PL168286B1

PL168286B1 - Sposób sterowania elektrycznym zaworem przeksztaltnika PL PL PL PL PL PL PL

Info

Publication number: PL168286B1
Application number: PL92294126A
Authority: PL
Inventors: Grzegorz Skarpetowski
Original assignee: Asea Brown Boveri
Priority date: 1991-04-08
Filing date: 1992-04-07
Publication date: 1996-01-31
Also published as: EP0508110A2; NO921106L; FI921533A0; ATE119333T1; CA2063690A1; ZA922237B; KR100187965B1; CZ105392A3; EP0508110A3; NO179600C; PL294126A1; JPH05115180A; DE59201492D1; CZ282055B6; NO179600B; CA2063690C; DE4111226A1; FI921533A; ES2072037T3; FI107475B

Abstract

1. Sposób sterowania elektrycznym zaworem prze- ksztaltnika zawierajacego co najmniej jeden zawór lub lancuch zaworów dla kazdej fazy pradu przemiennego, w którym zawory lub lancuchy zaworów kazdej z faz pradu przemiennego steruje sie przeciwnym przesunieciem fa- zowym, znamienny tym, ze zawory steruje sie zgodnie z funkcja komutacyjna KFij(t) opisana równaniem: nl KFij(t) = m1 (t) + (2 /p ) · S {sin (n · p m1 (t)) · n= i cos(n · k (? · t - (e j + 4i +? 1 + ? 1 ))}n, w którym t oznacza czas, m1 (t) - funkcje modu- lacyjna, n - zmienna porzadkowa, przy czym 1 = n = nl, nl - parametr dokladnosci, i - zmienna porzadkowa charakteryzujaca fazy pradu przemiennego, przy czym 1= 1 = A? · AG, A? — liczbe lancuchów zaworów z przesunieciem przebiegu podstawowego, AG- liczbe lancuchów zaworów z ta sama faza przebiegu podstawo- wego, j - zmienna porzadkowa okreslajaca wzorzec impulsowy, przy czym 1 a j a A?, A? - liczbe nieza- leznych lancuchów z przesunieciem sekwencji im- pulsowej, k - krotnosc taktowania, to - czestotliwosc katowa napiecia przemiennego, ? 1 - poczatkowy kat fazowy,?1 - kat fazowy korekcji regulatora, a ? j - poczat- kowy kat fazowy sekwencji wzorcowej impulsów j-tego ukladu w lancuchu zaworów. FIG1 FIG 2 PL PL PL PL PL PL PL

Description

ProoamioOom wynglgoku joeO sposdb eOorowgnig olokOryconym ogworom krookeoOgłOnikg.

Zngny joeO o kublikgcji guOoreOwg F. Buton i H.-D. Hoiningg QUICK RESPONSE SPACE VECTOR CONTROL FOR A HIGH POWER THREE - LEVEL - INVERTER DRIVE SYSTEM, 3rd Europogn Coneoronco on Powor ElocOronice gnd AkklicgOione, EPE Agchon, 9.-12. kgźaź. 1989, O. 1, e. 417 - 420, opis kompan robocoogo krooongcoonogo do rogulgcji w wgrunkgch okeklogOgcyjnych mgeoyny inaukcyjnoj ogeilgnoj o krzokezOałOnikg. SOorowgnio OyryeOordw krookeoOgłOnikg Ordjkooiomowogo odbywg eię prooo modulgcję eoorokości impuledw. Zgrdwno oabywąjącg eię w wgrunkgch okeklcgOgcyjnych rogulgcjg, jgk i wyOwarzanio oapowioanich eokwoncji impuledw roglioowmo joeO w cyfrowym krccoecroo eygngłowym, proy coym alg kążaogc Oypu kΓookezOgłOniką poOroobny joeO epocjglny program eOorujący lub ukłga eOorujący.

Spoedb eOorowmig woaług wynglgoku pologg ng Oym, żo ogwory lub teńcuchy ogwordw prookeoOgłOnikg kążaoj o ego prąau proomionnogo eOorujo eię ogoanio o funkcją komuOącyjną KFij(O) opiegną rdwngniom:

nl

KFj(O) = m(O) + (2/π) · £ {ein (n ·π · m,(O)) · coe (n -k · (ω - O -(Ej + Φ, + Ψ0))}/π, n = 1 w kOdrym O oongcoą coge, mi(O) - funkcję moaulgcyjną, n - omionną pcrząakową, proy coym 1 < n < nl, nl - pąramoOr dckłgdności, i - omionną poroąakcwą chgrakOoryoującą fgoy prąau proomionnogc, proy coym 1 < i < ΑΦ. AG, ΑΦ- licobę łgńcuchdw ogwordw o prooeunięciom proobiogu pcdeOgwcwegc, AG - licobę łgńcuchdw ogwordw o Oą egmą fgoą przebiogu poaeOgwowogo, j - omionną poroąakową okroślgjącą wocrooc impulsowy, proy coym 1 < j < Αε, Αε - licobę niooglożnych łgńcuchdw o prooeunięciom eokwoncji impuleowoj, k - kroOność OąkOcwgnig, co częeOoOliwcść kąOową ngpięcig proomionnogo, Φ, - pccząOkcwy kąO eązcwy, Ψ; - kąO egoowy korekcji rogulgOcra, g Ej - pocoąOkowy kąO egoowy eokwoncji wzcrcowoj impuledw j-Oogo ukłgńu w łgńcuchu ząwordw.

KoroyeOnio eOoeujo eię eunkcjo moaulgcyjną m,(O) w poeOgci m,(O) = (PZ-1) · {AC + mO, · coe(AC (ω · t -(Φί f Ψ,))}}/(Α0 + )), w kOdroj O ^πι^ι coge, inaoks i - omionną poroąakową ego prąau kroemiennogo, PZ licobę eOorowgnych oąwcrdw łgńcuchg, AC - pgrgmoOr robcczy, kOdrogo wgrOość alg AC = 1 ozngczą pracę o przoOwgrogniom prąa proomienny/ngpięcio przomionno i alg AC = O oongczą pracę o prooOwgrogniom prąa eOgły/ngpięcio eOgło, mO_I - ogamy wepdłcoynnik głębokości moaulącji, ω - coęeOoOliwość kąOową ngpięcig proomionnogo, Ψ, - ogamy kąO egoowy, bąaź kąO egoowy korokcji rogulgOorg g Φί - pocoąOkowy kąO emowy alg i - Ooj egoy prąau proomionnogo.

