RU2741061C1

RU2741061C1 - Система управления многоуровневым активным фильтром

Info

Publication number: RU2741061C1
Application number: RU2020119491A
Authority: RU
Inventors: Тимур Рифхатович Храмшин; Рифхат Рамазанович Храмшин; Геннадий Петрович Корнилов; Ильдар Равильевич Абдулвелеев
Priority date: 2020-06-11
Filing date: 2020-06-11
Publication date: 2021-01-22

Abstract

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в силовых высоковольтных системах питания с мощными управляемыми выпрямительными установками, например, для дуговой печи постоянного тока. Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в улучшении показателей качества электрической энергии в электрической сети дуговой печи постоянного тока на всех стадиях технологического процесса печи, а также повышение коэффициента полезного действия и надежности работы системы электроснабжения. Техническая проблема решается тем, что система управления многоуровневым активным фильтром снабжена блоком фазовой автоподстройки частоты (10), первой (11), второй (12), третьей (13) и четвертой (14) подсистемами управления, блоком широтно-импульсных модуляторов (15), первым (16) и вторым (17) широтно-импульсными модуляторами, а также блоком выбора подсистемы управления (18). Заявляемая система управления имеет переключающуюся структуру, особенностью которой является выбор одного из двух вариантов регулирования: с подавлением гармоник в заданном частотном диапазоне или с избирательным подавлением пятой и седьмой гармоник в зависимости от стадии технологического процесса дуговой печи постоянного тока. Это обеспечивает низкий суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения электрической сети на всех стадиях технологического процесса печи, т.е. улучшает показатели качества электрической энергии. Кроме того, повышается коэффициент полезного действия и надежность работы электротехнического комплекса «питающая сеть – дуговая печь постоянного тока – многоуровневый активный фильтр». 1 табл., 9 ил.

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в силовых высоковольтных системах питания с мощными управляемыми выпрямительными установками, например, для дуговой печи постоянного тока.

Известен способ стабилизации электросети от колебаний реактивной нагрузки и устройство для компенсации реактивной нагрузки, содержащее, по меньшей мере, одну установку с изменяющейся реактивной мощностью (дуговая печь постоянного тока), по меньшей мере, одну фильтрующую ветвь с емкостной реактивной мощностью, по меньшей мере, один компенсатор реактивной мощности, один задатчик переменного тока, регулятор фазового угла, один преобразователь общей силы тока, сумматор, первый и второй функциональные датчики, регулятор тока (см. патент РФ №2126580, Н02J 3/18).

Недостатками известного способа и устройства, который принят за аналог, являются его неудовлетворительные показатели качества электрической энергии и невысокий коэффициент полезного действия электротехнического комплекса «питающая сеть - дуговая печь постоянного тока - компенсатор реактивной мощности».

Неудовлетворительные показатели качества электрической энергии обусловлены тем, что применение одной (двух) фильтрующей ветви 4 (4 и 4’) с емкостной реактивной мощностью явно недостаточно. Известно, что классическим решением улучшения гармонического состава сетевого тока дуговой печи постоянного тока (ДППТ) является установка, как минимум, пяти фильтрокомпенсирующих устройств. Наиболее эффективный комплект фильтров для работы ДППТ включает в себя фильтры 2-й, 3-й, 4-й, 5-й и 7-й гармоник. Данный вариант выбора фильтров и обоснованное распределение между ними реактивных мощностей позволяет охватить как неканонические гармоники (2-я, 3-я, 4-я), так и канонические гармоники (5-я и 7-я), не вызывая при этом значительных пиков параллельных резонансов между фильтрами и не усиливая интергармонические составляющие. Однако следует отметить, что средствами пассивной фильтрации не удается обеспечить нормально допустимые показатели качества на всех стадиях технологического процесса работы ДППТ.

В известном устройстве суммарные коэффициенты гармонических составляющих напряжения и тока на всех стадиях технологического процесса дуговой печи явно превышают, не только нормально допустимые уровни, но и предельно допустимые уровни, что снижает показатели качества электрической энергии электротехнического комплекса «питающая сеть - дуговая печь постоянного тока - компенсатор реактивной мощности».

Кроме того, неотфильтрованные гармоники тока, протекая по обмоткам трансформатора, реактора, вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости приводят к увеличению активного сопротивления обмоток указанных устройств и, как следствие, к дополнительному их нагреву и уменьшению срока их службы. Таким образом, присутствие высших гармоник токов в устройствах передачи электрической энергии снижает коэффициент полезного действия и надежность работы системы электроснабжения.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является система управления многоуровневым активным фильтром, содержащая трехфазный многоуровневый активный фильтр (МАФ), вход которого через трехфазный реактор и первый трехфазный датчик тока подключен к точке соединения выхода трехфазного источника питания и входа второго трехфазного датчика тока, выход последнего подключен к выпрямительной нагрузке, измерительные выходы первого и второго датчиков тока подключены соответственно к первому и второму входам системы управления, к третьему входу указанной системы подключен выход датчика трехфазного напряжения, вход которого подключен к выходу трехфазного источника питания, четвертый вход системы управления по шине данных подключен к информационному выходу трехфазного МАФ, управляющий вход указанного фильтра по шине управления подключен к выходу системы управления, пятый вход системы управления подключен к задатчику напряжения на конденсаторах звеньев постоянного тока МАФ (см. патент РФ №195453, Н02J 3/18).

Недостатками известного устройства, который принят за прототип, являются его неудовлетворительные показатели качества электрической энергии и невысокий коэффициент полезного действия электротехнического комплекса «питающая сеть - дуговая печь постоянного тока - многоуровневый активный фильтр».

Неудовлетворительные показатели качества обусловлены тем, что в прототипе отсутствуют обоснованные рекомендации по исполнению системы управления многоуровневым активным фильтром. В известном устройстве отмечается, что для дуговой печи постоянного тока можно рекомендовать один из двух вариантов исполнения системы управления: первый - с подавлением гармоник в заданном частотном диапазоне; второй вариант - с избирательным подавлением 5-й и 7-й гармоник. Применение только первого или только второго вариантов исполнения системы управления МАФ для всех стадий технологического процесса дуговой печи может привести к тому, что на отдельных стадиях суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения будет выходить за допустимые уровни. Это означает, что показатели качества электрической энергии в электрических сетях дуговой печи постоянного тока на этих стадиях технологического процесса печи будут неудовлетворительными. Кроме того, на указанных стадиях существенно снижаются коэффициент полезного действия и надежность работы системы электроснабжения.

Техническая проблема, решаемая заявляемой системой управления, заключается в улучшении показателей качества электрической энергии в электрической сети дуговой печи постоянного тока на всех стадиях технологического процесса печи, а также повышение коэффициента полезного действия и надежности работы системы электроснабжения.

Технический результат, заключается в построении системы управления многоуровневым активным фильтром с переключающейся структурой, особенностью которой является выбор одного из двух вариантов регулирования: с подавлением гармоник в заданном частотном диапазоне или с избирательным подавлением пятой и седьмой гармоник в зависимости от стадии технологического процесса дуговой печи постоянного тока. Это обеспечивает низкий суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения электрической сети на всех стадиях технологического процесса печи, т.е. улучшает показатели качества электрической энергии. Кроме того, повышается коэффициент полезного действия и надежность работы электротехнического комплекса «питающая сеть - дуговая печь постоянного тока - многоуровневый активный фильтр».

Поставленная задача решается тем, что система управления многоуровневым активным фильтром, содержащая трехфазный многоуровневый активный фильтр, вход которого через трехфазный реактор и первый трехфазный датчик тока подключен к точке соединения выхода трехфазного источника питания и входа второго трехфазного датчика тока, выход последнего подключен к выпрямительной нагрузке, измерительные выходы первого и второго датчиков тока подключены соответственно к первому и второму входам системы управления, к третьему входу указанной системы подключен выход датчика трехфазного напряжения, вход которого подключен к выходу трехфазного источника питания, четвертый вход системы управления по шине данных подключен к информационному выходу трехфазного многоуровневого активного фильтра, управляющий вход указанного фильтра по шине управления подключен к выходу системы управления, пятый вход системы управления подключен к задатчику напряжения на конденсаторах звеньев постоянного тока многоуровневого активного фильтра, согласно изобретению, система управления, снабжена блоком фазовой автоподстройки частоты, первой, второй, третьей и четвертой подсистемами управления многоуровневым активным фильтром, блоком широтно-импульсных модуляторов, первым и вторым широтно-импульсными модуляторами, а также блоком выбора подсистемы управления, вход блока фазовой автоподстройки частоты подключен к третьему входу системы управления, первый выход блока фазовой автоподстройки частоты подключен к первому входу первой подсистемы управления и к первому входу второй подсистемы управления многоуровневым активным фильтром, второй и третий выходы блока фазовой автоподстройки частоты подключены соответственно к первому входу третьей подсистемы и к первому входу четвертой подсистемы управления многоуровневым активным фильтром, вторые и третьи входы всех подсистем управления подключены соответственно ко второму и к первому входам системы управления, четвертые и пятые входы всех подсистем управления подключены соответственно к пятому и к четвертому входам системы управления, шестые входы второй, третьей и четвертой подсистем управления подключены к выходу блока выбора подсистемы управления, вход которого подключен ко второму входу системы управления, выход первой подсистемы управления через шину управления подключен к блоку широтно-импульсных модуляторов, выход второй подсистемы управления через шину управления подключен к первому входу первого и к первому входу второго широтно-импульсных модуляторов, выходы третьей и четвертой подсистем управления через шины управления подключены соответственно ко второму входу первого и ко второму входу второго широтно-импульсных модуляторов, выход блока широтно-импульсных модуляторов, а также выходы первого и второго широтно-импульсных модуляторов через шины управления подключены к выходу системы управления.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

- на фиг. 1 изображена функциональная схема системы управления многоуровневым активным фильтром;

- на фиг. 2 изображена функциональная схема многоуровневого активного фильтра;

- на фиг. 3 изображены гармонические частотные (а) и обобщенные (б) спектры напряжений и токов на стадии прорезки;

- на фиг. 4 изображены гармонические частотные (а) и обобщенные (б) спектры напряжений и токов на стадии плавления;

- на фиг. 5 изображены гармонические частотные (а) и обобщенные (б) спектры напряжений и токов на стадии окисления;

- на фиг. 6 изображена структурная схема первой подсистемы управления многоуровневым активным фильтром;

- на фиг. 7 изображена структурная схема второй подсистемы управления многоуровневым активным фильтром;

- на фиг. 8 изображена структурная схема третьей подсистемы управления многоуровневым активным фильтром;

- на фиг. 9 изображена структурная схема четвертой подсистемы управления многоуровневым активным фильтром.

