SU1629953A1 - Устройство дл управлени преобразователем частоты - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к преобразовательной технике и может быть использовано дл  создани  источников электропитани  на повышенных частотах. Цель изобретени  - повышение надежности. С этой целью компаратор 41 вырабатывает сигнал логической «1 при опорном напр жении источника 29 больше, сигнала с выпр мител  32 и сигнал логического «О при обрат

Description

Изобретение относитс  к силовой преобразовательной технике и может быть использовано дл  создани  источников электропитани  на повышенных частотах.

Целью изобретени   вл етс  повышение надежности.

На фиг. 1 показана схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы, по сн ющие работу цепи быстродействующей защиты преобразовател .

Преобразователь частоты содержит трехфазные тиристорные мосты 1 и 2, выводы посто нного тока которых через сглаживающие дроссели 3 и 4 и LC-фильтры 5 и 6 соответственно подключены к выводам соответствующих регул торов 7 и 8, а выводы переменного тока соединены между собой через конденсаторы 9 и через соответствующие дроссели 10 и 11 - с выводами переменного тока соответствующих мостов обратных диодов 12 и 13, выводы посто нного тока которых в обратной пол рности подключены к выводам посто нного тока указанных инвер- торных мостов. Устройство дл  управлени  преобразователем частоты содержит задающий генератор 14, выход которого соединен с управл ющим входом моста 1 и через фазо- сдвигающий узел 15 - с управл ющим входом моста 2, датчики 16 и 17 тока в цеп х питани  мостов 1 и 2, узлы 18-20 сравнени  сигналов, усилители 21 и 22, блоки 23 и 24 управлени  регул торами, сумматоры 25- 27, источники 28 и 29 опорного напр жени , датчик 30 выходного напр жени , трансформаторы 31 тока, выпр митель 32, фильтр 33, делитель 34 напр жени , пороговые элементы 35 и 36, коммутаторы 37-40, компаратор 41, элемент 42 задержки, / 5-тригге- ры 43 и 44, элементы 4И 45, 2И 46 и ИЛИ 47, формирователь 48 узких импульсов, в цепь питани  моста 2 включен в пр мом направлении диод 49.

При этом входы узла 18 сравнени  подключены к выходам датчиков 16 и 17 тока, а выход через коммутатор 38 соединен с вхо0

да ми усилителей 21 и 22, выходы которых

0 подключены к первому входу соответствующего сумматора 25 и 26, вторые входы которых объединены между собой и подключены к выходу узла 19 сравнени , выходы сумматоров 25 и 26 через соответствующие коммутаторы 40 и 39 подключены к входам соот5 ветствующих блоков 23 и 24 управлени , регул торами 7 и 8. Один из входов узла 19 сравнени  подключен к источнику 28 опорного напр жени , другой вход объединен с первым входом узла 20 сравнени  и подключен к выходу датчика 30 напр жени , вход которого соединен с выводами переменного тока тиристорных мостов 1 и 2, выход узла 20 сравнени  соединен с управл ющим входом фазосдвигающего узла 15, а второй вход узла 20 через коммутатор 37 подключен к выходу делител  напр жени , вход кото5 рого через фильтр 33 и выпр митель 32 соединены с информационными выводами трансформаторов 31 тока, включенных в цепь дросселей 10. Выходы датчиков 16 и 17 тока, подключены также к входам сумматора 27,

0 выход которого подключен к входам пороговых элементов 35 и 36, выход первого из которых соединен с управл ющими входами коммутаторов 37 и 38, и через элемент 2И 46 - с управл ющим входом коммутатора 39, выход порогового элемента 36 соединен

5 с четвертым входом элемента 4И 45, третий вход которого через элемент задержки соединен с выходом задающего генератора 14 и S-входом /US-триггера 43, выход Q которого соединен с вторым входом элемента 4И 45, а / -вход через формирователь 48 узких импульсов - с первым входом элемента 4И 45 и выходом компаратора 41, пр мой вход которого подключен к источнику 29 опорного напр жени , а инверсный вход соединен с выходом выпр мител  32.

5 Выход элемента 4И 45 соединен с одним из входов элемента ИЛИ 47, другой вход которого  вл етс  управл ющим входом выключением преобразовател , а выход подключен к S-входу #5-триггера 44, / -вход которого  вл етс  управл ющим входом включением преобразовател , выход Q соединен с управл ющим входом коммутатора 40, а выход Q через второй вход элемента 2И 46 - с управл ющим входом коммутатора 39.