KoroyeOnio eOoeujo eię eunkcję moaulgcyjną m,(O) Ogkżo w poeOgci: n2 mi(O) = mO, + (2/π) · ^S^siⁿ(n · mO, · π) · cos(n (ω · O - Φΐ - Ψ,1)]/η, n = 1 m,(O) = mO, alg coeCco · O -Ψ,) >0, w ozcostiyych pzzpąakąach mó(f) = 0, n2 m,(O) = mOi · {0,5 + (4/π²) · [coe((2 · n - 1) *(ω · O -Φ, -Ψ,1)]/2 ·π -l)²}, n = i lub Ooż, alg mcdulącji Orgpooowoj, w poeOgci nl m,(O) = 0,5 + (4 · mOi/Or · α)) · nm {ein (2 · n -1)) · of (2 · n-1)2] · ein(2 ·η —1) · (co Ό -Φ, -Ψ,)), n = i proy coym wo wzorach Oych O ozπącog coge, inaoke i - omionną pcroądkową ego prąau przomioπnogo, mO1 - wepdłczyππiki głębokości moaulącji, n2 - pąrąmeOr aokłądπości, ω - coęsOoOliwość kąOową

168 286 napięcia przemiennego, Φι - początkowy k ąlt fazowy, Ψ, - k ąt fazowy korekcji regulator a, a u - połowę różnicy większej i mniejszej podstawy trapezu.

W sposobie według wynalazku funkcję komutacyjną KF,j(1) przekształtnika o wielu łańcuchach zaworów tworzy się w generatorze impulsowym, oddzielnie dla każdego łańcucha, upurametty funkcji komutacyjnej KFj(t) inicjuje się z nastawnika, zaś funkcję modulacyjnąm,(t) przekształtnika o wielu łańcuchach zaworów tworzy się oddzielnie dla każdego łańcucha w modulatorze, a parametry funkcji modulacyjnej mi(t) inicjuje się z nastawnika. Ponadto na podstawie funkcji komutacyjnej KFi/t) tworzy się sygnały sterujące zaworów zgodnie z wzorem:

LTOn.j = H(KFij(t) - LUO - n + 1), 1 < n < N dla zaworów znajdujących się pomiędzy zaciskiem zerowym i górną szyną prądową, poczynając od tego zacisku zerowego, oraz zgodnie z wzorem:

LTUnij = H(-KFy(t) - LUO - n +1) 1 < n < M dla zaworów znajdujących się pomiędzy zaciskiem zerowym i dolną szyną prądową, poczynając od tego zacisku zerowego, przy czym i oznacza zmienną porządkową faz prądu przemiennego, j - zmienną porządkową ciągu impulsów wzorcowych, H(x) - funkcję Heaviside’a, natomiast LUO = 0,5 + ent((PZ - 2)/2) oznacza potencjał odniesienia zacisku zerowego a PZ = N + M liczbę sterowanych zaworów łańcucha.

Korzystne jest, jeżeli zgodnie z wynalazkiem przynajmniej jeden modulator i/lub przynajmniej jeden generator impulsowy steruje się przynajmniej jednym sygnałem wyjściowym z regulatora, zaś zapamiętane i/lub wytwarzane w nastawniku parametry sterowania podaje się periodycznie do przynajmniej jednego modulatora i do przynajmniej jednego generatora impulsowego.

W sposobie według wynalazku ponadto oblicza się wzajemne przesunięcia fazowe prądu przemiennego względnie sygnału kąta początkowego, zgodnie z poniższymi równaniami, przy założeniu wartości początkowych kąta Φο i różnicy kąta ΔΦ = 2 · π/Α:

φ, = φ₀ δ ΔΦ i -i i 1), Φ= · DS = Φ, + π, gdzie 1 < n < ΑΦ, a ΑΦ - liczba łańcuchów zaworów z przesunięciem przebiegu podstawowego, zaś wartości początkowe kąta fazowego wzorcowej sekwencji impulsów oblicza się z następujących równań:

Ej = eo + Δε -(j - 1),

Ej - DS = Ej + (PZ -2) · π/k + (1 - AC) · π/k gdzie < n < Αε, a Αε jest liczbą niezależnych łańcuchów z przesunięcia sekwencją impulsów wzorcowych,

Δε δ 2 · n/((DS + 1) -k - Αε), natomiast

Eo = n/(k · (DS + 1)) dla (k + pZ - l)/(4 - 2 · DS) - ent {(k + PZ - l)/(4 - 2 · DS)} = 0, w pozostałych przypadkach Eo = 0, przy czym ent(x) oznacza największą liczbę całkowitą nie większą od x, DS dla dwustronnego zasilania wynosi 1, w pozostałych przypadkach DS wynosi 0, a pZ oznacza liczbę sterowanych zaworów każdego z łańcuchów.

Korzystne jest, jeżeli wartość początkową kąta fazowego wzorcowej sekwencji impulsów ustala się na zero, zaś liczbę sterowanych zaworów łańcucha zaworów przekształtnika ustala się najeden.

Zaletą sposobu według wynalazku jest możliwość sterowania różnych typów przekształtników jednym wspólnym algorytmem sterującym. Nie występuje potrzeba programowania sterowania od nowa dla każdego typu przekształtnika. Sposób sterowania może być realizowany metodami układowymi lub programowymi. Różnorodność modulatorów impulsowych przekształtników w zakresie elektroniki dużych mocy ograniczona jest do 1 - 3 typów. PozwOIo to na zmniejszenie kosztów opracowania, zwłaszcza przy mniejszej ilości powieleń i przy stosowaniu nietypowych rozwiązań jednostkowych.