Заявляемая система управления (фиг. 1) многоуровневым активным фильтром, содержит трехфазный многоуровневый активный фильтр 1, вход которого через трехфазный реактор 2 и первый трехфазный датчик тока 3 подключен к точке соединения выхода трехфазного источника питания 4 и входа второго трехфазного датчика тока 5. Выход последнего подключен к выпрямительной нагрузке 6. Измерительные выходы первого 3 и второго 5 датчиков тока подключены соответственно к первому и второму входам системы управления 7. К третьему входу указанной системы подключен выход датчика трехфазного напряжения 8, вход которого подключен к выходу трехфазного источника питания 4. Четвертый вход системы управления 7 по шине данных подключен к информационному выходу трехфазного многоуровневого активного фильтра 1. Управляющий вход указанного фильтра по шине управления подключен к выходу системы управления 7. Пятый вход системы управления подключен к задатчику напряжения 9 на конденсаторах звеньев постоянного тока многоуровневого активного фильтра 1.

Система управления многоуровневым активным фильтром 7, снабжена блоком фазовой автоподстройки частоты 10, первой 11, второй 12, третьей 13 и четвертой 14 подсистемами управления многоуровневым активным фильтром, блоком широтно-импульсных модуляторов 15, первым 16 и вторым 17 широтно-импульсными модуляторами, а также блоком выбора подсистемы управления 18. Вход блока фазовой автоподстройки частоты 10 подключен к третьему входу системы управления 7. Первый выход блока фазовой автоподстройки частоты 10 подключен к первому входу первой 11 подсистемы управления и к первому входу второй 12 подсистемы управления многоуровневым активным фильтром. Второй и третий выходы блока фазовой автоподстройки частоты 10 подключены соответственно к первому входу третьей 13 и к первому входу четвертой 14 подсистемы управления многоуровневым активным фильтром. Вторые и третьи входы всех подсистем управления подключены соответственно ко второму и к первому входам системы управления 7. Четвертые и пятые входы всех подсистем управления подключены соответственно к пятому и к четвертому входам системы управления 7. Шестые входы второй 12, третьей 13 и четвертой 14 подсистем управления подключены к выходу блока выбора подсистемы управления 18, вход которого подключен ко второму входу системы управления. Выход первой подсистемы управления 11 через шину управления подключен к блоку широтно-импульсных модуляторов 15. Выход второй подсистемы управления 12 через шину управления подключен к первому входу первого 16 и к первому входу второго 17 широтно-импульсных модуляторов. Выходы третьей 13 и четвертой 14 подсистем управления через шины управления подключены соответственно ко второму входу первого 16 и ко второму входу второго 17 широтно-импульсных модуляторов. Выход блока широтно-импульсных модуляторов 15, а также выходы первого 16 и второго 17 широтно-импульсных модуляторов через шины управления подключены к выходу системы управления 7.

Система управления 7 (фиг. 1) многоуровневым активным фильтром 1 может быть выполнена на базе специализированного микроконтроллера, имеющего периферийные устройства, процессор, ОЗУ и ПЗУ.

Дадим краткое описание трехфазного многоуровневого активного фильтра 1 (фиг. 2), который, также как и в прототипе, содержит три одинаковых однофазных компенсатора реактивной мощности и подавления высших гармоник тока 19, 20 и 21, соединенных в звезду. Каждый однофазный компенсатор содержит основную 22 и дополнительную 23 группы модулей, которые соединены последовательно. Выход основной группы модулей 22 каждого однофазного компенсатора подключен к нейтральной точке соединения звезда. Вход дополнительной группы модулей 23 каждого однофазного компенсатора подключен к соответствующему входу

,

трехфазного МАФ 1. Основная группа модулей 22 содержит десять последовательно соединенных одинаковых модулей инверторов напряжения 1-й, 2-й, 3-й, … 10-й на базе полностью управляемых тиристорных ключей. Дополнительная группа модулей 23 содержит два последовательно соединенных одинаковых модуля инверторов напряжения 11-й и 12-й на базе транзисторных ключей. Информационные выходы всех модулей инверторов по шине данных подключены к информационному выходу трехфазного МАФ. Управляющие входы всех модулей инверторов по шине управления подключены к управляющему входу трехфазного МАФ.

Однофазные компенсаторы 19, 20 и 21 выполняют две функции, во-первых компенсацию реактивной мощности, т.е. снижение практически до нуля реактивного тока потребляемого выпрямительной нагрузкой 6 из питающей сети 4, а во-вторых подавление высших гармоник сетевого тока, которые генерирует нагрузка 6. В заявляемом устройстве в качестве нагрузки рассматривается дуговая печь постоянного тока. Более подробно работа многоуровневого активного фильтра была описана авторами в патенте РФ № 195453 .

Отметим особенности работы дуговой печи постоянного тока и ее влияние на показатели качества электрической энергии в электрических сетях.

Классическим вариантом исполнения источника питания ДППТ является использование 6- или 12-пульсной схемы выпрямления на базе трехфазных мостовых тиристорных выпрямителей. Каждый выпрямительный мост через сглаживающий реактор питает подовый металлический электрод (анод), а подвижный графитовый электрод является катодом. Напряжение и ток дуги регулируются изменением положения подвижного электрода, а также изменением угла управления тиристорного выпрямителя.

Из литературных источников известно, что при работе ДППТ в сетевом токе присутствуют не только канонические гармоники 5-я, 7-я, 11-я и 13-я, определяемые пульсностью схемы питания, но и неканонические гармоники 2-я, 3-я, 4-я, а также интергармоники, появление которых связано с нестационарным характером процесса горения дуги. Указанные гармоники, как ранее отмечалось, увеличивают суммарные коэффициенты гармонических составляющих напряжения и тока, т.е. снижают показатели качества электрической энергии электротехнического комплекса «питающая сеть - дуговая печь постоянного тока».

Для фильтрации гармоник в широком частотном диапазоне параллельно ДППТ подключают четыре и более пассивных

фильтра, что приводит к значительному усилению некоторых гармонических и интергармонических составляющих вследствие появления параллельных резонансов с импедансом сети.

Кроме того, известно, что величины реактивной и активной мощности при работе ДППТ соизмеримы, а амплитуды канонических и неканонических гармоник в сетевом токе могут достигать 15-20% от основной гармоники.

Содержание интергармонических составляющих в сетевом токе ДППТ вносит значительный вклад в результирующие значения показателей суммарного коэффициента гармонических составляющих сетевого тока

и напряжения

, которые отражают показатели качества электрической энергии в сетях дуговой печи постоянного тока. Наибольшее влияние интергармоник на результирующее искажение тока происходит на первой стадии - проплавления колодцев (прорезки), когда их доля соизмерима, или даже превышает долю канонических составляющих.

На протяжении всей плавки, которая включает три стадии технологического процесса «прорезка - плавление - окисление» происходит перераспределение удельного веса отдельных высших гармоник в общем искажении синусоидальности сетевого тока. Если на стадиях прорезки и плавления амплитуды неканонических 2-й, 3-й, 4-й гармоник весьма значительны и даже превышают значения 5-й и 7-й гармоник, то на конечной стадии (окисление) складывается обратная картина и

определяется главным образом только содержанием канонических 5-й, 7-й и 11-й гармоник.

На фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5 приведены примеры воздействия ДППТ на питающую сеть на соответствующих стадиях технологического процесса прорезка, плавление и окисление.

Гармонические частотные спектры фиг. 3,а, фиг.4,а и фиг. 5,а содержат большое количество интергармонических составляющих значительной амплитуды, затрудняющих их анализ. В связи с этим принято рассматривать обобщенные гармонические спектры фиг. 3б, фиг.4б и фиг. 5б, где интергармоники учтены в составе гармоник, кратных основной частоте согласно методике, представленной в ГОСТ 30804.4.7-2013 Общее руководство по средствам измерений и измерениям гармоник и интергармоник для систем электроснабжения и подключаемых к ним технических средств. М.: Стандартинформ, 2013. - 39 с.

Учитывая все вышеизложенное, в заявляемой системе управления 7 многоуровневым активным фильтром 1 дуговой печи постоянного тока 6 реализовано два принципа подавления высших гармоник сетевого напряжения. На стадиях технологического процесса «прорезка» и «плавление» используется принцип подавления гармоник в заданном диапазоне частот, а на стадии «окисление» - принцип с избирательным подавлением высших гармоник.

Дадим краткую характеристику блокам системы управления 7, которые изображены на фиг. 1. Отметим, что работа системы управления 7 организована во вращающейся ортогональной системе координат

, ориентированной по вектору напряжения сети

.

Блок фазовой автоподстройки частоты 10 формирует три фазовых угла

,

и

для пространственных векторов соответственно основной, пятой и седьмой гармоник напряжения питающей сети. Указанные фазовые углы обеспечивают точную синхронизацию формируемых сигналов управления в заявляемой системе относительно основной, пятой и седьмой гармоник напряжения питающей сети. Выбор 5 и 7 гармоник обусловлен тем, что в источниках питания ДППТ с 6-пульсной схемой выпрямления уровни указанных гармоник значительны.

Первая подсистема управления 11 (фиг. 1) многоуровневым активным фильтром, формирует задающие сигналы напряжения для блока широтно-импульсных модуляторов 15. Указанный блок, в свою очередь, формирует тридцать сигналов управления

;

; …

, которые управляют ключами тридцати инверторов напряжения трех основных групп модулей 22 (фиг. 2) многоуровневого активного фильтра 1. Ранее упоминалось, что каждый из трех однофазных компенсаторов 19, 20 и 21 содержит десять модулей в основной группе 22 и два модуля в дополнительной группе 23. Отметим, что благодаря 1-у, 2-у, 3-у … 10-у модулям, на которые подаются сигналы управления

;

; …

, многоуровневый активный фильтр 1 формирует напряжение, которое приложено к выходным зажимам трехфазного реактора 2. При этом к входным зажимам реактора 2 приложено напряжение нагрузки 6. В результате воздействия указанных напряжений через реактор 2 протекает реактивный ток в противофазе с реактивным током нагрузки 6, т.е. осуществляется компенсация реактивной мощности нагрузки, что повышает коэффициент полезного действия и надежность работы системы электроснабжения ДППТ.

Вторая подсистема управления 12, формирует задающие сигналы напряжения для первого 16 и второго 17 широтно-импульсных модуляторов. Каждый модулятор формирует по три сигнала управления соответственно

и

, которые управляют ключами шести инверторов напряжения дополнительно группы модулей 23 многоуровневого активного фильтра 1. Отметим, что благодаря сигналам управления

и

, которые подаются соответственно на 11-й и 12-й модули МАФ 1 осуществляется подавление высших гармоник сетевого тока в заданном диапазоне частот. Таким образом, вторая подсистема управления 12 улучшает показатели качества электрической энергии в электрических сетях ДППТ, а также повышает коэффициент полезного действия и надежность работы системы электроснабжения.

Третья подсистема управления 13 формирует задающие сигналы напряжения для первого широтно-импульсного модулятора 16, который формирует сигналы управления

. Благодаря указанным сигналам, 11-й модуль МАФ 1 осуществляет подавление 5-ой гармоники сетевого тока, т.е. избирательное подавление. Таким образом, третья подсистема управления 13 улучшает показатели качества электрической энергии в электрических сетях ДППТ, а также повышает коэффициент полезного действия и надежность работы системы электроснабжения.

Четвертая подсистема управления 14 формирует задающие сигналы напряжения для второго 17 широтно-импульсного модулятора, который формирует сигналы управления

. Благодаря указанным сигналам, 12-й модуль МАФ 1 осуществляет подавление 7-ой гармоники сетевого тока, т.е. избирательное подавление. Таким образом, четвертая подсистема управления 14 улучшает показатели качества электрической энергии в электрических сетях ДППТ, а также повышает коэффициент полезного действия и надежность работы системы электроснабжения.

Отметим, что существуют два режима работы заявляемой системы управления многоуровневым активным фильтром. Первый режим - работают вместе первая 11 и вторая 12 подсистемы управления МАФ, второй режим - работают вместе первая 11, третья 13 и четвертая 14 подсистемы управления МАФ. Блок выбора подсистемы управления 18 по гармоническому составу тока нагрузки

выбирает, в каком режиме будет работать заявляемая система управления многоуровневым активным фильтром.

Дадим краткое описание и назначение всех блоков, которые входят в состав четырех подсистем управления 11, 12, 13 и 14 (фиг. 1) многоуровневым активным фильтром 1.

Первая подсистема управления 11 (фиг. 1), как ранее отмечалось, совместно с блоком широтно-импульсных модуляторов 15 формирует сигналы управления

;

; …

, которые подаются соответственно на 1-й, 2-й, 3-й … 10-й модули многоуровневого активного фильтра 1. Указанные модули осуществляют компенсацию реактивной мощности нагрузки в питающей сети. Подробно процесс компенсации был описан авторами в прототипе, патент РФ № 195453.

Входными сигналами для первой подсистемы управления 11 (фиг. 1, фиг. 6) являются:

- фазовый угол пространственного вектора основной гармоник напряжения питающей сети;

- ток нагрузки;

- ток многоуровневого активного фильтра;

- заданное значение напряжения на конденсаторах звеньев постоянного тока основной группы модулей многоуровневого активного фильтра 1;

- текущее значение напряжения на выше указанных конденсаторах.

Блоки 24 и 25 (фиг. 6) в 1-й подсистеме управления осуществляют преобразование мгновенных значений токов многоуровневого активного фильтра

и мгновенных значений токов нагрузки

из неподвижной системы координат abc в соответствующие составляющие токи фильтра

и токи нагрузки

во вращающейся системе координат dq на частоте

основной гармоники напряжения сети. Отметим, что токи

и

отображают активные составляющие токов многоуровневого активного фильтра и нагрузки, а токи

и

, соответственно, их реактивные составляющие. Заметим, что токи фильтра

и нагрузки

содержат соответственно составляющие первых гармоник токов

и

, значения которых во введенной вращающейся системе координат dq остаются постоянными. Кроме того, указанные токи содержат высокочастотные составляющие

и

.

На фиг. 6 фильтры нижних частот 26, 27 и 28 выделяют составляющую первой гармоники сигналов многоуровневого активного фильтра

и нагрузки

. В качестве фильтров нижних частот в заявляемой системе управления используются фильтры с конечной импульсной характеристикой, работающие по принципу выделения скользящего среднего. Отметим, что сигналы

являются сигналами обратной связи.

На фиг. 6 блок инвертирования 29 из сигнала

формирует задающий сигнал

для компенсации реактивной мощности нагрузки по каналу регулирования q. Ранее отмечалось, что эту функцию выполняет компенсатор на базе десяти модулей 1-й, 2-й, 3-й … 10-й основной группы 22 в каждой фазе многоуровневого активного фильтра 1.

Заметим, что кроме сигнала задания

для канала регулирования q в заявляемой системе управления для d канала формируется сигнал задания активной составляющей тока

(фиг. 6), который несет информацию о потерях активной мощности на реакторе 2 (фиг. 1) и на силовых ключах 30-ти модулей МАФ.

Поддержание заданного напряжения

на всех конденсаторах 30-ти звеньев постоянного тока основной группы модулей 22 осуществляется за счет регулирования активной составляющей тока

. Этот сигнал

(фиг. 6) формируется на выходе первого пропорционально-интегрального регулятора напряжения 30, на вход которого поступает сигнал ошибки

с выхода первого блока вычитания 31. Регулятор напряжения 30 обеспечивает астатическое регулирование напряжения

. Отметим, что цифра 30 (

) указывает общее количество модулей в основной группе МАФ (по десять в каждой фазе). Напряжение задания

, формируемое на выходе блока пропорциональности 32 с коэффициентом 30 подается на первый вход первого блока вычитания 31. На вход блока пропорциональности 32 подается заданное значение напряжения

на конденсаторах звеньев постоянного тока основной группы модулей МАФ 1. На второй вход блока вычитания 31 подается напряжение обратной связи

, которое формируется на выходе первого сумматора 33. На входы сумматора 33 поступают тридцать сигналов

с 30-ти датчиков напряжения конденсаторов звеньев постоянного тока основной группы модулей 22 (фиг. 1).

Второй блок вычитания 34 (фиг. 6) формирует сигнал ошибки

, который равен разности сигнала задания

и сигнала обратной связи

для d канала регулирования модулями основной группы. Сигнал ошибки

подается на вход второго пропорционально-интегрального регулятора тока 35, который обеспечивает астатическое регулирование активной составляющей тока фильтра

. Выходной задающий сигнал напряжения

регулятора 35 подается на первый вход второго блока суммирования 36. На второй вход блока 36 подается сигнал

, который формирует первый блок компенсации перекрестных связей 37. Сигнал

устраняет взаимное влияние между d и q каналами регулирования.

Известно, что во вращающейся системе координат

существует перекрестное влияние реактивного тока

многоуровневого активного фильтра 1 на его активный ток

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

Выходной задающий сигнал напряжения

блока суммирования 36 подается на первый вход блока обратного преобразования координат 38 из dq в abc.

Третий блок вычитания 39 (фиг. 6) формирует сигнал ошибки

, который равен разности сигнала задания

и сигнала обратной связи

для q канала регулирования модулями основной группы. Сигнал ошибки

подается на вход третьего пропорционально-интегрального регулятора тока 40, который обеспечивает астатическое регулирование реактивной составляющей тока фильтра

. Выходной задающий сигнал напряжения

регулятора 40 подается на первый вход третьего блока суммирования 41. На второй вход блока 41 подается сигнал

, который формирует второй блок компенсации перекрестных связей 42. Сигнал

устраняет взаимное влияние между d и q каналами регулирования. Выходной задающий сигнал напряжения

третьего блока суммирования 41 подается на второй вход блока обратного преобразования координат 38.

Блок 38 (фиг. 6) осуществляет обратное преобразование задающих сигналов напряжений

для основной группы 22 модулей из вращающейся системы координат dq в задающие сигналы напряжения

в неподвижной системе координат abc основной гармоники напряжения. Отметим, что на блоки преобразования координат 24, 25 и 38 подается сигнал

, который синхронизирует работу в первой подсистеме управления 11 относительно основной частоты напряжения питающей сети.

Ранее отмечалось, что сформированные задающие сигналы напряжений

в первой подсистеме управления 11 по шине управления подаются на вход блока широтно-импульсных модуляторов 15, который формирует сигналы управления

;

; …

для 30-ти модулей основной группы МАФ. Указанные модули осуществляют компенсацию реактивной мощности нагрузки 6 в питающей сети.

Вторая подсистема управления 12 (фиг. 1), как ранее отмечалось, совместно с первым 16 и вторым 17 широтно-импульсными модуляторами формирует сигналы управления

и

, которые подаются соответственно на 11-й и 12-й модули МАФ 1. Указанные модули осуществляют подавление высших гармоник сетевого тока в заданном диапазоне частот. Подробно процесс подавления высших гармоник был описан авторами в прототипе, патент РФ № 195453 .

