RU57527U1 - THREE-PHASE AUTONOMOUS CURRENT INVERTER WITH CONTROL ASYMMETRY OF VOLTAGE IN THE OUTPUT - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области преобразовательной техники и может применяться для питания трехфазных сетей переменного тока ограниченной мощности и управления несимметрией выходного напряжения при питании потребителей, требующих стабильного напряжения. Задачей заявляемой полезной модели является получение симметричного выходного напряжения автономного инвертора тока при снижении стоимости оборудования и его энергоемкости. Решение поставленной задачи достигается путем подключения к выходу инвертора тока, управляемого микропроцессорной системой управления, датчиков напряжения и соединенных с ними аналого-цифровых преобразователей, выходы которых подключены к микропроцессорной системе управления инвертором. Микропроцессорная система управления запрограммирована на изменение фазных углов коммутации тиристоров инвертора, причем величины изменения углов определяются методом градиентного или покоординатного спуска с помощью последовательных пробных изменений каждого из углов, с помощью чего обеспечивается минимизация несимметрии системы выходных напряжений инвертора.The utility model relates to the field of converter technology and can be used to power three-phase AC networks of limited power and to control the asymmetry of the output voltage when supplying consumers requiring a stable voltage. The objective of the claimed utility model is to obtain a symmetric output voltage of a stand-alone current inverter while reducing the cost of equipment and its energy consumption. The solution to this problem is achieved by connecting to the output of the current inverter controlled by the microprocessor control system, voltage sensors and analog-to-digital converters connected to them, the outputs of which are connected to the microprocessor control system of the inverter. The microprocessor control system is programmed to change the phase angles of switching of the inverter thyristors, and the values of the change in angles are determined by the gradient or coordinate descent method using successive test changes of each of the angles, which minimizes the asymmetry of the inverter output voltage system.

Description

Полезная модель относится к области преобразовательной техники и может применяться для питания трехфазных сетей переменного тока ограниченной мощности и управления несимметрией выходного напряжения при питании потребителей, требующих стабильного напряжения.The utility model relates to the field of converter technology and can be used to power three-phase AC networks of limited power and to control the asymmetry of the output voltage when supplying consumers requiring a stable voltage.

Основной причиной асимметрии системы напряжений на потребителях в сети ограниченной мощности является подключение несимметричной, например однофазной, нагрузки, мощность которой сравнима с мощностью источника. Следствием несимметрии системы напряжений могут быть перегрев, ухудшение работы и сокращение срока службы оборудования, старение изоляции, снижение мощности асинхронных двигателей, и другое.The main reason for the asymmetry of the voltage system on consumers in a limited power network is the connection of an asymmetric, for example, single-phase, load, the power of which is comparable to the power of the source. The asymmetry of the voltage system can result in overheating, deterioration of operation and shortened equipment life, aging of insulation, reduced power of induction motors, and more.

Используемые для питания промышленных сетей автономные инверторы тока (АИТ) обычно не предусматривают активного управления качеством выходной электрической энергии. Вследствие этого при использовании несимметричных нагрузок выходная система напряжений инвертора может также становиться несимметричной, что приводит к описанным выше последствиям.Autonomous current inverters (AIT) used to power industrial networks usually do not provide for active control of the quality of the output electric energy. As a result, when using unbalanced loads, the inverter output voltage system can also become unbalanced, which leads to the consequences described above.

Обычно проблему симметрирования в таких сетях решают с помощью включения в сеть дополнительного силового оборудования. Например, известны симметрирующие устройства, основанные на включении в сеть цепи перераспределения энергии, благодаря чему достигается симметрирование системы напряжений [1-3]. Более поздние разработки в этой области основаны на вентильном управлении энергией с помощью полупроводниковых преобразователей [4, 5]. Применение полупроводниковых преобразователей Typically, the problem of balancing in such networks is solved by the inclusion of additional power equipment in the network. For example, balancing devices based on the inclusion of energy redistribution circuits in the network are known, due to which balancing of the voltage system is achieved [1-3]. Later developments in this area are based on valve energy control using semiconductor converters [4, 5]. Semiconductor Converters

имеет преимущества, поскольку вентильные преобразователи частоты (ВПЧ) обладают существенно большей управляемостью.has advantages, since valve frequency converters (HPVs) have significantly greater controllability.

Недостатком всех приведенных выше устройств симметрирования является необходимость их включения в сеть в качестве дополнительных силовых элементов, что влечет за собой увеличение суммарной стоимости оборудования и затрат электрической энергии.The disadvantage of all the above balancing devices is the need for their inclusion in the network as additional power elements, which entails an increase in the total cost of equipment and the cost of electric energy.

Наиболее близким по структуре к предлагаемому устройству является тиристорный преобразователь постоянного напряжения в переменное, состоящий из двух трехфазных тиристорных мостов, выходных коммутирующих конденсаторов, связанных между собой по схеме треугольника и включенных на выходе мостов (конденсаторного суммирующего устройства), двух трехфазномостовых индуктивно-вентильных компенсаторов реактивной мощности и двух импульсных регуляторов со сглаживающими LC-фильтрами [6]. Недостатком прототипа является отсутствие средств симметрирования выходной системы напряжений, вследствие чего при питании несимметричной нагрузки выходная система напряжений может иметь значительную асимметрию.The closest in structure to the proposed device is a thyristor DC-AC converter, consisting of two three-phase thyristor bridges, output switching capacitors, interconnected according to the triangle circuit and connected at the output of the bridges (capacitor summing device), two three-phase bridge inductive-valve reactive compensators power and two pulse regulators with smoothing LC filters [6]. The disadvantage of the prototype is the lack of means of balancing the output voltage system, as a result of which when supplying an asymmetric load, the output voltage system can have significant asymmetry.

Задачей заявляемой полезной модели является получение симметричного выходного напряжения АИТ при снижении стоимости оборудования и его энергоемкости.The objective of the claimed utility model is to obtain a symmetric output voltage AIT while reducing the cost of equipment and its energy consumption.

Поставленная задача решается следующим образом. В устройство АИТ, содержащего два тиристорных моста и конденсаторное суммирующее устройство, введены три датчика мгновенного напряжения, входы которых подключены к выходам инвертора. Выходы датчиков напряжения через аналого-цифровые преобразователи (АЦП) подключены к микропроцессорной системе управления (МСУ), генерирующей сигналы управления тиристорами АИТ. При этом МСУ запрограммирована на варьирование значений θ_k (k=1÷5) - электрических углов, соответствующих моментам коммутаций тиристоров каждого из двух мостов АИТ. При изменении величин θ_k оказывается The problem is solved as follows. Three instantaneous voltage sensors, the inputs of which are connected to the inverter outputs, are introduced into the AIT device containing two thyristor bridges and a capacitor summing device. The outputs of the voltage sensors through analog-to-digital converters (ADCs) are connected to a microprocessor control system (MCU) that generates control signals for AIT thyristors. In this case, the ISU is programmed to vary the values of θ _k (k = 1 ÷ 5) - the electrical angles corresponding to the switching moments of the thyristors of each of the two AIT bridges. As θ _k changes, it turns out

возможным минимизировать действующее значение обратной последовательности основной частоты напряжения, а также некоторые высшие гармоники, входящие в его состав. (Крайние значения углов θ₀ и θ₆ не могут изменяться при заданной частоте сети.)it is possible to minimize the effective value of the reverse sequence of the fundamental frequency of the voltage, as well as some of the higher harmonics included in its composition. (The extreme values of the angles θ ₀ and θ ₆ cannot be changed at a given network frequency.)

Управлению подлежат два параметра: К_2U - коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности и К_U3 - условный общий коэффициент несинусоидальности кривых напряжения. Их минимизацию МСУ осуществляет методом градиентного или покоординатного спуска. МСУ может быть реализована, например, на комплекте PIC18Fxx2 фирмы Microchip, который позволяет реализовывать встраиваемые микроконтроллеры ВПЧ, способные решать сложные логические и оптимизационные задачи. Применение в качестве МСУ микроконтроллера обусловлено тем, что поставленная задача симметрирования является нетривиальной и не может быть решена с использованием традиционных аналоговых средств управления.Two parameters are subject to control: K _2U is the voltage asymmetry coefficient in the reverse sequence and K _U3 is the conditional common non-sinusoidality coefficient of voltage curves. The ISU minimizes them by the method of gradient or coordinate descent. MSU can be implemented, for example, on the Microchip PIC18Fxx2 kit, which allows implementing embedded HPV microcontrollers capable of solving complex logical and optimization problems. The use of a microcontroller as an ISU is due to the fact that the task of balancing is non-trivial and cannot be solved using traditional analog control tools.

Предлагаемое устройство поясняется чертежами. На фиг.1 представлена структурная схема устройства. На фиг.2 представлена исходная симметричная система напряжений (К_2U=0%, К_U3=0%), на фиг.3 показан пример изменения системы напряжений после того, как в электрической сети появилась несимметричная, мощность которой сравнима с мощностью источника нагрузка (К_2U=11,3%, К_U3=0,91%), на фиг.4 показана система напряжений, полученная после того, как устройство закончило минимизацию несимметрии (К_2U=0,11%, К_U3=5,77%).The proposed device is illustrated by drawings. Figure 1 presents the structural diagram of the device. Figure 2 shows the initial symmetrical voltage system (K _2U = 0%, K _U3 = 0%), figure 3 shows an example of a change in the voltage system after an asymmetric network appeared in the electrical network, the power of which is comparable to the load source power ( K _2U = 11.3%, K _U3 = 0.91%), figure 4 shows the voltage system obtained after the device has finished minimizing the asymmetry (K _2U = 0.11%, K _U3 = 5.77% )

Предлагаемый инвертор содержит два тиристорных моста 1 и 2, которые состоят из тиристоров 3÷8 и 9÷14 соответственно. Для питания от входной сети (например, 50 Гц) использованы сглаживающие реакторы 15 и 16, подключенные к тиристорным мостам 1 и 2 соответственно. В схему инвертора включено суммирующее устройство, состоящее из групп конденсаторов 17÷22 и 23÷28, которые соединены с выходами мостов 1 и 2 соответственно. Выходы суммирующего устройства являются выходами инвертора, к которым The proposed inverter contains two thyristor bridges 1 and 2, which consist of thyristors 3 ÷ 8 and 9 ÷ 14, respectively. Smoothing reactors 15 and 16 connected to thyristor bridges 1 and 2, respectively, were used for power from the input network (for example, 50 Hz). The inverter circuit includes a summing device consisting of groups of capacitors 17 ÷ 22 and 23 ÷ 28, which are connected to the outputs of bridges 1 and 2, respectively. The outputs of the summing device are the outputs of the inverter, to which

для измерения мгновенных значений выходных напряжений подключены датчики напряжения 29÷31, выходы которых подключены к аналогово-цифровым преобразователям 32÷34. АЦП 32÷34, обеспечивающие оцифровку полученных мгновенных значений напряжений, подключены к микропроцессорной системе управления 35, которая соединена с каждым из тиристоров мостов 1 и 2, выходы которых соединены встречно-параллельно.To measure the instantaneous values of the output voltages, voltage sensors 29 ÷ 31 are connected, the outputs of which are connected to analog-to-digital converters 32 ÷ 34. ADC 32 ÷ 34, which digitize the obtained instantaneous voltage values, are connected to a microprocessor control system 35, which is connected to each of the thyristors of bridges 1 and 2, the outputs of which are connected in parallel.

Устройство работает следующим образом. МСУ 35, управляющая работой тиристоров 3÷8 и 9÷14, с определенной периодичностью (не реже 90 раз за период частоты) снимает показания с датчиков напряжения 29÷31 через АЦП 32÷34. На основании полученных величин МСУ рассчитывает следующие показатели:The device operates as follows. ISU 35, which controls the operation of thyristors 3 ÷ 8 and 9 ÷ 14, with a certain frequency (at least 90 times for the frequency period) takes readings from voltage sensors 29 ÷ 31 through the ADC 32 ÷ 34. Based on the obtained values, the ISU calculates the following indicators:

1. Коэффициент несимметрии рассчитывается как1. The asymmetry coefficient is calculated as

где U_max, U_min - наибольшее и наименьшее из действующих значений межфазных напряжений , , [7].where U _max , U _min - the largest and smallest of the effective values of interphase voltages , , [7].

2. Условный общий коэффициент несинусоидальности кривых напряжения рассчитывается как2. The conditional total coefficient of non-sinusoidality of the voltage curves is calculated as

где i - номер кривой, К_Ui - коэффициент несинусоидальности i-ой кривой.where i is the curve number, K _Ui is the coefficient of non-sinusoidality of the i-th curve.

3. Итоговая минимизируемая функция рассчитывается как3. The total minimized function is calculated as

где ρ - вес коэффициента несинусоидальности (0≤ρ≤1). В данной функции оптимальное значение для коэффициента ρ составляет 0,1÷0,2. Тогда главным минимизируемым показателем является несимметрия системы напряжений, а минимизация несинусоидальности происходит с целью нахождения такого минимума несимметрии, при котором несинусоидальность также минимальна. where ρ is the weight of the coefficient of non-sinusoidality (0≤ρ≤1). In this function, the optimal value for the coefficient ρ is 0.1 ÷ 0.2. Then the main minimized indicator is the asymmetry of the stress system, and the minimization of nonsinusoidality occurs in order to find such a minimum of asymmetry at which nonsinusoidality is also minimal.

Для аппаратной реализации предлагаемого метода симметрирования целевая функция выражена через величины, легко измеряемые непосредственно в функционирующей сети.For the hardware implementation of the proposed method of balancing, the objective function is expressed in terms of quantities that are easily measured directly in a functioning network.

Как только в выходной системе напряжений возникает значительная асимметрия (F>ε, где ε взято равным 0,01, или 1%), МСУ начинает коррекцию качества электрической энергии методом градиентного или покоординатного спуска. Так как нет возможности рассчитать частные производные функции F аналитически, для минимизации поочередно производятся пробные шаги по трем углам каждого из двух мостов инвертора, при которых значение углов изменяется на небольшую величину (1 электрический градус). При этом каждый раз измеряется отклонение минимизируемой функции от ранее измеренного значения.As soon as significant asymmetry arises in the output voltage system (F> ε, where ε is taken to be 0.01, or 1%), the ISU begins to correct the quality of electric energy by the gradient or coordinate descent method. Since it is not possible to calculate the partial derivatives of the function F analytically, to minimize the test steps are taken alternately at the three angles of each of the two bridges of the inverter, at which the value of the angles changes by a small amount (1 electrical degree). Moreover, each time the deviation of the minimized function from the previously measured value is measured.

Вариации углов θ_k не могут быть выбраны независимыми, поскольку средние значения фазных токов на выходе инвертора должны оставаться равными нулю. Поэтому из пяти изменяемых электрических углов каждого моста независимо изменяются три: θ₁, θ₃, и θ₅. Для двух других имеем:Variations in the angles θ _k cannot be chosen independent, since the average values of the phase currents at the inverter output must remain equal to zero. Therefore, of the five variable electrical angles of each bridge, three are independently changed: θ ₁ , θ ₃ , and θ ₅ . For the other two we have:

При использовании метода градиентного спуска для двух мостов последовательно производится шесть пробных изменений независимых электрических углов коммутации тиристоров, после чего МСУ изменяет величины вышеуказанных углов пропорционально измеренным отклонениям. При использовании метода покоординатного спуска пробные изменения по каждому из углов продолжаются до тех пор, пока это приводит к уменьшению минимизируемой функции, после чего осуществляется переход к пробным изменениям следующего угла (после последнего угла - к первому). Процедура повторяется до тех пор, пока значение минимизируемой функции не станет меньше или равно ε. Так как в выходной электрической сети могут присутствовать реактивные элементы, то после любого изменения одного из углов МСУ ожидает завершения переходных процессов в электрической сети.When using the gradient descent method for two bridges, six test changes of the independent electric switching angles of the thyristors are successively performed, after which the ISU changes the values of the above angles in proportion to the measured deviations. When using the method of coordinate-wise descent, test changes in each of the angles continue until this leads to a decrease in the minimized function, after which the transition to test changes of the next angle is made (after the last corner, to the first). The procedure is repeated until the value of the minimized function becomes less than or equal to ε. Since reactive elements may be present in the output electric network, after any change in one of the angles, the ISU expects the completion of transients in the electric network.

Таким образом, технический эффект от использования предлагаемого устройства заключается в повышении качества выходной электрической энергии при питании электрической сети ограниченной мощности (например, цеха). Преимущество предлагаемого устройства состоит в том, что при его технической реализации, помимо инвертора, не требуется привлечения дополнительного силового оборудования (кроме датчиков напряжения и АЦП), которое требуется при включении в сеть симметрирующего устройства.Thus, the technical effect of the use of the proposed device is to improve the quality of the output electric energy when powering an electric network of limited power (for example, a workshop). The advantage of the proposed device is that during its technical implementation, in addition to the inverter, it is not necessary to attract additional power equipment (except voltage sensors and ADCs), which is required when a balancing device is connected to the network.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВLIST OF SOURCES USED

1. А.с. 376854 СССР, МПК Н 02 J 3/26. Устройство для компенсации несимметрии трехфазного напряжения [Текст] / В.С.Синев (СССР). - Заявл. 1973, №1620161; опубл. 1973.1. A.S. 376854 USSR, IPC N 02 J 3/26. Device for compensating the asymmetry of three-phase voltage [Text] / V.S. Sinev (USSR). - Declared. 1973, No. 1620161; publ. 1973.