Przedmiot wynalazku zostanie dokładniej objaśniony na podstawie przykładu wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy układu zasilanego z przekształtnika sterowanego sposobem według wynalazku, fig. 2 - schemat blokowy generatora sygnałów sterujących dla trójfazowego przekształtnika z trzema łańcuchami zaworów, fig. 3 a) do f) - przekształtniki z jednym

168 286 łańcuchem tyrystorów, fig. 4a) do e) - przekształtniki z dwoma łańcuchami tyrystorów, fig. 5 a) do c) - przekształtniki z trzema łańcuchami tyrystorów, fig. 6 - matrycę łańcuchów zaworów dla wielofazowego przekształtnika wielopunktowego, fig. 7 - schemat blokowy generatora sygnałów sterujących dla trój obwodowego regulatora czterokwadrantowego, a fig. 8 - wykresy napięć pomocniczych taktowania.

W przedstawionym na fig. 1 schemacie źródło energii 1 za pośrednictwem przekształtnika 2 zasiia energią elektryczną oł^c^i^t^r^i^ 3. W obciiążeniu 3 detekowany jest sygnał prądu przemiennego I, sygnał napięcia przemiennego U, sygnał momentu obrotowego Mo oraz sygnał częstotliwości f, które następnie są przekazywane do regulatora 12. Regulator 12 dostarcza sygnałów regulacyjnych S12 do generatora impulsowego 8 , do modulatora 9 i do generatora sygnałów sterujących 10. W skład sygnałów regulacyjnych S12 mogą wchodzić także sygnały o współczynmku gi^bokotci modulacj mO, ora sygnaa częsiotrlwości kątowei ω napięcća przemiennego U, przy czym i oznacza zmienną porządkową faz prądu przemiennego R, S, T. Modulator 9 generatora sygnałów sterujących 10 otrzymuje poza tym sygnały sterujące 7 z nastawnika 5. Nastawnik 5 otrzymuje zadawane z góry sygnały nastawcze 4. Generator impulsowy 8 otrzymuje z nastawnika 5 sygnały sterujące 6 tego generatora a z modulatora 9 sygnał odpowiadający funkcji modulacyjnej mi(t), przy czym na wyjściu wytwarza on sygnały sterujące 11 dla przekształtnika 2. Sygnały steruj ące 11 mogą być sygnałami opty cznymi przekazywanymi przez włókna szklane lub też sygnałami elektrycznymi wzmacnianymi za pomocą nie przedstawionego na rysunku wzmacniacza.

Generator sygnałów sterujących 10 stanowi blok układu elektronicznego dużej mocy włączonego bezpośrednio przed przekształtnikiem 2, pomiędzy elektronicznymi układami sterującymi i obwodem silnoprądowym. Generator sygnałów sterujących 10 otrzymuje zadane wartości początkowe z regulatora 12 lub z części elektronicznej realizującej proces sterowania.

Generator sygnałów steruj ących 10 przekształtnika 2 o trzech fazach R, S, T, z fig. 2, steruje za pośrednictwem sygnałów sterujących 11 trzy dwukierunkowe, sterowane w połowie łańcuchy 13 zaworów, przy czym dla przejrzystości przedstawiono tylko trzy łańcuchy zaworów dla fazy T. Przeciwrównoległe do każdego tyrystora łańcucha 13 zaworów dołączona jest dioda. M oznacza liczbę dolnych zacisków zaworów Ul... UM pomiędzy dolną szyną prądową SU i zaciskiem zerowym lub zaciskiem wyjściowym UO. N oznacza liczbę górnych zacisków zaworów O1...ON pomiędzy górną szyną prądową SO i zaciskiem zerowym UO. Przez PZ = 0, ...M- 1, M, M + 1, M + 2, ...M + N + 1, M + N + 2 oznaczono liczbę sterowanych zaworów łańcucha 13.

Zamiast dwukierunkowego sterowanego w połowie łańcucha 13 zaworów można zastosować również na przykład jednokierunkowy sterowany w pełni łańcuch 14 zaworów z połączonymi szeregowo tyrystorami TUM,... TU2. TU1. TO1. Τθ2.... TON. Ten same odnośniki dotyczą też łańcucha 13 odpowiednich zaworów.

Generator sygnałów sterujących 10 ma tylko jeden nastawnik 5 oraz modulatory 9 i generatory impulsowe 8, po jednym na każdą fazę R, S, T.

Nastawnik 5, do którego wprowadza się parametry programujące generatora sterującego 10, ma za z^^c^^nie po odpow^^ej obróbce przekazanych z położonego hierarchiczme wyżej poziomu danych i samotestowaniu, periodyczne przekazywanie tych danych do modulatora 9 lub grupy modulatorów 9 oraz generatorów impulsowych 8. Nastawnik 5 w charakterze sygnałów nastawczych 4 otrzymuje następujące sygnały:

- AG = liczba łańcuchów 13, 14 o tej samej fazie przebiegu podstawowego,

- AC = w^^p^ć>łc^z^y/r^nik ^^r^c^u roboczego , i^ł^^ł^m^tr charakteryzujący pr^r^c^y ρΓζεηήεηηο- lub stałoprądowej,

AC = 1 oznacza pracę przemiennoprądową/przemiennonapięciową,

AC = 0 oznacza pracę stałoprądową/stałonapięciową, jak na przykład w przypadku jednokwadrantowego nastawnika według fig. 3 d) i 3 e),

- PZ = parametr odpowiadający liczbie zaworów łańcucha,

PZ = 2 = układ dwupunktowy,

PZ = 3 = układ trójpunktowy,

PZ = 4 = układ czteropunktowy.

168 286

- DS = parametr zasilania dwustronnego,

DS = 0 = zasilanie jednostronne, na przykład w przypadku falownika dla połączonej w gwiazdę maszyny asynchronicznej, zgodnie z fig. 5 c),

DS = 1 = zasilanie dwustronne, na przykład uzwojenia transformatora w nastawniku czterokwadrantowym według fig. 4 d),

- ω = częstotliwość kątowa napięcia przemiennego U = 2 · π · f, f = częstotliwość napięcia przemiennego U,

- k = krotność taktowania

- Ω=częstotliwość kątowa taktowania=k · ω=2 -72 · ft dla AC = 1, przy czym ft=częstotliwość taktowania,

- AO = liczba łańcuchów zaworów z przesunięciem przebiegu podstawowego, a

- Ae = liczba niezależnych łańcuchów z przesunięciem sekwencji impulsowej.

