Способ управления преобразователем с полностью управляемыми вентилями для регулирования мощности неиндуктивной нагрузки

 

Сущность изобретения: повышение экономичности питающей сети достигается путем установления фазовых углов включающих и отключающих импульсов по задаваемым значениям активной и реактивной мощности из двух соотношений , обуславливающих связь заданных значений активной и реактивной мощности с искомыми значениями фазовых углов включающего и отключающего импульсов. 7 ил. f в в регулировании углов включения вентилей, причем каждому значению угла соответствуют определенные значения активной и реактивной мощности. Известны способы управления более сложными компенсационными преобразователями путем регулирования углов включения вентилей, причем требуемый уровень реактивной мощности на входе преобразователей обеспечивается за счет введения в схему преобразователей трехфазной группы конденсаторов. VI сл о о о о

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4800084/07 (22) 07.03.90 (46) 23.07,92. Бюл, и 27 (71) Научно-исследовательский институт по передаче электроэнергии постоянным током высокого напряжения (72) Д.Е.Кадомский, А.М.Павловский, А.Е.Гуревич, M,Ê.Ãóðââè÷, А.Б.Альбертинский и

Я, Ю.Солодухо (56) Солодухо Я,Ю, Состояние и перспективы внедрения в электропривод статических компенсаторов реактивной мощности (обобщение отечественного и зарубежного опыта). — Реактивная мощность в сетях с несинусоидальными токами и статические устройства для ее компенсации, М;: Информэлектро, 1981.

Руденко В.С., Сенько В.И-., Чиженко

И.M. Основы преобразовательной техники, — M. Высшая школа, 1980, с.55, р.1 и с,424.

Супронович Г. Улучшение коэффициента мощности преобразовательных установок, — М.: Энергоатомиэдат, 1985.

Авторское свидетельство СССР

N 995254, кл. Н 02 М 1/08, 1981.

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к способам регулирования активной мощности на выходе и реактивной мощности на входе преобразовательных устройств, использующихся в системах электропитания предприятий, технологические процессы которых включают мощные электрические нагрузки, например электродуговые печи, установки электоокрегинга и др.

Известны способы управления преобразователями с преимущественно резистивной нагрузкой, построенными на частично управляемых вентилях, состоящие

„„SU ÄÄ 1750000А1

Н 02 М 5/22, 7/1 - р;,! ", .

° -,- ж ю щ у 1 — .! — у —

И :-(;::, Ь Г41 „.;"=,-. ... (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ С ПОЛНОСТЬЮ УПРАВЛЯЕМЫМИ ВЕНТИЛЯМИ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ

МОЩНОСТИ НЕИНДУКТИВНОЙ НАГРУЗКИ (57) Сущность изобретения . повышение экономичности питающей сети достигается путем установления фазовых углов включающих и отключающих импульсов по задаваемым значениям активной и реактивной мощности из двух соотношений, обуславливающих связь заданных значений активной и реактивной мощности с искомыми значениями фазовых углов включающего и отключающего импульСов. 7 ил. в регулировании углов включения вентилей, причем каждому значению угла соответст. вуют определенные значения активной и реактивной мощности, Известны способы управления более сложными компенсационйыми преобразователями путем регулирования углов включения вентилей, причем требуемый уровень реактивной мощности на входе преобразователей обеспечивается за счет введения в схему преобразователей трехфазной группы конденсаторов.

1750000

20

55

Известны способы управления преобразователями с искусственной коммутацией путем установки углов включения и углов отключения вентилей таким образом, чтобы обеспечить нулевой сдвиг во времени тока первой гармоники и напряжения и, тем самым, полную компенсацию реактивной мощности на входе преобразователей при выбранном значении выходной активной мощности, Известен способ управления мостовым преобразователем с полностью управляе-. мыми вентилями, в котором управление вентилями производится одновременной .подачей включающих и отключающих импульсов с определенным фазовым углом в . диапазоне от -180 эл,град, до +180 эл,град., так что фазовый угол включающего импульса однозначно связан с фазовым углом отключающего импульса, поскольку момент отключения вентиля совпадает с моментом включения очередного (по порядку следова-. ния коммутаций) вентиля мостового преобразователя. однако все известные способы управления преобразователями не позволяют одновременно и независимо регулировать и активную мощность на выходе и реактивную мощность на входе преобразователей, что является существенным недостатком этих способов, Необходимость независимого регулирования реактивной мощности при регулировании активной мощности преобразователей приводит к необходимости установки на электрических шинах питающей сети дополнительных устройств, обеспечивающих регулирование реактивной мощности.

