Способ совместного управления реверсивным вентильным преобразователем без уравнительных токов

 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в реверсивных тиристорных преобразователях. Техническим результатом является расширение области применения. В способе совместного управления реверсивным вентильным преобразователем без уравнительных токов для управления первым и вторым вентильными комплектами в составе встречно-параллельной схемы реверсивного тиристорного преобразователя предусматривают формирование двух последовательностей широких управляющих импульсов симметрично по обе стороны от точек естественной коммутации и одновременную подачу одной из них на каждые два встречно-параллельных тиристора, находящихся в разных комплектах и соединяющих цепь нагрузки с одной и той же фазой сети в зависимости от знака управляющего сигнала задания тока и знака тока нагрузки, и замену указанных последовательностей по команде логического переключающего устройства непосредственно после изменения знака тока нагрузки в момент выработки первого импульса для тиристоров вступающего в работу комплекта с задержкой на время выключения тиристоров выходящего из работы комплекта. 5 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для повышения технико-экономических показателей реверсивных тиристорных преобразователей с совместным управлением путем ликвидации уравнительных токов и соответственно устранения в их схемах токоограничивающих уравнительных дросселей.

Известны два основных способа управления вентильными комплектами реверсивных тиристорных преобразователей (РТП) - раздельный и совместный (см. Слежановский О.В. Реверсивный электропривод постоянного тока. М.: Металлургия, 1967, 422 с.). Обеспечивая мгновенную готовность к изменению режима, способ совместного в отличие от раздельного управления исключает появление прерывистого тока нагрузки и тем самым устраняет влияние вентильной нелинейности на статические и динамические свойства РТП и электроприводов на их основе. Таким образом, совместное управление в принципе способно обеспечить более высокое качество регулирования преобразователей. Однако необходимость завышения установленной мощности элементов силовой цепи, а также известных мер по ограничиванию уравнительных токов в статических и динамических режимах приводит к тому, что в настоящее время большее применение получают РТП с раздельным управлением.

Цель настоящего изобретения - разработка способа управления вентильными комплектами РТП, который бы совмещал достоинства известных способов раздельного и совместного управления.

Для создания такого алгоритма требуется решение ряда задач, а именно необходимо:

1) обеспечить двухстороннюю проводимость тока в выходной цепи преобразователя без его прерывания на интервалах изменения полярности мгновенного напряжения нагрузки;

2) обеспечить совпадение регулировочных характеристик комплектов при равенстве не только средних, но и мгновенных значений напряжения на выходах вентильных комплектов, что исключит появление уравнительного напряжения и скачка выходного напряжения при реверсе;

3) обеспечить в каждый момент работу тиристоров одного комплекта с целью минимизации токовой загрузки элементов силовой цепи преобразователя;

4) исключить возможность междуфазного короткого замыкания в моменты реверса при переходе тока с тиристоров одних фаз в составе первого комплекта на тиристоры других фаз второго комплекта без необходимости создания бестоковой паузы;

5) обеспечить двухсторонний обмен сети и нагрузки всеми составляющими электрической мощности, а также возможность автоматической смены энергетического режима (выпрямительного на инверторный и наоборот).

Перечисленным требованиям удовлетворяет известный “Способ управления комплектами двухоперационных вентилей реверсивных преобразователей” (см. Патент РФ №2173929 /Магазинник Л.Т., Сидоров С.Н. Опубл. в Б.И. №26, 2001 г.). Данный способ предназначен для совместного согласованного управления первым и вторым комплектами вентилей реверсивного преобразователя путем формирования для каждого вентиля двух последовательностей управляющих импульсов, длительностью равной их проводящему состоянию, одна из которых вырабатывается в диапазоне отстающих относительно точек естественной коммутации углов управления 0≤α₁&λτ;π, а другая - в диапазоне равных по модулю опережающих углов управления -π&λτ;α₂≤0, а также одновременную подачу той или иной последовательности импульсов на каждую пару встречно-параллельных тиристоров, находящихся в разных комплектах, подключенных к одной и той же фазе питающей сети.