Modulator 9 otrzymuje z nastawnika 5 w charakterze sygnałów sterujących 7 tego modulatora sygnały: Ac, PZ, ω oraz

- Or, Φs, Φτ = wstępne fazy kątowe drgania podstawowego łańcuchów zaworów R, S, T. Ogólnie wartości początkowe kątów oznacza się przez Φ), przy czym i = 1, 2 ... A Φ · AG jest zmienną porządkową dla faz prądu przemiennego.

Generator impulsowy 8 otrzymuje z nastawnika 5 w charakterze sygnałów sterujących generatorem impulsowym 6 sygnały: PZ, ω, k orzz

- er, Es, ετ = wartości początkowe kąta fazowego impulsów sekwencji wzorcowej względem łańcuchów przesuniętych fazowo względem sekwencji wzorcowej.

Ogólnie wartości początkowe położenia kątowego sekwencji impulsów oznacza się przez ε,, przy czym j = 1,2...

Ae · AO jest zmienną porządkową ciągu impulsów wzorcowych.

Sygnał częstotliwości kątowej ω dla generatora impulsowego 8 i modulatora 9 w przypadku przekształtnika 2 może docierać z regulatora 12. Generator impulsowy 8 i modulator 9 otrzymują z regulatora 12 wśród sygnałów regulacyjnych S12 po jednym sygnale synchronizacji SYN i po jednym sygnale odnoszącym się do kąta fazowego korekcji Φ, regulatora 2 o odpowiednio do położenia kątowego drgania podstawowego regulatora 12. W przypadku wektorowych regulatorów 12 może być wytwarzany również tylko jeden sygnał o współczynniku głębokości modulacji mO, i jeden sygnał kąta korekcji O, regulatora 12. Modulator 9 otrzymuje z regulatora 12 sygnał o współczynniku głębokości modulacji mOi oraz w tym przypadku sygnał częslotliwaści kątowej co.

Zadaniem modulatora 9 jest zapewnienie funkcji modulacyjnej mi(t) na podstawie minimalnej liczby danych. W bardzo wielu, choć nie wszystkich przypadkach, możliwe jest otrzymanie ogólnego przedstawienia analitycznego. Dla prostych przekształtników sieciowych lub specjalnych funkcji modulacyjnych m,1t), które występują na przykład przy bezpośredniej samoregulacji, pojawia się konieczność stosowania specjalnie dostosowanych równań. Funkcja modulacyjna m1t) decyduje o postaci ciągu impulsów wytwarzanych przez generator impulsowy 8.

Działanie modulatora 9 w całkowicie ogólnej postaci można wyliczyć z uzależnionej od czasu funkcji modulacyjnej:

mi(t) = (PZ-1) · {AC + mOi · cos (AC «(ω · t -(Φ) + Ψΐ)})}/(ΑΟ + 1), przy czym t oznacza czas, indeks i - zmienną porządkową służącą do oznaczania fazy prądu przemiennego, R, S, T, mO, - współczynnik głębokości modulacji, Φ, - początkowy kąt fazowy, a—, - kąt fazowy korekcji regulatora i-tego układu łańcucha zaworów, przy czym i = 12... AO.

Funkcja modulacyjna m,(t) zadaje amplitudę, częstotliwość i fazę prądu/napięcia, które należy otrzymać w wyniku działania przekształtnika 2.

Generator impulsowy 8 na podstawie swoich danych wejściowych wytwarza uzależnioną od czasu funkcję komutacyjną KFij(t) zgodnie z równaniem: n

KFij(t) = m,1t) + (2/π) · £ {sin (n · π · m,1t)) ^cos (n · k ^ω ·ι -(ε, + Φ, - Ψ,)})}/η, przy czym n jest zmienną porządkową, n1 - parametrem dokładności, a εj - wartością początkową j-tej potęgi kątowej wzorca impulsowego układu łańcucha zaworów o tym samym

168 286 indeksie i. Sygnał początkowego kąta fazowego Φί może być przekazywany z nastawnika 5 do generatora impulsowego 8 za pośrednictwem modulatora 9, bądź też, czego nie przedstawiono na rysunku, bezpośrednio. Dokładność obliczeń rośnie wraz ze wzrostem liczby wyrazów sumy. Korzystne jest wybranie niw zakresie między 20 i 100.

Sygnały wyjściowe 11 generatora impulsowego 8 odpowiadają rozkazom sterującym tyrystorów TUM... TON i otrzymywane są za pomocą komparatorów służących do otrzymania przedstawionej poniżej funkcji Heavidide’a H(x) z funkcji kumutacyjnej KFj(t). W generatorze impulsowym 8 lub w nie przedstawionym na rysunku urządzeniu dodatkowym można zastosować środki wykrywania błędów i środki zapobiegające powstawaniu zwarć.

Generator sygnałów sterujących 10 można zrealizować w sposób układowy lub programowy. Możliwe jest sterowanie za jego pomocą przekształtnika 2 z łańcuchami 13,14 zaworów o dowolnej długości. Jako parametru charakteryzującego długość łańcucha przewiduje się wykorzystanie liczby stopni lub liczby punktów PZ.

Na figurach 3 do 5 przedstawiono przykłady wykonania przekształtników stosując odnośniki odpowiadające łańcuchowi zaworów 14. Przy tym fig. 3 przedstawia przekształtnik 2 złożony tylko z jednego łańcucha zaworów lub jego części.

Fig. 3 a) do 3 c) przedstawiają przekształtniki jednofazowe.

Fig. 3 d) przedstawia jednokwadrantowy regulator prądowy, fig. 3 e) - jednokwadrantowy regulator napięciowy, a fig. 3 f) - regulator dwukwadńantowy. Przekształtniki 2 tej grupy można zatem wysterowywać za pomocą tylko jednego zespołu złożonego z modulatora 9 i generatora impulsowego 8.

