Способ релейного формирования тока и устройство для его осуществления

Предлагаемые способ и устройство релейного формирования тока относятся к области полупроводниковой преобразовательной техники и могут быть использованы в электроприводах постоянного и переменного тока и в электротехнических установках. Технический результат изобретения - улучшение энергетических показателей устройства, упрощение системы управления устройством, повышение надежности устройства. Предлагаемый способ релейного формирования тока заключается в циклическом (с частотой срабатывания релейного регулятора) подключении нагрузки через цепочку, состоящую из последовательно соединенных диодов и транзисторов выпрямителя и коммутатора канала потребления, к линейному напряжению сети, положительному по отношению к направлению тока в нагрузке (режим потребления), при этом ток в нагрузке возрастает быстрее темпа изменения сигнала задания на ток на входе релейного регулятора, отключении транзисторов коммутатора канала потребления, при этом замыкание вытесненного из отключаемых транзисторов тока происходит через другие диоды и транзисторы выпрямителя и инвертора канала рекуперации на линейное напряжение сети, отрицательное по отношению к направлению тока в нагрузке (режим рекуперации) и убывании тока в нагрузке быстрее изменения сигнала задания. В режиме рекуперации энергии нагрузку подключают к тому же линейному напряжению сети, что и в режиме потребления, в полярности, противоположной режиму потребления. При этом транзисторы цепи рекуперации открываются в крайнем инверторном режиме без регулирования. Устройство для реализации предлагаемого способа состоит из нескольких диодно-транзисторных цепей, включенных между сетью и нагрузкой, датчика тока, включенного последовательно с нагрузкой. Устройство содержит две параллельные цепи - потребления и рекуперации. Цепь потребления состоит из последовательно включенных неуправляемого выпрямителя и коммутатора с релейным регулятором. Цепь рекуперации состоит из неуправляемого выпрямителя и инвертора, ведомого сетью с системой управления. Обе цепи включены встречно-параллельно и с одной стороны подключены к нагрузке, с другой - к сети. При этом цепи не имеют общих накопителей энергии и общих точек, кроме точек подключения к сети и нагрузке. 2 н.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к области полупроводниковой преобразовательной техники и может быть использовано в электроприводах постоянного и переменного тока и в электротехнических установках.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату устройства и способа являются принятые за прототип способ и устройство по автореферату на соискание ученой степени доктора наук. Микитченко А.Я., Специальность 05.09.03, МЭИ, Москва, 1999.

Известен способ релейного формирования тока, в котором для увеличения тока в нагрузке, она подключается через цепочку из последовательно соединенных вентилей к тому линейному напряжению сети, полярность которого в данный момент совпадает с направлением протекающего в нагрузке тока. Нагрузка потребляет энергию из сети. Для уменьшения тока в нагрузке она подключается с помощью другой цепочки из последовательно соединенных вентилей к другому линейному напряжению сети, полярность которого противоположна направлению тока в нагрузке. Нагрузка рекуперирует энергию в сеть. Поочередным включением и выключением вентилей первой и второй цепочек обеспечивается такой процесс формирования тока в нагрузке, при котором ток то возрастает больше заданного, то уменьшается меньше заданного, но всегда остается близким к заданному (Микитченко А.Я. Автореферат на соискание ученой степени доктора наук. Специальность 05.09.03, МЭИ, Москва, 1999).

Устройство для осуществления данного способа включает несколько параллельно установленных между сетью и нагрузкой диодно-танзисторных цепей, датчик тока, размещенный последовательно с нагрузкой, и систему управления, которая выполняет функции релейного регулятора, а также следит за полярностью напряжения в фазах сети.

Недостатком данного способа и устройства является то, что ток потребляется из одной фазы, а инвертируется в другую. Следовательно, появляется реактивная мощность несимметрии по фазам. Также необходимо постоянно следить за полярностью напряжения: в какой фазе полярность совпадает с направлением тока в нагрузке, а в какой противоположна току. Это усложняет систему управления устройством для реализации данного способа.

Технический результат изобретения - улучшение энергетических показателей устройства, упрощение системы управления устройством, повышение надежности устройства.

Достигается это тем, что способ релейного формирования тока заключается в циклическом (с частотой срабатывания релейного регулятора) подключении нагрузки через цепочку, состоящую из последовательно соединенных диодов и транзисторов выпрямителя и коммутатора канала потребления, к линейному напряжению сети, положительному по отношению к направлению тока в нагрузке (режим потребления), при этом ток в нагрузке возрастает быстрее темпа изменения сигнала задания на ток на входе релейного регулятора, отключении транзисторов коммутатора канала потребления, при этом замыкание вытесненного из отключаемых транзисторов тока происходит через другие диоды и транзисторы выпрямителя и инвертора канала рекуперации на линейное напряжение сети, отрицательное по отношению к направлению тока в нагрузке (режим рекуперации) и убывании тока в нагрузке быстрее изменения сигнала задания. В режиме рекуперации энергии нагрузку подключают к тому же линейному напряжению сети, что и в режиме потребления, в полярности, противоположной режиму потребления. При этом транзисторы цепи рекуперации открываются в крайнем инверторном режиме без регулирования.

Предлагаемое устройство состоит из нескольких диодно-транзисторных цепей, включенных между сетью и нагрузкой 1, датчика тока 2, включенного последовательно с нагрузкой. Устройство содержит две параллельные цепи - потребления и рекуперации. Цепь потребления состоит из последовательно включенных неуправляемого выпрямителя 3 и коммутатора 4 с релейным регулятором 5. