[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

RU2699374C1 - Устройство управления высоковольтным преобразователем частоты - Google Patents

Устройство управления высоковольтным преобразователем частоты Download PDF

Info

Publication number
RU2699374C1
RU2699374C1 RU2018127895A RU2018127895A RU2699374C1 RU 2699374 C1 RU2699374 C1 RU 2699374C1 RU 2018127895 A RU2018127895 A RU 2018127895A RU 2018127895 A RU2018127895 A RU 2018127895A RU 2699374 C1 RU2699374 C1 RU 2699374C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
voltage
active
frequency converter
output
input
Prior art date
Application number
RU2018127895A
Other languages
English (en)
Inventor
Тимур Рифхатович Храмшин
Рифхат Рамазанович Храмшин
Геннадий Петрович Корнилов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова"
Priority to RU2018127895A priority Critical patent/RU2699374C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2699374C1 publication Critical patent/RU2699374C1/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/10—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/40—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc
    • H02M5/42—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/44—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac
    • H02M5/443—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H02M5/45—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only
    • H02M5/451—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or frequency
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/66—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal
    • H02M7/68—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters
    • H02M7/72—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/75—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H02M7/757—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only
    • H02M7/758—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only with automatic control of output waveform or frequency
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • H02P27/08—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation
    • H02P27/12—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation pulsing by guiding the flux vector, current vector or voltage vector on a circle or a closed curve, e.g. for direct torque control
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • H02P27/08—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation
    • H02P27/14—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation with three or more levels of voltage

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Rectifiers (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления трехфазным трехуровневым активным выпрямителем высоковольтного преобразователя частоты, система управления которого при кратковременных несимметричных провалах напряжения сети переключает режим работы ключей активного выпрямителя с широтно-импульсного способа управления на релейно-векторное управление. Техническим результатом является повышение надежности и быстродействия работы трехфазных трехуровневых активных выпрямителей при кратковременных несимметричных провалах напряжения источника питания. Устройство снабжено системой управления высоковольтным преобразователем частоты 11 при несимметричном напряжении источника питания. Указанная система содержит: блок (12) вычисления активной и реактивной составляющих токов источника питания; блок (13) фазовой автоподстройки частоты и формирования номера сектора; релейные регуляторы (14, 15) активного и реактивного токов; блок (16) предварительного выбора базового вектора напряжения активных выпрямителей; блок (17) вычисления заданного значения активного тока и состояния баланса напряжений на конденсаторах звена постоянного тока; блоки (18, 19) выбора базовых векторов напряжения для активных выпрямителей напряжения первого и второго преобразователей частоты и формирования управляющих сигналов ключами указанных выпрямителей; блоки (20, 21) хранения своих предыдущих значений базовых векторов напряжений. Устройство обеспечивает повышение надежности и быстродействия работы трехфазных трехуровневых активных выпрямителей высоковольтного преобразователя частоты при кратковременных несимметричных провалах напряжения источника питания. Кроме того, устройство обеспечивает высокий коэффициент мощности, практически синусоидальную форму тока, потребляемую из сети. 10 ил.

Description

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использовано для управления трехфазными трехуровневыми активными выпрямителями напряжения высоковольтного преобразователя частоты, система управления которого при кратковременных несимметричных провалах напряжения сети переключает режим работы ключей активных выпрямителей с широтно-импульсного способа управления на релейно-векторное управление.
Известно устройство управления трехфазным активным выпрямителем напряжения, содержащее датчики тока и напряжения источника питания, датчик выпрямленного напряжения, широтно-импульсный модулятор, задатчик выпрямленного напряжения и задатчик реактивного тока источника питания, систему управления, включающая блок выделения симметричных составляющих напряжений прямой и обратной последовательностей в кривой напряжения источника питания, блок фазовой автоподстройке частоты, блок преобразования токов источника питания из неподвижной системы координат abc во вращающуюся систему координат dq, блок пропорционально-интегральных регуляторов активной и реактивной составляющих тока источника питания, блок преобразования управляющих напряжений прямой последовательности из вращающейся системы координат dq в неподвижную систему координат αβ, первый и второй сумматорами, блок преобразования управляющих напряжений из неподвижной системы координат αβ в систему координат abc и блок пропорционально-интегрального регулятора выпрямленного напряжения (см. патент РФ №161102, H02M 7/00).
Недостатком известного устройства является низкая надежность его работы при кратковременных несимметричных провалах напряжения источника питания, что обусловлено значительным увеличением первой гармоники отдельных фазных токов активных выпрямителей и значительным колебанием напряжения звена постоянного тока, что приводит к отключению активных выпрямителей.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является устройство управления высоковольтным преобразователем частоты, содержащее датчик напряжения источника питания, вход которого подключен к выходу трехфазного источника питания, а выход – к блоку вычисления несимметрии напряжения источника питания, первый выход которого соединен с первым входом системы управления преобразователем частоты при симметричном напряжении источника питания, а второй выход – с задатчиком напряжения звена постоянного тока, выход которого соединен со вторым входом указанной системы управления преобразователем частоты, первый и второй выходы указанной системы управления соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами высоковольтного преобразователя частоты, силовой вход которого подключен к источнику питания, а силовой выход – к синхронной машине, к первому информационному выходу высоковольтного преобразователя частоты через датчик тока 8 источника питания подключен третий вход системы управления преобразователем частоты, четвертый вход указанной системы управления подключен к выходу датчика напряжения источника питания, а пятый вход – к выходу датчика напряжения звена постоянного тока, три входа которого подключены ко второму, третьему и четвертому информационным выходам высоковольтного преобразователя частоты, шестой вход системы управления преобразователем частоты при симметричном напряжении источника питания подключен к задатчику реактивного тока (см. патент РФ №157682, H02M 5/458).
Недостатком известного устройства является его низкая надежность и невысокое быстродействие работы при кратковременных несимметричных провалах напряжения источника питания. Это обусловлено значительным увеличением первой гармоники отдельных фазных токов активных выпрямителей, значительным колебанием напряжения звена постоянного тока и значительной разбалансировкой напряжений на конденсаторах звена постоянного тока, что приводит к отключению трехфазных трехуровневых активных выпрямителей и нарушению работоспособности высоковольтного преобразователя частоты.
В известном устройстве рассмотрены семь случаев несимметрии напряжения источника питания. Новые углы переключения ключей α1, α2, …, α9 для заданного диапазона изменения коэффициента модуляции µ фазных напряжений активного выпрямителя были заранее рассчитаны и сохранены в блоке коррекции фазных напряжений активных выпрямителей. Новые углы переключения ключей ограничивают увеличение первой гармоники отдельных фазных токов активных выпрямителей, а также ограничивают значительные колебания напряжения звена постоянного тока, т.е. повышают надежность работы выпрямителя.
Однако семь случаев несимметрии напряжения источника питания это очень малая доля возможных вариантов однофазных, двухфазных или трехфазных несиммертичных провалов напряжения. Как указано в известном устройстве для расчета новых углов переключения ключей α1, α2, …, α9 активного выпрямителя для каждой фазы записывается система нелинейных уравнений. При этом первая гармоника фазного напряжения А1=µ(2Udc)/π задается коэффициентом модуляции µ, а гармоники с «нежелательными» номерами удаляются или их уровни снижаются до заданного значения. Определение вида и глубины несимметричного провала напряжения в реальном времени, а также решение системы нелинейных уравнений осуществляется итерационными методами и требует время на вычисление новых углов переключения ключей, что снижает быстродействие работы системы управления и всего устройства в целом.
Таким образом, в известном устройстве необходимо либо заранее рассчитать и сохранить в блоке коррекции фазных напряжений все возможные случаи несимметрии, либо по факту провала напряжения питания осуществлять расчет новых углов переключения ключей α1, α2, …, α9 активного выпрямителя, что представляет определенную сложность в реализации. С учетом вышеизложенного следует, что надежность и быстродействие известного устройства невысокие.
Техническая проблема, решаемая заявляемым устройством, заключается в повышении надежности и повышении быстродействия работы трехфазных трехуровневых активных выпрямителей при кратковременных несимметричных провалах напряжения источника питания.
Технический результат, заключается в создании условий при кратковременных несимметричных провалах напряжения источника питания, обеспечивающих: ограничение увеличения первой гармоники отдельных фазных токов активных выпрямителей, ограничение диапазона колебаний напряжения звена постоянного тока, а также снижение разбалансировки напряжений на конденсаторах звена постоянного тока до допустимых пределов, чтобы исключить аварийное отключение трехфазных трехуровневых активных выпрямителей и повысить надежность работы высоковольтного преобразователя частоты.
Поставленная проблема решается тем, что устройство управления высоковольтным преобразователем частоты, содержащее датчик напряжения источника питания, вход которого подключен к выходу трехфазного источника питания, а выход – к блоку вычисления несимметрии напряжения источника питания, первый выход которого соединен с первым входом системы управления преобразователем частоты при симметричном напряжении источника питания, а второй выход – с задатчиком напряжения звена постоянного тока, выход которого соединен со вторым входом указанной системы управления преобразователем частоты, первый и второй выходы указанной системы управления соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами высоковольтного преобразователя частоты, силовой вход которого подключен к источнику питания, а силовой выход – к синхронной машине, к первому информационному выходу высоковольтного преобразователя частоты через датчик тока источника питания подключен третий вход системы управления преобразователем частоты, четвертый вход указанной системы управления подключен к выходу датчика напряжения источника питания, а пятый вход – к выходу датчика напряжения звена постоянного тока, три входа которого подключены ко второму, третьему и четвертому информационным выходам высоковольтного преобразователя частоты, шестой вход системы управления преобразователем частоты при симметричном напряжении источника питания подключен к задатчику реактивного тока, согласно изобретению, оно снабжено системой управления высоковольтным преобразователем частоты при несимметричном напряжении источника питания, включающей блок вычисления активной и реактивной составляющих токов источника питания, первый вход которого соединен с выходом датчика тока источника питания, а второй вход с первым выходом блока фазовой автоподстройки частоты и формирования номера сектора на третьей плоскости базовых векторов, вход указанного блока соединен с выходом датчика напряжения источника питания, первый и второй выходы блока вычисления активной и реактивной составляющих токов соединены соответственно с первыми входами релейного регулятора активного тока и релейного регулятора реактивного тока, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами блока предварительного выбора базового вектора напряжения активных выпрямителей высоковольтного преобразователя частоты, третий вход блока предварительного выбора базового вектора напряжения соединен со вторым выходом блока фазовой автоподстройки частоты и формирования номера сектора на третьей плоскости базовых векторов, при этом второй вход релейного регулятора активного тока соединен с первым выходом блока вычисления заданного значения активного тока и состояния баланса напряжений на конденсаторах звена постоянного тока высоковольтного преобразователя частоты, первый вход указанного блока вычисления соединен с выходом задатчика напряжения звена постоянного тока, при этом второй вход релейного регулятора реактивного тока соединен с выходом задатчика реактивного тока, первый выход блока предварительного выбора базового вектора напряжения активных выпрямителей высоковольтного преобразователя частоты соединен с первым входом блока выбора базового вектора напряжения для активного выпрямителя напряжения первого преобразователя частоты и формирования управляющих сигналов ключами указанного выпрямителя, второй выход блока предварительного выбора базового вектора напряжения активных выпрямителей высоковольтного преобразователя частоты соединен с первым входом блока выбора базового вектора напряжения для активного выпрямителя напряжения второго преобразователя частоты и формирования управляющих сигналов ключами указанного выпрямителя, вторые входы указанных блоков выбора базового вектора напряжения соединены со вторым выходом блока вычисления заданного значения активного тока и состояния баланса напряжений на конденсаторах звена постоянного тока высоковольтного преобразователя частоты, второй вход указанного блока вычисления соединен с выходом датчика напряжения звена постоянного тока, первый выход блока выбора базового вектора напряжения для активного выпрямителя напряжения первого преобразователя частоты и формирования управляющих сигналов ключами указанного выпрямителя через блок хранения своего предыдущего значения базового вектора напряжения соединен со своим третьим входом, при этом второй выход блока выбора базового вектора напряжения для активного выпрямителя напряжения первого преобразователя частоты и формирования управляющих сигналов ключами указанного выпрямителя соединен с первым управляющим входом высоковольтного преобразователя частоты, первый выход блока выбора базового вектора напряжения для активного выпрямителя напряжения второго преобразователя частоты и формирования управляющих сигналов ключами указанного выпрямителя через блок хранения своего предыдущего значения базового вектора напряжения соединен со своим третьим входом, при этом второй выход блока выбора базового вектора напряжения для активного выпрямителя напряжения второго преобразователя частоты и формирования управляющих сигналов ключами указанного выпрямителя соединен со вторым управляющим входом высоковольтного преобразователя частоты.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 изображена функциональная схема устройства управления высоковольтным преобразователем частоты;
- на фиг. 2 изображена функциональная схема высоковольтного преобразователя частоты;
- на фиг. 3 изображена схема трехфазного трехуровневого активного выпрямителя напряжения;
- на фиг. 4 изображены две плоскости, каждая из которых содержит двадцать четыре ненулевых базовых вектора напряжения, которые определенным образом объединены в семь групп − а, b, c, ap, an, bp и bn;
- на фиг. 5 изображена плоскость, содержащая 144 ненулевых базовых вектора напряжения, которые получены в результате суммирования специально отобранных векторов, изображенных на ранее указанных двух плоскостях;
- на фиг. 6 изображена таблица с предварительно выбранными базовыми векторами напряжения для активных выпрямителей напряжений, для различных секторов и для двух диапазонов регулирования;
- на фиг. 7 приведены упрощенная схема замещения активного выпрямителя напряжения (а) и векторные диаграммы (б, в, г), поясняющие динамику изменения активного и реактивного токов активного выпрямителя напряжения;
- на фиг. 8 приведены характеристики релейных регуляторов активного и реактивного токов активного выпрямителя напряжения;
- на фиг. 9 и фиг. 10 приведены осциллограммы изменения отдельных координат устройства управления высоковольтным преобразователем частоты за пять периодов питающего напряжения (а…и), полученные на основании математической модели в программной среде Matlab Simulink.
Заявляемое устройство управления высоковольтным преобразователем частоты (фиг. 1), содержит датчик напряжения источника питания 1, вход которого подключен к выходу трехфазного источника питания 2, а выход – к блоку вычисления несимметрии напряжения источника питания 3. Первый выход блока вычисления несимметрии напряжения соединен с первым входом системы управления преобразователем частоты при симметричном напряжении источника питания 4, а второй выход – с задатчиком напряжения звена постоянного тока 5. Выход задатчика напряжения соединен со вторым входом указанной системы управления преобразователем частоты. Первый и второй выходы указанной системы управления 4 соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами высоковольтного преобразователя частоты 6, силовой вход которого подключен к источнику питания 2, а силовой выход – к синхронной машине 7. К первому информационному выходу высоковольтного преобразователя частоты через датчик тока 8 источника питания подключен третий вход системы управления преобразователем частоты. Четвертый вход указанной системы управления подключен к выходу датчика напряжения источника питания 1, а пятый вход – к выходу датчика напряжения звена постоянного тока 9. Три входа указанного датчика напряжения 9 подключены ко второму, третьему и четвертому информационным выходам высоковольтного преобразователя частоты. Шестой вход системы управления преобразователем частоты при симметричном напряжении источника питания 4 подключен к задатчику реактивного тока 10.
Устройство управления (фиг. 1) дополнительно снабжено системой управления высоковольтным преобразователем частоты при несимметричном напряжении источника питания 11. Система управления включает блок вычисления активной и реактивной составляющих токов 12 источника питания. Первый вход указанного блока соединен с выходом датчика тока источника питания 8, а второй вход с первым выходом блока фазовой автоподстройки частоты 13 и формирования номера сектора на третьей плоскости базовых векторов, вход указанного блока соединен с выходом датчика напряжения источника питания 1. Первый и второй выходы блока вычисления активной и реактивной составляющих токов соединены соответственно с первыми входами релейного регулятора активного тока 14 и релейного регулятора реактивного тока 15. Выходы указанных релейных регуляторов соединены соответственно с первым и вторым входами блока предварительного выбора базового вектора напряжения 16 активных выпрямителей высоковольтного преобразователя частоты. Третий вход блока предварительного выбора базового вектора напряжения 16 соединен со вторым выходом блока фазовой автоподстройки частоты 13 и формирования номера сектора на третьей плоскости базовых векторов. При этом второй вход релейного регулятора активного тока 14 соединен с первым выходом блока вычисления заданного значения активного тока и состояния баланса напряжений на конденсаторах 17 звена постоянного тока высоковольтного преобразователя частоты. Первый вход указанного блока вычисления 17 соединен с выходом задатчика напряжения звена постоянного тока 5. При этом второй вход релейного регулятора реактивного тока 15 соединен с выходом задатчика реактивного тока 10. Первый выход блока предварительного выбора базового вектора напряжения 16 активных выпрямителей высоковольтного преобразователя частоты соединен с первым входом блока выбора базового вектора напряжения 18 для активного выпрямителя напряжения первого преобразователя частоты и формирования управляющих сигналов ключами указанного выпрямителя. Второй выход блока предварительного выбора базового вектора напряжения 16 активных выпрямителей высоковольтного преобразователя частоты соединен с первым входом блока выбора базового вектора напряжения 19 для активного выпрямителя напряжения второго преобразователя частоты и формирования управляющих сигналов ключами указанного выпрямителя. Вторые входы указанных блоков 18, 19 выбора базового вектора напряжения соединены со вторым выходом блока вычисления заданного значения активного тока и состояния баланса напряжений на конденсаторах 17 звена постоянного тока высоковольтного преобразователя частоты. Второй вход указанного блока вычисления 17 соединен с выходом датчика напряжения звена постоянного тока 9. Первый выход блока выбора базового вектора напряжения 18 для активного выпрямителя напряжения первого преобразователя частоты и формирования управляющих сигналов ключами указанного выпрямителя через блок хранения своего предыдущего значения базового вектора напряжения 20 соединен со своим третьим входом. При этом второй выход блока выбора базового вектора напряжения 18 для активного выпрямителя напряжения первого преобразователя частоты и формирования управляющих сигналов ключами указанного выпрямителя соединен с первым управляющим входом высоковольтного преобразователя частоты 6. Первый выход блока выбора базового вектора напряжения 19 для активного выпрямителя напряжения второго преобразователя частоты и формирования управляющих сигналов ключами указанного выпрямителя через блок хранения своего предыдущего значения базового вектора напряжения 21 соединен со своим третьим входом. При этом второй выход блока выбора базового вектора напряжения 19 для активного выпрямителя напряжения второго преобразователя частоты и формирования управляющих сигналов ключами указанного выпрямителя соединен со вторым управляющим входом высоковольтного преобразователя частоты 6.
Высоковольтный преобразователь частоты 6 (фиг. 2), также как и в прототипе, содержит первый 22 и второй 23 трехфазные фазосдвигающие трансформаторы соответственно на 0 и +30 градусов. Первичная обмотка первого фазосдвигающего трансформатора 22 имеет шесть выводов и соединена последовательно с первичной обмоткой второго фазосдвигающего трансформатора 23, которая соединена в звезду. При этом начало первичной обмотки первого фазосдвигающего трансформатора 22 подключено к источнику питания 2. Вторичные обмотки указанных трансформаторов соединены в звезду и треугольник (фиг. 2) и подключены соответственно к первому 24 и второму 25 преобразователям частоты. Каждый преобразователь состоит из трехфазного трехуровневого активного выпрямителя 26, трехфазного трехуровневого инвертора напряжения 27 и дросселя 28. При этом одноименные выходные зажимы фаз преобразователей частоты соединены между собой и подключены к синхронной машине 7. Входы общего для обоих преобразователей частоты звена постоянного тока 29 с нулевой точкой подключены к выходам обоих активных выпрямителей 26, а выходы указанного звена постоянного тока подключены к входам обоих инверторов напряжения 27.
Трехфазный трехуровневый активный выпрямитель 26 (фиг. 3), также как и в прототипе, содержит три фазные стойки 30, 31 и 32, выходы которых соединены параллельно и подключены к звену постоянного тока 29, которое содержит два последовательно соединенных конденсатора 33 и 34. Первый конденсатор 33 создает положительный потенциал на фазах инвертора 27, а второй конденсатор 34 – отрицательный потенциал. Общая точка конденсаторов 35 является нейтральной точкой трехфазного трехуровневого активного выпрямителя 26 и создает нулевой потенциал на фазах инвертора 27. Каждая из фазных стоек 30, 31 и 32 содержит четыре последовательно соединенных полностью управляемых ключа 36, 37, 38 и 39. К точке соединения первого 36 и второго 37 управляемых ключей в каждой фазной стойке подключен катод первого диода 40, анод которого подключен к нейтральной точке 35 активного выпрямителя. Точка соединения второго 37 и третьего 38 управляемых ключей является силовым входов активного выпрямителя 26 в каждой фазной стойке. К точке соединения третьего 38 и четвертого 39 управляемых ключей в каждой фазной стойке подключен анод второго диода 41, катод которого подключен к нейтральной точке 35 активного выпрямителя. Силовые входы первого и второго активных выпрямителей 26 подключены соответственно к вторичным обмоткам первого 22 и второго 23 фазосдвигающих трансформаторов.
В заявляемом устройстве трехфазный трехуровневый активный выпрямитель 26 выполнен на полностью управляемых ключах 36 – 39 (фиг. 3) с системой релейно-векторного управления при кратковременных несимметричных провалах напряжения сети. Применение двух трехфазных фазосдвигающих трансформаторов и трехуровневого активного выпрямителя в мощных регулируемых электроприводах, например, для прокатных станов, способствует улучшению формы входного тока активного выпрямителя при относительно невысокой частоте коммутации его ключей.
К частотно-регулируемым электроприводам непрерывных технологических объектов, например к электроприводам прокатных станов, предъявляются высокие требования к надежности их электроснабжения. Так как, неконтролируемое отключение указанных электроприводов снижает производительность, а также может вызвать механическое повреждение дорогостоящего оборудования. В заявляемом устройстве благодаря системе релейно-векторного управления ключами активных выпрямителей обеспечивается высокое быстродействие электропривода и повышение устойчивости к возмущениям со стороны питающей сети.
При этом большое значение имеет структура таблицы переключений ключей активных выпрямителей, обеспечивающая минимальное число переключений и удовлетворительное качество переходных процессов. Регулируемыми величинами в системе релейно-векторного управления заявляемого устройства являются активная и реактивная составляющие токов источника питания, их регулирование осуществляется путем рационального выбора базовых векторов напряжения активных выпрямителей высоковольтного преобразователя частоты.
На фиг. 4,а изображена плоскость, которая широко известна и общедоступна в источниках посвященных данной тематике (см. патент РФ № 168787). Указанная плоскость содержат двадцать четыре ненулевых базовых вектора напряжения, которые определенным образом объединены в семь групп − а, b, c, ap, an, bp и bn. Вектора расположены на границах двенадцати тридцатиградусных секторов, которые пронумерованы от 1.1 до 1.12. Эти вектора обеспечивают регулирование входного напряжения активного выпрямителя первого преобразователя частоты в пределах от 0,5 до 1,0 его номинального значения. Возле каждого из двадцати четырех векторов (фиг. 4,а) расположены три большие буквы, которые указывают, каким образом при выборе этого вектора осуществляется подключение соответствующих входов А, В и С активного выпрямителя 26 (фиг. 3) первого преобразователя частоты 24 к звену постоянного тока 29 преобразователя частоты. Например, обозначение P0N указывает, что вход фазы А активного выпрямителя 26 подключен к положительному потенциалу (Р) звена постоянного тока 29 преобразователя частоты, вход фазы В – к его нейтральной точке (0), а вход фазы С – к его отрицательному потенциалу (N).
На фиг. 4,б изображена вторая плоскость с аналогичными базовыми векторами а, b, c, ap, an, bp и bn, которые совместно с секторами от 2.1 до 2.12 относительно своих одноименных векторов на фиг. 4,а повернуты на 30 градусов против хода часовой стрелки. Вектора на второй плоскости (фиг. 4,б) обеспечивают регулирование входного напряжения активного выпрямителя 26 второго преобразователя частоты 25 в пределах от 0,5 до 1,0 его номинального значения. Три большие буквы возле каждого вектора, как и ранее, указывают, каким образом при выборе этого вектора осуществляется подключение входов активного выпрямителя 26 второго преобразователя частоты 25 к звену постоянного тока 29 преобразователя частоты.
На фиг. 5 изображена третья плоскость, содержащая 144 ненулевых базовых вектора напряжения, которые получены в результате суммирования специально отобранных векторов, изображенных на первой и второй плоскостях базовых векторов напряжений (фиг. 4,а и 4,б). Отметим, что реальное количество векторов, которое можно получить по результатам суммирования, достигает 576 штук, т.е. значительно больше, чем их изображено на фиг. 5. Здесь показаны специально отобранные вектора, обеспечивающие минимальное количество переключений ключей в каждом активном выпрямителе, их равномерную загрузку и высокий коэффициент полезного действия каждого активного выпрямителя и всего преобразователя в целом. Далее будет описан алгоритм работы заявляемого устройства с этими векторами (фиг. 5), которые позволяют обеспечить высокое быстродействие преобразователю частоты, что особенно важно при кратковременных несимметричных провалах напряжения питающей сети.
Заявляемое устройство также обеспечивает высокую надежность работы преобразователю частоты и удовлетворительный гармонический состав его входных токов.
Алгоритм формирования базовых векторов напряжений на фиг. 5 следующий.
Первый шаг – каждый вектор первой плоскости (фиг. 4,а) суммируется, с вектором второй плоскости (фиг. 4,б), который имеет такое же направление в изображенной системе координат. Например, вектор «а» на фиг. 4,а суммируется с вектором «c» на фиг. 4,б, имеющий такое же направление.
Второй шаг – каждый вектор первой плоскости (фиг. 4,а) суммируется, с вектором второй плоскости, направление которого отличается от его направления на
Figure 00000001
градусов. Например, вектор «а» (фиг. 4,а) суммируется с векторами «a», «ap» и «an» (фиг. 4,б), опережающие его на 30 градусов, и с векторами «b», «bp» и «bn», отстающие от него на 30 градусов.
В результате суммирования вышеуказанных векторов получим семь векторов «aс», «aа», «аap», «аan», «аb», «аbp» и «аbn». Однако на фиг. 5 изображено пять векторов «aa», «ac», «ab», «aapn», «abpn». Здесь запись «aapn» означает, что фактически на этом месте на плоскости векторов находятся два вектора «aap» и «aan», имеющие одинаковое направление и равные модули. Приведенная запись «aapn» позволяет уменьшить количество векторов, изображаемых на плоскости фиг. 5, т. е. сделать рисунок менее насыщенным векторами. Аналогично, обозначение «abpn» указывает, что на этом месте находятся два вектора «abp» и «abn». Сказанное справедливо и для остальных записей на фиг. 5, в том числе для записей, содержащих два вектора с двумя индексами. Например, обозначение «apnapn» указывает, что на этом месте на плоскости находятся четыре вектора «apap», «apan», «anap» и «anan».
Поясним, как ведет себя активный выпрямитель 26 (фиг. 3) при выборе вектора «ap» или «an» (фиг. 4,а). Так как оба вектора занимают одно и то же местоположение на плоскости векторов, следовательно, они формируют одинаковое линейное напряжение на входе активного выпрямителя 26.
Однако при выборе, например, вектора «ap» верхний конденсатор 33 звена постоянного тока 29 (фиг. 3) будет заряжаться, а нижний 34 – разряжаться, так как вектору «ap» соответствуют, например, три большие буквы Р00 (фиг. 4,а), что означает подключение входа А активного выпрямителя 26 к положительному потенциалу (Р) звена постоянного тока 29 и подключение входов В и С к его нейтральной точке (0).
Если же выбрать вектор «an» (фиг. 4,а), то конденсатор 33 (фиг. 3) будет разряжаться, а конденсатор 34 – заряжаться, так как вектору «an» соответствуют три большие буквы 0NN, что означает подключение входа А активного выпрямителя 26 к нейтральной точке (0) звена постоянного тока 29 и подключение входов В и С к его отрицательному потенциалу (N).
Описанные процессы заряда и разряда конденсаторов 33 и 34 (фиг. 3) в звене постоянного тока 29 в дальнейшем будут использованы для их естественной и принудительной балансировки при работе активных выпрямителей 26 обоих преобразователей частоты 24 и 25 (фиг.2).
Все вышеописанное, т.е. формирование входного напряжения на входе активного выпрямителя и балансировка конденсаторов 33 и 34 справедливо и для векторов «bp» и «bn» (фиг. 4).
Третий шаг – все вектора распределены между тремя группами (фиг. 5), в зависимости от длины их модулей: группа коротких векторов, группа средних векторов и группа длинных векторов. При этом в пределах каждой группы модули векторов не должны существенно отличаться друг от друга. Модули средних векторов в 1,41 и 1,5 больше, чем модули коротких векторов, а модули длинных векторов в 1,93 и 2 раза больше, чем модули коротких векторов. Пояснения, почему средние и длинные вектора во столько раз отличаются от коротких векторов, будут даны ниже.
К группе коротких векторов (фиг. 5) относятся вектора «apnapn», «bpnapn», «bpnbpn», «apnbpn». На третьей плоскости базовых векторов их изображено 12 штук. Однако, как ранее было отмечено, двойной индекс вектора «apn» указывает, что фактически на указанном месте на плоскости векторов находятся два вектора «ap» и «an». Обозначение вектора «apnapn» указывает, что на указанном месте на плоскости векторов находятся четыре вектора «apap», «apan», «anap» и «anan». Таким образом, на фиг. 5 общее количество коротких векторов - 48, при этом модули всех векторов равны. Заметим, что заявляемая система управления преобразователем частоты по определенному алгоритму определяет, какой конкретно из четырех коротких векторов, занимающих одинаковое местоположение, выбран в данный момент времени для эффективного регулирования входных напряжений активных выпрямителей 26 высоковольтного преобразователя частоты 6 (фиг. 2).
К группе средних векторов на фиг. 5 относятся вектора «apna», «capn», «bpna» и т.д. Каждый средний вектор содержит один из следующих векторов «a», «b» или «c» и один из двух векторов «apn» или «bpn» в разных комбинациях. Количество таких векторов (фиг. 5) – 36. Однако, учитывая, что каждый средний вектор содержит один вектор с двойным индексом, то общее количество средних векторов будет равно 72. Заметим, что среди средних векторов есть 48 векторов, модули которых ровно в 1,5 раз больше, чем модули коротких векторов. Кроме того, среди средних векторов есть 24 вектора, модули которых отличаются в 1,41 раз от модулей коротких векторов, т. е. они будут чуть короче. Разница составляет 6 %, принимает, что это вполне допустимое отклонение. На фиг. 5 видно, что чуть укороченные средние вектора содержат в своем составе вектор «с», например, «capn», «bpnc» и т. д.
К группе длинных векторов (фиг. 5) относятся вектора «aa», «ca», «ba» и т. д. Количество таких векторов 24. Причем модули 12 длинных векторов («аа», «ba», «bb» и т. д.) в 2 раза больше, чем модули коротких векторов («apnapn», «bpnapn» и т. д.), а модули других 12 векторов отличаются в 1,93 раза от модулей коротких векторов, т. е. чуть короче. Разница составляет 3, 5%, принимает, что это вполне допустимое отклонение. На фиг. 5 видно, что чуть укороченные длинные вектора содержат в своем составе вектор «с», например, «ca», «bc» и т. д.
Отметим, что среди отобранных векторов на фиг. 5 отсутствует вектор «сс», несмотря на то, что угол между векторами «с» на фиг. 4,а и фиг. 4,б равен 30 градусам. Отсутствие вектора «сс» на фиг. 5 обусловлено тем, что его модуль превышает модуль среднего вектора «apna» на 15 % и короче модуля длинного вектора «аа» на 13,4 %. Указанные отклонение модуля внутри средних и длинных групп векторов считаем недопустимыми. Поэтому вектор «сс» не участвует в регулировании входных напряжений активных выпрямителей 26 высоковольтного преобразователя частоты 6 (фиг. 2).
Таким образом, из 576 векторов, которые можно было получить в результате суммирования векторов первой и второй базовых плоскостей (фиг. 4,а, 4,б) отобрано 144 ненулевых базовых вектора напряжения, разделенных на три группы: короткие - 48, средние - 72 и длинные - 24. При этом длинные вектора «aa», «ca», «ba» и т. д., делят третью плоскость на двадцать четыре пятнадцатиградусных сектора, пронумерованные (фиг. 5) номерами от 3.1 до 3.24.
Заявляемая система управления в процессе ее работы в определенные моменты времени осуществляет выбор одного из 144 векторов. За период питающего напряжения выбранные вектора эффективно регулируют мгновенные входные напряжения активных выпрямителей 26 (фиг. 2) первого 24 и второго 25 преобразователей частоты в пределах от 0,5 до 1,0 их номинальных значений. При этом выбранные вектора обеспечивают минимальное количество переключений ключей в каждом активном выпрямителе, их равномерную загрузку, высокий коэффициент полезного действия каждого активного выпрямителя и всего преобразователя 6 в целом. Кроме того, достигается высокое быстродействие преобразователя частоты при использовании вышеуказанных векторов (фиг. 5), что особенно важно при кратковременных несимметричных провалах напряжения. Заявляемая система управления также обеспечивает высокую надежность работы преобразователя частоты и удовлетворительный гармонический состав его входных токов, благодаря формированию мгновенных значений напряжений на входах активных выпрямителей такой величины, формы и фазы, что потребляемые из сети токи являются практически синусоидальными.
Введем понятие «1-ый диапазон регулирования», когда для формирования входных напряжений активных выпрямителей 26 первого 24 и второго 25 преобразователей частоты (в пределах от 0,5 до 0,75 их номинальных значений) выбираются короткие и средние вектора (фиг. 5). Например, для сектора 3.1 в 1-ом диапазоне регулирования участвуют следующие вектора: «apnapn», «bpnapn», «aapn» и «сapn».
Введем понятие «2-ой диапазон регулирования», когда для формирования мгновенных входных напряжений активных выпрямителей 26 первого 24 и второго 25 преобразователей частоты (в пределах от 0,75 до 1,0 их номинальных значений) выбираются средние и длинные вектора (фиг. 5). Например, для сектора 3.1 во 2-ом диапазоне регулирования участвуют следующие вектора: «aapn», «capn», «aa» и «сa». Понятия 1-ый и 2-ой диапазоны регулирования в дальнейшем будут использованы для описания работы заявляемого устройства.
Кроме 144 базовых векторов напряжений и 24 секторов на фиг. 5 изображен овал, который отображает траекторию перемещения конца вектора напряжения сети
Figure 00000002
при несимметричном провале напряжения источника питания 2. Изображенный овал (фиг. 5) обусловлен следующей несимметрией: в фазе А провал составляет 40 %, а в фазах В и С провал отсутствует.
Отметим, что два участка овала расположены в тех областях некоторых секторов, где для регулирования входных напряжений активных выпрямителей 26 используют длинные и средние вектора напряжений, т. е. во 2-ом диапазоне регулирования. Такими секторами (фиг. 5) можно считать сектора с номерами 3.4, 3.5, 3.6, 3.7, 3.8, 3.9, а также сектора с номерами 3.16, 3.17, 3.18, 3.19, 3.20 и 3.21.
Еще два участка овала расположены в тех областях некоторых секторов, где для регулирования входных напряжений активных выпрямителей 26 используют средние и короткие вектора напряжений, т. е. в 1-ой диапазоне регулирования. Такими секторами (фиг. 5) можно считать сектора с номерами 3.11, 3.12, 3.13, 3.14, а также сектора с номерами 3.23, 3.24, 3.1 и 3.2.
Кроме того, овал имеет два участка, на которых его траектория переходит из 1-го диапазона регулирования во 2-ый диапазон регулирования, это сектора 3.3 и 3.15, и два участка, на которых его траектория переходит из 2-го диапазона регулирования в 1-ой диапазон регулирования, это сектора 3.10 и 3.22.
Описанная особенность траектории конца вектора напряжения сети
Figure 00000002
при несимметричном провале напряжения источника питания 2, учитывается в дальнейшем в алгоритме работы заявляемой системы.
Отметим, что в обозначениях векторов (фиг.5) первая буква указывает на вектор (см. фиг. 4,а), осуществляющий регулирование импульсного входного напряжения активного выпрямителя 26 первого преобразователя частоты 24 (фиг. 2), а вторая буква - на вектор (фиг. 4,б) осуществляющий регулирование импульсного входного напряжения активного выпрямителя 26 второго преобразователя частоты 25 (фиг. 2). Например, вектор «ас» расположенный на границе секторов 3.23 и 3.24 (фиг. 5) указывает, что в первом преобразователе частоты 24 (фиг. 2) регулирование импульсного входного напряжения активного выпрямителя осуществляет вектор «а», а во втором преобразователе частоты 25 - вектор «с».
В нормальном режиме работы высоковольтного преобразователя частоты 6 (фиг. 2) напряжение источника питания 2 делится примерно поровну между первым 22 и вторым 23 трехфазными фазосдвигающими трансформаторами. Роль буферных реакторов, которые, как известно, являются неотъемлемым элементом активных выпрямителей напряжений, в приведенной схеме преобразователя частоты 6 исполняют индуктивности рассеяния указанных трансформаторов 22 и 23. При этом их коэффициенты трансформации выбраны таким образом, чтобы оба трансформатора 22 и 23 и оба активных выпрямителя 26 были загружены одинаково.
Ранее отмечалось, что первая плоскость базовых векторов напряжений (фиг. 4,а) позволяет сформировать мгновенные входные напряжения на стороне переменного тока активного выпрямителя 26 первого преобразователя частоты 24 (фиг. 2). Согласно принципу работы активного выпрямителя напряжения разность мгновенных значений синусоидального напряжения питающей сети и мгновенных входных напряжений на зажимах переменного тока активного выпрямителя воспринимается буферными реакторами. Благодаря использованию режима широтно-импульсной модуляции мгновенное значение напряжения, формируемое активным выпрямителем на стороне переменного тока, имеет удовлетворительный гармонический состав, в котором основная гармоника и высшие гармоники существенно различаются по частоте и амплитуде. Это создает благоприятные условия для фильтрации высших гармоник тока буферными реакторами и формирования практически синусоидального тока сети.
Кроме того, фазовый угол тока выпрямителя зависит от соотношения амплитуд и фазовых углов напряжений, приложенных к буферным реакторам со стороны сети и со стороны активного выпрямителя, а также от параметров (индуктивности и активного сопротивления) реактора. Варьируя с помощью системы управления активным выпрямителем напряжения параметрами основной гармоники его переменного напряжения на зажимах А, В и С (фиг. 3), можно обеспечить потребление из сети необходимого тока (
Figure 00000003
) с заданным фазовым углом. Иными словами, можно обеспечить работу преобразователя частоты с заданным значением коэффициента мощности, например равным единице, что осуществляется в заявляемой системе управления.
Таким образом, первая плоскость базовых векторов напряжений (фиг. 4,а) позволяет сформировать мгновенное входное напряжение на стороне переменного тока активного выпрямителя 26 (фиг. 2) первого преобразователя частоты 24. Роль буферного реактора для указанного выпрямителя исполняет индуктивность рассеяния первого трансформатора 22, а в качестве мгновенных значений синусоидального напряжения питающей сети используется напряжение на первичных обмотках указанного трансформатора.
Аналогично, вторая плоскость базовых векторов напряжений (фиг. 4,б) позволяет сформировать мгновенное входное напряжение на стороне переменного тока активного выпрямителя 26 (фиг. 2) второго преобразователя частоты 25. При этом роль буферного реактора для указанного выпрямителя исполняет индуктивность рассеяния второго трансформатора 23, а в качестве мгновенных значений синусоидального напряжения питающей сети используется напряжение на первичных обмотках указанного трансформатора.
Третья плоскость базовых векторов напряжений (фиг. 5) позволяет сформировать фиктивное мгновенное входное напряжение на стороне переменного тока при одновременной работе обоих активных выпрямителей 26 первого 24 и второго 25 преобразователей частоты. При этом, как и в классических активных выпрямителях напряжения, в качестве мгновенных значений синусоидального напряжения используется напряжение источника питания 2.
В действительности фиктивное мгновенное входное напряжение не существует, т.е. измерить его каким либо прибором или увидеть на экране осциллографа невозможно. Однако его формирование в заявляемом устройстве позволяет существенно упростить алгоритм формирования управляющих сигналов активными выпрямителями 26 (фиг. 2) высоковольтного преобразователя частоты 6 при кратковременных несимметричных провалах напряжения сети.
На фиг. 6 изображена таблица с предварительно выбранными базовыми векторами напряжения для активных выпрямителей напряжений 26 первого 24 и второго 25 преобразователей частоты. Вектора в указанной таблице однозначно связаны с соответствующими векторами на третьей плоскости векторов (фиг. 5). Подобные таблицы получили широкое применение в системах прямого управления моментом двигателей, в которых регулируемыми координатами являются потокосцепление статора
Figure 00000004
и электромагнитный момент двигателя
Figure 00000005
. (см. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока / ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». Иваново, 2008. 298 с.).
В заявляемом устройстве регулируемыми координатами являются активная
Figure 00000006
и реактивная
Figure 00000007
составляющие пространственного вектора тока источника питания 2.
Первый столбец таблицы (фиг. 6) указывает номер сектора (от 3.1 до 3.24) на третьей плоскости базовых векторов напряжения (фиг. 5), для которого выбирается базовый вектор напряжения, осуществляющий требуемое регулирование активного
Figure 00000006
и реактивного
Figure 00000007
токов источника питания 2. При этом, как ранее отмечалось, выбранный вектор (фиг. 5) представляет собой комбинацию из двух векторов, где первый из них воздействует на активный выпрямитель 26 первого преобразователя частоты 24, а второй – на активный выпрямитель 26 второго преобразователя частоты 25. Например, для сектора 3.1 (фиг. 5) выбран вектор напряжения «са», расположенный на границе секторов 3.1 и 3.2. В таблице (фиг. 6) этот вектор расположен на пересечении строки с номером сектора 3.1 и третьим столбцом. При этом первый базовый вектор напряжения «с» формирует мгновенное входное напряжение на стороне переменного тока активного выпрямителя 26 первого преобразователя частоты 24, а второй базовый вектор напряжения «а» – мгновенное входное напряжение на стороне переменного тока активного выпрямителя 26 второго преобразователя частоты 25. Таким образом, совместное действие векторов «с» и «а» на соответствующих плоскостях фиг. 4,а и фиг. 4,б, т.е. вектора «са» на плоскости фиг. 5 осуществляют требуемое регулирование активного
Figure 00000006
и реактивного
Figure 00000007
токов источника питания 2.
Отметим, что в 1-ом диапазоне регулирования для формирования мгновенных входных напряжений активных выпрямителя 26 первого 24 и второго 25 преобразователей частоты (в пределах от 0,5 до 0,75 их номинальных значений) участвуют группы коротких базовых векторов (столбцы с номерами 8 и 9) и группы средних базовых векторов (столбцы с номерами 6 и 7).
Во 2-ом диапазоне регулирования для формирования мгновенных входных напряжений активных выпрямителей 26 первого 24 и второго 25 преобразователей частоты (в пределах от 0,75 до 1,0 их номинальных значений) участвуют группы средних базовых векторов (столбцы с номерами 4 и 5) и группы длинных базовых векторов (столбцы с номерами 2 и 3).
Поясним, каким образом осуществляется требуемое регулирование активного
Figure 00000006
и реактивного
Figure 00000007
токов источника питания 2.
На фиг. 7,а приведена упрощенная схема замещения активного выпрямителя напряжения, где
Figure 00000002
- пространственный вектор напряжения источника питания,
Figure 00000008
- пространственный вектор напряжения на стороне переменного тока активного выпрямителя,
Figure 00000009
индуктивность буферного реактора,
Figure 00000010
пространственный вектор тока источника питания, он же - ток активного выпрямителя. Указанные вектора напряжений и тока представлены в неподвижной системе координат. Воспользуемся известным и общедоступным методом преобразования мгновенных значений напряжений и токов из неподвижной системы координат во вращающуюся систему координат dq (см. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. Екатеринбург. УРО РАН, 2000. 654 с.). Представление переменных в системе dq координат существенно упрощает анализ работы активного выпрямителя. Оси системы координат dq вращаются относительно неподвижных осей системы координат с угловой скоростью ω, определяемой частотой напряжения питающей сети. Примем, что ось d вращающейся системы координат dq (фиг. 7,б) ориентирована по вектору напряжения источника питания
Figure 00000002
. Тогда вектор напряжения сети
Figure 00000002
в этой системе координат будет представлен векторами напряжений
Figure 00000011
и
Figure 00000012
. Вектор напряжения на стороне переменного тока активного выпрямителя
Figure 00000008
- это один из векторов, изображенных на третьей плоскости векторов (фиг. 5). Во вращающейся системе координат dq вектор
Figure 00000008
будет представлен векторами напряжений
Figure 00000013
и
Figure 00000014
. Вектор тока источника питания
Figure 00000015
во вращающейся системе координат dq будет представлен векторами тока
Figure 00000016
и
Figure 00000017
, отображающие соответственно активную и реактивную составляющие тока источника питания
Figure 00000015
. Ранее отмечалось, что система управления активным выпрямителем поддерживает его коэффициент мощности практически равный единице, т.е. реактивная составляющая тока должна быть равна нулю
Figure 00000018
.
Для упрощенной схемы замещения активного выпрямителя напряжения (фиг. 7,а) запишем для вращающейся системы координат dq известные и общедоступные уравнения (см. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. Екатеринбург. УРО РАН, 2000. 654 с.):
; (1)
, (2)
где
Figure 00000019
оператор дифференцирования по времени;
Figure 00000020
и
Figure 00000021
слагаемые, учитывающие перекрестное влияние реактивного
Figure 00000017
и активного
Figure 00000016
токов на составляющие токов
Figure 00000016
и
Figure 00000017
. Предварительно примем, что эти влияния незначительные, тогда с учетов изложенного, что
Figure 00000022
, вышеприведенные уравнения (1) и (2) можно записать:
; (3)
. (4)
Выполним анализ полученных уравнений.
Из уравнения (3) следует, если вектор напряжения сети
Figure 00000023
больше составляющей вектора напряжения на стороне переменного тока активного выпрямителя
Figure 00000013
, т.е. разность этих напряжений положительная
Figure 00000024
, то активная составляющая тока источника питания
Figure 00000016
будет увеличиваться.
Заявляемое устройство содержит релейный регулятор активного тока 14 (фиг. 1), который контролирует, чтобы отклонение тока
Figure 00000016
от его заданного значения не превысило допустимых пределов.
При достижении граничных значений по току
Figure 00000016
релейный регулятор 14 выдает команду на смену базового вектора напряжения
Figure 00000008
, составляющая
Figure 00000013
которого больше напряжения сети
Figure 00000023
, т.е.
Figure 00000025
, следовательно, ток
Figure 00000016
будет уменьшаться. Более подробно работа релейного регулятора активного тока 14 будет описана ниже.
Из уравнения (4) следует, если составляющая вектора напряжения на стороне переменной тока активного выпрямителя
Figure 00000026
, т.е.
Figure 00000027
, то составляющая тока источника питания
Figure 00000017
будет уменьшаться. Если же
Figure 00000028
, т.е.
Figure 00000029
, то составляющая тока источника питания
Figure 00000017
будет увеличиваться.
Заявляемое устройство содержит релейный регулятор реактивного тока 15 (фиг. 1), который контролирует, чтобы отклонение реактивного тока
Figure 00000017
от его заданного значения не превысило допустимых пределов. Более подробно работа релейного регулятора реактивного тока 15 будет описана ниже.
На фиг. 7,б показан один из вариантов графической интерпретации вышеописанного анализа, когда
Figure 00000025
, при этом активная составляющая тока уменьшается, т. е.
Figure 00000030
, (фиг. 7,б)
Figure 00000031
, при этом реактивная составляющая тока также уменьшается
Figure 00000032
. Общее количество возможных вариантов динамики изменения токов
Figure 00000016
и
Figure 00000017
равно четырем.
На фиг. 7,в и фиг. 7,г показаны графические интерпретации реакции составляющих токов
Figure 00000006
и
Figure 00000007
для сектора с номером 3.1 (фиг. 5) под воздействием четырех базовых векторов напряжений «аа», «са», «аpnаpn» и «bpnаpn».
На основании чего можно сделать следующие выводы.
Первый вывод. Выбор длинных базовых векторов напряжений (фиг. 5 и фиг. 7,в) во 2-ом диапазоне регулирования («аа», «са», «ba» и т.д.) и средних векторов в 1-ом диапазоне регулирования («ааpn», «саpn», «bpna» и т.д.) во всех секторах вызывает уменьшение активной составляющей тока источника питания
Figure 00000033
. Описанная динамика тока
Figure 00000033
изображена в первой строке таблицы на фиг. 6 для столбцов с номерами 2, 3, 6 и 7.
Второй вывод. Выбор средних базовых векторов напряжений (фиг. 5) во 2-ом диапазоне регулирования («ааpn», «саpn», «bpna» и т.д.) и коротких векторов в 1-ом диапазоне регулирования («аpnаpn», «bpnapn» и т.д.) во всех секторах вызывает увеличение активной составляющей тока источника питания
Figure 00000034
. Описанная динамика тока
Figure 00000034
изображена в первой строке таблицы на фиг. 6 для столбцов с номерами 4, 5, 8 и 9.
Введем понятие «отстающий базовый вектор напряжения». Это вектор, расположенный относительно рассматриваемого сектора на границе с предыдущим сектором, в предыдущем секторе или на границе предыдущего сектора и предшествующему ему сектором. Например, отстающими векторами (фиг. 5) для сектора 3.1 являются вектора «аа», «ааpn» и «аpnаpn».
Введем понятие «опережающий базовый вектор напряжения». Это вектор, расположенный относительно рассматриваемого сектора на границе с последующим сектором или на границе последующего и следующего за ним сектором. Например, опережающими векторами для сектора 3.1 (фиг. 5) являются вектора «са» «саpn» и «bpnаpn».
Третий вывод. Выбор отстающих базовых векторов напряжений (фиг. 5) в 1-ом и 2-ом диапазонах регулирования («аа», «ааpn», «аpnаpn» и т. д.) для всех секторов вызывает увеличение реактивной составляющей тока источника питания
Figure 00000035
. Описанная динамика тока
Figure 00000035
изображена во второй строке таблицы (фиг. 6) для столбцов с четными номерами 2, 4, 6 и 8.
Четвертый вывод. Выбор опережающих базовых векторов напряжений (фиг. 5) в 1-ом и 2-ом диапазонах регулирования («са» «саpn» и «bpnаpn» и т.д.) для всех секторов вызывает уменьшение реактивной составляющей тока источника питания
Figure 00000036
. Описанная динамика тока
Figure 00000036
изображена во второй строке таблицы (фиг. 6) для столбцов с нечетными номерами 3, 5, 7 и 9.
Рассмотрим, как влияет слагаемое
Figure 00000020
в уравнении (1), которым мы ранее пренебрегли при анализе динамики изменения активного тока
Figure 00000016
источника питания при перемещении вектора сети
Figure 00000023
в пределах сектора. В процентном отношении доля слагаемого
Figure 00000020
мала по сравнению со слагаемыми
Figure 00000023
и
Figure 00000013
, не более 5 % (фиг. 7,б). Обусловлено это тем, что реактивный ток
Figure 00000017
мал, так как заявляемая система управления стремится уменьшить его до нуля. Однако когда вектора
Figure 00000023
и
Figure 00000013
становятся соизмеримыми между собой, слагаемое
Figure 00000020
в уравнении (1) проявляет свое влияние. Это происходит при переходе из 1-го диапазона регулирования во 2-ой диапазон регулирования и наоборот, т.е. в районе границе диапазонов регулирования.
Известно, что в пределах сектора, угол которого равен 15о, модуль вектора напряжения сети
Figure 00000023
изменяется незначительно (не более 5 %, см. овал на фиг. 5), а модуль вектора напряжения на стороне переменного тока активного выпрямителя
Figure 00000013
изменяется на 3,4 % (уменьшается или увеличивается) для выбранного базового вектора напряжения.
Если алгебраическая сумма напряжений
Figure 00000037
в пределах сектора меняет свой знак, то это приводит к изменению динамики активного тока
Figure 00000016
. Например, до определенного углового положения вектора сети
Figure 00000023
в процессе его перемещения выполняется условие
Figure 00000038
, т.е.
Figure 00000039
, при этом активный ток
Figure 00000016
будет уменьшаться. После достижения определенного углового положения вектором сети
Figure 00000023
, когда
Figure 00000040
, т.е.
Figure 00000041
, активный ток
Figure 00000016
станет увеличиваться, и наоборот. С учетом изложенного следует, что изменение динамики активного тока
Figure 00000016
происходит при выполнении условия
Figure 00000042
, а не в результате команд, которые формирует релейный регулятор 15 (фиг. 1) при достижении активным током его граничных значений.
Таким образом, в пределах 1-го и 2-го диапазонов регулирования слагаемое
Figure 00000020
в уравнении (1) не оказывает существенного влияния на динамику изменения активного тока
Figure 00000016
источника питания при перемещении вектора сети
Figure 00000023
в пределах сектора. Это влияние проявляется лишь при смене диапазонов регулирования 1-го на 2-ой и наоборот. При этом длительности положительной и отрицательной динамик изменения активного тока
Figure 00000016
существенно отличаются, особенно на границах переходов из 1-го во 2-ой диапазоны регулирования и наоборот.
В дальнейшем, сделанный вывод будет подтвержден результатами математического моделирования (осциллограммами) заявляемой системы управления высоковольтным преобразователем частоты выполненной в программной среде Matlab/Simulink.
Рассмотрим, как влияет слагаемое
Figure 00000043
в уравнении (2), которым мы ранее пренебрегли при анализе динамики изменения реактивного тока
Figure 00000017
источника питания при перемещении вектора напряжения сети
Figure 00000023
в пределах сектора. Ранее было отмечено, что в системе dq координат вектор напряжение сети
Figure 00000002
представлен векторами напряжений
Figure 00000011
и
Figure 00000012
, т.е. в уравнении (2) в его правой части присутствуют два слагаемых
Figure 00000014
и
Figure 00000043
. При этом слагаемое
Figure 00000043
может быть соизмеримым или превышать слагаемое
Figure 00000014
. Обусловлено это тем, что активный ток
Figure 00000016
значительно превышает реактивный ток
Figure 00000017
. При этом напряжение
Figure 00000014
(фиг 7,б) в пределах сектора изменяется в диапазоне от -25 % до +25 % напряжения сети
Figure 00000023
, при перемещении вектора
Figure 00000023
.
Отметим, что слагаемое
Figure 00000044
в уравнении (2) всегда создает отрицательную динамику изменения реактивного тока
Figure 00000017
, при
Figure 00000045
, т.е. в двигательном режиме работы синхронной машины. Поэтому чтобы создать, например, такую же положительную динамику изменения реактивного тока
Figure 00000017
необходимо выполнить два следующих условия
Figure 00000028
и
Figure 00000046
. Выполнение первого условия
Figure 00000028
обеспечивают отстающие базовые вектора напряжений (см. ранее сделанный третий вывод). Выполнить второе условие
Figure 00000046
возможно, но не в зоне границ переходов из 1-го во 2-ой диапазон регулирования и наоборот. В указанных зонах, даже при выбранных отстающих базовых векторах напряжений, второе условие не выполняется, так как напряжение
Figure 00000047
. При этом отклонение реактивного тока
Figure 00000017
в течение некоторого времени может значительно превышать допустимые значения.
В математической модели заявляемого устройства для высоковольтного преобразователя частоты (в среде Matlab/Simulink), чтобы приблизиться к выполнению второго условия (для номинального тока задания 1250 А) был выполнен дополнительный поворот осей dq координат на угол 6о в направление вращения вектора напряжения сети
Figure 00000023
. Это позволило увеличить слагаемого
Figure 00000014
до 36 % и значительно снизить отклонение реактивного тока
Figure 00000017
на границах переходов.
В дальнейшем, сделанный вывод будет подтвержден результатами математического моделирования (осциллограммами) заявляемой системы управления высоковольтным преобразователем частоты, выполненной в программной среде Matlab/Simulink.
Отметим особенность влияний средних базовых векторов напряжений на динамику активного тока
Figure 00000006
.
Когда средние вектора совместно с короткими векторами (фиг. 5) участвуют в формировании мгновенных входных напряжений активных выпрямителей для 1-ого диапазона регулирования (
Figure 00000048
), активная составляющая тока
Figure 00000016
уменьшается от действий средних векторов. В таблице (фиг. 6) это отображено в первой строчке
Figure 00000033
для столбцов с номерами 6 и 7.
Когда средние вектора совместно с длинными векторами (фиг. 5) участвуют в формировании мгновенных входных напряжений активных выпрямителей для 2-ого диапазона регулирования (
Figure 00000049
), активная составляющая тока
Figure 00000016
увеличивается от действий средних векторов. В таблице (фиг. 6) это отображено в первой строчке
Figure 00000034
для столбцов с номерами 4, 5.
Опишем назначения и работу блоков в системе управления 11 (фиг.1) высоковольтным преобразователем частоты при несимметричном напряжении источника питания 2 в заявляемом устройстве.
Блок вычисления 12 (фиг.1) активной
Figure 00000006
и реактивной
Figure 00000007
составляющих токов источника питания 2 осуществляет преобразование мгновенных значений его токов из неподвижной системы координат во вращающуюся систему координат dq.
Блок 13 фазовой автоподстройки частоты и формирования номера сектора на третьей плоскости базовых векторов по мгновенным значениям напряжений источника питания 2 осуществляет вычисление двух координат.
Первая координата - угловое положение пространственного вектора напряжения источника питания
Figure 00000002
на третьей плоскости базовых векторов. Сигнал, указывающий угловое положение вектора напряжения формируется на первом выходе блока 13 и подается на второй вход блока вычисления 12 активной
Figure 00000006
и реактивной
Figure 00000007
составляющих токов источника питания 2.
Вторая координата - номер сектора на третьей плоскости базовых векторов. Сигнал, указывающий номер сектора, формируется на втором выходе блока 13 и подается на третий вход блока 16 предварительного выбора базового вектора напряжения активных выпрямителей высоковольтного преобразователя частоты.
Система управления 11 высоковольтным преобразователем частоты при несимметричном напряжении источника питания 2 в заявляемом устройстве (фиг. 1) может быть выполнена на базе специализированного микроконтроллера, имеющего периферийные устройства, процессор, ОЗУ и ПЗУ.
Трехпозиционный релейный регулятор 14 (фиг. 1) активного тока
Figure 00000006
сравнивает заданное значение активного тока (
Figure 00000050
) источника питания 2 и его текущее значение тока (
Figure 00000006
). По результатам сравнения формируется команда
Figure 00000051
(фиг. 8) для активных выпрямителей 26 (фиг. 2) на увеличение или уменьшение текущего активного тока
Figure 00000006
источника питания 2 в 1-ом или 2-ом диапазонах регулирования. Двухпозиционный релейный регулятор 15 реактивного тока
Figure 00000007
сравнивает заданное значение тока
Figure 00000052
и текущее значение тока
Figure 00000007
. По результатам сравнения формируется команда
Figure 00000053
(фиг. 8) для активных выпрямителей 26 на увеличение или уменьшение текущего реактивного тока
Figure 00000007
источника питания 2.
Отметим особенности работы трехпозиционного релейного регулятора 14.
Его структурная схема содержит (фиг. 8,а) блок вычитания 42, первый 43 и второй 44 двухпозиционные релейные регуляторы, блок выбора 45 одной из трех групп векторов, которая увеличивает или уменьшает текущее значение активного тока
Figure 00000006
источника питания 2 в 1-ом или 2-ом диапазонах регулирования.
На выходе блока вычитания 42 формируется сигнал рассогласования
Figure 00000054
, который подается на входы первого 43 и второго 44 релейных регуляторов (фиг. 8,а). Выходные команды регуляторов
Figure 00000055
и
Figure 00000056
подаются на входы блока выбора группы векторов 45, который выполняет функцию арифметического суммирования. На выходе последнего формируются одна из трех команд. Первая команда
Figure 00000057
- «выбрать группу коротких векторов», которая будет увеличить текущее значение активного тока
Figure 00000034
(см. фиг. 6). Вторая команда
Figure 00000058
- «выбрать группу средних векторов», которая будет уменьшать ток
Figure 00000033
в 1-ом диапазоне регулирования или увеличивать его во 2-ом диапазоне регулирования. Третья команда
Figure 00000059
- «выбрать группу длинных векторов», которая будет уменьшать текущее значение активного тока
Figure 00000033
.
Первый релейный регулятор 43 формирует на своем выходе одну из двух команд
Figure 00000060
- «работать в 1-ом диапазоне регулирования» или
Figure 00000061
- «работать во 2-ом диапазоне регулирования» (фиг. 8,а и 8,б; фиг. 6). При этом порог перехода из 1-го диапазона регулирования во 2-ой диапазон регулирования наступает при выполнении условия
Figure 00000062
, а порог перехода из 2-го диапазона регулирования в 1-ый диапазон регулирования наступает при выполнении условия
Figure 00000063
. Здесь
Figure 00000064
– зона гистерезиса второго релейного регулятора 44 (рис. 8,а).
Второй релейный регулятор 44 формирует на своем выходе одну из двух команд
Figure 00000065
- «увеличить текущее значение активного тока
Figure 00000034
источника питания 2» или
Figure 00000066
- «уменьшить текущее значение активного тока
Figure 00000033
источника питания 2». При этом порог перехода от команды
Figure 00000065
к команде
Figure 00000066
наступает при выполнении условия
Figure 00000067
, а порог перехода от команды
Figure 00000066
к команде
Figure 00000065
наступает при выполнении условия
Figure 00000068
.
Например, если текущее значение активного тока
Figure 00000006
меньше заданного значения
Figure 00000050
, а их разница
Figure 00000063
, то на выходе первого релейного регулятора 43 (фиг. 8,а) формируется команда
Figure 00000060
- «работать в 1-ом диапазоне регулирования». При этом на выходе второго релейного регулятора 44 формируется команда
Figure 00000065
- «увеличить текущее значение тока
Figure 00000034
источника питания 2». Под действием указанных команд
Figure 00000060
и
Figure 00000065
на выходе блока 45 формируется команда
Figure 00000069
- «выбрать вектор из группы коротких векторов
Figure 00000070
и увеличить текущее значение активного тока
Figure 00000006
Figure 00000071
» (фиг.8,б). Например, для сектора 3.1 (фиг. 5; фиг.6) команды
Figure 00000072
и
Figure 00000065
можно выполнить, выбирая вектор «apnapn» или «bpnapn», т.е. один из коротких векторов. Ранее был сделан вывод, что выбор коротких векторов, которые расположены в столбцах 8 и 9 таблицы на фиг. 6, вызывает увеличение активной составляющей тока
Figure 00000034
источника питания 2.
Таким образом, под действием команды
Figure 00000072
текущее значение активного тока
Figure 00000006
увеличивается. Однако когда достигается условие, что
Figure 00000067
, на выходе релейного регулятора 44 формируется команда
Figure 00000066
- «уменьшить текущее значение тока
Figure 00000033
», а на выходе блока 45
Figure 00000073
- «выбрать вектор из группы средних векторов» (фиг. 8), при этом
Figure 00000060
. Например, для сектора 3.1 (фиг. 5, фиг. 6) команды
Figure 00000074
,
Figure 00000066
и
Figure 00000060
можно выполнить, выбирая вектор «aapn» или «сapn», т.е. один из средних векторов. Ранее был сделан вывод, что в 1-ом диапазоне регулирования выбор средних векторов, которые расположены в столбцах 6 и 7 таблицы (фиг. 6) вызывает уменьшение активной составляющей тока
Figure 00000033
источника питания 2.
Под действием команды
Figure 00000074
текущее значение активного тока
Figure 00000006
уменьшается. Когда достигается условие, что
Figure 00000068
, на выходе релейного регулятора 44 формируется команда
Figure 00000065
- «увеличить текущее значение тока
Figure 00000034
», а на выходе блока 45
Figure 00000072
формируется команда - «выбрать вектор из группы коротких векторов» (фиг. 8). При этом
Figure 00000060
. Таким образом, по командам
Figure 00000060
,
Figure 00000065
и
Figure 00000075
как и ранее выбираются короткие вектора.
Описанный процесс будет повторяться до тех пор, пока вектор напряжения сети
Figure 00000002
находится в пределах 1-го диапазона регулирования. При этом выбранные базовые вектора напряжений (короткие и средние) фиг. 5 поддерживают значение текущего активного тока
Figure 00000076
в пределах допустимых отклонений
Figure 00000077
от заданного значения
Figure 00000050
в 1-ом диапазоне регулирования (фиг. 8,б).
Например, для несимметричного напряжения сети
Figure 00000002
, когда конец пространственного вектора
Figure 00000002
, перемещаясь по секторам (фиг. 5) описал овал, будут выбраны короткие и средние вектора, расположенные в секторах с номерами 3.23, 3.24, 3.1, 3.2, а также в секторах с номерами 3.11, 3.12, 3.13 и 3.14.
Если вектор напряжения сети
Figure 00000002
пересекает границу 1-го и 2-го диапазонов регулирования (фиг. 5), то динамика изменения текущего значения активного тока
Figure 00000006
автоматически станет положительной
Figure 00000034
, даже при выбранных средних векторах
Figure 00000074
, которые в 1-ом диапазоне регулирования делали динамику изменения тока
Figure 00000006
отрицательной
Figure 00000033
. На фиг. 5 это происходит в секторах с номерами 3.3 и 3.15.
Обусловлено это тем, что во втором диапазоне регулирования модуль вектора напряжения сети
Figure 00000002
больше длины проекции среднего вектора напряжения
Figure 00000013
на ось
Figure 00000078
(фиг. 7,б). Тогда из уравнения (3) следует, что отрицательная динамика изменения активного тока
Figure 00000033
в 1-ом диапазоне регулирования от действия средних векторов напряжений
Figure 00000013
(фиг. 8,б) меняется на положительную динамику изменения активного тока
Figure 00000034
во 2-ом диапазоне регулирования.
С учетом выше изложенного следует, что разница токов
Figure 00000079
уменьшается. При выполнении условия
Figure 00000062
на выходе первого релейного регулятора 43 (фиг. 8,а) формируется команда
Figure 00000061
- «работать во 2-ом диапазоне регулирования». На выходе второго релейного регулятора 44 сохраняется команда
Figure 00000066
- «уменьшить текущее значение тока
Figure 00000033
источника питания 2», так как
Figure 00000067
. Под действием указанных команд
Figure 00000061
и
Figure 00000066
на выходе блока 45 формируется команда
Figure 00000080
- «выбрать вектор из группы длинных векторов
Figure 00000081
и уменьшить текущее значение активного тока
Figure 00000006
Figure 00000082
» (фиг. 8,б). Для сектора 3.1 (фиг. 5, фиг.6) команды
Figure 00000083
и
Figure 00000066
можно выполнить, выбирая вектор «aa» или «сa», т.е. один из длинных векторов. Ранее был сделан вывод, что выбор длинных векторов, которые расположены в столбцах 2 и 3 таблицы (фиг. 6), вызывает уменьшение активной составляющей тока
Figure 00000033
источника питания 2.
Таким образом, под действием команды
Figure 00000083
текущее значение активного тока
Figure 00000006
уменьшается. Когда достигается условие, что
Figure 00000068
, на выходе релейного регулятора 44 формируется команда
Figure 00000065
- «увеличить текущее значение тока
Figure 00000034
», а на выходе блока 45
Figure 00000073
- «выбрать вектор из группы средних векторов» (фиг. 8), при этом
Figure 00000061
. Например, для сектора 3.1 (фиг. 5, фиг.6) команды
Figure 00000074
,
Figure 00000065
и
Figure 00000061
можно выполнить, выбирая вектор «aapn» или «сapn», т.е. один из средних векторов. Ранее был сделан вывод, что выбор средних векторов, которые расположены в столбцах 4 и 5 таблицы (фиг. 6), вызывает увеличение активной составляющей тока
Figure 00000034
источника питания 2.
Под действием команды
Figure 00000074
текущее значение активного тока
Figure 00000006
увеличивается. Когда достигается условие, что
Figure 00000067
, на выходе релейного регулятора 44 формируется команда
Figure 00000066
- «уменьшить текущее значение тока
Figure 00000033
», а на выходе блока 45
Figure 00000080
- «выбрать вектор из группы длинных векторов» (фиг. 8). При этом
Figure 00000061
. Таким образом, по командам
Figure 00000061
,
Figure 00000066
и
Figure 00000084
как и ранее выбираются длинные вектора.
Описанный процесс будет повторяться до тех пор, пока вектор напряжения сети
Figure 00000002
находится в пределах 2-го диапазона регулирования. При этом выбранные базовые вектора напряжений (длинные и средние) (фиг. 5) поддерживают значение текущего активного тока
Figure 00000076
в пределах допустимых отклонений
Figure 00000077
от заданного значения
Figure 00000085
во 2-ом диапазоне регулирования (фиг. 8,б).
Для ранее указанного несимметричного напряжения сети
Figure 00000002
, когда конец пространственного вектора, перемещаясь по секторам (фиг. 5) описал овал, будут выбраны средние и длинные вектора, расположенные в секторах с номерами 3.4, 3.5, 3.6, 3.7, 3.8, 3.9, а также в секторах с номерами 3.16, 3.17, 3.18, 3.19, 3.20 и 3.21.
Если вектор напряжения сети
Figure 00000002
пересекает границу 2-го и 1-го диапазонов регулирования, то динамика изменения текущего значения активного тока
Figure 00000006
автоматически станет отрицательной
Figure 00000033
, даже при выбранных средних векторах
Figure 00000074
, которые во 2-ом диапазоне регулирования делают динамику изменения тока
Figure 00000006
положительной
Figure 00000034
. На фиг. 5 это происходит в секторах с номерами 3.10 и 3.22.
Обусловлено это тем, что в первом диапазоне регулирования модуль вектора напряжения сети
Figure 00000002
меньше длины проекции среднего вектора напряжения
Figure 00000013
на ось
Figure 00000078
(фиг. 7,б). Тогда из уравнения (3) следует, что положительная динамика изменения активного тока
Figure 00000034
во 2-ом диапазоне регулирования от действия средних векторов напряжений
Figure 00000013
(фиг. 8,б) меняется на отрицательную динамику изменения активного тока
Figure 00000033
в 1-ом диапазоне регулирования.
С учетом выше изложенного следует, что разница токов
Figure 00000079
увеличивается. При выполнении условия
Figure 00000063
на выходе первого релейного регулятора 43 формируется команда
Figure 00000060
- «работать в 1-ом диапазоне регулирования». На выходе второго релейного регулятора 44 сохраняется команда
Figure 00000065
- «увеличить текущее значение тока
Figure 00000034
источника питания 2», так как
Figure 00000068
. Под действием указанных команд
Figure 00000060
и
Figure 00000065
на выходе блока 45 формируется команда
Figure 00000069
- «выбрать вектор из группы коротких векторов
Figure 00000070
и увеличить текущее значение активного тока
Figure 00000006
Figure 00000071
» (фиг.8,б). Для сектора 3.1 (фиг. 5, фиг.6) команды
Figure 00000072
и
Figure 00000065
можно выполнить, выбирая вектор «apnapn» или «bpnapn», т.е. один из коротких векторов.
Таким образом, работа трехпозиционного релейного регулятора 14 в 1-ом и 2-ом диапазонах регулирования, а также его работа при переходах вектора напряжения сети
Figure 00000002
из 1-го во 2-ой диапазоны регулирования и наоборот описана полностью.
Рассмотрим работу релейного регулятора 15 в пределах 1-го диапазона регулирования входных напряжений активных выпрямителей 26 (фиг. 8,в).
Ранее отмечалось, что для обеспечения единичного значения коэффициента мощности активного выпрямителя необходимо, чтобы заданное значение реактивного тока было равно нулю
Figure 00000052
. При этом текущее значение реактивного тока
Figure 00000007
должно удовлетворять условию
Figure 00000086
, т.е. ток
Figure 00000007
должен находиться в пределах зоны гистерезиса
Figure 00000087
релейного регулятора 15 (фиг 8,в).
Если выполняется условие, что
Figure 00000088
, то для возвращения значения реактивного тока в пределы зоны гистерезиса на выходе релейного регулятора 15 формируется команда
Figure 00000089
- «увеличить текущее значение тока
Figure 00000035
источника питания 2». Например, для сектора 3.1 (фиг. 5, фиг.6) команду
Figure 00000089
можно выполнить, выбирая вектор «apnapn» или ««aapn»», т.е. один из отстающих векторов. Ранее был сделан вывод, что выбор отстающих векторов, которые расположены в столбцах 6 и 8 таблицы (фиг. 6), вызывает увеличение реактивной составляющей тока
Figure 00000035
источника питания 2.
Если выполняется условие, что
Figure 00000090
, то для возвращения значения реактивного тока в пределы зоны гистерезиса на выходе релейного регулятора 15 формируется команда
Figure 00000091
- «уменьшить текущее значение тока
Figure 00000036
источника питания 2». Например, для сектора 3.1 (фиг. 5, фиг.6) команду
Figure 00000091
можно выполнить, выбирая вектор «bpnapn» или ««capn»», т.е. один из опережающих векторов. Ранее был сделан вывод, что выбор опережающих векторов, которые расположены в столбцах 7 и 9 таблицы (фиг. 6), вызывает уменьшение реактивной составляющей тока
Figure 00000036
источника питания 2.
Если
Figure 00000086
, т.е. текущий реактивный ток
Figure 00000007
находится в пределах допустимого отклонения от заданного тока
Figure 00000092
, на выходе релейного регулятора 15 сохраняет свое действие последняя принятая команда
Figure 00000053
.
По описанному алгоритму работает релейный регулятор 15 и в пределах 2-го диапазона регулирования входных напряжений активных выпрямителей 26.
При этом команду
Figure 00000091
- «уменьшить текущее значение тока
Figure 00000036
источника питания 2» в таблице (фиг. 6) можно выполнить, выбирая вектора в столбцах 3 и 5. Ранее отмечалось, что в этих столбцах расположены опережающие вектора. Команду
Figure 00000089
- «увеличить текущее значение тока
Figure 00000035
источника питания 2» можно выполнить, выбирая в таблице вектора в столбцах 2 и 4 (фиг. 6). Ранее отмечалось, что в этих столбцах расположены отстающие вектора.
Блок предварительного выбора базового вектора напряжения 16 (фиг. 1) для активных выпрямителей 26 (фиг. 2) высоковольтного преобразователя частоты 6 работает в соответствии с таблицей (фиг. 6). Ранее упоминалось, что подобные таблицы получили широкое применение в методе прямого управления моментом двигателей переменного тока. Указанные таблицы еще называют таблицами переключений базовых векторов напряжений, так как они указывают, на то какие вектора следует выбирать для эффективного управления, как инверторами напряжения, так и активными выпрямителями напряжения в высоковольтных преобразователях частоты. Термин «эффективное управление указанными устройствами» предполагает такой выбор базовых векторов напряжений, которые повышают быстродействие устройств и их коэффициент полезного действия.
На первый и второй входы блока 16 (фиг. 1) подаются команды «
Figure 00000093
» и «
Figure 00000053
» с выходов релейных регуляторов 14 и 15. Ранее было описано, что указанные команды выбирают один из столбцов в таблице (фиг. 6) в одной из трех групп векторов: длинные вектора (столбцы с номерами 2, 3); средние вектора (столбцы с номерами 4…7); короткие вектора (столбцы с номерами 8, 9).
На третий вход блока 16 подается сигнал со второго выхода блока 13, который указывает номер строки в таблице на фиг. 6.
Выбранные столбец и строка в таблице (фиг. 6) указывают предварительный базовый вектор напряжения, который на третьей плоскости базовых векторов (фиг. 5) занимает определенное положение. Ранее отмечалось, что вектора (фиг. 5) получены в результате суммирования специальным образом отобранных векторов (фиг. 4,а, фиг. 4,б).
С учетом изложенного на первом выходе блока 16 формируется команда, которая предварительно указывает, какой базовый вектор напряжения необходимо выбрать на фиг. 4,а. Указанная команда подается на первый вход блока 18 выбора базового вектора напряжения для активного выпрямителя 26 первого преобразователя частоты 24 и формирования управляющих сигналов ключами указанного выпрямителя. Одновременно на второй вход блока 18 подается команда со второго выхода блока вычисления 17. Эта команда указывает, нужна или нет принудительная балансировка напряжений конденсаторов 33, 34 (фиг. 3) в звене постоянного тока 29. Если принудительная балансировка конденсаторов нужна (ранее подробно об этом было описано), то из коротких векторов apn (bpn) выбирается вектор ap или an (bp или bn), который осуществит эту балансировку. Одновременно на третий вход блока 18 (фиг. 1) подается сигнал с выхода блока 20. Этот сигнал указывает, какой базовый вектор напряжения был выбран на предыдущем шаге выбора векторов на первой плоскости векторов на фиг. 4,а.
Блок 18 по полученным трем командам осуществляет окончательный выбор базового вектора напряжения для эффективного управления активным выпрямителем напряжения 26 первого преобразователя частоты 24. При этом выбранный базовый вектор напряжения формируется на первом выходе блока 18 и затем сохраняется в блоке 20.
Отметим, что при окончательном выборе базового вектора напряжения в блоке 18 необходимо выполнить следующие требования: обеспечить минимальное количество переключений ключей в активном выпрямителе напряжения 26 (высокое быстродействие), и если требуется выполнить принудительную балансировку напряжений на конденсаторах 33 и 34 в звене постоянного тока 29.
Выполнение указанных требований подробно описаны авторами в патенте на изобретение № 2662151. В указанном устройстве, минимизация количества переключений ключей и принудительная балансировка напряжений на конденсаторах осуществлены для управления трехфазным трехуровневым инвертором напряжения. Так как силовая схема активного выпрямителя напряжения подобна схеме инвертора напряжения, в заявляемом устройстве описание выполнения указанных требований не приводится.
На втором выходе блока 18 осуществляется формирование управляющих сигналов ключами активного выпрямителя 26 первого преобразователя частоты 24 (фиг. 2). Алгоритм формирования управляющих сигналов также подробно описан в вышеупомянутом патенте на изобретение № 2662151, поэтому в заявляемом устройстве не приводится.
На втором выходе блока 16 формируется команда, которая предварительно указывает, какой базовый вектор напряжения необходимо выбрать на фиг. 4,б. Указанная команда подается на первый вход блока 19 (фиг. 1) выбора базового вектора напряжения для активного выпрямителя 26 второго преобразователя частоты 25 и формирования управляющих сигналов ключами указанного выпрямителя. Одновременно на второй вход блока 19 подается команда со второго выхода блока вычисления 17. Эта команда указывает, нужна или нет принудительная балансировка конденсаторов 33, 34 (фиг. 3) в звене постоянного тока 29. Одновременно на третий вход блока 19 подается сигнал с выхода блока 21. Этот сигнал указывает, какой базовый вектор напряжения был выбран на предыдущем шаге выбора векторов на второй плоскости векторов на фиг. 4,б.
Блок 19 работает подобно блоку 18, т.е. осуществляет выбор оптимального базового вектора напряжения для эффективного управления активным выпрямителем напряжения 26 второго преобразователя частоты 25 (фиг. 2). Выбранный вектор напряжения обеспечивает: минимальное количество переключений ключей в активном выпрямителе напряжения 26 второго преобразователя частоты 25, повышает быстродействие активного выпрямителя напряжения 26, поддерживает балансировку напряжений на двух конденсаторах звена постоянного тока активного выпрямителя напряжения 26.
На втором выходе блока 19 осуществляется формирование управляющих сигналов ключами активного выпрямителя 26 второго преобразователя частоты 25.
Блок вычисления 17 (фиг. 1) заданного значения активного тока
Figure 00000050
и состояния баланса напряжений на конденсаторах звена постоянного тока высоковольтного преобразователя частоты работает следующим образом.
На первый вход указанного блока поступает сигнал, указывающий какое значение напряжения должно быть на двух последовательно соединенных конденсаторах 33 и 34 в звене постоянного тока 29 (фиг. 3). На второй вход блока 17 поступает сигнал, указывающий текущее значение напряжения на обоих конденсаторах и на каждом из них в отдельности. Формирование заданного значения активного тока
Figure 00000050
осуществляется с помощью пропорционально-интегрального (ПИ) регулятора, находящегося внутри блока 17, на входы которого подаются ранее указанные напряжения.
При этом на втором выходе блока 17 (фиг. 1) формируется сигнал, указывающий о необходимости естественной или принудительной балансировки напряжений на конденсаторах 33 и 34 звена постоянного тока 29 (фиг. 3). Ранее было описано, как осуществляется балансировка напряжений на указанных конденсаторах.
Устройство управления высоковольтным преобразователем частоты при кратковременных несимметричных провалах напряжения сети (фиг.1) работает следующим образом.
Блок вычисления 3 определяет величину коэффициента несимметрии напряжений
Figure 00000094
источника питания 2. Если эта величина не превышает 5 %, то управление высоковольтным преобразователем частоты 6 осуществляет система управления 4 как в прототипе. При этом используется метод ШИМ с удалением восьми выделенных гармоник напряжения и девятью переключениями ключей активного выпрямителя за четверть периода.
Если величина несимметрии напряжений
Figure 00000094
источника питания 2 более 5 %, то блок вычисления 3 передает управление высоковольтным преобразователем частоты 6 системе управления 11, которая осуществляет релейно-векторное управление ключами двух активных выпрямителей 26 (фиг. 2). Ранее была подробно, описана работа каждого блока системы управления 11.
На фиг. 9, фиг. 10 приведены осциллограммы, поясняющие работу заявляемого устройства управления трехфазными трехуровневыми активными выпрямителями напряжения 26 высоковольтного преобразователя частоты 6.
Осциллограммы получены в результате моделирования в программной среде Matlab/Simulink и дают наглядное представление о работе релейно-векторного управления указанными выпрямителями при кратковременных несимметричных провалах напряжения сети. В качестве объекта управления принят частотно-регулируемый синхронный электропривод клети непрерывного прокатного стана. Здесь: а – мгновенные значения фазных напряжения источника питания 2; б – мгновенные значения фазных токи источника питания 2; в – заданное
Figure 00000095
и текущее
Figure 00000006
значения активной составляющей тока источника питания 2; г – заданное
Figure 00000096
и текущее
Figure 00000007
значения реактивной составляющей тока источника питания 2; д – команда
Figure 00000051
для активных выпрямителей 26 на увеличение или уменьшение текущего активного тока
Figure 00000006
источника питания 2 в 1-ом или 2-ом диапазонах регулирования; е – команда
Figure 00000097
для активных выпрямителей 26 на увеличение или уменьшение текущего реактивного тока
Figure 00000007
источника питания 2 в 1-ом или 2-ом диапазонах регулирования; ж – выбранный базовый вектор напряжения для эффективного управления активным выпрямителем напряжения 26 первого преобразователя частоты 24, который сформирован на первом выходе блока 18; и – выбранный базовый вектор напряжения для эффективного управления активным выпрямителем напряжения 26 второго преобразователя частоты 25, который сформирован на первом выходе блока 19.
На осциллограммах (фиг. 9, фиг. 10), которые отображают пять периодов сетевого напряжения от 0 до 0,1 с можно выделить три временных интервала.
Первый временной интервал
Figure 00000098
, когда напряжение сети симметричное, а заданное значение активной составляющей тока источника питания 2 равно нулю (
Figure 00000099
).
Второй временной интервал
Figure 00000100
, когда напряжение сети симметричное, а заданное значение активной составляющей тока источника питания 2 равно
Figure 00000095
.
Третий временной интервал
Figure 00000101
, когда напряжение сети несимметричное, а заданное значение активной составляющей тока источника питания 2 равно
Figure 00000095
.
Заметим, что во всех трех временных интервалах работала система управления высоковольтным преобразователем частоты 11 (фиг. 1), которая фактически должна была включиться только на третьем временном интервале, при кратковременных несимметричных провалах напряжения сети.
На фиг. 9,а в момент времени
Figure 00000102
в фазе А произошел провал напряжения на 40 %, при этом в фазах В и С напряжения номинальные
Figure 00000103
.
На фиг. 9,б на первом временном интервале
Figure 00000098
значения фазных токов источника питания 2 равны нулю, так как
Figure 00000099
. При этом отклонение мгновенных фазных значений токов источника питания 2 достигает 85 А, что обусловлено работой релейных регуляторов активного 14 и реактивного 15 токов.
На фиг. 9,б на втором временном интервале
Figure 00000100
и на третьем временном интервале
Figure 00000101
действующие значения фазных токов источника питания 2 равны номинальным значениям 600 А, при
Figure 00000095
. Наличие отклонений тока (высокочастотных колебаний тока) на фоне основных гармоник фазных токов источника питания 2 достигает 85 А, что обусловлено работой релейных регуляторов активного 14 и реактивного 15 токов. При этом коэффициент несинусоидальности токов на втором и третьем временных интервалах не превышает соответственно 5 % и 10 %, что является допустимым значением.
Отметим, что в момент времени
Figure 00000104
ток задания
Figure 00000050
изменился скачком от 0 А до 1250 А, при этом время переходного процесса изменения мгновенных значений фазных токов источника питания 2 составляет
Figure 00000105
(фиг. 9,б). Такое высокое быстродействие заявляемой системы управления высоковольтным преобразователем частоты свидетельствует о его достоинстве.
Ранее было указано, что в момент времени
Figure 00000102
произошел провал напряжения в фазе А на 40 %, при этом осциллограммы фазных токов источника питания 2 (фиг. 9,б) на третьем и втором временных интервалах практически одинаковы. Заявляемая система управления высоковольтным преобразователем частоты отработала указанный провал напряжения практически мгновенно, о чем свидетельствуют осциллограммы токов, на которых отсутствуют заметные провалы или всплески токов после момента времени
Figure 00000102
. Указанное поведение токов подтверждает высокую надежность и высокое быстродействие заявляемой системы управления высоковольтным преобразователем частоты.
На фиг. 9,в приведены осциллограмма заданного
Figure 00000050
и текущего
Figure 00000006
значения активной составляющей тока и источника питания 2. Ранее было указано, что указанные токи подаются на второй и первый входы релейного регулятора активного тока 14 (фиг. 1). На первом временном интервале
Figure 00000098
ток
Figure 00000099
, а мгновенное значение текущего тока изменяется в диапазоне
Figure 00000106
, так как работает система управления 11. На втором и третьем временных интервалах
Figure 00000107
ток
Figure 00000095
, а мгновенное значение текущего тока изменяется в диапазоне 1165
Figure 00000108
. При этом на первом и втором временных интервалах, когда напряжение сети симметричное, динамика изменения активного тока
Figure 00000006
относительно тока
Figure 00000050
имеет практически линейный характер (фиг. 9,в) в рамках ширины зоны гистерезиса релейного регулятора 14, а период высокочастотных колебаний тока
Figure 00000006
относительно тока
Figure 00000050
остается практически постоянным.
На третьем временном интервале, когда напряжение сети несимметричное динамика изменения активного тока
Figure 00000006
относительно тока
Figure 00000050
имеет интервалы времени с линейным характером, а также интервалы времени с нелинейным характером. Интервалы времени с линейным характером имеют место, когда напряжение сети
Figure 00000002
(см. точки овала на фиг. 5) находится за пределами зоны перехода из первого диапазона регулирования во второй диапазон регулирования и наоборот. Ранее об особенностях указанного интервала времени упоминалось, что при этом влияние слагаемого
Figure 00000020
в уравнение (1) не проявлялось. Период колебаний высокочастотной составляющей тока
Figure 00000006
относительно тока
Figure 00000085
для указанного интервала времени (фиг. 9,в) остается практически постоянным.
Интервалы времени с нелинейным характером имеют место, когда напряжение сети
Figure 00000002
(см. точки овала на фиг. 5) находится в зоне перехода из первого диапазона регулирования во второй диапазон регулирования и наоборот. Ранее об особенностях указанного интервала времени тоже отмечалось, при этом ощутимое влияние в уравнении (1) оказывает слагаемое
Figure 00000020
. Период колебаний высокочастотной составляющей тока
Figure 00000006
относительно тока
Figure 00000050
для указанного интервала времени (фиг. 9,в) не остается постоянным.
На фиг. 9,г приведена осциллограмма текущего значения реактивной составляющей тока
Figure 00000007
источника питания 2. Напомним, заданное значение реактивной составляющей тока источника питания 2 должно быть равно нулю
Figure 00000109
. Ранее было указано, что указанные токи подаются на первый и второй входы релейного регулятора реактивного тока 15 (фиг. 1). На первом и втором временных интервалах
Figure 00000110
мгновенное значение текущего тока
Figure 00000007
изменяется в диапазоне
Figure 00000111
, так как работает система управления 11 (фиг. 1). При этом на первом и втором временных интервалах, когда напряжение сети симметричное, динамика изменения реактивного тока
Figure 00000007
относительно тока
Figure 00000018
имеет практически линейный характер (фиг. 9,г), а период колебаний тока
Figure 00000007
остается практически постоянным.
На третьем временном интервале
Figure 00000112
мгновенное значение тока
Figure 00000007
, также должно изменяться в диапазоне:
Figure 00000111
(фиг. 9,г). Однако, вследствие существенного влияния слагаемого
Figure 00000043
в уравнение (2), текущее значение реактивной составляющей тока
Figure 00000007
источника питания 2 в отдельные моменты времени выход за граничные значения, достигая -200 А и +140 А, т.е. превышает в 2,4 и 1,6 раз граничные значения. Ранее о влиянии слагаемого
Figure 00000043
уже упоминалось. Указанные нарушения граничных значений токов в релейном регуляторе реактивного тока 15 происходят соответственно при переходе из второго диапазона регулирования в первый диапазон регулирования и наоборот. В процессе работы заявляемого устройства длительность во времени указанных нарушений граничных значений токов
Figure 00000007
составляет около 20 %. Учитывая, что доля составляющей тока
Figure 00000007
в сетевом токе
Figure 00000015
источника питания 2 незначительная, не более 16 %, то в мгновенных значениях фазных токов указанные нарушения существенно не проявляются. Полученный вывод подтверждается осциллограммами токов на фиг. 9,б, где явно отсутствуют существенные провалы или всплески токов. Однако коэффициент несинусоидальности токов на третьем временном интервале увеличивается до 10 %, что является допустимым значением, при этом на втором временном интервале указанный коэффициент составлял 5 %.
На фиг. 10,д приведена осциллограмма, которая отображает команду, сформированную на выходе трехпозиционного релейного регулятора 14:
Figure 00000083
- «выбрать вектор из группы длинных векторов»;
Figure 00000074
- «выбрать вектор из группы средних векторов»;
Figure 00000072
- «выбрать вектор из группы коротких векторов». Ранее было указано, что эти команды подаются на первый вход блока 16 (фиг. 1).
На первом и втором временных интервалах
Figure 00000110
, когда напряжение сети симметричное, выбираются длинные и средние вектора, т.е. регулирование мгновенных входных напряжений активных выпрямителей 26 первого 24 и второго 25 преобразователей частоты (в пределах от 0,75 до 1,0 их номинальных значений) осуществляется во 2-ом диапазоне регулирования.
Исключение составляет интервал времени
Figure 00000113
, когда выбирается короткий вектор, чтобы отработать скачкообразное изменение заданного значения активного тока от 0 А до 1250 А. При этом фазные токи источника питания 2 за время переходного процесса
Figure 00000105
(фиг. 9,б) достигают установившихся значений.
На третьем временном интервале
Figure 00000114
, когда напряжение сети несимметричное, на осциллограмме (фиг. 10,д) имеют место временные интервалы, когда группа из длинных и средних векторов (2-ой диапазон регулирования) меняется на группу из средних и коротких векторов (1-ый диапазон регулирования) и наоборот. Ранее об этом было подробно описано, когда пояснялась работа трехпозиционного релейного регулятора активного тока 14 (фиг. 8).
Анализ осциллограммы на фиг. 10,д показывает, что при провале напряжения в фазе А на 40 % в заявляемом устройстве было выбрано 8 длинных, 8 средних векторов и 5 коротких, 5 средних векторов за полупериод напряжения сети, чтобы обеспечить заданное значение активной составляющей тока источника питания 2. При этом продолжительности удержания выбранных векторов не одинаковы, особенно при приближении к границе смены диапазонов регулирования, о чем ранее упоминалось.
На фиг. 10,е приведена осциллограмма, которая отображает какая команда сформирована на выходе двухпозиционного релейного регулятора 15 (фиг. 1):
Figure 00000089
- «увеличить текущее значение реактивного тока
Figure 00000035
источника питания 2», (фиг. 8,в)
Figure 00000091
- «уменьшить текущее значение реактивного тока
Figure 00000036
источника питания 2». Ранее было указано, что эти команды подаются на второй вход блока 16 (фиг. 1).
На первом и втором временных интервалах
Figure 00000110
, когда напряжение сети симметричное, продолжительности удержания выбранной команды
Figure 00000089
или
Figure 00000091
существенно не меняются. Однако анализ осциллограммы на фиг. 10,е показывает, что при ранее указанном провале напряжения (40 %) продолжительность удержания выбранной команды
Figure 00000089
или
Figure 00000091
существенно зависит от углового положения вектора напряжения сети
Figure 00000002
на третьей плоскости (см. овал на фиг. 5).
В зоне смены 1-го диапазона регулирования на 2-ой диапазон регулирования преобладает длительность команды
Figure 00000091
- «уменьшить текущее значение реактивного тока
Figure 00000036
источника питания 2» (фиг. 10,е). Ранее упоминалось, что команда
Figure 00000091
выбрана, чтобы удержать текущее значение реактивного тока
Figure 00000007
источника питания 2 в заданных границах регулирования, вследствие заметного влияния слагаемого
Figure 00000043
в уравнении (2).
В зоне смены 2-го диапазона регулирования на 1-ый диапазон регулирования существенно преобладает длительность команды
Figure 00000089
- «увеличить текущее значение реактивного тока
Figure 00000035
источника питания 2». Ранее упоминалось, что команда
Figure 00000089
выбрана, чтобы удержать текущее значение реактивного тока
Figure 00000007
источника питания 2 в заданных границах регулирования, вследствие заметного влияния слагаемого
Figure 00000043
в уравнении (2).
На фиг. 10,ж приведена осциллограмма, которая указывает выбранный базовый вектор напряжения для эффективного управления активным выпрямителем напряжения 26 в первом преобразователе частоты 24, который сформирован на первом выходе блока 18.
Ранее было указано, что на втором выходе блока 18 (фиг. 1) выбранные базовые вектора напряжений осуществляют формирование управляющих сигналов ключами активного выпрямителя 26 первого преобразователя частоты 24.
На фиг. 10,и приведена осциллограмма, которая указывает выбранный базовый вектор напряжения для эффективного управления активным выпрямителем напряжения 26 во втором преобразователе частоты 25, который сформирован на первом выходе блока 19.
Ранее было указано, что на втором выходе блока 19 (фиг. 1) выбранные базовые вектора напряжений осуществляют формирование управляющих сигналов ключами активного выпрямителя 26 второго преобразователя частоты 25.
Таким образом, сформированные управляющие сигналы на вторых выходах блоков 18 и 19 являются выходными сигналами системы управления 11 высоковольтным преобразователем частоты при несимметричном напряжении источника питания. Указанные сигналы подаются на первый и второй управляющие входы высоковольтного преобразователя частоты 6.
На основании выше изложенного следует, что в заявляемом устройстве релейно-векторное управление ключами трехфазных трехуровневых активных выпрямителей напряжений высоковольтного преобразователя частоты обеспечивает высокое быстродействие электропривода и его устойчивость к возмущениям со стороны питающей сети, особенно при кратковременных несимметричных провалах напряжения сети. При этом отклонения мгновенных значений токов источника питания и напряжений на конденсаторах звена постоянного тока не превышают допустимых значений.
Большое значение в заявляемом устройстве имеет предложенная структура таблицы переключений ключей активных выпрямителей напряжения, которая разработана исходя из условий минимального количества переключений ключей в указанных выпрямителях; повышения быстродействия заявляемой системы управления; поддержания баланса напряжений на двух конденсаторах звена постоянного тока активных выпрямителей напряжения. Благодаря минимизации количества переключений ключей в активных выпрямителях напряжения и повышения их быстродействия повышается коэффициент полезного действия высоковольтного преобразователя частоты.
Кроме того, заявляемое устройство обеспечивает высокий коэффициент мощности, практически равный единице, удовлетворительный гармонический состав входных токов, даже при кратковременных несимметричных провалах напряжения сети.

Claims (1)

  1. Устройство управления высоковольтным преобразователем частоты, содержащее датчик напряжения источника питания, вход которого подключен к выходу трехфазного источника питания, а выход – к блоку вычисления несимметрии напряжения источника питания, первый выход которого соединен с первым входом системы управления преобразователем частоты при симметричном напряжении источника питания, а второй выход – с задатчиком напряжения звена постоянного тока, выход которого соединен со вторым входом указанной системы управления преобразователем частоты, первый и второй выходы указанной системы управления соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами высоковольтного преобразователя частоты, силовой вход которого подключен к источнику питания, а силовой выход – к синхронной машине, к первому информационному выходу высоковольтного преобразователя частоты через датчик тока источника питания подключен третий вход системы управления преобразователем частоты, четвертый вход указанной системы управления подключен к выходу датчика напряжения источника питания, а пятый вход – к выходу датчика напряжения звена постоянного тока, три входа которого подключены ко второму, третьему и четвертому информационным выходам высоковольтного преобразователя частоты, шестой вход системы управления преобразователем частоты при симметричном напряжении источника питания подключен к задатчику реактивного тока, согласно изобретению оно снабжено системой управления высоковольтным преобразователем частоты при несимметричном напряжении источника питания, включающей блок вычисления активной и реактивной составляющих токов источника питания, первый вход которого соединен с выходом датчика тока источника питания, а второй вход - с первым выходом блока фазовой автоподстройки частоты и формирования номера сектора на третьей плоскости базовых векторов, вход указанного блока соединен с выходом датчика напряжения источника питания, первый и второй выходы блока вычисления активной и реактивной составляющих токов соединены соответственно с первыми входами релейного регулятора активного тока и релейного регулятора реактивного тока, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами блока предварительного выбора базового вектора напряжения активных выпрямителей высоковольтного преобразователя частоты, третий вход блока предварительного выбора базового вектора напряжения соединен со вторым выходом блока фазовой автоподстройки частоты и формирования номера сектора на третьей плоскости базовых векторов, при этом второй вход релейного регулятора активного тока соединен с первым выходом блока вычисления заданного значения активного тока и состояния баланса напряжений на конденсаторах звена постоянного тока высоковольтного преобразователя частоты, первый вход указанного блока вычисления соединен с выходом задатчика напряжения звена постоянного тока, при этом второй вход релейного регулятора реактивного тока соединен с выходом задатчика реактивного тока, первый выход блока предварительного выбора базового вектора напряжения активных выпрямителей высоковольтного преобразователя частоты соединен с первым входом блока выбора базового вектора напряжения для активного выпрямителя напряжения первого преобразователя частоты и формирования управляющих сигналов ключами указанного выпрямителя, второй выход блока предварительного выбора базового вектора напряжения активных выпрямителей высоковольтного преобразователя частоты соединен с первым входом блока выбора базового вектора напряжения для активного выпрямителя напряжения второго преобразователя частоты и формирования управляющих сигналов ключами указанного выпрямителя, вторые входы указанных блоков выбора базового вектора напряжения соединены со вторым выходом блока вычисления заданного значения активного тока и состояния баланса напряжений на конденсаторах звена постоянного тока высоковольтного преобразователя частоты, второй вход указанного блока вычисления соединен с выходом датчика напряжения звена постоянного тока, первый выход блока выбора базового вектора напряжения для активного выпрямителя напряжения первого преобразователя частоты и формирования управляющих сигналов ключами указанного выпрямителя через блок хранения своего предыдущего значения базового вектора напряжения соединен со своим третьим входом, при этом второй выход блока выбора базового вектора напряжения для активного выпрямителя напряжения первого преобразователя частоты и формирования управляющих сигналов ключами указанного выпрямителя соединен с первым управляющим входом высоковольтного преобразователя частоты, первый выход блока выбора базового вектора напряжения для активного выпрямителя напряжения второго преобразователя частоты и формирования управляющих сигналов ключами указанного выпрямителя через блок хранения своего предыдущего значения базового вектора напряжения соединен со своим третьим входом, при этом второй выход блока выбора базового вектора напряжения для активного выпрямителя напряжения второго преобразователя частоты и формирования управляющих сигналов ключами указанного выпрямителя соединен со вторым управляющим входом высоковольтного преобразователя частоты.
RU2018127895A 2018-07-31 2018-07-31 Устройство управления высоковольтным преобразователем частоты RU2699374C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018127895A RU2699374C1 (ru) 2018-07-31 2018-07-31 Устройство управления высоковольтным преобразователем частоты

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018127895A RU2699374C1 (ru) 2018-07-31 2018-07-31 Устройство управления высоковольтным преобразователем частоты

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2699374C1 true RU2699374C1 (ru) 2019-09-05

Family

ID=67851519

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018127895A RU2699374C1 (ru) 2018-07-31 2018-07-31 Устройство управления высоковольтным преобразователем частоты

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2699374C1 (ru)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2734554C1 (ru) * 2020-06-19 2020-10-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» Устройство управления трехфазными трехуровневыми активными выпрямителями напряжения
RU2793193C1 (ru) * 2022-12-09 2023-03-29 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" Устройство управления высоковольтным преобразователем частоты с активным выпрямителем
US11923711B2 (en) 2021-10-14 2024-03-05 Amogy Inc. Power management for hybrid power system

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2505918C2 (ru) * 2011-07-20 2014-01-27 Открытое акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт релестроения с опытным производством" Высоковольтный частотно-регулируемый электропривод
JP5503810B2 (ja) * 2011-09-30 2014-05-28 三菱電機株式会社 電動機のベクトル制御装置、車両駆動システム
CN103117556B (zh) * 2013-03-04 2015-11-25 国家电网公司 Pcs电压频率控制系统及控制方法
RU157682U1 (ru) * 2015-03-25 2015-12-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" Высоковольтный преобразователь частоты большой мощности с активными выпрямителями
WO2016069791A1 (en) * 2014-10-28 2016-05-06 Murata Manufacturing Co., Ltd. Space vector modulation for matrix converter and current source converter

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2505918C2 (ru) * 2011-07-20 2014-01-27 Открытое акционерное общество "Всероссийский научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт релестроения с опытным производством" Высоковольтный частотно-регулируемый электропривод
JP5503810B2 (ja) * 2011-09-30 2014-05-28 三菱電機株式会社 電動機のベクトル制御装置、車両駆動システム
CN103117556B (zh) * 2013-03-04 2015-11-25 国家电网公司 Pcs电压频率控制系统及控制方法
US9484833B2 (en) * 2013-03-04 2016-11-01 State Grid Corporation Of China System and method for controlling PCS voltage and frequency
WO2016069791A1 (en) * 2014-10-28 2016-05-06 Murata Manufacturing Co., Ltd. Space vector modulation for matrix converter and current source converter
RU157682U1 (ru) * 2015-03-25 2015-12-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" Высоковольтный преобразователь частоты большой мощности с активными выпрямителями

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2734554C1 (ru) * 2020-06-19 2020-10-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» Устройство управления трехфазными трехуровневыми активными выпрямителями напряжения
US11923711B2 (en) 2021-10-14 2024-03-05 Amogy Inc. Power management for hybrid power system
RU2793193C1 (ru) * 2022-12-09 2023-03-29 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" Устройство управления высоковольтным преобразователем частоты с активным выпрямителем

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yang et al. A fast and fixed switching frequency model predictive control with delay compensation for three-phase inverters
Yang et al. A constant switching frequency model predictive control without weighting factors for T-type single-phase three-level inverters
Kim et al. New control scheme for AC-DC-AC converter without DC link electrolytic capacitor
EP2827490B1 (en) System and method for unified common mode voltage injection
EP4084316A1 (en) Power conversion device
Yip et al. A lookup table model predictive direct torque control of permanent-magnet synchronous generator based on Vienna rectifier
Yin et al. Experimental comparison of DPC and VOC control of a three-level NPC grid connected converter
RU2699374C1 (ru) Устройство управления высоковольтным преобразователем частоты
JP2016174490A (ja) 電力変換装置
Kumara et al. Performance improvements of power converters for high power induction motor drive
RU157682U1 (ru) Высоковольтный преобразователь частоты большой мощности с активными выпрямителями
JP2016063687A (ja) 電力変換装置
Xinghua et al. A transformerless cascaded AC-DC-AC converter for multiphase propulsion drive application
Dekka et al. An improved indirect model predictive control approach for modular multilevel converter
Salem Mohamed Salem Design and analysis of five-level T-type power converters for rotating field drives
Hazem et al. Performance and control of a back to back MMC-HVDC for asynchronous ac networks interconnection
Choi et al. A novel MPC-SVM strategy for direct torque flux control of an induction motor drive system using a matrix converter
Si et al. Control strategy and simulation of a modular multilevel converter (MMC) based pump-back system for variable speed drive application
Umarov et al. The mathematical model for calculating transient modes of a valve converter
Biabani et al. Performance analysis of step up and step down cyclo converter
Rodrigues et al. Multilevel single-phase four-leg AC-DC-AC converter
Altin et al. Three-phase three-level inverter based shunt active power filter
Wei et al. An Inferential De-re-coupling Method for Single-phase Matrix Converter
RU2734554C1 (ru) Устройство управления трехфазными трехуровневыми активными выпрямителями напряжения
JP2019193377A (ja) 直列多重電力変換装置