W przypadku przekształtników 2 z dwoma łańcuchami tyrystorów konieczne jest stosowanie dwóch takich zespołów programowych lub układowych. Do takich przekształtników 2 należy przedstawiony na:

fig. 4 a) - jednofazowy układ z punktem środkowym, fig. 4 b) - jednofazowy układ mostkowy dostosowany do wszystkich rodzajów sterowania, takich jak włączanie, włączanie i odcinanie (sterowanie sektorowe) i do wielu wykonań, na przykład z włączonym po stronie stałoprądowej układem wielotaktowym stanowiącym rodzaj elektronicznego przełącznika stopniowego, fig. 4 c) - układ jednofazowy pracujący na zasadzie wygaszania z zachowaniem następstwa faz, fig. 4 d) - nastawnik czterokwadrantowy (obwód nastawnika czterokwadrantowego lub obwód przekształtnika napięciowego służącego do przyłączenia maszyny asynchronicznej), fig. 4 e) - nastawnik dwukwadrantowy do zasilania przekształtnika prądowego z przemiennym włączaniem do sieci prądu stałego.

W trzy łańcuchy tyrystorów wymagające trzech modułów wysterowujących wyposażone są na przykład następujące przekształtniki 2:

fig. 5 a) - trójfazowy z jednofazowym włączaniem po stronie prądu przemiennego, fig. 5 b) - układ quasi-czterostopniowy, fig. 5 c) - falownik napięciowy dla maszyny asynchronicznej połączonej w gwiazdę, i nie przedstawiony na rysunku - trójfazowy przekształtnik prądowy wymuszający prądy z zachowaniem następstwa faz.

Z figur 3 do 5 logicznie wynika sposób łączenia dowolnie dużej liczby łańcuchów zaworów.

Figura 6 przedstawia przekształtnik 2 w postaci macierzowej dla ΑΦ faz z M + N połączonymi szeregowo zaworami, bądź tyrystorami TUM... TON, wymagający dla każdej fazy dwóch modulatorów 9 i dwóch generatorów impulsowych 8. Dla takiego przekształtnika parametr liczby sterowanych zaworów łańcucha wynosi PZ = M + N, a liczba łańcuchów zaworów AN = (1 + DS) · ΑΦ · AG · Αε.

W celu wygaszania harmonicznych częstotliwości taktującej stosuje się przesuwanie sekwencji taktującej. To przesuwanie w sposób zauważalny podwyższa wypadkową częstotliwość taktowania ft przekształtnika 2.

Wyłącznie sprawą zaprogramowania parametrów sterowaniajest to, czy na przykład sześć łańcuchów takiego przekształtnika 2 wykorzystanych jest jako trójtaktowe i pracujące w tej samej fazie obwody wejściowe regulatora czterokwadrantowego, czy jako trzy jednotaktowe

168 286 obwody fazowe pracujące z przesunięciami po 120°, czy też jako sześć regulatorów dwukwadrantowych. Programowanie odbywa się przy tym przez zmianę przesunięcia fazowego lub przez przesunięcie taktu.

Swoboda programowania i wielokrotne równoległe wykorzystanie takiego przekształtnika 2 stosowane przy odpowiednim ustawieniu parametrów, na przykład po stronie sieciowej, zapewnia nawet w razie częściowego wyłączenia instalacji, takie samoczynne przesunięcia sekwencji impulsów, przy których sieć energetyczna obciążona jest minimalną zawartością harmonicznych.

W przedstawionym na fig. 2 łańcuchu 13, 14 zaworów przekształtnika trójfazowego jest konieczne oddzielne programowanie zarówno przebiegu podstawowego, jak i faz sekwencji impulsów.

Generator sygnału sterującego 10 z fig. 7 jest przeznaczony dla trój obwodowego nastawnika czterokwadrantowego. Każdy obwód ma dwa modulatory 9 i dwa generatory impulsowe 8, oznaczone przez A, B lub Al, B1 lub A2, B2. Współfazowość przebiegów podstawowych modulatorów 9 można zaprogramować oddzielnie za pośrednictwem sygnałów faz początkowych ΦαΦα’ ’ Φβ,Φβ’ ; Φο,Φε. Współfazowość tę uzyskuje się, przy przesuwaniu w przeciwne strony sekwencji impulsów w generatorach impulsowych 8, przez zadawanie poszczególnych początkowych wartości kątafazowego ε_α,ε₃’; Eb,Eb’; Ec,e_c’, sekwencji wzorcowej. Każdy z dwóch modulatorów 9 regulatora 12 ma współczynnik modulacji mOa, mOb lub mOc. Regulator 12 dostarcza do modulatorów 9 i generatorów impulsowych 8 każdego obwodu również sygnał Ψα bądź Ψb bądź też Ψο korekcji kąta fazowego regulatora 12. Wspólna synchronizacja z punktem odniesienia może być wtedy włączona lub wyłączona. W nastawniku 5 może być również ustawiona częstotliwość kątowa co. Wielkości wyj ściowe regulatora 12 można również połączyć w jedną wielkość wektorową.

W nastawniku 5 wyliczane są, zgodnie z poniższymi równaniami, sygnały fazy początkowej Φα,Φα’; Φβ,Φβ’; Φε,Φε’; przy założeniu początkowego kąta fazowego wynoszącego na przykład Φo = O i przesunięcia kątowego wynoszącego ΔΦ = 2 · π/ΑΦ:

φ, = Φο + ΔΦ · (i - 1), Φι’ · DS = Φ, + π,

1< i < ΑΦ

Otrzymuje się w ten sposób na wyjściu modulatora 9 funkcje modulacyjne ma(t), mb(t), m_c(t) powstałe przez zastąpienie indeksu i wartościami a, b, c. Dla przejrzystości na rysunku oznaczono tylko funkcję modulacyjną ma(t). Nie przedstawione funkcje modulacyjne ma’(t), mb’(t), m’(t) dla łańcuchów bliźniaczych otrzymuje się z funkcji modulacyjnych ma(t), mb(t), m_c(t) przez zastąpienie w nich Φι przez Φ,’.