Входными сигналами для второй подсистемы управления 12 (фиг. 1, фиг. 7), как и для первой подсистемы 11 (фиг. 6) являются:

- фазовый угол;

- ток нагрузки;

- ток МАФ;

- заданное значение напряжения на конденсаторах;

- текущее значение напряжения на выше указанных конденсаторах, а также

- сигнал выбора подсистемы управления.

Блоки 43 и 44 (фиг. 7) во 2-й подсистеме, так же, как и блоки 24 и 25 в первой подсистеме (фиг. 6) осуществляют преобразование координат на частоте

основной гармоники напряжения сети. Токи МАФ

преобразуются в токи

, а токи нагрузки

в токи

. Ранее отмечалось, что токи

и

, значения которых в системе координат dq остаются постоянными. Кроме того, указанные токи содержат высокочастотные составляющие

и

.

На фиг. 7 фильтры верхних частот 45, 46 и 47, 48 выделяют соответственно высокочастотные составляющие сигналов многоуровневого активного фильтра

и нагрузки

. Здесь же, показано, как в фильтре 45 благодаря фильтру нижних частот 49 и первому блоку вычитания 50 из сигнала

выделяется высокочастотный сигнал

. Аналогично в фильтрах 46, 47 и 48 выделяются высокочастотные сигналы

,

и

. Отметим, что сигналы

являются сигналами обратной связи.

На фиг. 7 блоки инвертирования 51 и 52 из сигналов

формируют задающие сигналы

и

для подавления высших гармоник сетевого тока в заданном диапазоне частот. Ранее отмечалось, что эту функцию выполняют модули дополнительной группы 23 (фиг. 1) МАФ 1.

Кроме двух вышеуказанных задающих сигналов

,

, во второй подсистеме управления 12 на выходе ПИ регулятора напряжения 53 (фиг. 7) формируется еще один задающий сигнал

для d канала регулирования активной составляющей тока дополнительной 23 группы модулей. Дадим пояснения о назначении этого дополнительного задающего сигнала

.

Ранее отмечалось, что основной задачей 11-го и 12-го модуля (фиг. 2) является генерация напряжения, содержащего набор высокочастотных гармоник 2, 3, 4, 5 и 7-ой (при управлении в заданном диапазоне частот) или только 5 и 7-ой гармоник (при избирательном подавлении). Под действием этого напряжения через реактор 2 будут протекать токи высших гармоник, которые вызовут дополнительные потери активной мощности в реакторе. Для покрытия этих потерь трехфазный источник питания 4 должен отдавать часть своей энергии 11-му и 12-му модулю МАФ 1, которая будет поддерживать напряжения на конденсаторах указанных модулей на уровне

. Считая, что напряжение сети содержит только основную (первую) гармонику, для потребления указанной мощности из сети 4 необходимо создать ток тоже первой гармоники.

Если напряжение на зажимах 11-го (12-го) модуля не содержит первой гармоники, то конденсатор (на рисунке не обозначен) в звене постоянного тока модуля будет разряжаться, так как запасенная энергия конденсатора будет расходоваться на покрытие потерь в реакторе 2 на частоте пятой гармоники. Подзарядить конденсатор возможно, если в напряжении на зажимах 11-го (12-го) модуля помимо пятой гармоники напряжения будет присутствовать первая гармоника напряжения, причем фаза этой гармоники должна совпадать с фазой тока первой гармоники, протекающего через этот модуль. Отметим, что ток первой гармоники создан десятью модулями основной группы 22 (фиг. 2) - это реактивный ток (по отношению к напряжению сети).

Таким образом, для поддержания уровня напряжения на конденсаторе 11-го (12-го) модуля на уровне

необходимо на ее входных зажимах методом ШИМ создать небольшую амплитуду первой гармоники напряжения, а фазу этого напряжения сделать совпадающей с фазой тока первой гармоники. Из курса электротехники известно, что в этом случае конденсатор 11-го (12-го) модуля будет накапливать электрическую энергию, которую затем потребляет реактор 2.

Указанный дополнительный задающий сигнал

как ранее отмечалось, предназначен для формирования активной составляющей тока, который отображает потери активной мощности, выделяемой на реакторе 2 (фиг. 1) и на силовых ключах дополнительной 23 группы модулей МАФ 1. Формирование активной составляющей тока осуществляется путем поддержания напряжения на конденсаторах 6-ти звеньев постоянного тока дополнительной 23 группы модулей на уровне

. Поясним, как это осуществляется.

Дополнительный задающий сигнал

формируется на выходе пропорционально-интегрального регулятора напряжения 53, на вход которого поступает сигнал ошибки

с выхода второго блока вычитания 54. Регулятор напряжения 53 обеспечивает астатическое регулирование напряжения

. Отметим, что цифра 6 (

) указывает общее количество модулей в дополнительной 23 группе МАФ (по два в каждой фазе). Напряжение задания

, формируемое на выходе блока пропорциональности 55 с коэффициентом 6, подается на первый вход второго блока вычитания 54. На вход блока пропорциональности 55 подается заданное значение напряжения

на конденсаторах звеньев постоянного тока дополнительной группы модулей МАФ 1. На второй вход блока вычитания 54 подается напряжение обратной связи

, которое формируется на выходе сумматора 56. На входы сумматора 56 поступают шесть сигналов

с 6-ти датчиков напряжений конденсаторов звеньев постоянного тока дополнительной группы модулей 23 (фиг. 2).

Третий блок вычитания 57 (фиг. 7) формирует сигнал ошибки

, который равен разности суммы сигналов заданий

и сигнала обратной связи

для d канала регулирования модулей дополнительной группы 23. Сигнал ошибки

подается на вход первого пропорционального регулятора тока 58, который обеспечивает требуемое быстродействие отработки указанного сигнала. Выходной задающий сигнал напряжения

регулятора 58 подается на первый вход блока обратного преобразования 59.

Четвертый блок вычитания 60 (фиг. 7) формирует сигнал ошибки

, который равен разности сигнала задания

и сигнала обратной связи

для q канала регулирования модулями дополнительной группы 23. Сигнал ошибки

подается на вход второго пропорционального регулятора тока 61, который обеспечивает требуемое быстродействие отработки указанного сигнала. Выходной задающий сигнал напряжения

регулятора 61 подается на второй вход блока обратного преобразования 59.

Блок 59 (фиг. 7) осуществляет обратное преобразование задающих сигналов напряжений

для дополнительной группы модулей из вращающейся системы координат dq в соответствующие задающие сигналы напряжения

в неподвижной системе координат abc основной гармоники напряжения.

Отметим, что на блоки преобразования координат 43, 44 и 59 подается сигнал

, который синхронизирует работу второй подсистемы управления 12 относительно основной частоты напряжения питающей сети. Кроме того, заметим, что на блок обратного преобразования 59 подается сигнал

«Выбор подсистемы управления», который разрешает или не разрешает формировать сигналы

на выходе блока 59.

Ранее отмечалось, что сформированные задающие сигналы напряжения

во второй подсистеме управления 12 (фиг. 1) по шине управления подаются на входы первого 16 и второго 17 широтно-импульсных модуляторов, которые формируют сигналы управления

и

для 11-го и 12-го модулей дополнительной группы МАФ. Указанные модули осуществляют подавление высших гармоник сетевого тока в заданном диапазоне частот. Подробно процесс подавления высших гармоник был описан авторами в прототипе, патент РФ № 195453.

Третья подсистема управления 13 (фиг. 8), как ранее отмечалось, совместно с первым широтно-импульсным модулятором 16 (фиг. 1) формирует сигналы управления

, которые подаются на 11-й модуль МАФ 1. При этом указанный модуль осуществляет избирательное подавление 5-ой гармоники сетевого тока.

Входными сигналами для третьей подсистемы управления 13 (фиг. 1, фиг. 8), как и для второй подсистемы (фиг. 7) являются:

- ток нагрузки;

- ток МАФ;

- текущее значение напряжения на выше указанных конденсаторах;

- сигнал выбора подсистемы управления, а вместо фазового угла

подается фазовый угол

. Отметим, что знак минус перед фазовым углом указывает, что в трехфазной системе пространственный вектор 5-ой гармоники вращается в противоположную сторону, т.е.

. Фазовый угол

обеспечивает точную синхронизацию формируемого сигнала управления в заявляемой системе управления.

В третьей подсистеме управления 13 (фиг. 8) блоки 62 и 63, так же, как и блоки 24 и 25 в первой подсистеме 11 (фиг. 6) осуществляют преобразование координат, но на частоте пятой гармоники напряжения сети

. Токи

МАФ преобразуются в токи

, а токи нагрузки

в токи

. Отметим, что токи нагрузки

и фильтра

содержат соответственно пятые гармоники токов

и

, значения которых в рассматриваемой вращающейся системе координат dq остаются постоянными величинами. Кроме того указанные токи содержат гармоники основной частоты

и

, гармоники седьмой частоты

и

, а также другие канонические гармоники, значения которых в указанной системе координат dq - переменные величины. Заметим, что гармоники основной частоты

и седьмой частоты

можно считать высокочастотными, так как относительно пятой частоты

они находятся соответственно на расстоянии

и

. Таким образом, во вращающейся системе координат 5-й гармоники основная и седьмая гармоники приобретают частоты кратные

.

На фиг. 8 фильтры нижних частот 64, 65 и 66, 67 выделяют пятую гармонику составляющих сигналов многоуровневого активного фильтра

и нагрузки

,

. В качестве фильтров нижних частот в заявляемой системе используются фильтры с конечной импульсной характеристикой, работающие по принципу выделения скользящего среднего. Отметим, что в третьей подсистеме управления 13 сигналы

,

являются задающими сигналами, а сигналы

сигналами обратной связи.