Один вариант реализации регул торов у и 8 - управл емые выпр мители, выполненные по симметричной или несимметричной схемам. В этом случае блоки 23 и 24 управлени  могут быть построены по известным схемам импульсно-фазового управлени . Питание выпр мителей в регул торах 7 и 8 может осуществл тьс , например, через согласующий трансформатор с двум  вторичными обмотками. Другой возможный вариант реализации регул торов 7 и 8 - импульсные преобразователи посто нного напр жени .

Преобразователь частоты обеспечивает хорошее качество-кривой выходного напр жени  с высокой степенью его стабилизации при изменении параметров нагрузки а широких пределах. Устройство дл  управлени  преобразователем частоты позвол ет производить перестройку структуры его силовой части в зависимости от величины нагрузки . Силова  часть преобразовател  имеет две секции, кажда  из которых содержит регул тор посто нного напр жени , сглаживающий фильтр и инвертор тока с вен- тильно-реакторными цеп ми компенсации избыточной реактивной мощности коммутирующих конденсаторов. Верхн   по схеме секци   вл етс  ведущей, котора  во включенном состо нии осуществл ет преобразование электроэнергии одной частоты в электроэнергию другой частоты. Нижн   секци  - ведома , котора  в зависимости от фазы управл ющих импульсов моста 2 может работать как в режиме генерации активной энергии в сеть непромышленной частоты, так и в режиме компенсации реактивной мощности. Если нагрузка преобразовател , оцениваема  по величине токов в цеп х питани  мостов, не меньше половины номинальной , то обе секции включаютс  на параллельную работу. В этом случае они осуществл ют преобразование посто нных напр жений, подаваемых с выходов регул торов 7 и 8 через фильтры 6 и 5 на входы мостов 1 и 2, а трехфазное переменное напр жение заданной частоты. При нагрузке преобразовател , меньшей половины номинальной , регул тор 8 второй секции запираетс , а тиристорный мост 2 с диодным мостом 13 и дроссел ми 11 переводитс  в режим компенсации избыточной реактивной мощности коммутирующих конденсаторов 9. В любом случае реализации регул торов 7 и 8 выходное напр жение Ufa (, 2) соответствующего регул тора  вл етс  монотонно возрастающей функцией параметра цк на управл ющем входе блока управлени , причем Ufa 0 при .

Управл ющие воздействи  i и р.о формируютс  сумматорами 25 и 26. При этом, если сумма токов 3d и ld,i, потребл емых мостами 1 и 2 больше, чем номинальное значение тока каждого из мостов, то

5

где Ut

pi Uo - - fa.(3j. - 7 fc); - -j- jb(J«ti -loLi

feo

k;

-напр жение источника 28 опорного напр жени ;

-коэффициент передачи датчика 30 выходного напр жени ;

-коэффициент передачи канала, включающего датчик 16 (17) тока и усилитель 21 (22);

Joti, - средние значени  токов, потребл емых соответственно мостами 1 и 2.

Если нагрузка преобразовател  такова,

20

что

cti +Jri2 J«t ..то

5

0

0

5

0

5

Ц. Ј/0 - /50CЈ/HH.V

.

Последнее условие достигаетс  отключением управл ющего входа блока 24 от выхода сумматора 26 с последующим его закорачиванием . В силу указанного принципа построени  регул торов 7 и 8 напр жение Ufa становитс  равным нулю.

Включение преобразовател  частоты дл  централизованного электроснабжени  осуществл етс , как правило, на холостом ходу , и в дальнейшем производитс  подключение потребителей. При включении преобразовател  на / -вход / 5-триггера 44 подаетс  сигнал единичного уровн , который устанавливает на выходах Q и Q соответственно нулевой и единичный уровни UQAA и Цд44 первый из которых, поступа  на управл ющий вход коммутатора 40, подает команду на подключение выхода сумматора 25 к входу блока 23 управлени , а второй, поступа  на один из входов элемента 2И 46, разрешает прохождение сигнала любого уровн  с выхода порогового элемента 35 на управл ющий вход коммутатора 39. Таким образом, в начальный момент работы преобразовател  коммутаторы 37-40 наход тс  в положении , указанном на схеме, т.е. коммутатор

37соедин ет выход делител  34 с инверсным входом узла 20 сравнени , коммутатором

38и 39 закорачивают входы соответственно усилителей 21 и 22 и блока 24 управлени , коммутатор 40 соедин ет выход сумматора 25 с блоком 23 управлени . На управл ющий вход фазосдвигающего узла 15 поступает разность выходных напр жений датчика 30 и делител  34. Выходное напр жение датчика 30 пропорционально выходному напр жению преобразователи частоты, а напр жение , снимаемое с делител  34, пропорционально амплитуде токов в цеп х компенсации реактивной мощности верхней по схеме секции.

Под действием указанной разности сигналов фазосдвигающий узел 15 сдвигает последовательность управл ющих импульсов, подаваемую на тиристоры моста 2, в сторону опережени  на такой угол е, что амплитуда токов в дроссел х 10 при изменении нагрузки остаетс  посто нной. Цепь посто нного тока моста 2 отсекаетс  от фильтра 6 с помощью диода 49, поэтому при подаче импульсов управлени  на тиристоры моста 2 образуютс  каналы дл  протекани  только тока компенсации через соответствующие дроссели 11.

Если величина загрузки преобразовател  достигает половины номинальной, срабатывает пороговый элемент 35, который управл ет коммутаторами 37 и 38 и через элемент 2И 46 коммутатором 39. Коммутатор 37 замыкает инверсный вход узла 20 сравнени , коммутатор 38 подключает входы усилителей 21 и 22 к выходу узла 18 сравнени , а коммутатор 39 соедин ет вход блока 24 управлени  с выходом сумматора 26. После срабатывани  коммутатора 37 датчик тока дросселей 10 отключаетс  от узла 20 сравнени , в результате чего на управл ющий вход фазосдвигающего узла 15 поступает сигнал только с датчика 30 напр жени . Под действием этого сигнала угол сдвига между последовательност ми управл ющих импульсов мостов 1 и 2 уменьшаетс  до нул . Одновременно с этим при замыкании коммутаторов 38 и 39 включаетс  регул тор 8 и система балансировки токов, потребл емых мостами 1 и 2. Сигнал, пропорциональный разности токов 1d и , суммируетс  с сигналом основного контура регулировани  в сумматоре 26 и вычитаетс  из него в сумматоре 25. В результате этого выходные напр жени  регул торов 7 и 8, как описано , определ етс  как величиной опорного напр жени  источника 28, так и разбалансом токов ld. и Ыч- Если, например, в процессе работы преобразовател  TOKjrfi стал больше, чем Jet2, то напр жение Ugi, подаваемое с выхода регул тора 7 уменьшаетс , а напр жение Udz увеличиваетс . В результате разность токов 1oi и Ids. стремитс  к нулю.

При параллельной работе преобразовательных секций компенсаци  избыточной реактивной мощности коммутирующих конденсаторов 9 осуществл етс  , в основном, мостом 12 с дроссел ми 10, так как индуктивность последних выбираетс  много меньшей , чем индуктивность дросселей 11. При снижении нагрузки в поддержании баланса реактивной мощности участвуют уже две системы. Перва  система  вл етс  быстродействующей , причем ее действие имеет  рко выраженный импульсный характер. Втора  система, управл ющее воздействие

0

которой формируетс  р дом узлов, обеспечивает компенсацию медленных изменений параметров нагрузки, однако имеет преимущества в смысле использовани  сило- вых элементов по току. Сочетание двух систем позвол ет рационально решить вопросы быстродействи  и минимизации установленной мощности.

Перестройка структуры силовой части преобразовател  частоты в зависимости от величины нагрузки позвол ет совместить функции преобразовани  посто нного напр жени  в переменное и компенсацию реактивной мощности в одних и тех же компонентах схемы. При этом угол проводимости тиристоров второго моста при работе в режиме компенсации может быть приближен к 180 эл.град. соответствующим выбором параметров компенсирующих дросселей И. В результате этого в кривой выходного напр жени  существенно уменьшаетс  уровень высших гармоник, прежде всего п той и седьмой , что благопри тно сказываетс  как на работе потребителей электроэнергии повышенной частоты, так и коммутирующих кон5 денсаторов. Последнее дает возможность снизить потери холостого хода, что  вл етс  особенно существенным при работе преобразовател  частоты на сеть массовых потребителей со случайным законом подключени , например, при централизованном

0 питании от преобразовател  частоты больших групп станков с высокоскоростными шпиндел ми.

При питании таких потребителей особую роль приобретает надежность работы источника питани , возможность наиболее быст5 ро среагировать на аварийный режим и обесточить вентильную систему преобразовател , предупредив тем самым выход из стро  элементов , критичных к токовым перегрузкам. В преобразователе частоты обеспечение

0 нормального режима работы осуществл етс  с помощью контрол  коммутационной устойчивости путем измерени  амплитуды тока компенсирующих дросселей 10 на каждом интервале работы инвертора и формировании управл ющего воздействи 

5 на блоки управлени  регул торами при снижении амплитуды тока компенсации /д/n до величины /q/лмин, характеризующей критическое (в смысле обеспечени  коммутационной устойчивости) значение запаса реактивной энергии емкостного характера в выход0 ной цепи автономного инвертора тока. Это значение /в/п. мин можно рассчитать по формуле

/а,/л.мн .( 1-cosfWmo /oiLa,

где UM - амплитуда выходного напр жени  инвертора; со - кругова  частота инвертировани ;

I индуктивность компенсирующих

дросселей 10;

рмин -минимально допустимый угол коммутации дл  конкретной частоты и типа тиристоров. Эта формула легко может быть получена из уравнени  кривой тока компенсации в трехдроссельном компенсаторе на обратных диодах

/(oO bU,(ce/-р)-cospl/toZ

гдег(«0 -текущее значение тока компенсации .

Сигнал, пропорциональный критическому значению амплитуды тока компенсации Ј/29 вырабатываетс  источником 29 опорного напр жени  и поступает на пр мой вход компаратора, на инверсный вход которого поступает с выхода выпр мител  32 сигнал 7з2, пропорциональный току через дроссели 10 компенсации на каждом интервале работы инвертора. На выходе компаратора присутствует уровень- логической единицы Ј/4i, когда опорное напр жение источника 29 превышает сигнал выпр мител  32, и уровень логического нул  - при обратном превышении .

Описанна  последовательность сигналов поступает на вход формировател  48 узких импульсов, который по переднему фронту поступивших импульсов формирует узкие импульсы с длительностью, достаточной дл  срабатывани  триггера. Эти импульсы пода- ютс  на вход сброса / 5-триггера 43, на установочный вход S которого подаютс  синхроимпульсы t/4i с выхода задающего генератора 14. В результате на выходе Q триггера 43 присутствуют импульсы положительной пол рности UQ 43, передний фронт ко- торых совпадает с началом текущего интервала , а задний фронт совпадает с моментом пересечени  обратного хода кривой напр жени , пропорционального току компенсации , со значением опорного напр жени  ис- точника 29. Сигналы с выходов компаратора 41 и триггера 43 поступают соответственно на первый и второй входы элемента 4И 45, на третий вход которого подаетс  последовательность импульсов Ј/42, задержанна  на элементе 42 задержки относительно син- хроимпульсов задающего генератора на величину т, равную максимально возможному времени от начала интервала до точки пересечени  пр мого хода кривой напр жени , пропорционального току компенсации со значением опорного напр жени  ис- точника 29. Дл  известных параметров схемы преобразовател  величина т рассчитываетс  по формуле

Т |5мин/с0 /мин,

где РМИН - минимально допустимый угол коммутации дл  данного типа тиристоров и выходной части преобразовател ;

/чин - минимально допустимое врем  восстановление запирающих свойств конкретного типа тиристоров инверторного моста.

На четвертый вход элемента 4И 45 подаетс  сигнал на разрешение работы цепи быстродействующей защиты. Этот сигнал вырабатываетс  пороговым элементом 36 (порог срабатывани  которого значительно ниже, чем у элемента 35) и несет информацию о том, что преобразователь частоты находитс  в рабочем состо нии, по цепи питани  инверторного моста протекает ток Id, и, следовательно, при нормальном режиме работы преобразовател  по цеп м компенсации реактивной мощности последнего должен протекать ток компенсации, а на выходе выпр мител  32 присутствовать пропорциональный ему сигнал.

В нормальном режиме работы преобразовател  (фиг. 2) на выходе элемента 4И 45 в течение всего интервала работы присутствует сигнал логического нул .

Как только амплитуда выходного сигнала выпр мител  32, пропорционального току компенсации, станет на каком-либо интервале меньше значени  опорного напр жени  источника 29, на выходе компаратора 41 на прот жении всего текущего интервала присутствует сигнал логической единицы , на выходе Q триггера 43 также на прот жении всего интервала присутствует уровень логической единицы, так как на вход сброса R на интервале не подаетс  импульс на обнуление триггера. Таким образом , по приходу задержанного импульса с элемента 42 на третий вход элемента 4И 45 на всех остальных входах последнего уже установлены уровни логической единицы в результате на выходе элемента 4И 45 по вл етс  импульс, который через элемент ИЛИ 47 подаетс  на установочный S-вход RS- триггера 44 и устанавливает соответственно на выходах Q и Q последнего уровни логической единицы и логического нул , которые, поступа  на управл ющие входы соответствующих коммутаторов 40 и 39, привод т к разрыву цепи сумматор 25 (26) - блок 23 (24) управлени  регул тором и закорачиванию последних. Это приводит к обесто- чиванию цепей питани  инверторных мостов 1 и 2 вследствие того, что выходные напр жени  регул торов 7 и 8 UoL и Udi станов тс  равными нулю. Повторное включение преобразовател  осуществл етс  при обнулении триггера 44 путем подачи на вход сброса R последнего импульса положительной пол рности. Второй вход элемента ИЛИ 47 предназначен дл  отключени  преобразовател  путем подачи на него импульса положительной пол рности.

