RU2734554C1 - Device for control of three-phase three-level active voltage rectifiers - Google Patents
Device for control of three-phase three-level active voltage rectifiers Download PDFInfo
- Publication number
- RU2734554C1 RU2734554C1 RU2020120344A RU2020120344A RU2734554C1 RU 2734554 C1 RU2734554 C1 RU 2734554C1 RU 2020120344 A RU2020120344 A RU 2020120344A RU 2020120344 A RU2020120344 A RU 2020120344A RU 2734554 C1 RU2734554 C1 RU 2734554C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- voltage
- block
- output
- phase
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- 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
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Rectifiers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использовано для управления трехфазными трехуровневыми активными выпрямителями напряжения высоковольтного преобразователя частоты, как при номинальном напряжении сети, так и при кратковременном несимметричном провале напряжения сети.The invention relates to the field of power converting equipment and can be used to control three-phase three-level active voltage rectifiers of a high-voltage frequency converter, both at the nominal mains voltage and with a short-term asymmetrical mains voltage dip.
Известен высоковольтный преобразователь частоты большой мощности с активными выпрямителями, содержащий первый и второй фазосдвигающие трансформаторы соответственно на 0 и +30 градусов, первичная обмотка первого фазосдвигающего трансформатора имеет шесть выводов и соединена последовательно с первичной обмоткой второго фазосдвигающего трансформатора, которая соединена в звезду, при этом начало первичной обмотки первого фазосдвигающего трансформатора подключено к источнику питания, вторичные обмотки указанных трансформаторов соединены в звезду и треугольник и подключены соответственно к первому и второму преобразователям частоты, каждый из которых состоит из трехуровневого активного выпрямителя, трехуровневого инвертора напряжения и дросселя, при этом одноименные выходные зажимы фаз преобразователей частоты соединены между собой и подключены к двигателю переменного тока, а входы общего для обоих преобразователей частоты звена постоянного тока с нулевой точкой подключены к выходам обоих активных выпрямителей, выходы указанного звена подключены к входам обоих инверторов напряжения, блок задания напряжения звена постоянного тока, блок задания реактивной мощности и систему управления, включающая датчик напряжения и датчик тока источника питания, датчик напряжения звена постоянного тока, датчик несимметрии напряжения источника питания, блок коррекции фазных напряжений активных выпрямителей и блок управления, при этом первый и второй входы блока управления соединены соответственно с блоком задания напряжения звена постоянного тока и блоком задания реактивной мощности, третий вход блока управления соединен с выходом датчика напряжения источника питания, вход указанного датчика подключён к источнику питания, четвертый вход блока управления соединен с выходом датчика тока источника питания, вход которого подключён в точку соединения первичных обмоток первого и второго фазосдвигающих трансформаторов, пятый вход блока управления соединен с выходом датчика напряжения звена постоянного тока, входы которого соединены с выходами звена постоянного тока с нулевой точкой, а выход блока управления подключен к первому входу блока коррекции фазных напряжений активных выпрямителей, первый и второй выходы которого подключены к входам управления трехуровневых активных выпрямителей соответственно первого и второго преобразователей частоты, при этом второй вход блока коррекции фазных напряжений активных выпрямителей через датчик несимметрии напряжения источника питания подключен к последнему (см. патент РФ №157682, Н02M 5/458).Known high-voltage high-power frequency converter with active rectifiers, containing the first and second phase-shifting transformers, respectively at 0 and +30 degrees, the primary winding of the first phase-shifting transformer has six terminals and is connected in series with the primary winding of the second phase-shifting transformer, which is connected to a star, while the beginning the primary winding of the first phase-shifting transformer is connected to a power source, the secondary windings of these transformers are connected in a star and a delta and connected, respectively, to the first and second frequency converters, each of which consists of a three-level active rectifier, a three-level voltage inverter and a choke, with the same output phase terminals frequency converters are interconnected and connected to the AC motor, and the inputs of the DC link common for both frequency converters with a zero point are connected to the outputs of both ac rectifiers, the outputs of the specified link are connected to the inputs of both voltage inverters, a DC link voltage setting unit, a reactive power setting unit and a control system including a voltage sensor and a power supply current sensor, a DC link voltage sensor, a power supply voltage unbalance sensor, a unit correction of phase voltages of active rectifiers and the control unit, while the first and second inputs of the control unit are connected, respectively, to the DC link voltage setting unit and the reactive power setting unit, the third input of the control unit is connected to the output of the power supply voltage sensor, the input of the specified sensor is connected to the source power supply, the fourth input of the control unit is connected to the output of the current sensor of the power supply, the input of which is connected to the junction point of the primary windings of the first and second phase-shifting transformers, the fifth input of the control unit is connected to the output of the constant voltage sensor current, the inputs of which are connected to the outputs of the DC link with a zero point, and the output of the control unit is connected to the first input of the phase voltage correction unit of active rectifiers, the first and second outputs of which are connected to the control inputs of three-level active rectifiers, respectively, of the first and second frequency converters, when In this case, the second input of the phase voltage correction unit of active rectifiers is connected to the latter through the power supply voltage unbalance sensor (see. RF patent No. 157682,
Отметим особенность работы активного выпрямителя напряжения при кратковременном несимметричном провале напряжения сети. Из курса теоретических основ электротехники известно, что при несимметричных провалах напряжения трехфазные источники питания, кроме напряжения прямой последовательности содержат также напряжение обратной последовательности. Если при этом со стороны трехфазного активного выпрямителя отсутствует подобное напряжение обратной последовательности, то это приведет к увеличению отдельных его фазных токов в два раза и более. Это обусловлено тем, что значения указанных токов ограничиваются только реактивными сопротивлениями реакторов или реактивными сопротивлениями рассеяния трансформаторов, которые установлены на входе активного выпрямителя. Let us note the peculiarity of the operation of an active voltage rectifier with a short-term asymmetrical voltage drop in the network. From the course of the theoretical foundations of electrical engineering, it is known that with asymmetric voltage dips, three-phase power supplies, in addition to the positive sequence voltage, also contain a negative sequence voltage. If, at the same time, there is no such negative sequence voltage from the side of the three-phase active rectifier, then this will lead to an increase in its individual phase currents twice or more. This is due to the fact that the values of these currents are limited only by the reactance of the reactors or the leakage reactance of the transformers, which are installed at the input of the active rectifier.
Таким образом, при кратковременных несимметричных провалах напряжения сети для повышения надежности работы преобразователей частоты с активными выпрямителями напряжения необходимо создать эффективную систему управления выпрямителями. Указанная система управления при появлении несимметрии должна сформировать на входе активного выпрямителя напряжение как прямой, так и обратной последовательности. Последнее ослабит действие напряжения обратной последовательности трехфазного источника питания, что ограничит значительное увеличение отдельных его фазных токов.Thus, in case of short-term asymmetrical mains voltage dips, in order to increase the reliability of the operation of frequency converters with active voltage rectifiers, it is necessary to create an effective rectifier control system. The specified control system, when unbalance appears, must form a voltage of both direct and negative sequence at the input of the active rectifier. The latter will weaken the effect of the negative sequence voltage of the three-phase power supply, which will limit a significant increase in its individual phase currents.
В известном устройстве система управления использует метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с удалением восьми выделенных гармоник напряжения и девятью переключениями ключей активного выпрямителя за четверть периода сетевого напряжения. Из литературных источников известно, что указанный метод модуляции получил широкое применение в системах управления мощных электроприводов прокатных станов (Храмшин Т.Р., Крубцов Д.С., Корнилов Г.П. Методы широтно-импульсной модуляции мощных активных выпрямителей при несимметрии напряжения. Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. 2014. Том 2, №4. С. 7 - 13). In the known device, the control system uses the method of pulse-width modulation (PWM) with the removal of eight isolated voltage harmonics and nine switchings of the active rectifier keys for a quarter of the period of the mains voltage. From literary sources it is known that the specified modulation method is widely used in control systems of powerful electric drives of rolling mills (Khramshin TR, Krubtsov DS, Kornilov GP Methods of pulse-width modulation of powerful active rectifiers with voltage asymmetry. : online electronic scientific journal. 2014.
Отметим отличительную особенность метода ШИМ с удалением выделенных гармоник в известном устройстве. Во-первых, указанный метод позволяет исключить из канонического ряда двенадцатипульсной схемы выпрямления восемь гармоник напряжений - 11, 13, 23, 25, 35, 37, 47, 49 для симметричного режима работы источника питания или восемь гармоник – 3, 5, 7, 9,11, 13, 15, 17 для несимметричного режима работы источника питания. Это обеспечивает для указанных режимов работы соответственно хорошую и удовлетворительную электромагнитную совместимость активного выпрямителя с питающей сетью. Во-вторых, метод ШИМ с удалением выделенных гармоник позволяет снизить частоту переключения ключей активного выпрямителя напряжения, что снижает тепловые потери в указанных ключах и в фазосдвигающих трансформаторах, а значит, повышает коэффициент полезного действия устройства. Таким образом, низкая частота коммутаций силовых ключей обеспечивает приемлемый гармонический состав токов трансформаторов и напряжения в точке общего подключения.Let us note a distinctive feature of the PWM method with the removal of selected harmonics in the known device. First, this method makes it possible to exclude from the canonical series of a twelve-pulse rectification circuit eight harmonics of voltages - 11, 13, 23, 25, 35, 37, 47, 49 for a symmetrical mode of operation of the power supply, or eight harmonics - 3, 5, 7, 9 , 11, 13, 15, 17 for unbalanced operation of the power supply. This ensures, for the indicated operating modes, a correspondingly good and satisfactory electromagnetic compatibility of the active rectifier with the mains supply. Secondly, the PWM method with the removal of the allocated harmonics makes it possible to reduce the switching frequency of the switches of the active voltage rectifier, which reduces heat losses in these switches and in phase-shifting transformers, which means that it increases the efficiency of the device. Thus, the low switching frequency of the power switches provides an acceptable harmonic composition of the transformer currents and voltage at the point of common connection.
Отметим, что метод ШИМ с удалением выделенных гармоник предусматривает выполнение предварительных расчетов, целью которых является создание базы данных – зависимости углов переключений от коэффициента модуляции (Храмшин Т.Р., Крубцов Д.С., Корнилов Г.П. Оценка методов широтно-импульсной модуляции напряжения активных выпрямителей прокатных станов. Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. 2013. №2. С. 48 - 52). Для известного устройства рассчитаны зависимости девяти углов переключения от коэффициента модуляции. Для расчета указанных углов в данном методе ШИМ задается целевая функция, в которой учитываются два условия: поддержание первой гармоники на уровне, задаваемом коэффициентом модуляции; уменьшение уровня высших гармоник в токе до желаемого значения. В известном устройстве в блоке коррекции фазных напряжений хранится база данных для девяти углов переключения в зависимости от значения коэффициента модуляции для симметричного и несимметричного режимов работы источника питания. Отметим, что при несимметричном режиме работы источника питания в течение периода сетевого напряжения значение коэффициента модуляции и значения углов переключений меняются.Note that the PWM method with the removal of the selected harmonics provides for preliminary calculations, the purpose of which is to create a database - the dependence of the switching angles on the modulation coefficient (Khramshin T.R., Krubtsov D.S., Kornilov G.P. Evaluation of pulse-width voltage modulation of active rectifiers of rolling mills. Mechanical engineering: network electronic scientific journal. 2013. No. 2. P. 48 - 52). For the known device, the dependences of nine switching angles on the modulation coefficient are calculated. To calculate the indicated angles in this PWM method, an objective function is set, which takes into account two conditions: maintaining the first harmonic at the level specified by the modulation coefficient; reducing the level of higher harmonics in the current to the desired value. In the known device, the phase voltage correction unit stores a database for nine switching angles depending on the value of the modulation factor for symmetrical and unbalanced operating modes of the power supply. Note that in the asymmetrical mode of operation of the power supply during the period of the mains voltage, the value of the modulation coefficient and the values of the switching angles change.
Недостатком известного устройства является низкая надежность, так как в начальный момент появления несимметрии наблюдается бросок одного из фазных токов активного выпрямителя, который может превысить номинальный ток в 2 раза и более, что приводит к срабатыванию токовой защиты устройства и его отключению. Кроме того, значительное увеличение тока активного выпрямителя вызывает увеличение размаха колебания напряжения на конденсаторах звена постоянного тока выше предельно-допустимого значения, что также приводит к срабатыванию защиты известного устройства по выпрямленному напряжению и его отключению.The disadvantage of the known device is its low reliability, since at the initial moment of the appearance of asymmetry, a surge of one of the phase currents of the active rectifier is observed, which can exceed the rated current by 2 times or more, which leads to the operation of the current protection of the device and its shutdown. In addition, a significant increase in the active rectifier current causes an increase in the voltage swing across the DC link capacitors above the maximum permissible value, which also leads to the operation of the protection of the known device for rectified voltage and its shutdown.
Поясним, почему происходит бросок одного из фазных токов активного выпрямителя. В известном устройстве установлен датчик несимметрии напряжения источника питания, который переключает режим работы системы управления с «симметричного» режима управления на «несимметричный» режим управления. Принцип работы указанного датчика основан на обнаружении напряжения прямой и обратной последовательности в составе сетевого напряжения. Если датчик несимметрии не обнаружил напряжения обратной последовательности, то система управления сохраняет «симметричный» режим управления. Если же датчик несимметрии обнаружил напряжения обратной последовательности в составе сетевого напряжения, то система управления переключается на «несимметричный» режим управления. Let us explain why there is a surge of one of the phase currents of the active rectifier. In the known device, a power supply voltage unbalance sensor is installed, which switches the operating mode of the control system from the "symmetric" control mode to the "asymmetric" control mode. The principle of operation of this sensor is based on the detection of positive and negative sequence voltages in the mains voltage. If the unbalance sensor has not detected a negative sequence voltage, the control system maintains the "symmetrical" control mode. If the unbalance sensor detects negative sequence voltages as part of the mains voltage, the control system switches to "asymmetrical" control mode.
Процесс разложения сетевого напряжения на прямую и обратную последовательности приводит к временной задержке формирования сигнала управления ключами активного выпрямителя. Это время может достигать полпериода или, в лучшем случае, четверть периода сетевого напряжения. Указанная задержка оказывает ощутимое влияние при появлении несимметрии, так как это приводит к задержке переключения режима управления активным выпрямителем с «симметричного» режим на «несимметричный» режим. При этом в фазе с наибольшей разницей между напряжением источника питания и первой гармоникой напряжения активного выпрямителя наблюдается бросок тока, который существенно превышает номинальный ток, что снижает надежность работы известного устройства. The process of decomposition of the mains voltage into direct and reverse sequences leads to a time delay in the formation of the control signal for the keys of the active rectifier. This time can be up to half a period or, at best, a quarter of the mains voltage period. The specified delay has a tangible effect when unbalance occurs, since it leads to a delay in switching the active rectifier control mode from "balanced" mode to "unbalanced" mode. In this case, in the phase with the greatest difference between the voltage of the power source and the first harmonic of the voltage of the active rectifier, a current surge is observed that significantly exceeds the rated current, which reduces the reliability of the known device.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является устройство управления трехфазными трехуровневыми активными выпрямителями напряжения, содержащее высоковольтный преобразователь частоты, вход которого через трехфазный датчик тока подключен к трехфазному источнику питания, выход указанного преобразователя частоты, который содержит два активных выпрямителя напряжения, общее звено постоянного тока и два инвертора напряжения, подключен к двигателю переменного тока, измерительные выходы датчика тока подключены к первому входу системы управления активными выпрямителями, ко второму входу системы управления подключены информационные выходы датчика трехфазного напряжения, входы которого подключены к точке соединения выхода трехфазного датчика тока и входа высоковольтного преобразователя частоты, к третьему входу системы управления подключен выход датчика напряжения звена постоянного тока, входы которого подключены к информационному выходу высоковольтного преобразователя частоты, к четвертому входу системы управления подключен задатчик напряжения на конденсаторах звена постоянного тока преобразователя частоты, к пятому входу системы управления подключен задатчик реактивной составляющей сетевого тока, управляющий выход системы управления по шине управления через блок широтно-импульсных модуляторов подключен к управляющему входу высоковольтного преобразователя частоты, при этом система управления активными выпрямителями напряжения содержит первый блок преобразования координат, блок фазовой автоподстройки частоты, блок пропорционально-интегральных регуляторов тока, блок пропорционально-интегрального регулятора выпрямленного напряжения, первый блок вычитания, второй блок преобразования координат, первый и второй сумматоры, третий блок преобразования координат, первый, второй и третий входы первого блока преобразования координат подключены к первому входу системы управления, четвертый вход указанного блока подключен к первому выходу блока фазовой автоподстройки частоты, первый и второй выходы первого блока преобразования координат подключены соответственно к первому и второму входам блока пропорционально-интегральных регуляторов тока, к третьему входу блока регуляторов тока подключен второй выход блока фазовой автоподстройки частоты, первый, второй и третий входы которого подключены ко второму входу системы управления, четвертый вход блока пропорционально-интегральных регуляторов тока подключен к пятому входу системы управления, пятый вход блока регуляторов тока подключен к выходу блока пропорционально-интегрального регулятора выпрямленного напряжения, вход которого подключен к выходу первого блока вычитания, первый и второй входы которого подключены соответственно к четвертому и третьему входам системы управления, первый и второй выходы блока пропорционально-интегральных регуляторов тока подключены соответственно к первому и второму входам второго блока преобразования координат, третий вход которого подключен к первому выходу блока фазовой автоподстройки частоты, первый и второй выходы второго блока преобразования координат подключены соответственно к первому входу первого и к первому входу второго сумматоров, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам третьего блока преобразования координат, третий вход которого подключен к первому выходу блока фазовой автоподстройки частоты, выходы третьего блока преобразования координат по шине управления подключены к управляющему выходу системы управления (см. патент РФ №161102, Н02M 7/00).The closest analogue to the claimed invention is a control device for three-phase three-level active voltage rectifiers containing a high-voltage frequency converter, the input of which is connected to a three-phase power supply through a three-phase current sensor, the output of the specified frequency converter, which contains two active voltage rectifiers, a common DC link and two voltage inverter connected to the AC motor, the measuring outputs of the current sensor are connected to the first input of the active rectifier control system, the information outputs of the three-phase voltage sensor are connected to the second input of the control system, the inputs of which are connected to the junction point of the output of the three-phase current sensor and the input of the high-voltage frequency converter, the output of the DC link voltage sensor is connected to the third input of the control system, the inputs of which are connected to the information output of the high-voltage frequency converter, to The voltage regulator on the DC link capacitors of the frequency converter is connected to the fifth input of the control system, the regulator of the reactive component of the mains current is connected to the fifth input of the control system, the control output of the control system via the control bus is connected to the control input of the high-voltage frequency converter through the block of pulse-width modulators, while the control system for active voltage rectifiers contains the first coordinate transformation unit, a phase-locked loop, a proportional-integral current regulator, a proportional-integral rectified voltage regulator, a first subtraction unit, a second coordinate transformation unit, first and second adders, a third coordinate transformation unit, the first, second and third inputs of the first coordinate transformation block are connected to the first input of the control system, the fourth input of the said block is connected to the first output of the phase-locked loop, the first and second outputs of the first coordinate transformation unit are connected, respectively, to the first and second inputs of the proportional-integral current regulators, the second output of the phase-locked loop is connected to the third input of the current control unit, the first, second and third inputs of which are connected to the second input of the control system, the fourth input of the block of proportional-integral current regulators is connected to the fifth input of the control system, the fifth input of the block of current regulators is connected to the output of the block of proportional-integral regulator of rectified voltage, the input of which is connected to the output of the first subtraction block, the first and second inputs of which are connected respectively to the fourth and the third inputs of the control system, the first and second outputs of the block of proportional-integral current controllers are connected respectively to the first and second inputs of the second coordinate transformation block, the third input of which is connected to the first output of the phase-locked loop frequency, the first and second outputs of the second coordinate transformation unit are connected respectively to the first input of the first and to the first input of the second adders, the outputs of which are connected respectively to the first and second inputs of the third coordinate transformation unit, the third input of which is connected to the first output of the phase-locked loop, the outputs of the third coordinate transformation unit via the control bus are connected to the control output of the control system (see. RF patent No. 161102,
Недостатком известного устройства, которое принято за прототип, является низкая надежность, так как в начальный момент появления несимметрии наблюдается бросок одного из фазных токов трехфазного трехуровневого активного выпрямителя, который может превысить номинальный ток в 2 раза и более, что приводит к срабатыванию токовой защиты устройства и его отключению. Кроме того, в установившемся режиме может иметь место несимметрия фазных токов активного выпрямителя, а также увеличение размаха колебания напряжения на конденсаторах звена постоянного тока выше предельно-допустимого значения, что также приводит к срабатыванию защиты известного устройства по выпрямленному напряжению и его отключению.The disadvantage of the known device, which is taken as a prototype, is low reliability, since at the initial moment of the appearance of asymmetry, a surge of one of the phase currents of a three-phase three-level active rectifier is observed, which can exceed the rated current by 2 times or more, which leads to the operation of the current protection of the device and turning it off. In addition, in the steady state, there may be an asymmetry of the phase currents of the active rectifier, as well as an increase in the swing of the voltage fluctuation on the DC link capacitors above the maximum permissible value, which also leads to the operation of the protection of the known device for the rectified voltage and its disconnection.
Бросок тока и несимметрия фазных токов активного выпрямителя обусловлены тем, что в комбинированном способе регулирования (по отклонению и по возмущению) известной системы управления используется регулирование по напряжению обратной последовательности сетевого напряжения (канал регулирования по возмущению). Недостатком указанного канала регулирования является то, что формирование сигнала напряжения обратной последовательности осуществляется с временной задержкой на полпериода, или в лучшем случае, на четверть периода относительно сетевого напряжения. Указанная временная задержка приводит к тому, что сигналы управления силовыми ключами активного выпрямителя формируют входные фазные напряжения выпрямителя, содержащие напряжение обратной последовательности, которое также имеет временную задержку на полпериода, или в лучшем случае, на четверть периода относительно напряжения обратной последовательности сетевого напряжения. Таким образом, сформированное с задержкой напряжение обратной последовательности активным выпрямителем не обеспечивает эффективного подавления напряжения обратной последовательности сетевого напряжения. При этом, как ранее отмечалось, в начальный момент появления несимметрии наблюдается бросок одного из фазных токов активного выпрямителя, а в установившемся режиме может иметь место несимметрия фазных токов активного выпрямителя, а также колебание напряжения в звене постоянного тока, что приводит к отключению выпрямителя. Все вышеизложенное снижает надежность работы выпрямителя.The inrush current and the asymmetry of the phase currents of the active rectifier are due to the fact that in the combined control method (by deviation and by perturbation) of the known control system, voltage control of the negative sequence of the mains voltage (perturbation control channel) is used. The disadvantage of this control channel is that the formation of the negative sequence voltage signal is carried out with a time delay of half a period, or at best, a quarter of a period relative to the mains voltage. The specified time delay leads to the fact that the control signals of the power switches of the active rectifier form the input phase voltages of the rectifier containing the negative sequence voltage, which also has a time delay of half a period, or at best, a quarter of a period relative to the negative sequence voltage of the mains voltage. Thus, the delayed negative sequence voltage of the active rectifier does not effectively suppress the negative sequence voltage of the mains voltage. In this case, as previously noted, at the initial moment of the appearance of asymmetry, a surge of one of the phase currents of the active rectifier is observed, and in the steady state, there may be an asymmetry of the phase currents of the active rectifier, as well as voltage fluctuations in the DC link, which leads to the shutdown of the rectifier. All of the above reduces the reliability of the rectifier.
Техническая проблема, решаемая заявляемым устройством управления, заключается в повышении надежности работы трехфазного трехуровневого активного выпрямителя напряжения и повышении его коэффициента полезного действия при кратковременном несимметричном провале напряжения трехфазного источника питания.The technical problem solved by the inventive control device is to increase the reliability of the three-phase three-level active voltage rectifier and increase its efficiency in the event of a short-term asymmetrical voltage dip of the three-phase power supply.
Технический результат, создаваемый изобретением, заключается в создании усовершенствованной системы управления, которая ограничивает увеличения фазных токов трехфазного трехуровневого активного выпрямителя при кратковременном несимметричном провале напряжения трехфазного источника питания, снижает количество ложных срабатываний ключей активного выпрямителя, благодаря введению фильтров нижних частот в систему управления, а также ограничивает размах колебания напряжения на конденсаторах звена постоянного тока активного выпрямителя в пределах допустимых значений.The technical result created by the invention consists in creating an improved control system that limits the increase in phase currents of a three-phase three-level active rectifier with a short-term asymmetrical voltage drop of a three-phase power supply, reduces the number of false alarms of the active rectifier keys, due to the introduction of low-pass filters into the control system, and limits the range of voltage fluctuations on the DC link capacitors of the active rectifier within the permissible values.
Поставленная задача решается тем, что устройство управления трехфазными трехуровневыми активными выпрямителями напряжения, содержащее высоковольтный преобразователь частоты, вход которого через трехфазный датчик тока подключен к трехфазному источнику питания, выход указанного преобразователя частоты, который содержит два активных выпрямителя напряжения, общее звено постоянного тока и два инвертора напряжения подключен к двигателю переменного тока, измерительные выходы датчика тока подключены к первому входу системы управления активными выпрямителями, ко второму входу системы управления подключены информационные выходы датчика трехфазного напряжения, входы которого подключены к точке соединения выхода трехфазного датчика тока и входа высоковольтного преобразователя частоты, к третьему входу системы управления подключен выход датчика напряжения звена постоянного тока, входы которого подключены к информационному выходу высоковольтного преобразователя частоты, к четвертому входу системы управления подключен задатчик напряжения на конденсаторах звена постоянного тока преобразователя частоты, к пятому входу системы управления подключен задатчик реактивной составляющей сетевого тока, управляющий выход системы управления по шине управления через блок широтно-импульсных модуляторов подключен к управляющему входу высоковольтного преобразователя частоты, при этом система управления активными выпрямителями напряжения содержит первый блок преобразования координат, блок фазовой автоподстройки частоты, блок пропорционально-интегральных регуляторов тока, блок пропорционально-интегрального регулятора выпрямленного напряжения, первый блок вычитания, второй блок преобразования координат, первый и второй сумматоры, третий блок преобразования координат, первый, второй и третий входы первого блока преобразования координат подключены к первому входу системы управления, четвертый вход указанного блока подключен к первому выходу блока фазовой автоподстройки частоты, первый и второй выходы первого блока преобразования координат подключены соответственно к первому и второму входам блока пропорционально-интегральных регуляторов тока, к третьему входу блока регуляторов тока подключен второй выход блока фазовой автоподстройки частоты, первый, второй и третий входы которого подключены ко второму входу системы управления, четвертый вход блока пропорционально-интегральных регуляторов тока подключен к пятому входу системы управления, пятый вход блока регуляторов тока подключен к выходу блока пропорционально-интегрального регулятора выпрямленного напряжения, вход которого подключен к выходу первого блока вычитания, первый и второй входы которого подключены соответственно к четвертому и третьему входам системы управления, первый и второй выходы блока пропорционально-интегральных регуляторов тока подключены соответственно к первому и второму входам второго блока преобразования координат, третий вход которого подключен к первому выходу блока фазовой автоподстройки частоты, первый и второй выходы второго блока преобразования координат подключены соответственно к первому входу первого и к первому входу второго сумматоров, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам третьего блока преобразования координат, третий вход которого подключен к первому выходу блока фазовой автоподстройки частоты, выходы третьего блока преобразования координат по шине управления подключены к управляющему выходы системы управления, согласно изобретению, устройство управления, дополнительно снабжено четвертым блоком преобразования координат, первым и вторым фильтрами нижних частот, пятым блоком преобразования координат, блоком инвертирования, кроме того блок пропорционально-интегральных регуляторов тока включает в себя первый и второй блоки пропорционально-интегральных регуляторов тока, второй, третий и четвертый блоки вычитания, третий блок суммирования, первый и второй блоки компенсации перекрестных связей, первый, второй и третий входы четвертого блока преобразования координат подключены ко второму входу системы управления, четвертый вход четвертого блока подключен к выходу блока инвертирования, вход которого подключен к первому выходу блока фазовой автоподстройки частоты, первый и второй выходы четвертого блока преобразования координат соответственно через первый и второй фильтры нижних частот подключены к первому и второму входам пятого блока преобразования координат, третий вход пятого блока подключен к выходу блока инвертирования, первый и второй выхода пятого блока преобразования координат подключены соответственно ко второму входу первого и ко второму входу второго сумматоров, первый и второй входы второго блока вычитания подключены соответственно к пятому и к первому входам блока пропорционально-интегральных регуляторов тока, выход второго блока вычитания подключен к входу первого блока пропорционально-интегральных регуляторов тока, выход которого подключен к первому входу третьего блока суммирования, первый и второй входы третьего блока вычитания подключены соответственно к четвертому и ко второму входам блока пропорционально-интегральных регуляторов тока, выход третьего блока вычитания подключен к входу второго блока пропорционально-интегральных регуляторов тока, выход которого подключен к первому входу четвертого блока вычитания, первый вход первого и первый вход второго блоков компенсации перекрестных связей подключены соответственно к первому и второму входам блока пропорционально-интегральных регуляторов тока, вторые входы блоков компенсации подключены к третьему входу блока пропорционально-интегральных регуляторов тока, выход первого блока компенсации перекрестных связей подключен ко второму входу четвертого блока вычитания, выход которого подключен ко второму выходу блока пропорционально-интегральных регуляторов тока, выход второго блока компенсации перекрестных связей подключен ко второму входу третьего блока суммирования, выход которого подключен к первому выходу блока пропорционально-интегральных регуляторов тока.The problem is solved by the fact that the control device for three-phase three-level active voltage rectifiers containing a high-voltage frequency converter, the input of which is connected to a three-phase power supply through a three-phase current sensor, the output of the specified frequency converter, which contains two active voltage rectifiers, a common DC link and two inverters voltage is connected to the AC motor, the measuring outputs of the current sensor are connected to the first input of the active rectifier control system, the information outputs of the three-phase voltage sensor are connected to the second input of the control system, the inputs of which are connected to the junction point of the output of the three-phase current sensor and the input of the high-voltage frequency converter, to the third the input of the control system is connected to the output of the DC link voltage sensor, the inputs of which are connected to the information output of the high-voltage frequency converter, to the fourth input of the control system the voltage regulator on the DC link capacitors of the frequency converter is connected, the reactive component of the mains current is connected to the fifth input of the control system, the control output of the control system via the control bus is connected to the control input of the high-voltage frequency converter through the block of pulse-width modulators, while the control system is active voltage rectifiers contains a first coordinate transformation unit, a phase-locked loop, a block of proportional-integral current regulators, a proportional-integral regulator of a rectified voltage, a first subtraction unit, a second coordinate transformation unit, first and second adders, a third coordinate transformation unit, the first, second and the third inputs of the first coordinate transformation unit are connected to the first input of the control system, the fourth input of this unit is connected to the first output of the phase-locked loop, the first and second outputs are The first coordinate transformation unit is connected to the first and second inputs of the proportional-integral current controllers, respectively, the second output of the phase-locked loop is connected to the third input of the current control unit, the first, second and third inputs of which are connected to the second input of the control system, the fourth input of the unit is proportional to - integral current regulators is connected to the fifth input of the control system, the fifth input of the current regulator unit is connected to the output of the proportional-integral regulator of rectified voltage, the input of which is connected to the output of the first subtraction unit, the first and second inputs of which are connected respectively to the fourth and third inputs of the control system , the first and second outputs of the block of proportional-integral current controllers are connected respectively to the first and second inputs of the second coordinate transformation block, the third input of which is connected to the first output of the phase-locked loop, the first and the second outputs of the second coordinate transformation block are connected respectively to the first input of the first and to the first input of the second adders, the outputs of which are connected respectively to the first and second inputs of the third coordinate transformation block, the third input of which is connected to the first output of the phase-locked loop, the outputs of the third coordinate transformation block via the control bus are connected to the control system outputs of the control system, according to the invention, the control device is additionally equipped with a fourth coordinate transformation unit, first and second low-pass filters, a fifth coordinate transformation unit, an inverting unit, in addition, the unit of proportional-integral current regulators includes the first and the second blocks of proportional-integral current regulators, the second, third and fourth subtraction blocks, the third summation block, the first and second blocks of cross-link compensation, the first, second and third inputs of the fourth conversion block i coordinates are connected to the second input of the control system, the fourth input of the fourth block is connected to the output of the inverting unit, the input of which is connected to the first output of the phase-locked loop, the first and second outputs of the fourth coordinate transformation unit, respectively, through the first and second low-pass filters are connected to the first and the second inputs of the fifth coordinate transformation unit, the third input of the fifth unit is connected to the output of the inverting unit, the first and second outputs of the fifth coordinate transformation unit are connected respectively to the second input of the first and to the second input of the second adders, the first and second inputs of the second subtraction unit are connected to the fifth and to the first inputs of the block of proportional-integral current controllers, the output of the second block of subtraction is connected to the input of the first block of proportional-integral current controllers, the output of which is connected to the first input of the third block of summation, the first and second inputs of the third block are connected to Subtractions are connected respectively to the fourth and second inputs of the block of proportional-integral current controllers, the output of the third block of subtraction is connected to the input of the second block of proportional-integral current regulators, the output of which is connected to the first input of the fourth block of subtraction, the first input of the first and first input of the second blocks of compensation cross-links are connected respectively to the first and second inputs of the block of proportional-integral current regulators, the second inputs of the compensation blocks are connected to the third input of the block of proportional-integral current regulators, the output of the first block of cross-link compensation is connected to the second input of the fourth subtraction block, the output of which is connected to the second the output of the block of proportional-integral current regulators, the output of the second block of compensation of cross-links is connected to the second input of the third block of summing, the output of which is connected to the first output of the block of proportional-integral regulators current.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:The essence of the invention is illustrated by drawings, where:
- на фиг. 1 изображена функциональная схема устройства управления трехфазными трехуровневыми активными выпрямителями напряжения высоковольтного преобразователя частоты;- in Fig. 1 shows a functional diagram of a control device for three-phase three-level active voltage rectifiers of a high-voltage frequency converter;
- на фиг. 2 изображена функциональная схема высоковольтного преобразователя частоты;- in Fig. 2 shows a functional diagram of a high-voltage frequency converter;
- на фиг. 3 изображена схема трехфазного трехуровневого активного выпрямителя напряжения;- in Fig. 3 shows a diagram of a three-phase three-level active voltage rectifier;
- на фиг. 4,а изображена форма фазного напряжения на входе трехфазного трехуровневого активного выпрямителя, а также указаны девять углов переключения ключей активного выпрямителя за четверть периода сетевого напряжения;- in Fig. 4, a shows the shape of the phase voltage at the input of a three-phase three-level active rectifier, and also indicates nine angles of switching keys active rectifier for a quarter of the period of the mains voltage;
- на фиг. 4,б показаны зависимости девяти углов переключения ключей активного выпрямителя от коэффициента модуляции ;- in Fig. 4, b shows the dependences of nine switching angles of the keys of the active rectifier on modulation index ;
- на фиг. 5 изображена форма фазного напряжения на входе трехфазного трехуровневого активного выпрямителя, которое содержит ложные срабатывания;- in Fig. 5 shows the shape of the phase voltage at the input of a three-phase three-level active rectifier, which contains false alarms;
- на фиг. 6 приведены осциллограммы составляющих сетевого напряжения и , которые содержат высокочастотные составляющие;- in Fig. 6 shows oscillograms of the mains voltage components and that contain high frequency components;
- на фиг. 7,а приведены осциллограммы фазных токов активного выпрямителя для заявляемой системы управления;- in Fig. 7, a shows the oscillograms of the phase currents of the active rectifier for the claimed control system;
- на фиг. 7,б приведена осциллограмма напряжения звена постоянного высоковольтного преобразователя частоты для заявляемой системы управления; - in Fig. 7, b shows an oscillogram of the voltage of a link of a constant high-voltage frequency converter for the claimed control system;
- на фиг. 7,в приведена зависимость относительного значения коэффициента модуляции для заявляемой системы управления;- in Fig. 7, c shows the dependence of the relative value of the modulation coefficient for the claimed control system;
- на фиг. 8 приведены осциллограммы фазных токов активного выпрямителя для известной системы управления (для прототипа).- in Fig. 8 shows oscillograms of phase currents of an active rectifier for a known control system (for a prototype).
Заявляемое устройство управления (фиг. 1) трехфазными трехуровневыми активными выпрямителями напряжения, содержит высоковольтный преобразователь частоты 1, вход которого через трехфазный датчик тока 2 подключен к трехфазному источнику питания 3, а выход преобразователя - к двигателю переменного тока 4. Преобразователь содержит два активных выпрямителя напряжения, общее звено постоянного тока и два инвертора напряжения (будут показаны позже). Измерительные выходы датчика тока 2 подключены к первому входу системы управления 5 активными выпрямителями. Ко второму входу системы управления 5 подключены информационные выходы датчика трехфазного напряжения 6, входы которого подключены к точке соединения выхода трехфазного датчика тока 2 и входа высоковольтного преобразователя частоты 1. К третьему входу системы управления 5 подключен выход датчика напряжения звена постоянного тока 7, входы которого подключены к информационному выходу высоковольтного преобразователя частоты 1. К четвертому входу системы управления 5 подключен задатчик напряжения 8 на конденсаторах звена постоянного тока преобразователя частоты 1. К пятому входу системы управления 5 подключен задатчик реактивной составляющей сетевого тока 9. Управляющий выход системы управления 5 по шине управления через блок широтно-импульсных модуляторов 10 подключен к управляющему входу высоковольтного преобразователя частоты 1. При этом система управления 5 активными выпрямителями напряжения содержит первый блок преобразования координат 11, блок фазовой автоподстройки частоты 12, блок пропорционально-интегральных регуляторов тока 13, блок пропорционально-интегрального регулятора выпрямленного напряжения 14, первый блок вычитания 15, второй блок преобразования координат 16, первый 17 и второй 18 сумматоры, третий блок преобразования координат 19. Первый, второй и третий входы первого блока преобразования координат 11 подключены к первому входу системы управления 5. Четвертый вход указанного блока подключен к первому выходу блока фазовой автоподстройки частоты 12. Первый и второй выходы первого блока преобразования координат 11 подключены соответственно к первому и второму входам блока пропорционально-интегральных регуляторов тока 13. К третьему входу блока регуляторов тока подключен второй выход блока фазовой автоподстройки частоты 12. Первый, второй и третий входы которого подключены ко второму входу системы управления 5. Четвертый вход блока пропорционально-интегральных регуляторов тока 13 подключен к пятому входу системы управления 5. Пятый вход блока регуляторов тока подключен к выходу блока пропорционально-интегрального регулятора выпрямленного напряжения 14, вход которого подключен к выходу первого блока вычитания 15. Первый и второй входы, которого подключены соответственно к четвертому и третьему входам системы управления 5. Первый и второй выходы блока пропорционально-интегральных регуляторов тока 13 подключены соответственно к первому и второму входам второго блока преобразования координат 16. Третий вход, которого подключен к первому выходу блока фазовой автоподстройки частоты 12. Первый и второй выходы второго блока преобразования координат 16 подключены соответственно к первому входу первого 17 и к первому входу второго 18 сумматоров, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам третьего блока преобразования координат 19. Третий вход, которого подключен к первому выходу блока фазовой автоподстройки частоты 12. Выходы третьего блока преобразования координат 19 по шине управления подключены к управляющему выходу системы управления 5.The claimed control device (Fig. 1) three-phase three-level active voltage rectifiers, contains a high-
Устройство управления, дополнительно снабжено четвертым блоком преобразования координат 20, первым 21 и вторым 22 фильтрами нижних частот, пятым блоком преобразования координат 23, блоком инвертирования 24. Кроме того, блок пропорционально-интегральных регуляторов тока 13 включает в себя первый 25 и второй 26 блоки пропорционально-интегральных регуляторов тока, второй 27, третий 28 и четвертый 29 блоки вычитания, третий блок суммирования 30, первый 31 и второй 32 блоки компенсации перекрестных связей. Первый, второй и третий входы четвертого блока преобразования координат 20 подключены ко второму входу системы управления 5. Четвертый вход четвертого блока 20 подключен к выходу блока инвертирования 24, вход которого подключен к первому выходу блока фазовой автоподстройки частоты 12. Первый и второй выходы четвертого блока преобразования координат 20 соответственно через первый 21 и второй 22 фильтры нижних частот подключены к первому и второму входам пятого блока преобразования координат 23. Третий вход пятого блока 23 подключен к выходу блока инвертирования 24. Первый и второй выходы пятого блока преобразования координат 23 подключены соответственно ко второму входу первого 17 и ко второму входу второго 18 сумматоров.The control device is additionally equipped with a fourth coordinate
Первый и второй входы второго блока вычитания 27 подключены соответственно к пятому и к первому входам блока пропорционально-интегральных регуляторов тока 13. Выход второго блока вычитания 27 подключен к входу первого блока пропорционально-интегральных регуляторов тока 25, выход которого подключен к первому входу третьего блока суммирования 30. Первый и второй входы третьего блока вычитания 28 подключены соответственно к четвертому и ко второму входам блока пропорционально-интегральных регуляторов тока 13. Выход третьего блока вычитания 28 подключен к входу второго 26 блока пропорционально-интегральных регуляторов тока, выход которого подключен к первому входу четвертого блока вычитания 29. Первый вход первого 31 и первый вход второго 32 блоков компенсации перекрестных связей подключены соответственно к первому и второму входам блока пропорционально-интегральных регуляторов 13. Вторые входы блоков компенсации 31 и 32 подключены к третьему входу блока пропорционально-интегральных регуляторов тока 13. Выход первого 31 блока компенсации перекрестных связей подключен ко второму входу четвертого 29 блока вычитания, выход которого подключен ко второму выходу блока пропорционально-интегральных регуляторов тока 13. Выход второго 32 блока компенсации перекрестных связей подключен ко второму входу третьего блока суммирования 30, выход которого подключен к первому выходу блока пропорционально-интегральных регуляторов тока 13.The first and second inputs of the second block of
Система управления 5 (фиг. 1) трехфазными трехуровневыми активными выпрямителями напряжения может быть выполнена на базе специализированного микроконтроллера, имеющего периферийные устройства, процессор, ОЗУ и ПЗУ.The control system 5 (Fig. 1) three-phase three-level active voltage rectifiers can be made on the basis of a specialized microcontroller with peripheral devices, processor, RAM and ROM.
Дадим краткое описание высоковольтному преобразователю частоты 1 (фиг. 2). Он содержит первый 33 и второй 34 преобразователи частоты, каждый из которых, в свою очередь, содержит трехуровневый активный выпрямитель напряжения 35, трехуровневый инвертор напряжения 36 и дроссель 37. Одноименные выходные зажимы фаз преобразователей частоты 33 и 34 соединены между собой и подключены к двигателю переменного тока 4. Входы общего для обоих преобразователей частоты звена постоянного тока 38 с нулевой точкой подключены к выходам обоих активных выпрямителей 35, а выходы указанного звена 38 подключены к входам обоих инверторов напряжения 36. Кроме того, преобразователь частоты 1 оснащен первым 39 и вторым 40 фазосдвигающими трансформаторами соответственно на 0о и +30о градусов. Первичная обмотка первого фазосдвигающего трансформатора 39 имеет шесть выводов и соединена последовательно с первичной обмоткой второго фазосдвигающего трансформатора 40, которая соединена в звезду. При этом начало первичной обмотки первого фазосдвигающего трансформатора подключено к источнику питания. Вторичные обмотки указанных трансформаторов соединены в звезду и треугольник и подключены соответственно к первому 33 и второму 34 преобразователям частоты. Описанные соединения позволяют получить двенадцатипульсную схему выпрямления. В силовых схемах трехуровневых активных выпрямителей 35 и инверторов напряжения 36 используются полностью управляемые тиристорные ключи.Let's give a brief description of the high-voltage frequency converter 1 (Fig. 2). It contains the first 33 and second 34 frequency converters, each of which, in turn, contains a three-level
Трехфазный трехуровневый активный выпрямитель напряжения 35 (фиг. 3) содержит три фазные стойки 41, 42 и 43, выходы которых соединены параллельно и подключены к звену постоянного тока 38, которое содержит два последовательно соединенных конденсатора 44 и 45. Первый конденсатор 44 создает положительный потенциал на фазах инвертора 36, а второй конденсатор 45 – отрицательный потенциал. Общая точка конденсаторов 46 является нейтральной точкой трехфазного трехуровневого активного выпрямителя 35 и создает нулевой потенциал на его фазах. Каждая из фазных стоек 41, 42 и 43 содержит четыре последовательно соединенных полностью управляемых тиристорных ключа 47, 48, 49 и 50. К точке соединения первого 47 и второго 48 управляемых ключей в каждой фазной стойке подключен катод первого диода 51, анод которого подключен к нейтральной точке 46 активного выпрямителя. Точка соединения второго 48 и третьего 49 управляемых ключей является силовым входом активного выпрямителя 35 в каждой фазной стойке. К точке соединения третьего 49 и четвертого 50 управляемых ключей в каждой фазной стойке подключен анод второго диода 52, катод которого подключен к нейтральной точке 46 активного выпрямителя. Силовые входы первого и второго активных выпрямителей 35 (фиг. 2) подключены соответственно к вторичным обмоткам первого 39 и второго 40 фазосдвигающих трансформаторов.A three-phase three-level active voltage rectifier 35 (Fig. 3) contains three
Отметим, что ключи 47, 48, 49 и 50 (фиг. 3) в фазных стойках 41, 42 и 43, получая по шине данных сигналы управления с блока широтно-импульсных модуляторов 10, формируют на входе активного выпрямителя 35 широтно-модулированные фазные напряжения. При этом амплитудные значения основных гармоник этих напряжений задаются управляющими сигналами напряжения , , (фиг. 1). Указанные сигналы формируются на выходе системы управления 5 и по шине данных подаются на вход блока широтно-импульсных модуляторов 10.Note that the
Отметим, что трехфазные трехуровневые активные выпрямители напряжения 35 (фиг. 2) первого 33 и второго 34 преобразователей частоты идентичны. Ранее отмечалось, что их выходы подключены к входам общего для них звена постоянного тока 38 с нулевой точкой, а входы одного и другого выпрямителей 35 подключены соответственно к вторичным обмоткам первого 39 и второго 40 фазосдвигающих трансформаторов на градусов относительно сетевого напряжения. С учетом изложенного, благодаря сигналу управления , , фазы основных гармоник напряжений, сформированные на входах обоих активных выпрямителей 35 должны иметь сдвиги градусов относительно сетевого напряжения. Note that the three-phase three-level active voltage rectifiers 35 (Fig. 2) of the first 33 and second 34 frequency converters are identical. Earlier it was noted that their outputs are connected to the inputs of a common DC link 38 with a zero point, and the inputs of one and the
Дадим краткое описание всех блоков системы управления 5 (фиг. 1) и укажем их назначение. Отметим, что работа системы управления 5 выполнена во вращающейся ортогональной системе координат , ориентированной по вектору напряжения сети .We give a brief description of all blocks of the control system 5 (Fig. 1) and indicate their purpose. Note that the operation of the
Входными сигналами для системы управления 5 (фиг. 1, фиг. 2) являются: – сетевой ток; – сетевое напряжение; – текущее значение напряжения на конденсаторах звена постоянного тока 38 высоковольтного преобразователя частоты 1; – заданное значение напряжения на конденсаторах звена постоянного тока; – заданное значение реактивной составляющей сетевого тока . Выходным сигналом системы управления 5 является сигнал , , – управляющий сигнал напряжения для активных выпрямителей 35. The input signals for the control system 5 (Fig. 1, Fig. 2) are: - mains current; - mains voltage; - the current value of the voltage across the capacitors of the DC link 38 of the high-
Первый блок преобразования координат 11 (фиг.1) осуществляет преобразование мгновенных значений сетевого тока из неподвижной системы координат в активную и реактивную составляющие сетевого тока во вращающейся системе координат на частоте основной гармоники напряжения сети. Отметим, что сигналы и являются сигналами обратной связи для блока пропорционально-интегральных регуляторов 13.The first coordinate transformation unit 11 (Fig. 1) converts the instantaneous values of the mains current from a fixed coordinate system into active and reactive components of the line current in a rotating coordinate system at frequency fundamental harmonic of the mains voltage. Note that the signals and are feedback signals for the block of proportional-
Блок фазовой автоподстройки частоты 12 (фиг.1) формирует фазовый угол и частоту ω для пространственного вектора основной гармоники напряжения питающей сети . Фазовый угол обеспечивает точную синхронизацию формируемых сигналов управления в блоках преобразования координат 11, 16 и 19 заявляемой системы управления 5. Частота ω обеспечивает работу блоков компенсации перекрестных связей 31 и 32 в блоке пропорционально-интегральных регуляторов 13.The phase-locked loop 12 (Fig. 1) forms a phase angle and frequency ω for the space vector of the main harmonic of the supply voltage ... Phase angle provides accurate synchronization of the generated control signals in the coordinate
Задающими сигналами для блока регуляторов тока 13 (фиг.1) являются сигналы и , формируемые соответственно блоком пропорционально-интегрального регулятора выпрямленного напряжения 14 и задатчиком реактивной составляющей сетевого тока 9.The driving signals for the block of current regulators 13 (Fig. 1) are signals and , formed, respectively, by the unit of the proportional-integral controller of the rectified
Блок пропорционально-интегрального регулятора выпрямленного напряжения 14 осуществляет астатическое регулирование напряжения на конденсаторах звена постоянного тока 38 (фиг. 2), поддерживая его на уровне . На вход указанного регулятора 14 поступает сигнал ошибки с выхода первого блока вычитания 15. На входы последнего 15 подаются задающий сигнал с задатчика напряжения 8 на конденсаторах звена постоянного тока и сигнал обратной связи с датчика напряжения звена постоянного тока 7. The unit of the proportional-integral regulator of the rectified
В блоке пропорционально-интегральных регуляторов тока 13 второй блок вычитания 27 (фиг. 1) формирует сигнал ошибки , который равен разности сигнала задания и сигнала обратной связи для составляющей d канала регулирования сетевого тока. Сигнал ошибки подается на вход первого пропорционально-интегрального регулятора тока 25, который обеспечивает астатическое регулирование активной составляющей сетевого тока . Выходной сигнал напряжения регулятора 25 подается на первый вход третьего блока суммирования 30. На второй вход блока 30 подается сигнал , который формирует второй блок компенсации перекрестных связей 32. Сигнал устраняет взаимное влияние между d и q каналами регулирования в блоке пропорционально-интегральных регуляторов 13. Здесь – индуктивность реактора или индуктивность рассеяния трансформаторов, которые установлены на входе активного выпрямителя 35 (фиг.2).In the block of proportional-integral
Известно, что во вращающейся системе координат существует перекрестное влияние реактивной составляющей тока активного выпрямителя 35 на его активную составляющую тока и наоборот (см. Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. Екатеринбург. УРО РАН, 2000. 654 с.).It is known that in a rotating coordinate system there is a cross-effect of the reactive component of the current
Выходной задающий сигнал напряжения третьего блока суммирования 30 подается на первый вход второго блока преобразования координат 16 активной и реактивной составляющих напряжений из вращающейся системы координат в составляющие напряжений и неподвижной ортогональной системы координат . Output voltage reference signal the
В блоке пропорционально-интегральных регуляторов тока 13 третий блок вычитания 28 (фиг. 1) формирует сигнал ошибки , который равен разности сигнала задания и сигнала обратной связи для составляющей канала регулирования сетевого тока. Сигнал ошибки подается на вход второго пропорционально-интегрального регулятора тока 26, который обеспечивает астатическое регулирование реактивной составляющей сетевого тока . Выходной сигнал напряжения регулятора 26 подается на первый вход четвертого блока вычитания 29. На второй вход блока 29 подается сигнал , который формирует первый блок компенсации перекрестных связей 31. Сигнал устраняет взаимное влияние между d и q каналами регулирования в блоке пропорционально-интегральных регуляторов 13. In the block of proportional-integral
Выходной задающий сигнал напряжения четвертого блока вычитания 29 подается на второй вход второго блока преобразования координат 16 активной и реактивной составляющих напряжений из вращающейся системы координат в составляющие напряжений и неподвижной ортогональной системы координат . Output voltage reference signal the
Выходные задающие сигналы напряжений и второго блока преобразования координат 16 подаются соответственно на первый вход первого 17 и на первой вход второго 18 сумматоров. Output voltage reference signals and the second block of transformation of
Отметим, что отличительной особенностью заявляемого изобретения является то, что оно снабжено пятью новыми блоками: четвертым блоком преобразования координат 20, первым 21 и вторым 22 фильтрами нижних частот, пятым блоком преобразования координат 23 и блоком инвертирования 24. Note that a distinctive feature of the claimed invention is that it is equipped with five new blocks: the fourth coordinate
Указанные блоки позволяют ввести практически мгновенно, т.е. без существенной задержки, в состав сигнала управления активными выпрямителями , , дополнительный сигнал – сигнал сетевого напряжения. Сформированные широтно-модулированные фазные напряжения на входе активного выпрямителя будут содержать напряжение обратной последовательности, которое существенно ослабит действие напряжения обратной последовательности со стороны источника питания. Следовательно, в момент появления несимметрии броска тока в фазах активного выпрямителя не будет, что существенно повысит надежность работы трехфазного активного выпрямителя напряжения. Поясним назначение вновь вводимых блоков в систему управления активными выпрямителями.These blocks allow you to enter almost instantly, i.e. without significant delay, as part of the control signal of active rectifiers , , additional signal - mains voltage signal. The generated PWM phase voltages at the input of the active rectifier will contain a negative sequence voltage, which will significantly weaken the negative sequence voltage from the power supply side. Therefore, at the moment of the appearance of asymmetry, there will be no inrush current in the phases of the active rectifier, which will significantly increase the reliability of the three-phase active voltage rectifier. Let us explain the purpose of the newly introduced blocks in the control system of active rectifiers.
Блок инвертирования 24 осуществляет изменение знака фазового угла на фазовый угол . В дальнейшем фазовый угол , под действием которого пространственный вектор напряжения вращается в противоположную сторону по отношению к напряжению сети, будет использован блоками 20 и 23 для преобразования координат из одной системы в другую систему. The inverting
Четвертый блок преобразования координат 20 (фиг.1) осуществляет преобразование мгновенных значений сетевого напряжения из неподвижной системы координат в ортогональные составляющие и сетевого напряжения во вращающейся системе координат обратной последовательности.The fourth coordinate transformation unit 20 (Fig. 1) converts the instantaneous values of the mains voltage from a fixed coordinate system to orthogonal components and line voltage in a rotating coordinate system reverse sequence.
Отметим, что сигналы напряжения и содержат составляющие первых гармоник напряжения обратной последовательности и , значения которых во введенной вращающейся системе координат представляют собой постоянные уровни. Кроме того, сигналы напряжения и содержат составляющие первых гармоник напряжения прямой последовательности и , значения которых во введенной вращающейся системе координат изменяются с удвоенной частотой питающей сети . Note that voltage signals and contain the components of the first harmonics of the negative sequence voltage and whose values in the introduced rotating coordinate system represent constant levels. In addition, voltage signals and contain the components of the first harmonics of the positive sequence voltage and whose values in the introduced rotating coordinate system change with twice the frequency of the supply network ...
Кроме того, сигналы напряжения и также содержат высокочастотные составляющие . Поясним, почему указанные составляющие присутствуют в составе напряжений и , а также, почему высокочастотные составляющие не должны попасть в сигналы задания по напряжению системы управления 5. In addition, voltage signals and also contain high frequency components ... Let us explain why the indicated components present in the composition of stresses and and also why the high-frequency components must not be included in the voltage reference signals of the
Ранее было обосновано, что в заявляемом устройстве используется метод ШИМ с удалением восьми выделенных гармоник напряжения и девятью переключениями ключей активного выпрямителя за четверть периода сетевого напряжения. Для указанного метода ШИМ на фиг. 4,а приведена идеальная форма фазного напряжения на входе трехфазного трехуровневого активного выпрямителя 35 (фиг. 3) по отношению к нейтральной точке 46 звена постоянного тока 38. На фиг. 4,б приведены зависимости углов переключения ключей активного выпрямителя 35 от коэффициента модуляции для указанного метода ШИМ, обеспечивающего заданное значение первой гармоники напряжения активного выпрямителя 35. Earlier it was proved that the claimed device uses the PWM method with the removal of eight isolated voltage harmonics and nine switches of the active rectifier keys for a quarter of the period of the mains voltage. For this PWM method in FIG. 4, a shows the ideal form of the phase voltage at the input of a three-phase three-level active rectifier 35 (FIG. 3) with respect to the
Для известного устройства рассчитаны зависимости девяти углов переключения от коэффициента модуляции. Для расчета указанных углов в данном методе ШИМ задается целевая функция, в которой учитываются два условия: поддержание первой гармоники на уровне, задаваемом коэффициентом модуляции; уменьшение уровня высших гармоник в токе до желаемого значения. В известном устройстве в блоке коррекции фазных напряжений хранится база данных для девяти углов переключения в зависимости от значения коэффициента модуляции для симметричного и несимметричного режимов работы источника питания. For the known device, the dependences of nine switching angles on the modulation coefficient are calculated. To calculate the indicated angles in this PWM method, an objective function is set, which takes into account two conditions: maintaining the first harmonic at the level specified by the modulation coefficient; reducing the level of higher harmonics in the current to the desired value. In the known device, the phase voltage correction unit stores a database for nine switching angles depending on the value of the modulation factor for symmetrical and unbalanced operating modes of the power supply.
Если в заявляемом устройстве не приняты меры, которые должны устранить высокочастотные составляющие , то на входе активного выпрямителя 35 (фиг. 3) мы будем иметь осциллограммы фазного напряжения, которые изображены на фиг. 5. Это напряжение было получено относительно нейтральной точки 46 (фиг. 3) активного выпрямителя в результате моделирования заявляемой системы управления в программной среде Matlab Simulink. Здесь вместо 9 переключений за четверть периода сетевого напряжения мы наблюдаем множественные ложные срабатывания широтно-импульсного модулятора 10 (фиг. 2). Такие переключения весьма нежелательны и недопустимы, так как в реальном активном выпрямителе 35 это может привести к перегреву тиристоров, срабатыванию защиты, что снижает надежность работы активного выпрямителя и системы управления в целом.If the claimed device has not taken measures to eliminate high-frequency components , then at the input of the active rectifier 35 (Fig. 3) we will have phase voltage oscillograms, which are shown in Fig. 5. This voltage was obtained relative to the neutral point 46 (Fig. 3) of the active rectifier as a result of modeling the proposed control system in the Matlab Simulink software environment. Here, instead of 9 switchings in a quarter of the period of the mains voltage, we observe multiple false alarms of the pulse-width modulator 10 (Fig. 2). Such switching is highly undesirable and unacceptable, since in a real
Причиной множественных ложных срабатываний широтно-импульсного модулятора 10 является то, что в канал регулирования по сетевому напряжению системы управления 5 с датчика трехфазного напряжения 6 (фиг. 1) поступает сигнал, содержащий высокочастотные составляющие напряжения, которые вызывают ложные срабатывания.The reason for the multiple false alarms of the pulse-
Это обусловлено тем, что датчик трехфазного напряжения 6 подключен к средней точке делителя напряжения, который со стороны активного выпрямителя 35 (фиг.2) представлен индуктивным сопротивлением реактора или индуктивным сопротивлением рассеяния трансформатора 39 (40), а со стороны трехфазного источника питания 3 - его внутренним индуктивным сопротивлением. При этом к указанному делителю напряжения со стороны активного выпрямителя в идеальном случае приложено широтно-модулированное напряжение как на фиг. 4,а, а со стороны трехфазного источника питания 3 в идеальном случае приложено синусоидальное напряжение. Заметим, что трехфазный источник питания 3 в реальных условиях эксплуатации из-за воздействия других потребителей также может содержать высокочастотные составляющие напряжения. С учетом изложенного можно утверждать, что напряжение в точке подключения датчика трехфазного напряжения 6 содержит как синусоидальную составляющую сетевого напряжения, так и высокочастотные составляющие напряжения. This is due to the fact that the three-
На фиг. 6 в качестве примера показаны результаты моделирования в программной среде Matlab Simulink. Здесь приведены составляющие сетевого напряжения и в неподвижной ортогональной системе координат , полученные из фазных сетевых напряжений , которые содержат высокочастотные составляющие. На осциллограммах (фиг. 6) видны высокочастотные составляющие, попадание которых в канал регулирования по сетевому напряжению системы управления 5 приведут к ложным срабатываниям широтно-импульсного модулятора 10 (фиг. 2), а также ложным срабатываниям активного выпрямителя 35 (фиг. 5). Последнее, как ранее отмечалось, недопустимо, так как это снижает надежность заявляемой системы управления. FIG. 6 shows the results of modeling in the Matlab Simulink software environment as an example. Here are the components of the mains voltage and in a fixed orthogonal coordinate system obtained from phase mains voltages that contain high frequency components. The oscillograms (Fig. 6) show high-frequency components, the entry of which into the mains voltage control channel of the
Таким образом, чтобы не допустить высокочастотные составляющие в канал регулирования по сетевому напряжению системы управления 5 (фиг. 1) их необходимо отфильтровать из сигналов и , которые сформированы на выходе блока 20. Эту задачу решают фильтры нижних частот 21 и 22.Thus, in order to avoid high frequency components into the mains voltage regulation channel of the control system 5 (Fig. 1), they must be filtered from the signals and , which are formed at the output of
На фиг. 1 фильтры 21 и 22 пропускают составляющие первой гармоники сетевого напряжения обратной последовательности , и прямой последовательности , , а также удаляют высокочастотные составляющие . В качестве фильтров нижних частот в заявляемой системе управления используются фильтры с конечной импульсной характеристикой, работающие по принципу выделения скользящего среднего (с периодом усреднения 0,001 с). FIG. 1
Пятый блок преобразования координат 23 осуществляет преобразование сигналов , и , из вращающейся системы координат обратной последовательности в составляющие напряжений и неподвижной ортогональной системы координат . Отметим, что сигналы и являются сигналами регулирования по сетевому напряжению . Указанные сигналы и содержат составляющие напряжений как прямой последовательности, так и обратной последовательности сетевого напряжения, если в источнике питания 3 имеет место несимметрия. При этом сигналы и не содержат высокочастотные составляющие.The fifth coordinate
Отметим, что в канале регулирования по сетевому напряжению, т.е. в блоках 20, 21, 22 и 23 практически отсутствует временная задержка с обработкой сигналов. В четвертом 20 и пятом 23 блоках преобразования координат выполняются арифметические и логические операции без временной задержки, а в фильтрах нижних частот 21 и 22, работающих по принципу выделения скользящего среднего (с периодом усреднения 1/1000 с), задержка не превышает 0,001 с. Note that in the mains voltage regulation channel, i.e. in
Указанная задержка в 5 раз меньше четверти периода сетевого напряжения. Ранее было отмечено, что задержка, равная четверти периода сетевого напряжения имеет место в канале системы управления по напряжению в прототипе. При этом при кратковременном несимметричном провале напряжения в одной из фаз активного выпрямителя происходит значительный бросок тока, что снижает надежность системы управления и всей системы в целом (в прототипе). The specified delay is 5 times less than a quarter of the mains voltage period. It was previously noted that a quarter-cycle delay of the mains voltage occurs in the voltage control channel of the prototype. In this case, with a short-term asymmetric voltage drop in one of the phases of the active rectifier, a significant current surge occurs, which reduces the reliability of the control system and the entire system as a whole (in the prototype).
Выходные сигналы напряжений и пятого блока преобразования координат 23 (фиг.1) подаются соответственно на второй вход первого 17 и на второй вход второго 18 сумматоров. Выходные задающие сигналы и указанных сумматоров подаются соответственно на первый и второй входы третьего блока преобразования координат 19. Указанный блок осуществляет преобразование в неподвижной системе координат задающих управляющих напряжений и в управляющие напряжения , , , которые подаются на блок широтно-импульсных модуляторов 10. Последний блок по шине данных управляет работой ключей 47, 48, 49 и 50 (фиг. 3) в соответствующих фазах активного выпрямителя 35, при этом на его входе формируется требуемое широтно-модулированное напряжение фиг. 4,а. Output voltage signals and the fifth block of coordinate transformation 23 (Fig. 1) are supplied, respectively, to the second input of the first 17 and to the second input of the second 18 adders. Output reference signals and of these adders are fed, respectively, to the first and second inputs of the third coordinate
Устройство управления трехфазными трехуровневыми активными выпрямителями напряжения высоковольтного преобразователя частоты 1 работает следующим образом.The control device for three-phase three-level active voltage rectifiers of the high-
На первый и второй входы системы управления 5 (фиг. 1) поступают соответственно сигналы мгновенных значений сетевого тока и сетевого напряжения . На третий вход – сигнал текущего значения напряжения на конденсаторах звена постоянного тока . На четвертый и пятый входы – задающие сигналы и .The first and second inputs of the control system 5 (Fig. 1) receive signals of instantaneous values of the mains current, respectively and mains voltage ... The third input is a signal of the current value of the voltage across the DC link capacitors ... On the fourth and fifth inputs - setting signals and ...
Ранее отмечалось, что в системе управления 5 (фиг. 1) используется комбинированный способ регулирования по отклонению и по возмущению. Канал регулирования по отклонению, в который входят блоки 11, 13, 14, 15 и 16 под действием задающих сигналов , и сигналов обратной связи , формирует управляющие сигналы и . Ранее было подробно описано, как осуществляется процесс формирования указанных сигналов.It was previously noted that the control system 5 (Fig. 1) uses a combined control method for deviation and for disturbance. Deviation control channel, which includes
Канал регулирования по возмущению, в который входят блоки 20, 21, 22, 23 и 24 под действием сигнала формирует управляющие сигналы и . Ранее было подробно описано, как осуществляется процесс формирования этих сигналов.Disturbance control channel, which includes
Под действием указанных управляющих сигналов , и , на выходе системы управления 5 формируется сигнал , который управляет работой блока широтно-импульсных модуляторов 10. Указанный блок 10 по шине данных управляет работой ключей 47, 48, 49 и 50 (фиг. 3) активного выпрямителя 35, при этом на его входе формируется требуемое широтно-модулированное напряжение, например, как на фиг. 4,а.Under the action of the specified control signals , and , a signal is generated at the output of the
Отметим отличительные особенности канала регулирования по возмущению в заявляемом изобретении. Let us note the distinctive features of the disturbance control channel in the claimed invention.
Во-первых, блоки преобразования координат 20 и 23 не создают временной задержки сигналов в процессе их преобразования, так как в указанных блоках выполняются арифметические и логические операции.Firstly, the blocks for transforming
Во-вторых, применение системы координат обратной последовательности позволяет сохранить с максимальной достоверностью информацию о составляющих напряжения обратной последовательности и в составе сетевого напряжения при его несимметричном провале. Это позволяет пятому блоку преобразования координат 23 (фиг.1) сформировать сигналы и , которые содержат достоверную информацию об обратной последовательности сетевого напряжения. Ранее об этом было подробно описано.Second, the application of the coordinate system reverse sequence allows you to save with maximum reliability information about the components of the negative sequence voltage and as part of the mains voltage in case of its asymmetrical failure. This allows the fifth coordinate transformation unit 23 (Fig. 1) to generate signals and which contain reliable information about the negative sequence of the mains voltage. This has been described in detail earlier.
В третьих, применение фильтров нижних частот 21 и 22, которые работают по принципу выделения скользящего среднего (с периодом усреднения 1/1000 с) позволяет исключить ложные срабатывания ключей активного выпрямителя 35. Ранее об этом было подробно описано.Third, the use of low-
В четвертых, задержка в формировании управляющих сигналов и не превышает 0,001 с, в то время как в прототипе задержка сигналов достигает 0,01 с, или в лучшем случае 0,005 с. Указанное достоинство позволяет при кратковременном несимметричном провале сетевого напряжения сформировать на входе активного выпрямителя 35 напряжение подобное сетевому напряжению. При этом в фазах активного выпрямителя не будут иметь место броски токов. Ранее об этом было подробно описано.Fourth, the delay in the formation of control signals and does not exceed 0.001 s, while in the prototype the signal delay reaches 0.01 s, or at best 0.005 s. The indicated advantage allows for a short-term asymmetrical drop in the mains voltage form at the input of the active rectifier 35 a voltage similar to the mains voltage. In this case, there will be no inrush currents in the phases of the active rectifier. This has been described in detail earlier.
Рассмотрим три режима работы заявляемого устройства управления трехфазными трехуровневыми активными выпрямителями напряжения. Consider three modes of operation of the proposed control device for three-phase three-level active voltage rectifiers.
Первый режим – работа устройства в установившемся режиме и симметричном напряжении источника питания 3.The first mode is the operation of the device in a steady state and symmetrical voltage of the
Канал регулирования по сетевому напряжению формирует управляющие сигналы и , которые содержат составляющие только прямой последовательности. Благодаря фильтрам нижних частот 21 22 управляющие сигналы и не содержат высокочастотные составляющие.The mains voltage regulation channel generates control signals and which contain only direct sequence components. Low-
Канал регулирования по отклонению формирует управляющие сигналы , , которые обусловлены сигналами задания , и сигналами обратной связи , . Пропорционально-интегральные регуляторы тока 25, 26 и напряжения 14 обеспечивают астатическое регулирование контролируемых параметров , и в канале регулирования по отклонению. The deviation control channel generates control signals , , which are due to task signals , and feedback signals , ... Proportional-integral regulators of current 25, 26 and
Сформированный системой управления 5 сигнал содержит информацию о значении коэффициента модуляции , который обеспечивает заданное значение первой гармоники напряжения активного выпрямителя 35. В соответствии со значением коэффициента модуляции в блоке широтно-импульсных модуляторов 10 из базы данных осуществляется выбор значений углов переключений ключей (фиг. 4,б) активного выпрямителя 35. Signal generated by
Для подтверждения работоспособности заявляемого устройства в программной среде Matlab Simulink было выполнено его моделирование для симметричного и несимметричного режимов работы. To confirm the performance of the proposed device in the Matlab Simulink software environment, it was simulated for symmetric and asymmetric modes of operation.
Моделирование показало (фиг. 7,а), что для рассматриваемого режима работы фазные токи активного выпрямителя 35 практически синусоидальные и имеют одинаковую амплитуду . На фиг. 7 описываемому первому режиму работы системы управления соответствует временной интервал от 0,15 с до 0,2 с. Сравнение осциллограмм на фиг. 6 и фиг. 7,а позволяет сделать вывод, что уровень высших гармоник на фиг. 7,а значительно меньше, чем на фиг. 6. Наличие незначительных высших гармоник в составе сетевого тока обусловлены широтно-модулированными входными напряжениями активного выпрямителя 35 (фиг. 4,а). Ложные срабатывания ключей активных выпрямителей как на фиг. 5 в заявляемом устройстве отсутствуют, благодаря работе фильтров нижних частот 21 и 22 (фиг. 1) в канале регулирования по сетевому напряжению.Simulation showed (Fig. 7, a) that for the considered mode of operation, the phase currents of the
На фиг. 7,б приведена осциллограмма изменения текущего значения напряжения на конденсаторах звена постоянного тока 38 (фиг.2, 3) высоковольтного преобразователя частоты 35. Ранее отмечалось, что напряжение - это контролируемый параметр, поддержание которого на уровне осуществляет канал регулирования по отклонению. Для первого режима работы заявляемого устройства отклонение напряжения от заданного менее 0,5%. Это хороший показатель.FIG. 7, b shows an oscillogram of changes in the current voltage value on the capacitors of the DC link 38 (Fig. 2, 3) of the high-
На фиг. 7,в приведена зависимость относительного значения коэффициента модуляции для трех режимов работы заявляемой системы. Если задающие сигналы системы управления 5 неизменны, то для симметричного режима работы указанный коэффициент остается величиной постоянной. В нашем случае его значение равно . FIG. 7, c shows the dependence of the relative value of the modulation factor for three modes of operation of the claimed system. If the reference signals of the
Второй режим – работа устройства в переходном режиме, т.е. с момента провала напряжения в трехфазном источнике питания 3 до момента установившегося несимметричного режима работы активного выпрямителя. На фиг. 7 второму режиму соответствует интервал времени от 0,2 с до 0,23 с, т.е. полтора периода сетевого напряжения.The second mode is the operation of the device in a transient mode, i.e. from the moment of the voltage drop in the three-
В момент времени (фиг. 7) произошел двухфазный провал напряжений в фазе на 20%, в фазе на 45%. At a moment in time (Fig. 7) there was a two-phase voltage dip in the phase by 20%, in phase by 45%.
Канал регулирования по сетевому напряжению формирует управляющие сигналы и (фиг. 1), которые содержат составляющие прямой и обратной последовательности и не содержат высокочастотные составляющие.The mains voltage regulation channel generates control signals and (Fig. 1), which contain components of the direct and negative sequence and do not contain high-frequency components.
Канал регулирования по отклонению формирует управляющие сигналы , , которые обусловлены сигналами задания , и сигналами обратной связи , . Пропорционально-интегральные регуляторы тока 25, 26 и напряжения 14 обеспечивают астатическое регулирование контролируемых параметров , и в канале регулирования по отклонению.The deviation control channel generates control signals , , which are due to task signals , and feedback signals , ... Proportional-integral regulators of current 25, 26 and
Как и ранее сформированный системой управления 5 сигнал осуществляет выбор значений углов переключения ключей (фиг. 4,б) из базы данных блока широтно-импульсных модуляторов 10. As previously generated by the
Моделирование показало, что в заявляемом устройстве система управления 5 (фиг. 1) оперативно отрабатывает появление несимметрии, что подтверждает график быстрого уменьшения относительного значения коэффициента модуляции на фиг. 7,в. Благодаря уменьшению коэффициента модуляции от до в течение времени от до напряжение на входе активного выпрямителя 35 также быстро изменяется, практически без задержки. Ранее было отмечено, что система управления 5 должна сформировать такие сигналы управления для активного выпрямителя, чтобы он, в свою очередь, сформировал на своем входе напряжение подобное сетевому напряжению, которое ограничит броски фазных токов выпрямителя.Simulation showed that in the claimed device, the control system 5 (Fig. 1) promptly fulfills the appearance of asymmetry, which is confirmed by the graph of a rapid decrease in the relative value of the modulation coefficient in Fig. 7, c. By reducing the modulation factor from before during the time from before the voltage at the input of the
Отметим, что после провала напряжения пространственный вектор сетевого напряжения в ортогональной системе координат описывает кривую в виде овала за период сетевого напряжения. Это обусловлено наличием составляющей обратной последовательности напряжения в составе сетевого напряжения. Наличие обратной последовательности приводит к тому, что зависимость коэффициента модуляции (фиг. 7,в) кроме постоянной составляющей содержит переменную составляющую. Частота колебания равна удвоенной частоте сетевого напряжения, а ее амплитудное значение составляет от уровня постоянной составляющей коэффициента модуляции . Note that after a voltage drop, the space vector of the mains voltage in the orthogonal coordinate system describes a curve in the form of an oval for the period of the mains voltage. This is due to the presence of a negative voltage sequence component in the mains voltage. The presence of the negative sequence leads to the fact that the dependence of the modulation coefficient (Fig. 7, c) in addition to the constant component contains an alternating component. Oscillation frequency is equal to twice the frequency of the mains voltage, and its amplitude value is on the level of the constant component of the modulation coefficient ...
Моделирование показало, что броски фазных токов в течение переходного режима не превышают , что можно считать допустимым значением , так как задающие значения для системы управления 5 остались неизменными, а система управления осуществляет их поддержание. Modeling has shown that phase currents inrush during the transient mode do not exceed , which can be considered a valid value , since the setting values for
Для сравнения заявляемой системы управления (фиг. 1) и системы управления, которая была применена в прототипе, было выполнено её моделирование (прототипа) в программной среде Matlab Simulink. Напомним, в прототипе в канале регулирования по напряжению используется блок выделения напряжения прямой и обратной последовательности. Ранее было отмечено, что указанный блок вносит временную задержку до 0,01 с или в лучшем случае до 0,005 с в формировании сигнала управления. При этом в момент появления несимметрии наблюдается бросок одного из фазных токов трехфазного трехуровневого активного выпрямителя, который может превысить номинальный ток в 2 раза и более, что приводит к срабатыванию токовой защиты известного устройства (прототипа) и его отключению. Несимметрия фазных токов для прототипа, а также увеличение размаха колебания напряжения на конденсаторах звена постоянного тока выше предельно-допустимого значения, приводит к срабатыванию защиты известного устройства по выпрямленному напряжению и его отключению. На фиг. 8 приведены осциллограммы фазных токов активного выпрямителя для прототипа, подтверждающие вышесказанное. To compare the claimed control system (Fig. 1) and the control system that was used in the prototype, it was simulated (prototype) in the Matlab Simulink software environment. Recall that in the prototype in the voltage regulation channel, a direct and negative sequence voltage isolation unit is used. It was previously noted that this block introduces a time delay of up to 0.01 s, or at best up to 0.005 s, in the generation of the control signal. At the same time, at the moment of the appearance of asymmetry, a surge of one of the phase currents of a three-phase three-level active rectifier is observed, which can exceed the rated current by 2 times or more, which leads to the operation of the current protection of the known device (prototype) and its shutdown. The asymmetry of the phase currents for the prototype, as well as an increase in the amplitude of the voltage fluctuation on the DC link capacitors above the maximum permissible value, leads to the operation of the protection of the known device for the rectified voltage and its shutdown. FIG. 8 shows oscillograms of the phase currents of the active rectifier for the prototype, confirming the above.