Первый блок вычитания 68 (фиг. 8) формирует сигнал ошибки

, который равен разности сигнала задания

и сигнала обратной связи

для d канала регулирования 11-го модуля дополнительной группы. Сигнал ошибки

подается на вход первого пропорционально-интегрального регулятора тока 69, который обеспечивает астатическое регулирование активной составляющей тока фильтра

. Выходной задающий сигнал напряжения

регулятора 69 подается на первый вход блока 70.

Второй блок вычитания 71 (фиг. 8) формирует сигнал ошибки

, который равен разности сигнала задания

и сигнала обратной связи

для

канала регулирования 11-го модуля дополнительной группы. Сигнал ошибки

подается на вход второго пропорционально-интегрального регулятора тока 72, который обеспечивает астатическое регулирование реактивной составляющей тока фильтра

. Выходной задающий сигнал напряжения

регулятора 72 подается на второй вход блока 70.

Блок 70 (фиг. 8) осуществляет преобразование задающих сигналов напряжений

,

для 11-го модуля МАФ 1 в сигналы напряжения

,

. Здесь

модуль, а

фаза пространственного вектора напряжения 5-й гармоники в полярной системе координат.

Первый блок масштабирования 73 (фиг. 8) формирует сигнал коэффициента модуляции

, который задает относительное амплитудное значение 5-й гармоники тока в МАФ 1.

Второй блок масштабирования 74 (фиг. 8) формирует сигнал

, который корректирует относительное амплитудное значение 5-й гармоники тока в МАФ 1.

Кроме задающего сигнала напряжения

,

в рассматриваемой подсистеме подавления 5-й гармоники сетевого тока на выходе пропорционального регулятора напряжения 75 (фиг. 8) формируется дополнительный задающий сигнал

. Ранее уже отмечалось, что дополнительные задающие сигналы предназначены для формирования активного тока, который отображает потери активной мощности, выделяемой на реакторе 2 (фиг. 1) и на силовых ключах модулей заявляемого устройства. Указанный сигнал

осуществляет ту же функцию - поддержание напряжения на конденсаторе звена постоянного тока 11-го модуля на заданном уровне

.

Пропорциональный регулятор напряжения 75 (фиг. 8) обеспечивает требуемое быстродействие отработки сигнала ошибки

, который формируется на выходе третьего блока вычитания 76. Напряжение задания

подается на первый вход третьего блока вычитания 76, а на его второй вход подается напряжение обратной связи

с датчика напряжения на конденсаторе звена постоянного тока 11-го модуля.

Отметим, что на блоки преобразования координат 62, 63 и 70 (фиг. 8) подается сигнал

, который синхронизирует работу третьей подсистемы управления 13 относительно 5-й частоты напряжения питающей сети. Кроме того заметим, что на блок обратного преобразования 70 подается сигнал

,

на выходе третьей подсистемы 13.

Ранее отмечалось, что сформированные сигналы

,

на выходе третьей подсистемы управления 13 по шине управления подаются на вход первого 16 широтно-импульсного модулятора, который формирует сигналы управления

для 11-го модуля дополнительной группы 23 (фиг. 2) МАФ 1. Указанный модуль осуществляет подавление 5-й гармоники сетевого тока.

Четвертая подсистема управления 14 (фиг. 9), как ранее отмечалось, совместно со вторым широтно-импульсным модулятором 17 (фиг. 1) формирует сигналы управления

, которые подаются на 12-й модуль МАФ 1. При этом указанный модуль осуществляет избирательное подавление 7-й гармоники сетевого тока.

Входными сигналами для четвертой подсистемы управления 14 (фиг. 1, фиг. 9), как и для третьей подсистемы (фиг. 8) являются:

- ток нагрузки;

- ток МАФ;

подается фазовый угол

. Отметим, что в трехфазной системе пространственный вектор 7-й гармоники вращается относительно частоты основной гармоники с частотой

. Фазовый угол

В четвертой подсистеме управления 14 (фиг. 9) блоки 77 и 78, так же, как и блоки 62 и 63 в третьей подсистеме 13 (фиг. 8) осуществляют преобразование координат, но на частоте седьмой гармоники напряжения сети

. Токи

МАФ преобразуются в токи

, а токи нагрузки

в токи

. Отметим, что токи нагрузки

и фильтра

содержат соответственно седьмые гармоники токов

и

, гармоники пятой частоты

и

и пятой частоты

можно считать высокочастотными, так как относительно седьмой частоты

и

. Таким образом, во вращающейся системе координат 7-й гармоники основная и седьмая гармоники приобретают частоты кратные

.

На фиг. 9 фильтры нижних частот 79, 80 и 81, 82 выделяют седьмую гармонику составляющих сигналов многоуровневого активного фильтра

и нагрузки

. В качестве фильтров нижних частот в заявляемой системе используются фильтры с конечной импульсной характеристикой, работающие по принципу выделения скользящего среднего. Отметим, что в четвертой подсистеме управления 14 сигналы

, являются задающими сигналами, а сигналы

сигналами обратной связи.

Первый блок вычитания 83 (фиг. 9) формирует сигнал ошибки

, который равен разности сигнала задания

и сигнала обратной связи

для d канала регулирования 12-го модуля дополнительной группы. Сигнал ошибки

подается на вход первого пропорционально-интегрального регулятора тока 84, который обеспечивает астатическое регулирование активной составляющей тока фильтра

Выходной задающий сигнал напряжения

регулятора 84 подается на первый вход блока преобразования координат 85.

Второй блок вычитания 86 (фиг. 9) формирует сигнал ошибки

, который равен разности сигнала задания

и сигнала обратной связи

для

канала регулирования 12-го модуля дополнительной группы. Сигнал ошибки

подается на вход второго пропорционально-интегрального регулятора тока 87, который обеспечивает астатическое регулирование реактивной составляющей тока фильтра

. Выходной задающий сигнал напряжения

регулятора 87 подается на второй вход блока преобразования координат 85.

Блок 85 (фиг. 9) осуществляет преобразование задающих сигналов напряжений

для 12-го модуля МАФ 1 в сигналы напряжения

Здесь

модуль, а

фаза пространственного вектора напряжения 7-й гармоники в полярной системе координат.

Первый блок масштабирования 88 (фиг. 9) формирует сигнал коэффициента модуляции

который задает относительное амплитудное значение 7-й гармоники тока в МАФ 1.

Второй блок масштабирования 89 (фиг. 9) формирует сигнал

который корректирует относительное амплитудное значение 7-й гармоники тока в МАФ 1.

Кроме задающего сигнала напряжения

в рассматриваемой подсистеме подавления 7-й гармоники сетевого тока на выходе пропорционального регулятора напряжения 90 (фиг. 9) формируется дополнительный задающий сигнал

осуществляет ту же функцию - поддержание напряжения на конденсаторе звена постоянного тока 12-го модуля на заданном уровне

.

Пропорциональный регулятор напряжения 90 (фиг. 9) обеспечивает требуемое быстродействие отработки сигнала ошибки

который формируется на выходе третьего блока вычитания 91. Напряжение задания

подается на первый вход третьего блока вычитания 91, а на его второй вход подается напряжение обратной связи

с датчика напряжения на конденсаторе звена постоянного тока 12-го модуля.

Отметим, что на блоки преобразования координат 77, 78 и 85 (фиг. 9) подается сигнал

который синхронизирует работу четвертой подсистемы управления 14 относительно 7-й частоты напряжения питающей сети. Кроме того заметим, что на блок обратного преобразования 85 подается сигнал

на выходе четвертой подсистемы 14.

на выходе четвертой подсистемы управления 14 по шине управления подаются на вход второго 17 широтно-импульсного модулятора, который формирует сигналы управления

для 12-го модуля дополнительной группы 23 (фиг. 2) МАФ 1. Указанный модуль осуществляет подавление 7-й гармоники сетевого тока.

Ранее отмечалось, что основным назначением заявляемой системы управления 7 (фиг. 1) является, во-первых, компенсация реактивной мощности, т.е. снижение практически до нуля реактивного тока потребляемого выпрямительной нагрузкой 6 из питающей сети 4, а во вторых подавление высших гармоник тока в питающей сети, которые генерирует нагрузка 6.

Компенсацию реактивной мощности осуществляют модули 1-й, 2-й, …, 10-й (фиг. 2) основной группы 22 многоуровневого активного фильтра 1, благодаря сигналам управления

;

; …

, формируемые блоком широтно-импульсных модуляторов 15. На входе многоуровневого активного фильтра 1 формируется напряжение, которое создает в реакторе 2 компенсирующий реактивный ток в противофазе с соответствующим реактивным током выпрямительной нагрузки 6 (фиг. 1). Таким образом, основная группа модулей 22 (фиг. 2) обеспечивает протекание реактивного тока нагрузки через МАФ 1, а не через устройства передачи электрической энергии от источника питания 4 до нагрузки 6. Это повышает надежность работы системы электроснабжения и ее коэффициент полезного действия.

Подавление высших гармоник тока осуществляют модули 11-й и 12-й (фиг. 2) дополнительной группы 23 многоуровневого активного фильтра 1, благодаря сигналам управления

и

, формируемые широтно-импульсными модуляторами 16 и 17. На входе многоуровневого активного фильтра 1 формируется напряжение, которое создает в реакторе 2 токи высших гармоник в противофазе с соответствующими токами высших гармоник выпрямительной нагрузки 6. Таким образом, дополнительная группа модулей 23 обеспечивает протекание токов высших гармоник через МАФ 1, а не через устройства передачи электрической энергии от источника питания 4 до нагрузки 6. Это улучшает показатели качества электрической энергии в электрических сетях ДППТ, а также повышает коэффициент полезного действия и надежность работы системы электроснабжения.

Система управления многоуровневым активным фильтром дуговой печи постоянного тока работает следующим образом.