Формирователь 48 узких импульсов введен дл  того, чтобы исключить неопределенное состо ние триггера 43, которое имеет

11

12

место при наличии на обоих его входах уровн  логической единицы.

Таким образом, введенна  в устройство управлени  преобразователем частоты цепь быстродействующей защиты инверторных мостов 1 и 2 от нарушени  коммутационной устойчивости позвол ет в течение одного интервала (1/6 часть периода выходного напр жени ) осуществить отключение вентильной части инверторов от источника питани . За такой промежуток времени аварийный ток не успевает нарасти до опасных пределов, что безусловно повышает надежность функционировани  преобразовател  частоты в целом.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Устройство дл  управлени  преобразователем частоты, выполненным в виде объединенных по выходу трехфазных тирис- торных мостов, выводы посто нного тока каждого из которых через сглаживающий дроссель и LC-фильтр подключены к выходу соответствующего регул тора посто нного напр жени , а выводы переменного тока соединены через конденсаторы между собой и через дроссели с выводами переменного тока соответствующего моста обратных диодов, выводы посто нного тока которого подключены к выводам посто нного тока данного тиристорного моста, содержащее задающий генератор, выход которого предназначен дл  подключени  к управл ющему входу первого тиристорного моста и через фазосдвигающий узел - к управл ющему входу второго тиристорного моста, датчики тока, предназначенные дл  подключени  в цепи питани  тиристорных мостов , первый узел сравнени , входы которого соединены с выходами датчиков тока, выход - с входом первого коммутатора, выход которого соединен с входами первого и второго усилителей , выходы которых соединены с первыми входами первого и второго сумматоров, вторые входы которых соединены с выходом второго узла сравнени , первый вход которого соединен с выходом первого источника опорного напр жени , второй вход - с выходом датчика выходного напр жени  и первым входом третьего узла сравнени , второй вход которого соединен с выходом второго коммутатора, вход которого через последовательно сое

   диненные делитель напр жени , фильтр и выпр митель соединен с вторичной обмоткой трансформатора тока, первична  обмотка которого предназначена дл  подключени 

   последовательно с дросселем первого тиристорного моста, выход третьего узла сравнени  соединен с управл ющим входом фазо- сдвигающего узла, третий сумматор, входы которого соединены с выходами датчиков тока , а выход через первый пороговый элемент - с управл ющими входами первого .и второго коммутаторов, третий коммутатор, вход которого соединен с выходом второго сумматора, а выход - с входом блока управлени  регул тора посто нного напр жеени  второго тиристорного моста, блок управлени  регул тора посто нного напр жени  первого тиристорного моста, отличающеес  тем, что, с целью повышени  надежности, введены четвертый коммутатор, второй пороговый элемент, второй источник опорного

   0 напр жени , компаратор, элемент задержки, два / 5-триггера, элемент 4И, элемент 2И, элемент ИЛИ и формирователь узких импульсов , причем четвертый коммутатор включен между выходом первого сумматора и

   д входом блока управлени  регул тором посто нного напр жени  первого тиристорного моста, второй источник опорного напр жени  подключен к пр мому входу компаратора , инверсный вход которого подключен к выходу выпр мител , а выход соединен с

   0 первым входом элемента 4И и через формирователь узких импульсов с / -входом первого / 5-триггера, S-вход которого соединен с выходом задающего генератора и входом элемента задержки, второй вход элемента 4И соединен с выходом Q первого / 5-триг5 гера, третий вход - с выходом элемента задержки, а четвертый вход - с выходом второго порогового элемента, вход которого подключен к выходу третьего сумматора, выход элемента 4И соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого использован как управл ющий вход выключением преобразовател , а выход соединен с S-входом второго #5-триггера, / -вход которого использован как управл ющий вход включением преобразовател , выход Q сое5 динен с управл ющим входом четвертого коммутатора, а выход Q соединен с первым входом элемента 2И, второй вход которого соединен с выходом первого порогового элемента, а выход - с управл ющим входом третьего коммутатора.

   0

   Фиг. 2