Сравнивая осциллограммы бросков тока выпрямителя заявляемой системы (фиг. 7,а) и известной системы (прототип) (фиг. 8,а) можно сделать вывод, что в переходном режиме от 0,2 с до 0,23 с броски тока в заявляемой системе управления существенно меньше и не превышают допустимые значения , здесь .Comparing the oscillograms of the inrush current of the rectifier of the claimed system (Fig. 7, a) and the known system (prototype) (Fig. 8, a) it can be concluded that in the transient mode from 0.2 s to 0.23 s, the inrush current in the claimed control system is significantly less and does not exceed the permissible values , here ...
Моделирование показало (фиг. 7,б), что для рассматриваемого режима работы устройства наблюдается отклонение напряжения (снижение ) на конденсаторах звена постоянного тока 38 от заданного значения Однако указанное отклонение не превышает 5% от , что соответствует допустимому значению. В течение времени переходного процесса от до с можно считать, что происходит восстановление напряжения до заданного значения . Simulation showed (Fig. 7, b) that for the considered operating mode of the device, a voltage deviation is observed (decrease ) on the capacitors of the DC link 38 from the set value However, the indicated deviation does not exceed 5% of , which corresponds to the valid value. During the transient time from before c we can assume that there is a voltage recovery to the set value ...
Таким образом, благодаря заявляемой системе управления (фиг. 1) основные параметры активного выпрямителя 5 – входные токи (фиг. 3, фиг. 7) и напряжение звена постоянного тока (фиг. 2, фиг. 7) в течение времени переходного процесса не превышают предельно-допустимых значений.Thus, thanks to the claimed control system (Fig. 1), the main parameters of the
Третий режим – работа устройства в установившемся режиме при несимметричном напряжении источника питания 3. The third mode is the operation of the device in a steady state with an unbalanced voltage of the
Рассматриваемый режим работы устройства непродолжительный, так как провал напряжения кратковременный длительностью не более 0,5 с. Однако этот режим работы устройства также представляет интерес.The considered operating mode of the device is short-lived, since the voltage dip is short-term with a duration of no more than 0.5 s. However, this mode of operation of the device is also of interest.
На фиг. 7 этому режиму работы активного выпрямителя соответствует интервал времени от 0,23 с до 0,25 с.FIG. 7 this mode of operation of the active rectifier corresponds to a time interval from 0.23 s to 0.25 s.
Ранее описанные каналы регулирования по отклонению и по сетевому напряжению продолжают свою работу, как и во время переходного процесса, а сигнал управления формирует на входе активного выпрямителя 35 напряжение требуемой формы, которое ограничивает броски его фазных токов.The previously described control channels for deviation and for mains voltage continue to work, as during the transient process, and the control signal generates at the input of the active rectifier 35 a voltage of the required form, which limits the inrush of its phase currents.
Для рассматриваемого режима работы, как и в предыдущем переходном режиме, зависимость коэффициента модуляции (фиг. 7,в), а также зависимость содержат переменные составляющие, которые обусловлены обратной последовательностью напряжения в составе сетевого напряжения. Амплитудное значение переменной составляющей составляет от уровня заданного значения , что подтверждает высокие показатели качества регулирования и надежность заявляемой системы управления.For the considered mode of operation, as in the previous transient mode, the dependence of the modulation coefficient (Fig. 7, c), as well as the dependence contain variable components that are due to the reverse voltage sequence in the mains voltage. The amplitude value of the variable component is from the setpoint level , which confirms the high quality of regulation and the reliability of the claimed control system.
Моделирование показало, что при неизменной нагрузке 4 (фиг. 1) высоковольтного преобразователя частоты 1 и сохранении задающих сигналов активного выпрямителя (фиг. 3) на прежнем уровне амплитудные значения его фазных токов (фиг. 7,а) увеличены и равны , и . Simulation showed that with a constant load 4 (Fig. 1) of a high-
При номинальном значении тока активного выпрямителя несимметрия его фазных токов не превышает 2,5%, что также подтверждает высокие показатели качества регулирования и надежность заявляемой системы управления.At rated current of the active rectifier the asymmetry of its phase currents does not exceed 2.5%, which also confirms the high performance of regulation and the reliability of the claimed control system.
Сравнивая осциллограммы тока выпрямителя заявляемой системы (фиг. 7,а) и известной системы (прототип) (фиг. 8,б) можно сделать вывод, что в переходном и установившемся режиме несимметрия фазных токов прототипа достигает 40% и более, что подтверждает низкие показатели качества регулирования и низкую надежность системы управления прототипа.Comparing the oscillograms of the rectifier current of the inventive system (Fig. 7, a) and the known system (prototype) (Fig. 8, b), we can conclude that in the transient and steady-state mode, the phase current asymmetry of the prototype reaches 40% or more, which confirms the low rates quality regulation and low reliability of the prototype control system.
Таким образом, заявляемое устройство управления повышает надежность работы трехфазных трехуровневых активных выпрямителей напряжения высоковольтного преобразователя частоты при кратковременном несимметричном провале напряжения трехфазного источника питания. Благодаря усовершенствованной системе управления активными выпрямителями напряжения ограничивается увеличение фазных токов выпрямителей при кратковременном несимметричном провале напряжения трехфазного источника питания, а также ограничивается размах колебания напряжения на конденсаторах звена постоянного тока активных выпрямителей в пределах допустимых значений. Кроме того, благодаря введению фильтров нижних частот в систему управления повышается коэффициент полезного действия активных выпрямителей и надежность работы высоковольтного преобразователя частоты в целом.Thus, the inventive control device increases the reliability of the operation of three-phase three-level active voltage rectifiers of a high-voltage frequency converter with a short-term asymmetrical voltage dip of a three-phase power supply. Thanks to the improved control system of active voltage rectifiers, the increase in the phase currents of the rectifiers during a short-term asymmetrical voltage drop of a three-phase power supply is limited, and the swing of the voltage fluctuations on the DC link capacitors of active rectifiers is limited within the permissible values. In addition, due to the introduction of low-pass filters into the control system, the efficiency of active rectifiers and the reliability of the operation of the high-voltage frequency converter as a whole are increased.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020120344A RU2734554C1 (en) | 2020-06-19 | 2020-06-19 | Device for control of three-phase three-level active voltage rectifiers |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020120344A RU2734554C1 (en) | 2020-06-19 | 2020-06-19 | Device for control of three-phase three-level active voltage rectifiers |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2734554C1 true RU2734554C1 (en) | 2020-10-20 |
Family
ID=72940303
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020120344A RU2734554C1 (en) | 2020-06-19 | 2020-06-19 | Device for control of three-phase three-level active voltage rectifiers |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2734554C1 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6072707A (en) * | 1998-10-23 | 2000-06-06 | Siemens Power Transmission & Distribution, Inc. | High voltage modular inverter |
RU2529180C1 (en) * | 2013-04-11 | 2014-09-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН") | Twelve-phase step-up autotransformer voltage converter |
RU157682U1 (en) * | 2015-03-25 | 2015-12-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" | HIGH POWER HIGH POWER FREQUENCY CONVERTER WITH ACTIVE RECTIFIERS |
RU159416U1 (en) * | 2015-04-15 | 2016-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" | HIGH POWER HIGH POWER FREQUENCY CONVERTER |
RU161102U1 (en) * | 2015-07-03 | 2016-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" | THREE PHASE ACTIVE VOLTAGE RECTIFIER |
RU2699374C1 (en) * | 2018-07-31 | 2019-09-05 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" | Device for control of high-voltage frequency converter |
-
2020
- 2020-06-19 RU RU2020120344A patent/RU2734554C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6072707A (en) * | 1998-10-23 | 2000-06-06 | Siemens Power Transmission & Distribution, Inc. | High voltage modular inverter |
RU2529180C1 (en) * | 2013-04-11 | 2014-09-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН") | Twelve-phase step-up autotransformer voltage converter |
RU157682U1 (en) * | 2015-03-25 | 2015-12-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" | HIGH POWER HIGH POWER FREQUENCY CONVERTER WITH ACTIVE RECTIFIERS |
RU159416U1 (en) * | 2015-04-15 | 2016-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" | HIGH POWER HIGH POWER FREQUENCY CONVERTER |
RU161102U1 (en) * | 2015-07-03 | 2016-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" | THREE PHASE ACTIVE VOLTAGE RECTIFIER |
RU2699374C1 (en) * | 2018-07-31 | 2019-09-05 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова" | Device for control of high-voltage frequency converter |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Храмшин Т.Р., Крубцов Д.С., Корнилов Г.П. Методы широтно-импульсной модуляции мощных активных выпрямителей при несимметрии напряжения. Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. 2014. Том 2, N4. С. 7 - 13. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2811641A1 (en) | Controlling the operation of an converter having a plurality of semiconductor switches for converting high power electric signals from DC to AC or from AC to DC | |
Zhao et al. | Robust control parameters design of PBC controller for LCL-filtered grid-tied inverter | |
JP5184153B2 (en) | Single-phase voltage type AC / DC converter and control method for single-phase voltage type AC / DC converter circuit | |
Kashif et al. | Design and implementation of a three-level active power filter for harmonic and reactive power compensation | |
Ma et al. | Modeling and direct power control method of Vienna rectifiers using the sliding mode control approach | |
Wang et al. | Analysis and compensation of the system time delay in an MMC system | |
Fahmy et al. | A four leg shunt active power filter predictive fuzzy logic controller for low-voltage unbalanced-load distribution networks | |
CN111030131B (en) | MMC-STATCOM circulating current suppression device based on negative sequence virtual impedance | |
JP5580377B2 (en) | Static reactive power compensator and voltage control method | |
RU2734554C1 (en) | Device for control of three-phase three-level active voltage rectifiers | |
RU2741061C1 (en) | Multi-level active filter control system | |
Hazem et al. | Performance and control of a back to back MMC-HVDC for asynchronous ac networks interconnection | |
KR20160025070A (en) | Apparatus for eliminating harmonics of hvdc system and method thereof | |
CN111525551B (en) | Target control method and system for rectifier under unbalanced power grid voltage | |
RU195453U1 (en) | MULTILEVEL DEVICE FOR COMPENSATION OF REACTIVE POWER AND SUPPRESSION OF HIGH HARMONIC CURRENT | |
JP5616411B2 (en) | Single-phase voltage type AC / DC converter | |
Biel et al. | Control strategy for parallel-connected three-phase inverters | |
Vechalapu et al. | Modular multilevel converter based medium voltage DC amplifier for ship board power system | |
Nishikawa et al. | Uninterrupted Switching based on VSG Control between Grid-connected and Stand-alone Operation of Single-Phase Grid-Tied Inverter | |
Morales et al. | Control design of a neutral point clamped converter based active power filter for the selective harmonic compensation | |
Bouzidi et al. | Backstepping-Direct power control of three-level four-leg shunt active power filter | |
JP5616412B2 (en) | Single-phase voltage type AC / DC converter | |
Elnady | Newly Developed First-order Sliding Mode of Power and Voltage Control for the Diode-clamped Multilevel Inverter | |
Ahmad et al. | System Design and Control of VSC based HVDC System and its Performance Evaluation | |
WO2014050934A1 (en) | Single-phase voltage type ac-dc converter |