Вначале поясним, как первая подсистема управления 11 (фиг. 1), совместно с блоком широтно-импульсных модуляторов 15 и основной группой модулей 22 (фиг. 2) осуществляют компенсацию реактивной мощности нагрузки 6 в питающей сети. Поясним так же, как первая подсистема управления 11 осуществляет формирование активного тока, который обусловлен потерями активной мощности, выделяемой на реакторе 2 (фиг. 1) и на силовых ключах модулей основной группы 22 МАФ 1.

На второй и третий входы первой подсистемы управления 11 (фиг. 6) подаются соответственно сигналы мгновенных значений токов

нагрузки 6 и токов

многоуровневого активного фильтра 1. Указанные токи поступают соответственно со второго 5 (фиг. 1) и первого 3 трехфазных датчиков тока.

Ранее отмечалось, что работа системы управления 7 и всех ее подсистем управления 11, 12, 13 и 14 организована во вращающейся ортогональной системе координат

.

Блок преобразования координат 25 (фиг. 6) совместно с фильтром нижних частот 28 и блоком инвертирования 29 формируют сигнал

. Указанный сигнал отображает значение реактивной составляющей тока нагрузки

с обратным знаком и является сигналом задания тока для первой подсистемы управления 11. Таким образом, сигнал

задает каким должно быть значение реактивной составляющей тока МАФ 1.

Блок преобразования координат 24 (фиг. 6) совместно с фильтром нижних частот 27 формируют сигнал

, который отображает фактическое значение реактивной составляющей тока многоуровневого активного фильтра 1. Далее блок 39 вычисляет разницу между заданным значением реактивной составляющей тока МАФ 1 и его фактическим значением, т.е. сигнал ошибки

, который подается на вход ПИ регулятора тока 40, последний обеспечивает астатическое регулирование реактивной составляющей тока

МАФ 1.

Отметим, что реальный ток

многоуровневого активного фильтра 1 в процентном соотношении на 90% и более состоит из реактивной составляющей тока

и на 10 % и менее - активной составляющей тока

.

Наличие активной составляющей тока

обусловлено потерями активной мощности, выделяемой на реакторе 2 (фиг. 1) и на силовых ключах 36-ти модулей МАФ 1. Ранее пояснялось, что косвенно активную составляющую тока

МАФ 1 можно определить путем сравнения суммарных напряжений на всех конденсаторах основной 22 (фиг. 2) и дополнительной 23 группы модулей МАФ 1 с заданным уровнем суммарных напряжений на указанных конденсаторах.

Если активная составляющая тока

МАФ 1 превышает заданное значение, то суммарное напряжение на указанных конденсаторах будет больше заданного уровня и наоборот. Поясним, как осуществляется регулирование активной составляющей тока

МАФ 1.

На четвертый вход первой подсистемы управления 11 (фиг. 1) с задатчика напряжения 9 подается заданное значение напряжения

, которое должно быть на каждом конденсаторе тридцати звеньев постоянного тока основной группы 22 модулей МАФ 1. На пятый вход первой подсистемы управления 11 по шине данных подаются тридцать текущих значений напряжений

с вышеуказанных конденсаторов.

Регулирование активной составляющей тока

МАФ 1 осуществляется путем поддержания на заданном уровне суммарных напряжений на всех конденсаторах МАФ 1. Поясним, как это осуществляется на конденсаторах основной 22 группы модулей.

Ранее было описано, как первый сумматор 33 (фиг. 6), блок пропорциональности 32, первый блок вычитания 31 и первый ПИ регулятор 30 формируют сигнал задания

, который осуществляет поддержание заданного напряжения

на всех конденсаторах 30-ти звеньев постоянного тока основной группы модулей 22 (фиг. 2).

Блок преобразования координат 24 (фиг. 6) совместно с фильтром нижних частот 26 формируют сигнал

, который отображает фактическое значение активной составляющей тока многоуровневого активного фильтра 1. Далее блок 34 вычисляет разницу между заданным значением активного тока МАФ 1 и его фактическим значением, т.е. сигнал ошибки

, который подается на вход ПИ регулятора тока 35, последний осуществляет астатическое регулирование активной составляющей тока

МАФ 1.

Отметим, что распределение суммарного напряжения в равной степени между отдельными фазами МАФ 1 и между отдельными модулями в рамках одной фазы решается с помощью специальных систем балансировки, которые в рамках данного устройства не рассматриваются.

Ранее упоминалось, что во вращающейся системе координат

существует перекрестное влияние реактивной составляющей тока

многоуровневого активного фильтра 1 на его активную составляющую тока

и наоборот.

Для устранения взаимного влияния между каналами

и

на структурной схеме (фиг. 6) первой подсистемы управления МАФ 1 введены блоки компенсации перекрестных связей 37 и 42.

После коррекции выходного сигнала

второго ПИ регулятора 35 (фиг. 6) сигналом

первого блока компенсации перекрестных связей 37 во втором блоке суммирования 36, на выходе последнего формируется задающий сигнал напряжения

.

После коррекции выходного сигнала

третьего ПИ регулятора 40 (фиг. 6) сигналом

второго блока компенсации перекрестных связей 42 в третьем блоке суммирования 41, на выходе последнего формируется задающий сигнал напряжения

.

Задающие сигналы напряжения

и

подаются соответственно на первый и второй входы блока обратного преобразования координат 38 (фиг. 6) из dq в abc. Сформированные сигналы напряжений

на выходе блока преобразования 38 являются выходными сигналами первой подсистемы управления 11 и задающими сигналами для блока широтно-импульсных модуляторов 15 (фиг. 1).

Блок широтно-импульсных модуляторов 15 формирует тридцать сигналов управления

;

; …

для тридцати модулей трех основных групп 22 (фиг. 2) МАФ 1. Указанные десять модулей в каждой фазе МАФ 1 формируют напряжение, которое приложено к выходным зажимам реактора 2. При этом к входным зажимам реактора 2 приложено напряжение нагрузки 6. В результате воздействия указанных напряжений через реактор 2 протекает реактивный ток в противофазе с реактивным током нагрузки 6. Таким образом, основная группа модулей 22 обеспечивает протекание реактивного тока нагрузки через МАФ 1, а не через устройства передачи электрической энергии от источника питания 4 до нагрузки 6. Это повышает коэффициент полезного действия системы электроснабжения и ее надежность.

Для достижения высоких энергетических показателей в заявляемой системе управления МАФ 1, для основной группы модулей 22, как и в прототипе, рекомендуется использовать широтно-импульсную модуляцию напряжения (ШИМ) с удалением выделенных гармоник с тремя переключениями за четверть периода. Из курса силовой электроники известно, что указанный метод ШИМ в многоуровневых устройствах, например статических компенсаторах, обеспечивает минимальное искажение синусоидальности кривой выходного напряжения при невысокой частоте переключений силовых ключей. Для десяти модулей основной группы 22 выбранный метод ШИМ напряжения повышает коэффициент полезного действия заявляемого устройства, благодаря тому, что за четверть периода напряжения источника питания в модуле каждого инвертора достаточно совершить три переключения. Низкая частота коммутации силовых ключей в модулях 22, порядка 150 Гц снижает коммутационные потери в заявляемом устройстве, а, следовательно, повышает его коэффициент полезного действия.

Отметим, что относительно низкая частота коммутации силовых ключей в основной группе модулей МАФ позволяет для этих модулей использовать полностью управляемые тиристорные ключи. Известно, что указанные ключи обладают высокой надежностью, а, следовательно, повышается надежность работы МАФ 1 и системы в целом.

Поясним, как вторая подсистема управления 12 (фиг. 1), совместно с первым 16 и вторым 17 широтно-импульсными модуляторами и дополнительной группой модулей 23 (фиг. 2) осуществляют подавление высших гармоник сетевого тока в заданном диапазоне частот. Поясним так же, как вторая подсистема управления 12 осуществляет формирование активного тока, который обусловлен потерями активной мощности, выделяемой на реакторе 2 (фиг. 1) и на силовых ключах модулей дополнительной группы 23 МАФ 1.

На второй и третий входы второй подсистемы управления 12 (фиг. 7) подаются соответственно сигналы мгновенных значений токов

нагрузки 6 и токов

Блок преобразования координат 44 (фиг. 7) совместно с фильтрами верхних частот 47, 48 и блоками инвертирования 51, 52 формируют сигналы

и

. Указанные сигналы являются сигналами задания высокочастотных составляющих активного и реактивного тока для второй подсистемы управления 12 МАФ 1.

Блок преобразования координат 43 (фиг. 7) совместно с фильтрами верхних частот 45, 46 формируют сигналы

. и

, которые отображают фактические значения соответственно высокочастотной активной и реактивной составляющей тока МАФ 1.

Далее блок 60 вычисляет разницу между заданным значением высокочастотной реактивной составляющей тока МАФ 1 и его фактическим значением, т.е. сигнал ошибки

. Сигнал ошибки

подается на вход пропорционального регулятора тока 61, последний обеспечивает требуемое быстродействие отработки тока

МАФ 1.

Ранее было подробно описано как во второй подсистеме управления 12 (фиг. 7) формируется дополнительный задающий сигнал

, который обеспечивает поддержания напряжения на конденсаторах 6-ти звеньев постоянного тока дополнительной 23 группы модулей на уровне

. Было отмечено, что дополнительный задающий сигнал

косвенно отображает потери активной мощности, выделяемой на реакторе 2 (фиг. 1) и на силовых ключах 6-ти модулей дополнительной группы 23 МАФ 1. Потери активной мощности на указанных элементах обусловлены высокочастотными составляющими тока МАФ 1.

Блок 57 вычисляет разницу между суммой заданных значений высокочастотных активных составляющих тока МАФ 1 и его фактическим значением, т.е. сигнал ошибки

, который подается на вход пропорционального регулятора тока 58, последний обеспечивает требуемое быстродействие отработки тока

МАФ 1.