2. А.с. 523480 СССР, МПК Н 02 J 3/26. Устройство для симметрирования напряжения трехфазной сети [Текст] / Молин Н.И., Зиновьев Н.Д. (СССР). - Заявл. 17.12.1974, №2083544; опубл. 30.07.1976.2. A.S. 523480 USSR, IPC N 02 J 3/26. Device for balancing the voltage of a three-phase network [Text] / Molin NI, Zinoviev ND (THE USSR). - Declared. 12/17/1974, No. 2083544; publ. 07/30/1976.

3. А.с. 547911 СССР, МПК Н 02 J 3/26. Способ симметрирования напряжения сети и устройство для его осуществления [Текст] / Молин Н.И., Зиновьев Н.Д. (СССР). - Заявл. 17.12.1974, №2083551; опубл. 25.02.1977.3. A.S. 547911 USSR, IPC H 02 J 3/26. The method of balancing the voltage of the network and a device for its implementation [Text] / Molin NI, Zinoviev ND (THE USSR). - Declared. 12/17/1974, No. 2083551; publ. 02/25/1977.

4. А.с. 843097 СССР, МПК Н 02 J 3/26. Вентильное симметрирующее устройство [Текст] / Шидловский А.К.; Федий B.C. (СССР). - Заявл. 06.08.1979, №2807042; опубл. 30.06.1981.4. A.S. 843097 USSR, IPC H 02 J 3/26. Valve balancing device [Text] / Shidlovsky AK; Fedya B.C. (THE USSR). - Declared. 08/06/1979, No. 2807042; publ. 06/30/1981.

5. А.с. 1603477 СССР, МПК Н 02 J 3/26. Вентильное симметрирующее устройство [Текст] / Сарв В.В.; Томсон Т.И. (СССР). - Заявл. 16.02.1988, №4379558; опубл. 30.10.1990.5. A.S. 1603477 USSR, IPC N 02 J 3/26. Valve balancing device [Text] / Sarv V.V .; Thomson T.I. (THE USSR). - Declared. 02.16.1988, No. 4379558; publ. 10/30/1990.

6. А.с. 1056403 СССР, МПК Н 02 М 7/515. Тиристорный преобразователь постоянного напряжения в переменное [Текст] / Кантер И.И.; Митяшин Н.П.; Степанов С.Ф.; Артюхов И.И.; Корнев А.Н. (СССР). - Заявл. 16.07.1982, №3469796; опубл. 23.11.1983.6. A.S. 1056403 USSR, IPC N 02 M 7/515. Thyristor DC-AC Converter [Text] / Kanter I.I .; Mityashin N.P .; Stepanov S.F .; Artyukhov I.I .; Kornev A.N. (THE USSR). - Declared. 07/16/1982, No. 3469796; publ. 11/23/1983.

7. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - М.: Изд-во стандартов, 1998. - 32 с.7. GOST 13109-97. Quality standards for electric energy in general-purpose power supply systems. - M .: Publishing house of standards, 1998. - 32 p.

Claims (1)

Трехфазный автономный инвертор тока с управлением несимметрией напряжения в выходной сети, включающий два тиристорных моста и конденсаторное суммирующее устройство, отличающийся тем, что введены датчики выходного напряжения, аналого-цифровые преобразователи и микропроцессорная система управления для генерации сигналов коммутации тиристоров инвертора, при этом датчики напряжения подключены к выходам суммирующего устройства, являющимися выходами инвертора, а через аналого-цифровые преобразователи - к микропроцессорной системе управления, которая запрограммирована на изменения электрических углов, соответствующих моментам коммутации тиристоров инвертора, с выбором оптимальных значений этих углов методом градиентного или покоординатного спуска.

A three-phase autonomous current inverter with voltage asymmetry control in the output network, including two thyristor bridges and a capacitor summing device, characterized in that output voltage sensors, analog-to-digital converters and a microprocessor control system for generating switching signals of the inverter thyristors are introduced, while the voltage sensors are connected to the outputs of the summing device, which are the outputs of the inverter, and through analog-to-digital converters to the microprocessor control system a phenomenon that is programmed to change the electric angles corresponding to the switching moments of the inverter thyristors, with the choice of the optimal values of these angles by the gradient or coordinate descent method.