Сущность известного способа состоит в одновременной подаче управляющих импульсов на тиристоры разных комплектов, соединяющих цепь нагрузки с одними и теми же фазами сети, что обеспечивает равенство не только средних, но и мгновенных значений напряжения на их выходах, создавая тем самым предпосылки для выполнения всех перечисленных выше требований. Однако реализация такого управления возможна лишь на двухоперационных (запираемых) тиристорах, что ограничивает области возможного применения, так как базовым элементом преобразователей непосредственного типа до сих пор остаются однооперационные тиристоры.

Для получения аналогичного результата в схемах РТП, выполняемых на обычных незапираемых тиристорах, предлагается осуществлять подачу той или другой импульсной последовательности, в зависимости от знаков управляющего сигнала на входе системы импульсно-фазового управления и тока нагрузки, таким образом, чтобы при совпадении положительных знаков была разрешена подача импульсов первой последовательности на тиристоры первого комплекта с отстающими углами управления α₁ и одновременно на тиристоры второго комплекта с опережающими углами управления -π+α₁, при совпадении отрицательных знаков была разрешена подача импульсов второй последовательности на тиристоры первого комплекта с опережающими углами управления α ₂ и одновременно на тиристоры второго комплекта с отстающими углами управления π-|α₂|, а при условии несовпадения знаков указанных координат подача ранее задействованной последовательности импульсов продолжалась, причем замена указанных последовательностей осуществлялась по команде логического переключающего устройства непосредственно после изменения знака тока нагрузки в момент выработки первого импульса для тиристоров вступающего в работу комплекта с задержкой на время выключения тиристоров выходящего из работы комплекта.

Реализация предлагаемого способа равновозможна как в одно-, так и в многофазных схемах выпрямления и непосредственных преобразователей частоты. На фиг.1 в качестве примера приведена известная трехфазно-однофазная встречно-параллельная схема РТП с нулевым выводом, оснащенная уравнительными дросселями. На фиг.2 изображены временные диаграммы выходного напряжения и управляющих импульсов, иллюстрирующие работу преобразователя на двухоперационных вентилях при известных алгоритмах управления с отстающими и опережающими углами управления. На фиг.3 изображена схема преобразователя без уравнительных дросселей, управление которым осуществляется в соответствии с предложенным способом; на фиг.4 - схема логического переключающего устройства, с помощью которого можно реализовать способ, а на фиг.3 - временные диаграммы, иллюстрирующие работу безреакторного РТП в режиме непосредственного преобразователя частоты.

Как отмечалось, реализация нового способа совместного управления должна основываться на одновременной подаче так называемых широких управляющих импульсов на каждую пару встречно-параллельных тиристоров в составе разных комплектов. Такое управление означает попытку включения указанных тиристоров с разными углами управления. На представленных диаграммах углы управления тиристорами первого вентильного комплекта (ВК1) отсчитываются от точек естественной коммутации, располагающихся выше оси, а углы управления вторым вентильным комплектом (ВК2) - от точек естественной коммутации ниже оси. Из диаграмм фиг.2,а видно, что подача импульсов первой последовательности может обеспечить включение тиристоров ВК 1 в диапазоне отстающих углов 0≤ α _{1&λτ; π} , а тиристоров ВК2 - в диапазоне опережающих углов -π &λτ; -π+α₁≤ 0. Сумма модульных значений названных углов равна π (180 эл. град.). Полагается, что формирование импульсов осуществляется на основе известного вертикального принципа в моменты равенства управляющего напряжения Uy и опорных сигналов пилообразной формы. Диаграммы на фиг.2,б показывают, что аналогичный результат можно получить с помощью второй импульсной последовательности, вырабатываемой по другую сторону от точек естественной коммутации. В свою очередь эти импульсы могут обеспечить включение тиристоров ВК1 в диапазоне опережающих углов -π&λτ;α₂≤ 0 или включение тиристоров ВК2 в диапазоне отстающих углов ≤π-|α₂|&λτ; π . При условии равенства фаз импульсов по модулю α ₁=|α₂| подача первой или второй последовательности обеспечивает одинаковое по величине и знаку средневыпрямленное напряжение на выходе преобразователя Ud₁=Ud₂ и в этом смысле является тождественной. Однако переключение однооперационных тиристоров в диапазоне опережающих углов невозможно, в связи с чем подачу импульсов в указанном диапазоне на токопроводящие тиристоры следует исключить. Для этого предлагается пропускать на тиристоры импульсы первой или второй последовательности по команде логического переключающего устройства, с учетом знака тока нагрузки и управляющего сигнала на входе системы импульсно-фазового управления, а именно при положительных знаках управляющего сигнала и тока нагрузки разрешать подачу импульсов первой последовательности, что обеспечит работу ВК1 в диапазоне отстающих углов α₁≥0, а при отрицательных знаках управляющего сигнала и тока нагрузки разрешать подачу импульсов второй последовательности, что также имеет целью обеспечить работу тиристоров ВК2 в указанном диапазоне отстающих углов π -|α₂|≥ 0. В условиях предлагаемого алгоритма поступление опережающих импульсов на непроводящие тиристоры сохраняется, однако это будет нужно лишь для того, чтобы обеспечить мгновенную готовность тиристорных пар к изменению направления тока. В таком случае пульсирующий ток нагрузки сможет вслед за напряжением изменять свое направление и режим прерывистого тока нагрузки будет устранен. Так как непосредственно до и после изменения знака мгновенного тока будут задействованы тиристоры одной фазы сети, скачка выходного напряжения в моменты перехода тока через нулевое значение наблюдаться не будет.

Таким образом, одновременная подача широких управляющих тиристоров на тиристорные пары автоматически обеспечивает двухстороннюю проводимость цепи нагрузки на интервалах знакопостоянства управляющего сигнала без поддержки логического переключающего устройства и тем самым удовлетворяет требованиям пунктов 1-3. В отличие от режима пульсаций тока около нулевого уровня режим реверса должен вызываться изменением знака управляющего сигнала и последующим изменением знака тока нагрузки, что должно послужить командой для смены импульсных последовательностей на управляющих входах тиристоров. Выработка командного сигнала может быть осуществлена с помощью некого логического переключающего устройства (ЛПУ), один из возможных вариантов которого представлен на схемах фиг.3, 4. На схеме фиг.3 реверсивный безреакторный преобразователь представлен в виде трех пар встречно-параллельных тиристоров 1,4; 3,6; 5,2. Полагается, что на вход системы импульсно-фазового управления 7 поступает управляющий сигнал с выхода регулятора тока Uy=Upт, назначением которого является задание величины и знака тока нагрузки. В соответствии с предлагаемым способом на выходе блока 7 формируются две последовательности управляющих импульсов с фазовыми углами α ₁ и α ₂. Функции разрешения и запрета подачи этих импульсов на тиристоры осуществляет импульсный селектор 8, управление которым ведется с помощью логических сигналов В (вперед) и Н (назад), вырабатываемых на выходах ЛПУ 9. На входы последнего поступает логическая информация о знаке управляющего сигнала sign Upт и знаке тока нагрузки sign Id, выработка которого осуществляется на прямом и инверсном выходах датчика проводимости тиристоров первого и второго комплектов 10.