Задающие сигналы напряжения

и

, сформированные на выходах пропорциональных регуляторов тока 58 и 61 (фиг. 7) подаются соответственно на первый и второй входы блока обратного преобразования координат 59 из dq в abc. Сформированные сигналы напряжений

на выходе блока преобразования 59 являются выходными сигналами второй подсистемы управления 12 и задающими сигналами для первого 16 и второго 17 широтно-импульсных модуляторов.

Ранее было отмечено, что на блок обратного преобразования координат 59 с блока 18 (фиг. 1) подается сигнал

на выходе блока 59. Пояснение, как формируется сигнал

будет дано ниже.

Первый 16 и второй 17 (фиг. 1) широтно-импульсные модуляторы формируют шесть сигналов управления

и

для шести модулей трех дополнительных групп 23 (фиг. 2) МАФ 1. Указанные два модуля 11-й и 12-й в каждой фазе МАФ 1 формируют кривую напряжения на входе МАФ 1, которое благодаря реактору 2 осуществляет подавление высших гармоник сетевого тока в заданном диапазоне частот.

Таким образом, дополнительная группа модулей 23 обеспечивает протекание высших гармоник сетевого тока в заданном диапазоне частот через МАФ 1, а не через устройства передачи электрической энергии от источника питания 4 до нагрузки 6. Это улучшает показатели качества электрической энергии в электрических сетях ДППТ, а также повышает коэффициент полезного действия и надежность работы системы электроснабжения.

Для достижения высоких энергетических показателей в заявляемой системе управления МАФ 1, для дополнительной группы модулей 23, управляемых от второй подсистемы управления 12 (фиг. 7) рекомендуется использовать ШИМ - метод сравнения с опорным напряжением. В качестве опорного сигнала достаточно принять четыре пилообразных сигнала, симметрично расположенных по вертикали относительно нуля. Сформированная при этом кривая выходного напряжения модулями дополнительной группы 23 МАФ 1 эффективно осуществляет подавление высших гармоник сетевого тока в заданном диапазоне частот.

Ранее отмечалось, что модули дополнительной группы 23 выполнены на базе транзисторных ключей, которые обладают способностью эффективно работать на высоких частотах. Отметим, что из двенадцати модулей инверторов напряжения в каждой фазе МАФ 1 только два модуля работают с высокой частотой переключения, что существенно снижает коммутационные потери в заявляемом устройстве, а, следовательно, повышают ее коэффициент полезного действия.

Поясним, как третья подсистема управления 13 (фиг. 1), совместно с первым широтно-импульсным модулятором 16 и 11-ым модулем (фиг. 2) осуществляют подавление 5-ой гармоники сетевого тока. Поясним так же, как третья подсистема управления 13 осуществляет формирование активного тока, который обусловлен потерями активной мощности, выделяемой на реакторе 2 (фиг. 1) и на силовых ключах 11-го модуля МАФ 1.

На второй и третий входы третьей подсистемы управления 13 (фиг. 8) подаются соответственно сигналы мгновенных значений токов

нагрузки 6 и токов

Блок преобразования координат 63 (фиг. 8) совместно с фильтрами нижних частот 66 и 67 формируют сигналы

и

. Указанные сигналы с обратным знаком являются сигналами задания для третьей подсистемы управления 13, т.е. они задают, какими должны быть значения 5-ой гармоники активной и реактивной составляющей тока МАФ 1.

Блок преобразования координат 62 (фиг. 8) совместно с фильтрами нижних частот 64 и 65 формируют сигналы

и

, которые отображают фактические значения 5-ой гармоники соответственно активной и реактивной составляющей тока МАФ 1.

Блок 68 (фиг. 8) вычисляет разницу между заданным значением 5-ой гармоники активной составляющей тока МАФ 1 и его фактическим значением, т.е. сигнал ошибки

. Сигнал

подается на вход ПИ регулятора тока 69, который осуществляет астатическое регулирование тока

МАФ 1.

Блок 71 вычисляет разницу между заданным значением 5-ой гармоники реактивной составляющей тока МАФ 1 и его фактическим значением, т.е. сигнал ошибки

. Сигнал

подается на вход ПИ регулятора тока 72, который осуществляет астатическое регулирование реактивной составляющей тока

МАФ 1.

Задающие сигналы напряжения

и

, сформированные на выходах ПИ регуляторов тока 69 и 72 (фиг. 8), подаются соответственно на первый и второй входы блока обратного преобразования координат 70 из декартовой системы координат dq в полярную систему.

В третьей подсистеме управления 13 (фиг. 8) осуществляется формирование сигнала

, который является дополнительным сигналом заданного значения активной составляющей тока МАФ 1. Указанный сигнал отображает потери активной мощности, выделяемой на реакторе 2 (фиг. 1) и на силовых ключах 11-го модуля МАФ 1. Потери активной мощности на указанных элементах обусловлены 5-ой гармоникой тока МАФ.

На четвертый вход третьей подсистемы управления 13 (фиг. 1) с задатчика напряжения 9 подается заданное значение напряжения

на конденсаторе звена постоянного тока 11-го модуля МАФ 1. На пятый вход третьей подсистемы управления 13 по шине данных подается текущие значение напряжения

на вышеуказанном конденсаторе.

Регулирование 5-ой гармоники активной составляющей тока

МАФ 1 осуществляется путем поддержания на заданном уровне напряжения на конденсаторе 11-го модуля МАФ 1 и с учетом ранее сформированного заданного значения 5-ой гармоники активной составляющей тока

.

Поясним, как осуществляется поддержание на заданном уровне напряжения

. Ранее было описано, как блок вычитания 76 и пропорциональный регулятор 75 формируют сигнал

(фиг. 8). Указанный сигнал

косвенно отображает дополнительное заданное значение активной составляющей тока МАФ 1 в третьей подсистеме управления 13 (фиг. 1).

Ранее упоминалось, что первый блок масштабирования 73 формирует сигнал коэффициента модуляции

, который задает относительное амплитудное значение 5-й гармоники тока в МАФ 1. Второй блок масштабирования 74 формирует сигнал

Сформированные сигналы

,

на выходе третьей подсистемы управления 13 являются задающими сигналами для первого 16 широтно-импульсного модулятора.

Ранее было отмечено, что на шестой вход третьей подсистемы управления 13 (фиг. 8) с блока 18 (фиг. 1) подается сигнал

,

на выходе третьей подсистемы 13. Пояснение, как формируется сигнал

будет дано ниже.

Первый широтно-импульсный модулятор 16 формирует три сигнала управления

для трех 11-х модулей (фиг. 2) МАФ 1. Указанные модули в каждой фазе МАФ 1 формируют напряжение на входе МАФ 1, которое благодаря реактору 2 осуществляет подавление 5-ой гармоники сетевого тока.

Таким образом, 11-й модуль осуществляет протекание 5-ой гармоники сетевого тока через МАФ 1, а не через устройства передачи электрической энергии от источника питания 4 до нагрузки 6. Это улучшает показатели качества электрической энергии в электрических сетях ДППТ, а также повышает коэффициент полезного действия и надежность работы системы электроснабжения.

Для достижения высоких энергетических показателей в заявляемой системе управления МАФ 1, для 11-го модуля рекомендуется использовать ШИМ напряжения с удалением выделенных гармоник с тремя переключениями за четверть периода.

Поясним, как четвертая подсистема управления 14 (фиг. 1), совместно со вторым широтно-импульсным модулятором 17 и 12-ым модулем (фиг. 2) осуществляют подавление 7-ой гармоники сетевого тока. Поясним так же, как четвертая подсистема управления 14 осуществляет формирование активной составляющей тока, который обусловлен потерями активной мощности, выделяемой на реакторе 2 (фиг. 1) и на силовых ключах 12-го модуля МАФ 1.

Ранее было отмечено, что структурная схема четвертой подсистемы управления 14 (фиг. 9) подобна третьей подсистеме 13 (фиг. 8). Отличие четвертой подсистемы от третьей заключается в том, что все преобразования в ней связаны с 7-й гармоникой напряжения питающей сети. При этом сформированные сигналы

,

подаются на широтно-импульсный модулятор 17, который формирует сигналы управления

Таким образом, 12-й модуль осуществляет протекание 7-ой гармоники сетевого тока через МАФ 1, а не через устройства передачи электрической энергии от источника питания 4 до нагрузки 6. Это улучшает показатели качества электрической энергии в электрических сетях ДППТ, а также повышает коэффициент полезного действия и надежность работы системы электроснабжения.

Для достижения высоких энергетических показателей в заявляемой системе управления МАФ 1, для 12-го модуля рекомендуется использовать ШИМ напряжения с удалением выделенных гармоник с тремя переключениями за четверть периода.

Таким образом, учитывая все вышеизложенное, в заявляемой системе управления 7 (фиг. 1) многоуровневым активным фильтром 1 дуговой печи постоянного тока 6 реализовано два принципа подавления высших гармоник сетевого тока. На стадиях технологического процесса «прорезка» и «плавление» используется принцип подавления гармоник в заданном диапазоне частот, а на стадии «окисление» - принцип с избирательным подавлением высших гармоник. Поясним, как это осуществляется в заявляемой системе управления 7.

На протяжении всей плавки в ДППТ, блок выбора подсистемы управления 18 (фиг. 1) осуществляет непрерывный анализ гармонического состава тока нагрузки

. Если амплитуды неканонических 2-й, 3-й, 4-й гармоник тока весьма значительны и даже превышают значения 5-й и 7-й гармоник, то блок 18 разрешает работать второй подсистеме управления 12, одновременно запрещает работать третьей и четвертой подсистемам управления 13 и 14. Таким образом, для описанного режима используется принцип подавления гармоник в сетевом токе в заданном диапазоне частот.