На фиг.1 показан вид выходного напряжения мостового преобразователя с полностью управляемыми вентилями, управляемого по известному способу при положительных (а) и отрицательных (б) фазовых углах и управляющих импульсов и равных величинах постоянных составляющих выходного напряжения (Ug), B зависи, мости от времени в радианах (v), Уровень выходного напряжения и, тем самым, активной мощности преобразователя (P) регулирования изменением фазовых углов включаЮщих и отключающих импульсов. Требуемый уровень активной мощности преобразователя с полностью управляемыми вентилями обеспечивается при работе преобразователя как при отрицательных(с < О), так и при положительных (a > О) фазовых углах включающих и отключающих импульсов. При этом работа преобразователя с отрицательными фазовыми углами управляющих импульсов(-Q <

О) характеризуется генерацией реактивной мощности, а работа с положительными фазами (а > О) — потреблением реактивной мощности. Изменение знака реактивной мощности при поддержании заданной по величине активной мощности осуществляется изменением знака фазовых углов управляющих импульсов.

Таким образом, известный способ управления обеспечивает требуемую по условиям технологического процесса активную мощность на выходе преобразователя, которой соответствует только два одинаковых по величине и различающихся по знаку зна-. чения реактивной мощности на его входе.

При этом может выбираться только необходимый знак реактивной мощности преобразователя, в то время, как величина ее может не соответствовать требованиям по условиям работы питающей сети. Этот способ также, как и другие известные способы, не регулирует одновременно и независимо активную и реактивную мощность преобразователя. Для устранения этого недостатка на шинах питающей сети так же, как и в случае преобразователей с частично управляемыми вентилями, устанавливают дополнительные компенсирующие устройства, которые регулируют реактивную мощность, потребляемую из сети. Дополнительные компенсирующие устройства существенно увеличивают капитальные и эксплуатационные затраты, увеличивают потери электроэнергии, снижают экономичность работы питающей сети.

Целью изобретения является повышение экономичности питающей электрической. сети для технологических процессов с эпектрическйми нагрузками, мощность которых регулируется преобразователями с полностью управляемыми вентилями путем одновременного, независимого и непрерывного регулирования активной и реактивной мощности преобразователей без применения дополнительных компенсирующих устройств.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу управления преобразователем с полностью управляемыми вентилями для регулирования мощности неиндуктивной нагрузки, заключающемуся в том, что задают уставку активной мощности и формируют импульсы управления вентилями преобразователя с фазовыми углами включения в диапазоне от -180 эл,град. до +180 эл,град., дополнительно задают уставку реактивной мощности и для формирования импульсов управления вентилями преобра1750000 зовэтеля определяют значения фазовых углов включения и отключения в диапазоне от

-180 эл.град, до +180 эл.град, путем решения системы из двух уравнений с двумя неизвестными P = f1(x),хй) и а = г(х,хг), .5 обуславливающей для каждой конкретной схемы преобразователя однозначную связь между заданными устэвками активной и реактивной мощностей и значениями фазовых углов включения (xI) и отключения (хг) вен- 10 тилей преобразователя.

Сущность предлагаемого способа заключается в независимом регулировании фазовых углов включающих и отключающих импульсов в диапазоне от -180 эл.град. до 15

+180 эл.град„что позволяет одновр:менно, независимо и непрерывно регулировать величину и знак входной реактивной мощности и активную мощность на выходе преобразователя. В качестве уставок актив- 20 ной и реактивной мощностей используют величины, заданные условиями работы технологической нагрузки и питающей сети.

Отсчетфазовых углов управляющих импульсов ведется от момента естественного 25 включения вентилей в неуправляемом режиме. Выбор фазовых углов включения и отключения каждого вентиля определяет форму кривой тока i (v ) через резистивную нагрузку и, соответственно, угол сдвига 30 р(;)между кривой напряжения на комплексе преобразовательной устройство — резистивная нагрузка и кривой первой гармонической составляющей тока I(>), протекающего через нагрузку.

Таким образом, выбором фазовых углов включения и отключения вентилей предлагаемый способ однозначно обеспечивает требуемую активную мощность, выделяе. мую в нагрузке, и требуемую реактивную 40 мощность, потребляемую из питающей. . электрической сети или выдаваемую в сеть.

Способ управления по двум параметрам осуществляют необходимое независимое регулирование активной и реактивной мощностей преобразователей без применения дополнительных устройств для компенсации реактивной мощности. Это приводит к повышению экономичности работы питающей сети за счет исключения дополни50 тельных компенсирующих устройств.

На фиг.2 и 3 показаны схемы преобразовательных устройств, управляемых по предлагаемому способу; на фиг,4-6 — кривые и диаграмма, характеризующие режим преобразователей; на фиг.7 — блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Электрическая схема (фиг.2) системы питающая сеть — преобразовательное устройство — технологическая нагрузка содержит преобразователь 5, преобразующий энергию переменного тока на входе в энергию переменного тока на выходе, и представляющий собой два полностью управляемых вентиля 1 и 2, включенных встречно-параллельно. Преобразователь подключен к ЭДС питающей сети 3 последовательно с резистивной нагрузкой 4. Схема (фиг,2) приведена для случая, когда индуктивности в цепи коммутации тока вентилями малы.и ими можно пренебречь.

Последнее обстоятельство характерно для использования преобразователей при регулировании мощности B электродуговых печах, установках электрокрекинга и B других подобных технологических установках с большими токами через электрическую нагрузку и малыми напряжениями на ней.

На фиг.3 приведены кривые синусоидального напряжения е (v ) на комплексе преобразователь — реэистивная нагрузка и кривая тока I (v ), протекающего через нагрузку в однофазном преобразователе, (фиг.2). Фазные углы включения вентиля с1 и отключения вентиля аг, отсчет которых ведется от момента перехода кривой синусоидального напряжения на комплексе е (ю ) и создают определенный угол сдвига p(;) между кривой напряжения на комплексе преобразовательное устройство — резистивная нагрузка и кривой первой гармонической составляющей тока нагрузки I(<), что и определяет однозначно активную мощность в нагрузке и реактивную мощность, генерируемую устройством в питающую сеть или потребляемую из нее.

Соотношения для активной мощности

Р, выделяемой в нагрузке 4 (фиг.2) и реактивной мощности Q, генерируемой в питающую сеть или потребляемой из нее, имеют следующий вид:

Р = 2 т(2(аг-а >)-(sin2a> — sin2a< ) ; (1)

Q = (cos2 аг — cos2 а :), (2) где Р = Р/S, Q = Q/S;

P — активная мощность;.

Q — реактивная мощность: ,г

S = — — максимальная мощность, которую можно выделить в нагрузке;

Š— действующее значение напряжения;

R — сопротивление нагрузки;

a< — фазовый угол включения вентилей; аг — фазовый угол отключения вентилей.

1750000

Решение уравнений (1) и (2) относительно неизвестных а1 и аг при заданных значениях Р и Q позволяет определить фазовые углы включения и выключения, необходимые для обеспечения требуемых значений Р и Q.

Уравнения имеют трансцендентный характер и в общем случае не имеют аналитического решения для неизвестных а1 и а, T.å. не позволяют построить расчетные соотношения, выражающие в явном виде искомые зависимости а1 = f i (Р.Q) и

ai = f аг (Р,Q), Поэтому в общем случае необходимо.численное решение уравнений (1) и {2) относительно неизвестных oi и аг на основе традиционно используемых методов.

Пример. Решение уравнений на трех характерных ре>кимах преобразователя (фиг.2 с устэвками активной мощности, равными Р1 = О, Рг =- 0,5 и Рз =- 1,0 и уставкой для реактивных мощностей во всех указанных трех режимах, равной нулю, т.е. 01 = Ог = Оз

= О, ч го соответствует отсутствию потребления из сети реактивной мощности преобразователем или генерации ее в сеть.

Равенство нулю реактивной мощности в рассматриваемых характерных ре>кимах позволяет получить из уравнения (2), принимающего вид

1 (cos2 аг — cos2 oi) = О, 2л аналитическую связь между искомыми углами а1 иаг аг =л-ài.

Подставляя полученную связь в уравнение (I), получают

1 1 J

P = (2л — 4e>+2sin2ai 1)= — (> — х

2 л л

+ япх) (4), гдех=2 а1, Уравнение (4) может быгь приведено к виду л (Р— 1)+ х = sinx (5) и решено графически относительно неизвестного х. Решением уравнения {5) будет проекция на ось абсцисс {х = 2 cl ) точки перечисленйя прямой Yi(x) =- л (Р— 1) vi кривой Уг(х) = sinx, Диаграмма расчета фазовых углов управления путем графического решения уравнений (1) и (2) для трех характерных режимов преобразователя (фиг.2) приведена на фиг.4. Для рассматриваемых трех режимов из уравнения (5), полученного решением уравнений (1) и (2), получают соответственно: при Р =- Π— л + х = sinx; (5а) л и ри P =- 0,5 — + х =- sinx; (56) при Р =- 1,0 x =- slnx. (5в)

Как видно из фиг.4, в случае Р == О (уравнение(5а)) кривые Yi(x) и Уг{х) пересекаются непосредственно на оси абсцисс в точке х =

=2 а< =л. Таким образом, a = и в соотл ветствии с (3) аг =л — а =

В случае P = 0,5 (уравнение (56) пересе1р чение Yq(x) и Уг(х) имеет проекцию на ось абсцисс в точке x = 2 а1 =2,31, таким образом а1 = 1,155 и аг = л — 1,155 =- 1,985.

В случае Р = 1,0 (уравнение (5в)) кривые

Y>(x) и Уг(х) пересекаются в точке начала

15 координат, таким образом а =- О и аг = л .

Приведенные результаты решения исходных уравнений {1 и 2 ) относительно углов а|и Q2 для трех указанных режимов сведены в таблицу

Шестифазная мостовая схема преобразователя с полностью управляемыми вентилями приведена на фиг.3, а на фиг.б показаны кривые напряжения и тока на выходе преобразователя за период Т промышленной частоты при работе на резистивную нагрузку 4 преобразователя 5, подключенного к шинам питающей сети б, Фазовые углы включения а1 и отключе- ния аг каждого вентиля моста отсчитываются от момента естественного вклюнения вентиля в неуправляемом режиме vo, В предполо>кении о мгновенной комму40 тации тока вентилями преобразователя (фиг.З), что соответствуетусловиям осуществления предлагаемого способа регулирования мощности в электродуговых печах, установках электрокрекинга и других подо45 бных технологических процессах с большими токами через нагрузку, для которых характерны весьма малые значения индук: тивностей, входящих в контуры коммутации и, следовательно, малые времена коммутации тока вентилями, получены следующие соотношения, описывающие связи активной Р и реактивной Q мощностей с фазовыми углами импульсов управления а1 и аг

P = — ((аг — а1) + sin(аг — а1) cos( аг а1 g)) (6)

3 л

Q = — з1п(аг — а1)з(п(аг+ --З ). (7) 1750000

Определение фазовых углов управляющих импульсов а и az из соотношений . (6) и.(7) при заданных P u Q позволяет обеспечить требуемые уровни активной и реактивной мощностей преобразователя. 5

На фиг,7 приведена блок-схема устройства управления, реализующего предлагаемый способ управления .преобразователем с полностью управляемыми вентилями для регулирования мощности неиндуктивной 10 нагрузки. Для формирования импульсов управления преобразователем 7 с соответствующими фазовыми углами .устройство содержит блок 8 задания уставок активной и реактивной мощностей, вырабатывающий 15 аналоговые сигналы РЗдд и 03яд, пропорциональные заданным внешними устройствами значениям уставок мощности, аналого-цифровой преобразователь 9, преобразующий аналоговые сигналы в цифро- 20 вой код (P, Q ), микропроцессорное

/ p устройство 10, содержащее программу расчета значений углов а и с22 по уравнениям (1) и (2) или (63 и (7), цифроаналоговый преобразователь 11, преобразующий циф- 25

l ровые кодовые сигналы а> и а вычисленных микропроцессорным устройством

10 цифровых значений углов а и и в аналоговые величины а< и az, блок 12 формирования импульсов управления, нэ выходе которого формируются управляющие импульсы включения (И ) и отключения (И ) каждого из вентилей преобразователя

7 в соответствии с вычисленными и поданными на вход блока 12 значениями фазовых З5 углов включения и отключения вентилей.

Расчет микроп роцессорным устройством 10 искомых значений углов а и az произво дится по программе, основанной на использовании одного из известных численных 40 методов решения трансцендентных уравнений, например метода Ньютона, Управление преобразователем по предлагаемому способу с независимым регулированием активной и реактивной 45 мощностей позволяет полностью отказаться от установки компенсирующих устройств, что приводит к технико-зкономическому эффекту, обусловленному уменьшением капитальных затрат на установку дополнительных устройств компенсации реактивной мощности на шинах предприятий, затрат на необходимое резервное оборудование, трудозатрат на эксплуатацию и ремонт устройства компенсации реактивной мощности, а также. обусловленному улучшением массо-габаритных показателей оборудования для обеспечиваемых энергией технологических процессов с неиндуктивной нагрузкой и, как следствие, уменьшением строительных обьемов.

Формула изобретения

Способ управления преобразователем с полностью управляемыми вентилями для регулирования мощности неиндуктивной нагрузки, заключающийся в том, что задают уставку активной мощности и формируют импульсы управления вентилями преобразователя с фазовыми углами включения в диапазоне от -180 зл.град. до +180 зл,град., отличающийся тем, что. с целью повышения экономичности работы питающей сети путем одновременного независимого и непрерывного регулирования активной и реактивной мощностями преобразователя, дополнительно задают устэвку реактивной мощности и для формирования импульсов управления вентилями преобразователя определяют значения фазовых углов включения и отключения в диапазоне от

-180 зл.град. до+180 эл.град. путем решения системы из двух уравнений с двумя неизвестными Р= f)(с1 иQ2) и Q=fzа «m), обусловливающей для каждой конкретной схемы преобразователя однозначную связь между заданными уставкэми активной и реактивной мощностей и значениями фазовых углов включения <1 и отключениями вентилей преобразователя.

1750000 ()) иг,I

Фиг.2

Фиг. 5

1750000

Фиг. 4

1750000

7иг. 6

Фиг.7

Корректор О.Ципле

Редактор И.Дербак

Заказ 2602 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Составитель А,Павловский

Техред М.Моргентал