Рассмотрим управление данным преобразователем, полагая, что ЛПУ реализует принцип переключения по сигналу задания тока, получающий широкое применение при раздельном управлении РТП. В таком случае ЛПУ может быть выполнено по известной схеме двухступенчатого R-S-триггера (фиг.4), описание которого имеется в указанном выше первоисточнике. Предположим, что управляющий сигнал положителен Upт&γτ; 0 и на прямом выходе нуль-органа 11 выделяется сигнал sign Upт=1, а ток нагрузки протекает в положительном направлении. Полагаем, что в этом случае на прямом выходе датчика проводимости 10 имеется 1, а на выходе логического элемента 20 появляется 0, разрешающий подачу импульсов первой последовательности. Изменение полярности управляющего сигнала Upт&λτ; 0 приводит к появлению 1 на инверсном выходе нуль-органа 11 и одновременно увеличивает углы управления α₁&γτ;π/2, что переводит преобразователь в инверторный режим. После уменьшения тока и изменения его знака логическая 1 появляется на инверсном выходе датчика 10, однако подача импульсов указанной последовательности продолжается до появления переднего фронта первого управляющего импульса второй последовательности (см. диаграммы на фиг.5). Как отмечалось, это исключит прерывание тока и скачок мгновенного напряжения на выходе преобразователя в момент реверса. Появление указанного фронта приведет к выработке кратковременного сигнала нулевого уровня на выходе элемента 22, что явится командой для начала отсчета временной задержки схемой запаздывания 23. Указанная задержка t_вык необходима для надежного восстановления запирающих свойств тиристора первого комплекта, выключение которого произошло в момент прохождения тока нулевого уровня. Это исключит возможность междуфазного к.з., если в указанный момент произойдет включение тиристора второго комплекта другой фазы и тем самым требования пункта 4 будут также выполнены. Одновременно с этим появление 0 на выходе логического элемента 13 переключит триггер заданного состояния на элементах 14, 15 и на выходе логического элемента 14 также появится 0. После отсчета временной задержки на выходе схемы запаздывания 23 появится 1, что приведет к переключению триггера истинного состояния на элементах 18, 19. Появление 1 на выходе элемента 19 повлечет переключение элемента 21 в состояние 0, а элемента 20 в состояние 1, что приведет к запрету импульсов первой последовательности и подаче на тиристоры импульсов второй последовательности. Аналогичные переключения произойдут при повторной смене полярности управляющего сигнала. Необходимость данной команды означает, что предлагаемый способ так же как и известный способ раздельного управления удовлетворяет требованиям пункта 5 при наличии в схеме управления регулятора тока.

Формула изобретения

Способ совместного управления первым и вторым вентильными комплектами в составе встречно-параллельной схемы реверсивного преобразователя, состоящий в том, что формируют для каждого вентиля две последовательности управляющих импульсов длительностью, равной возможному проводящему состоянию вентиля, из которых первую последовательность вырабатывают в диапазоне отстающих относительно точек естественной коммутации углов управления ≤ α ₁&λτ; π , а вторую последовательность - в диапазоне равных по модулю опережающих углов управления -π &λτ; α ₂≤ 0, при этом осуществляют одновременную подачу одной из указанных последовательностей импульсов на каждую пару встречно-параллельных тиристоров, находящихся в разных комплектах, подключенных к одной и той же фазе питающей сети, отличающийся тем, что подачу той или другой указанной импульсной последовательности осуществляют в зависимости от знака управляющего сигнала на входе системы импульсно-фазового управления и знака тока нагрузки таким образом, чтобы при совпадении положительных знаков была разрешена подача импульсов первой последовательности на тиристоры первого комплекта с отстающими углами управления α ₁≥ 0 и одновременно - на тиристоры второго комплекта с опережающими углами управления -π +α ₁≤ 0, при совпадения отрицательных знаков была разрешена подача импульсов второй последовательности на тиристоры первого комплекта с опережающими углами управления α ₂≤ 0 и одновременно - на тиристоры второго комплекта с отстающими углами управления π -|α ₂|≥ 0, а при условии несовпадения знаков указанных управляющего сигнала и тока нагрузки продолжают подачу ранее задействованной последовательности импульсов, замену которой на другую импульсную последовательность осуществляют по команде логического переключающего устройства непосредственно после изменения знака тока нагрузки в момент выработки первого импульса для тиристоров вступающего в работу комплекта с задержкой на время выключения тиристоров выходящего из работы комплекта.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5