Ранее отмечалось, что по ходу технологического процесса плавки происходит перераспределение удельного веса отдельных высших гармоник в общем искажении синусоидальности сетевого тока. Если по ходу плавки амплитуды 5-й и 7-й гармоник тока начинают превышать значения 2-й, 3-й, 4-й гармоник тока, то блок 18 запрещает работать второй подсистеме управления 12, одновременно разрешает работать третьей и четвертой подсистемам управления 13 и 14. Для описанного режима используется принцип с избирательным подавлением 5-й и 7-й гармоник в сетевом токе.

Отметим, что на протяжении всей плавки в ДППТ первая подсистема управления 11 (фиг. 1) работает непрерывно, осуществляя компенсацию реактивной мощности.

Для подтверждения работоспособности заявляемого устройства в программной среде Matlab Simulink было выполнено его моделирование. В качестве исходных данных использованы реальные осциллограммы фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5, записанные на действующей дуговой печи постоянного тока для различных стадий технологического процесса.

При моделировании было рассмотрено пять способов фильтрации высокочастотных составляющих напряжений и токов в точке подключения ДППТ. Первый способ - применение фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ), включающий фильтры 2-й, 3-й, 4-й, 5-й и 7-й гармоник, охватывающие как неканонические гармоники (2-я, 3-я, 4-я), так и канонические гармоники (5-я и 7-я). Второй способ - применение МАФ 1, система управления которого использует вторую подсистему управления 12 (фиг. 1), осуществляющая подавление высших гармоник тока в заданном диапазоне частот. Третий способ - применение МАФ 1, система управления которого использует третью 13 и четвертую 14 подсистемы управления (фиг. 1), т.е. избирательное подавление 5-й и 7-й гармоник тока. Четвертый способ - применение ФКУ совместно с МАФ 1, система управления которого использует вторую подсистему 12 управления. Пятый способ - применение ФКУ совместно с МАФ 1, система управления которого использует третью 13 и четвертую 14 подсистемы управления. Отметим, что наилучший результат по подавлению высших гармоник достигается при совместной работе ФКУ и МАФ с равным распределением установленной мощности между ними.

Моделирование показало (см. табл.), что при работе ДППТ без фильтров имеет место превышение средних значений коэффициентов гармонических составляющих напряжения

над предельно допустимым уровнем (8%) на стадиях прорезки (9,6%) и плавления (9,3%). На стадии окисления эта величина (7,5%) превышает нормально допустимый уровень (5%).

Таблица

Моделирование показало, что на 1-ой стадии технологического процесса работы ДППТ только 4-й способ фильтрации высших гармоник обеспечивает хорошие показатели качества электрической энергии

. В первом, втором и пятом способах фильтрации показатели качества электрической энергии хуже, так как

, т.е. средние значения коэффициентов гармонических составляющих напряжения больше нормально допустимого уровня, но меньше предельно допустимого уровня. В третьем способе фильтрации показатели качества электрической энергии неудовлетворительные

, т.е. средние значения коэффициентов гармонических составляющих напряжения больше предельно допустимого уровня.

Моделирование показало, что на 2-ой стадии технологического процесса работы ДППТ 2-й и 4-й способы фильтрации высших гармоник обеспечивают хорошие показатели качества электрической энергии

. В первом, третьем и пятом способах фильтрации высших гармоник показатели качества электрической энергии хуже

, т.е. средние значения коэффициентов гармонических составляющих напряжения больше нормально допустимого уровня, но меньше предельно допустимого уровня.

Моделирование показало, что на 3-ей стадии технологического процесса работы ДППТ все способы фильтрации высших гармоник обеспечивают хорошие показатели качества электрической энергии

. Однако, наилучшие показатели обеспечивает 5-й способ фильтрации.

Таким образом, результаты моделирования работы ДППТ с различными способами фильтрации высших гармоник напряжения и тока подтверждают, что эффективным решением является использование системы управления МАФ 1 с переключающейся структурой в зависимости от стадии технологического режима работы ДППТ. Использование на 1-й и 2-й стадиях второй подсистемы управления 12 (фиг. 1), а на 3-й стадии - третьей 13 и четвертой 14 подсистемы управления совместно с фильтрокомпенсирующими устройствами приводит к значительному улучшению гармонического состава сетевого напряжения и тока. В результате средний коэффициент гармонических составляющих напряжения

на каждой стадии работы ДППТ не превышают нормально нормируемых значений.

На основании вышеизложенного следует, что в заявляемой системе управления многоуровневым активным фильтром улучшаются показатели качества электрической энергии в электрической сети дуговой печи постоянного тока на всех стадиях технологического процесса печи. Кроме того, повышается коэффициент полезного действия и надежность работы электротехнического комплекса «питающая сеть - дуговая печь постоянного тока - многоуровневый активный фильтр».

Отличительная особенность заявляемой системы заключается в построении системы управления многоуровневым активным фильтром с переключающейся структурой. Система управления многоуровневым активным фильтром осуществляет выбор одного из двух вариантов управления: с подавлением гармоник в заданном частотном диапазоне или с избирательным подавлением пятой и седьмой гармоник в зависимости от стадии технологического процесса дуговой печи постоянного тока. Это обеспечивает низкий суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения электрической сети на всех стадиях технологического процесса печи.

Кроме того, особенностью заявляемой системы управления является то, что в ней учитываются потери активной мощности на трехфазном реакторе и на силовых ключах 36-ти модулей МАФ. Предложены технические решения, которые поддерживают напряжения на конденсаторах 36-ти модулей многоуровневого активного фильтра на заданном уровне, чтобы МАФ эффективно осуществлял компенсацию реактивной мощности и подавления высших гармоник тока.

Для достижения высоких энергетических показателей в заявляемой системе управления МАФ для основной группы модулей 22 (фиг. 2) используется широтно-импульсная модуляция напряжения с удалением выделенных гармоник с тремя переключениями за четверть периода. Для достижения высоких энергетических показателей для 11-го и 12-го модулей на стадии «окисления», когда выбран режим управления с избирательным подавлением пятой и седьмой гармоник, также используется метод ШИМ напряжения с удалением выделенных гармоник с тремя переключениями за четверть периода. Указанный метод ШИМ в многоуровневых устройствах обеспечивает минимальное искажение синусоидальности кривой выходного напряжения при невысокой частоте переключений силовых ключей.

Для десяти модулей основной группы 22 и двух модулей дополнительной группы 23 выбранный метод ШИМ напряжения повышает коэффициент полезного действия заявляемого устройства, благодаря тому, что за четверть периода напряжения источника питания в модуле каждого инвертора достаточно совершить три переключения. Низкая частота коммутации силовых ключей в модулях 22, порядка 150 Гц, снижает коммутационные потери в заявляемом устройстве, а, следовательно, повышает его коэффициент полезного действия.

Для достижения высоких энергетических показателей 11-го и 12-го модулей на стадиях технологического процесса «прорезка» и «плавление», когда выбран режим подавления гармоник в заданном диапазоне частот, используется ШИМ - метод сравнения с опорным напряжением. В качестве опорного сигнала приняты четыре пилообразных сигнала, симметрично расположенных по вертикали относительно нуля. Сформированная при этом кривая выходного напряжения модулями дополнительной группы 23 (фиг. 2) МАФ 1 эффективно осуществляет подавление высших гармоник сетевого тока в заданном диапазоне частот.

Таким образом, заявляемая система управления многоуровневым активным фильтром с переключающейся структурой улучшает показатели качества электрической энергии в электрической сети дуговой печи постоянного тока на всех стадиях технологического процесса печи. Кроме того, повышается коэффициент полезного действия и надежность работы электротехнического комплекса «питающая сеть - дуговая печь постоянного тока - многоуровневый активный фильтр».

Claims

Система управления многоуровневым активным фильтром, содержащая трехфазный многоуровневый активный фильтр, вход которого через трехфазный реактор и первый трехфазный датчик тока подключен к точке соединения выхода трехфазного источника питания и входа второго трехфазного датчика тока, выход последнего подключен к выпрямительной нагрузке, измерительные выходы первого и второго датчиков тока подключены соответственно к первому и второму входам системы управления, к третьему входу указанной системы подключен выход датчика трехфазного напряжения, вход которого подключен к выходу трехфазного источника питания, четвертый вход системы управления по шине данных подключен к информационному выходу трехфазного многоуровневого активного фильтра, управляющий вход указанного фильтра по шине управления подключен к выходу системы управления, пятый вход системы управления подключен к задатчику напряжения на конденсаторах звеньев постоянного тока многоуровневого активного фильтра, отличающаяся тем, что система управления снабжена блоком фазовой автоподстройки частоты, первой, второй, третьей и четвертой подсистемами управления многоуровневым активным фильтром, блоком широтно-импульсных модуляторов, первым и вторым широтно-импульсными модуляторами, а также блоком выбора подсистемы управления, вход блока фазовой автоподстройки частоты подключен к третьему входу системы управления, первый выход блока фазовой автоподстройки частоты подключен к первому входу первой подсистемы управления и к первому входу второй подсистемы управления многоуровневым активным фильтром, второй и третий выходы блока фазовой автоподстройки частоты подключены соответственно к первому входу третьей подсистемы и к первому входу четвертой подсистемы управления многоуровневым активным фильтром, вторые и третьи входы всех подсистем управления подключены соответственно ко второму и к первому входам системы управления, четвертые и пятые входы всех подсистем управления подключены соответственно к пятому и к четвертому входам системы управления, шестые входы второй, третьей и четвертой подсистем управления подключены к выходу блока выбора подсистемы управления, вход которого подключен ко второму входу системы управления, выход первой подсистемы управления через шину управления подключен к блоку широтно-импульсных модуляторов, выход второй подсистемы управления через шину управления подключен к первому входу первого и к первому входу второго широтно-импульсных модуляторов, выходы третьей и четвертой подсистем управления через шины управления подключены соответственно ко второму входу первого и ко второму входу второго широтно-импульсных модуляторов, выход блока широтно-импульсных модуляторов, а также выходы первого и второго широтно-импульсных модуляторов через шины управления подключены к выходу системы управления.