму входам пятого блока преобразования координат, третий вход пятого блока подключен к выходу блока инвертирования, первый и второй выхода пятого блока преобразования координат подключены соответственно ко второму входу первого и ко второму входу второго сумматоров, первый и второй входы второго блока вычитания подключены соответственно к пятому и к первому входам блока пропорционально-интегральных регуляторов тока, выход второго блока вычитания подключен к входу первого блока пропорционально-интегральных регуляторов тока, выход которого подключен к первому входу третьего блока суммирования, первый и второй входы третьего блока вычитания подключены соответственно к четвертому и ко второму входам блока пропорционально-интегральных регуляторов тока, выход третьего блока вычитания подключен к входу второго блока пропорционально-интегральных регуляторов тока, выход которого подключен к первому входу четвертого блока вычитания, первый вход первого и первый вход второго блоков компенсации перекрестных связей подключены соответственно к первому и второму входам блока пропорционально-интегральных регуляторов тока, вторые входы блоков компенсации подключены к третьему входу блока пропорционально-интегральных регуляторов тока, выход первого блока компенсации перекрестных связей подключен ко второму входу четвертого блока вычитания, выход которого подключен ко второму выходу блока пропорционально-интегральных регуляторов тока, выход второго блока компенсации перекрестных связей подключен ко второму входу третьего блока суммирования, выход которого подключен к первому выходу блока пропорционально-интегральных регуляторов тока.