Wartości początkowe przesunięcia sekwencji impulsów wynoszą:

Δε = 2 · n/((DS + 1) · k · Αε) natomiast εο = 7t/(k - DS S + )) ) dla (k + PZ -1)/(4 - 2 <DS) - ent {(k + PZ -1)/(4 - 2 <DS)} = 0, w pozostałych przypadkach ε0 = 0. Przy tym ent(x) oznacza największą liczbę całkowitą < x. Eo zadaje wartość synchronizacyjną położenia kątowego sekwencji impulsów.

Dla powyższych wartości otrzymuje się z nastawnika 5 wartości początkowe kąta fazowego sekwencji impulsów Ea,Ea’; Eb,Eb’, ε c,Ec’, zgodnie z następującymi równaniami:

Ej = Eo + Δε (j - 1),

Ej’ · DS = Ej + (PZ - 2) · π/k + (1 - AC) · π/k, < i < ΑΦ.

Nie oznaczone apostrofem (’) sygnały dotyczą łańcuchów zaworów, które jako zasilane dwustronnie (DS = 1) mają ściśle określoną fazę i położenie wstępne sekwencji impulsów względem łańcucha bliźniaczego, nie oznaczonego apostrofem.

W celu wyliczenia funkcji komutacyjnych KFaj, KFbj, KF_CJ dla generatora impulsowego 8 w równaniu na KF _υ i zastępuje się przez a, b lub c. Funkcje komutacyjne KF’aj, KF’b, KF’_Cj dla łańcuchów bliźniaczych otrzymuje się z funkcji komutacyjnych KFaj, KFbj, KF_Cj, w których funkcje ma(t), mb(t), mc(t) zastępuje się przez m’a(t), m’b(t), m’c(t) a εj przez ε j.

Przy oznaczaniu potencjału odniesienia zacisku zerowego UO przez LUO otrzymuje się LUO = 0,5 + ent((PZ - 2)/2).

168 286

Liczba N tyrystorów powyżej zacisku UO wynosi N = PZ/2 dla PZ/2 - ent(PZ/2) = 0, w pozostałych przypadkach N = PZ/2 + 0,5. Liczba M tyrystorów poniżej zacisku zerowego UO wynosi M = PZ - N.

Następnie wylicza się fazę sygnałów sterujących 11 czyli mówiąc dokładniej LTON, LTUM, dla tyrystorów tOn - TUM względem ciągu impulsów wzorcowych j zgodnie z następującymi równaniami:

LTON.j = H(KF,j(t) - LUO - N + 1),

LTO2,j = H(KFij(t) - LUO - 1), LTOl.j = H(KFij(t) - LUO), LTUl.j = H(-KF,j(t) + LOU), LTU2_U = H(-KFij(t) + LUO - 1),

LTUMy = H(-KF„(t) + LUO - M +1).

Przy tym H(x) jest tzw. funkcją Heaviside’a. Dla x > 0 H(x) = 1, a dla x < 0 H(x) = 0.

Dla górnych tyrystorów TO1 - TON i -tej fazy, czyli łańcucha zaworów, obowiązuje następująca zależność sygnałów sterujących 11 czyli LTONjj, licząc od zacisku zerowego UO:

LTOnij = H(KF,j(t) - LUO - n + 1), 1 < η < N

Odpowiednio dla sygnałów sterujących 11, czyli LTUny, dolnych tyrystorów TU 1 - TUM, licząc od zacisku zerowego:

LTUn,j = H(-KF,j(t) + LUO - n + 1), 1 < η < M

Figura 8 przedstawia wykresy napięć pomocniczych taktowania, czyli funkcji komputacyjnej KFy(t). W każdym punkcie przecięcia funkcji modulacyjnej mj(t) z liniami poziomu napięcia LO - L5, odpowiadającymi napięciom na zacisku zaworów UM - ON, funkcja komutacyjna KF_u(t) przyjmująca wartości powyżej lub poniżej jedności ściśle opisuje stan włączenia łańcuchów zaworów. Zmiany odpowiadają pochodnej funkcji modulacyjnej m,(t). Sieć napięć pomocniczych służy do objaśnienia powstawania wielopoziomowej funkcji komutującej KFy dla siatki punktów przecięcia z funkcją modulacyjną mi(t).

Poniżej opisano przykład wykonania, który dotyczy fig. 2. Oznaczenia poszczególnych faz R, S, T zostały uogólnione przez zastosowanie zmiennej porządkowej i, przy czym i = 1 odpowiada fazie pojedynczej lub fazie R itd.

Matrycę przekształtnikową złożoną z sześciu czterostopniowych nastawników dwukwadrantowych, przy przetwarzaniu prądu można traktować jak:

- 6 regulatorów dwukwadrantowych (regulatorów prądu, napięcia),

- 3 regulatory czterokwadrantowe, przy czym PZ = 2 lub 3 lub 4,

- 2 jednoimpulsowe falowniki trójfazowe, przy czym PZ = 2 lub 3 lub 4,

- 1 dwuimpulsowy falownik trójfazowy, przy czym PZ = 2 lub 3 lub 4, lub

- kombinację tych układów.

Przykład I. Algorytm taktowania dla przekształtnika matrycowego z sześcioma regulatorami dwukwadrantowymi, PZ = 2 (regulator prądowy lub napięciowy):

Stan nastawnika:

AG = 3, AC = 0, PZ = 2, DS - 1, ω = 2·π·ί, f=162/3Hz, k=12, Q = ko, ΑΦ=1, Αε = 3.

Poszczególne sygnały wejściowe modulatora 9:

mO, = 0,75, Ψ, = π/4, Φο = Ο, Φα,Φα’; Φβ,Φβ’; Φε,Φο’

Poszczególne sygnały wejściowe generatora impulsowego 8:

ε₃,ε₃’; e_b^_b’; εο,ε_ε’; nl=20; m_a(t), m_a’(t); m_b(t), m_b’(t); m_c(t), mc’(t).

Sygnały sterujące 11: LTOly, LTUl,j.

168 286

Przykładu. Algorytm taktowania dla przekształtnika matrycowego z trzema regulatorami czterokwadrantowymi, PZ = 2:

Stan nastawnika:

AG = 3, AC = 1, PZ = 2, DS = 1, ω = 2 m -f, f= 16 2/3 Hz, k= 11, Ω = k· ω, ΑΦ=1, A3 = 3.

Poszczególne sygnały wejściowe modulatora 9, generatora impulsowego 8, jak również sygnały sterujące 11 odpowiadają sygnałom z przykładu 1. Dotyczy to również przykładu następnego.

Przykład III. Algorytm taktowania dla przekształtnika matrycowego z dwoma jednoimpulsowymi falownikami trójfazowymi, PZ = 2:

Stan nastawnika:

AG = 2, AC = 1, PZ = 2, DS = 0, ω = 2 -m f, f= 16 2/3 Hz, k = 11, Ω = k-o, =Φ = 3, Αε=1

Wynalazek może mieć zastosowanie przede wszystkim w konstrukcji lokomotyw wielosystemowych. Przy niewielkiej liczbie przełączników, układ przełączania silnoprądowego lokomotywy pozwala na proste przeprogramowywanie modulatora 9 na inny system zasilania. Wielosystemowość lokomotywy zapewnia się wyłącznie przez stosowanie odpowiednich elektronicznych układów sterujących. Uniwersalność zastosowanego algorytmu pozwala na redukcję stopnia złożoności i kosztów przy opracowaniu projektów standardowych.

Sygnał wyjściowy mi(t) modulatora 9 stanowi uzależnioną od czasu wielkość, która może być interpretowana podobnie, jak napięcie sterujące w tradycyjnej technice układowej. Ta funkcja m/t) może również, jak dotychczas, być realizowana jako część regulatora 12 dostarczająca wielkości uzależnionych od czasu. W takim przypadku trudno oddzielić regulator 12 i modulator 9.

Najważniejsza zmiana w stosunku do znanych rozwiązań dotyczy generatora impulsowego 8, do którego doprowadzana jest funkcja modulacyjna m,(t). Dla znanych generatorów impulsowych piłokształtne napięcie pomocnicze odcinane jest za pomocą sinusoidalnego napięcia sterującego, przy czym punkty przecięcia stanowią sygnały sterujące dla tyrystorów. W odróżnieniu od znanego urządzenia, w opisywanym generatorze impulsowym 8 podobną funkcję pełnią punkty przecięcia napięcia sterującego z wykresem napięć pomocniczych (fig. 8).

Dla specjalnych rodzajów sterowania można stosować specjalne funkcje modulacyjne m,(t). Przy wysterowywaniu przebiegiem prostokątnym o dowolnej szerokości impulsów ważna jest zależność:

n2 m,(t) = mO, + (2/m) · ^[[sin (n · mO, · m) · cos(n · =ω t - Φ,) ]^,))]/n, n = 1 przy czym n oznacza zmienną porządkową, a n2 - współczynnik dokładności.

Dla specjalnych przypadków sterowania przebiegiem prostokątnym, przy szerokości impulsów wynoszącej 180°, ważna jest zależności:

m,10 = mOi dla cos(k A - Φ,) > 0, w pozostałych przypadkach mi(t) = 0.

Dla sterowania przebiegiem trójkątnym ważna jest zależność: n2 m,(t) = mO, · {0,5 + (4/m²) · Sl [cos((2 · n - 1) · (ω · - - <ϊ>, - Ψ, ]/(2(2 · n - 2)²} n = 1

Dla sterowania przebiegiem trapezoidalnym ważna jest zależności: n2 m,(t) = 0,5 + (4 · mO,1(m · a)) n = isin222 n 1-11)- a2(2 ·π 11]²] · sin2(2 n n-lU = ω· - - Φ, - Ψ^/1)), n = 1 przy czym x oznacza połowę różnicy długości większej i mniejszej podstawy trapezu. Korzystne jest, jeżeli parametr dokładnościowy n2 zawiera się w granicach pomiędzy 20 i 100.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób sterowania elektrycznym zaworem przekształtnika zawierającego co najmniej jeden zawór lub łańcuch zaworów dla każdej fazy prądu przemiennego, w którym zawory lub łańcuchy zaworów każdej z faz prądu przemiennego steruje się przeciwnym przesunięciem fazowym, znamienny tym, że zawory steruje się zgodnie z funkcją komutacyjną KFy(t) opisaną równaniem:

n1

KFjt) = m,1() + (2/π) · 2, {sin (n · π -m,(t)) · cos(n -k (ω · t - (ε, + Φ, + Ψ;)))}n, n = i w którym t oznacza czas, m,(t) - funkcję modulacyjną, n - zmienną porządkową, przy czym 1 < n < n1, ni - parametr dokładności, i - zmienną porządkową charakteryzującą fazy prądu przemiennego, przy czym 1 < i < ΑΦ · AG, ΑΦ - liczbę łańcuchów zaworów z przesunięciem przebiegu podstawowego, AG - liczbę łańcuchów zaworów z tą samą fazą przebiegu podstawowego, j - zmienną porządkową określającą wzorzec impulsowy, przy czym 1ąj ą Αε, Αε - liczbę niezależnych łańcuchów z przesunięciem sekwencji impulsowej, k - krotność taktowania, co częstotliwość kątową napięcia przemiennego, Φ, - początkowy kąt fazowy, Ψ, - kąt fazowy korekcji regulatora, a e, - początkowy kąt fazowy sekwencji wzorcowej impulsów j-tego układu w łańcuchu zaworów.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się funkcję modulacyjną m,1t) w postaci:

m,(t) = (PZ-1) · {AC + mO, · cos (AC ·<ω -t - (Φ, + Ψ,)))}/(AC + 1), w której t oznacza czas, indeks i - zmienną porządkową faz prądu przemiennego, PZ liczbę sterowanych zaworów łańcucha, AC - parametr roboczy, którego wartość dla AC = 1 oznacza pracę z przetwarzaniem prąd przemienny/napięcie przemienne a dla AC = 0 oznacza pracę z przetwarzaniem prąd stały/napięcie stałe, mO, - zadany współczynnik głębokości modulacji, co - częstotliwość kątową napięcia przemiennego, Ψ, - zadany kąt fazowy, bądź kąt fazowy korekcji regulatora a Φ, - początkowy kąt fazowy dla i - tej fazy prądu przemiennego.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się funkcję modulacyjną m,(t) w postaci:

n2 m,(t) = mO, + (2/π) · £ [sin(n · mO, · π) · cos(n · (ω A - Φ, -Ψ,))]/π, n = 1 w której t oznacza czas, indeks i - zmienną porządkową faz prądu przemiennego, mOt współczynniki głębokości modulacji n2 - parametr dokładności, co - częstotliwość kątową napięcia przemiennego, Φ , - początkowy kąt fazowy, a Ψ, - kąt fazowy korekcji regulatora.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się funkcję modulacyjną m,1t) w postaci: mi(t) = mO, dla cos^ · t -Ψ,) > 0, w w pozostałych przypadkach m,(t) = 0, w której t oznacza czas, indeks i - zmienną porządkową faz prądu przemiennego, mO, - współczynniki głębokości modulacji, ω - częstotliwość kątową napięcia przemiennego, ψΨ, - kąt fazowy korekcji regulatora.
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się funkcję modulacyjną m/t) w postaci:

n2 m,(t) = mO, · {0,5 + (4/π²) · 2, [cos((2 · n - 1) ·(<» 0 -Φ, — ,))]/2 -n -1)²}, n = 1 w której t oznacza czas, indeks i - zmienną porządkową faz prądu przemiennego, mO, współczynniki głębokości modulacji, n2 - parametr dokładności, co - częstotliwość kątową napięcia przemiennego, Φ, - początkowy kąt fazowy, a Ψ, - kąt fazowy korekcji regulatora.

168 286
6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się funkcję modulacyjną m,(t) dla modulacji trapezowej, w postaci:

ni m(t) = 0,5 + (4 · mO,/(K · a)) · [sin(2 ·η - 1)) · a/(2 · n-1)²] · sin ((2 ·η · -1) (co · t- Φ, -Ψ,)), n = 1 w której t oznacza czas, indeks i - zmienną porządkową faz prądu przemiennego, mOx współczynniki głębokości modulacji, n2 - parametr dokładności, co - częstotliwość kątową napięcia przemiennego, Φ, - początkowy kąt fazowy, Ψ, - kąt fazowy korekcji regulatora, a a połowę różnicy większej i mniejszej podstawy trapezu.
7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że funkcję komutacyjną KF_tJ(t) przekształtnika o wielu łańcuchach zaworów tworzy się w generatorze impulsowym, oddzielnie dla każdego łańcucha, a parametry funkcji komutacyjnej KF,j(t) inicjuje się z nastawnika.
8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że funkcję modulacyjną m,(t) przekształtnika o wielu łańcuchach zaworów tworzy się oddzielnie dla każdego łańcucha w modulatorze, a parametry funkcji modulacyjnej m,(t) inicjuje się z nastawnika.
9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że na podstawie funkcji komutacyjnej KFj(t) tworzy się sygnały sterujące zaworów zgodnie z wzorem:

LTOnij = H(KFij(t) - LUO - n +1), 1 < n < N dla zaworów znajdujących się pomiędzy zaciskiem zerowym i górną szyną prądową, poczynając od tego zacisku zerowego, oraz zgodnie z wzorem:

LTUnij = H(-KFij(t) - LUO - n + 1) 1 < n < M dla zaworów znajdujących się pomiędzy zaciskiem zerowym i dolną szyną prądową, poczynając od tego zacisku zerowego, przy czym i oznacza zmienną porządkową faz prądu przemiennego, j - zmienną porządkową ciągu impulsów wzorcowych, H(x) - funkcję Heaviside'a, natomiast LUO = 0,5 + ent(PZ - 2)/2) oznacza potencjał odniesienia zacisku zerowego a PZ = N + M liczbę sterowanych zaworów łańcucha.
10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przynajmniej jeden modulator i/lub przynajmniej jeden generator impulsowy steruje się przynajmniej jednym sygnałem wyjściowym z regulatora.
11. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zapamiętane i/lub wytwarzane w nastawniku parametry sterowania podaje się periodycznie do przynajmniej jednego modulatora i do przynajmniej jednego generatora impulsowego.
12. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że oblicza się wzajemne przesunięcia fazowe faz prądu przemiennego względnie sygnału kąta początkowego, zgodnie z poniższymi równaniami, przy założeniu wartości początkowych kąta xo i różnicy kąta ΔΦ = 2 · m/ΆΦ:

O, = Φο + ΔΦ . (i-1), Φ,’ · DS = Φ, + π, gdzie 1 < n < ΑΦ, a ΑΦ - Hzzba łańcucóów aaworów z preesnnięciem preebiegu podstawowego, zaś wartości początkowe kąta fazowego wzorcowej sekwencji impulsów oblicza się z następujących równań:

Ej = £o + Δε · (j -1), ε, · DS = e, + (PZ -2) · m/k + (1 - AC · m/k gdzie

1 < n < Ae, a Αε jest liczbą niezależnych łańcuchów z przesunięcia sekwencją impulsów wzorcowych,

Δε e 2· m/((DS +1) · k · Ae), natomiast eo = π/kk -(DS + 1) ) dla (k + PZ - l)/(4 - 2 · DS) - ent {(k + PZ -1),/(4 - 2 ^DS)} = 0, w pozostałych przypadkach Eo = 0, przy czym ent(x) oznacza największą liczbę całkowitą nie większą od x, DS dla dwustronnego zasilania wynosi 1, w pozostałych przypadkach DS wynosi 0, a PZ oznacza liczbę sterowanych zaworów każdego z łańcuchów.

168 286
13. Sposób wedhig zastrz. 1, znamienny tym, żewartość początkową kąta fazowego wzorcowej eokwoncji impulsów ueOglg eię ng ooro, ogś licobę eOorowgnych ogwordw łańcucha ogworda krookeoOgłOnikg ueOglg eię ng jodon.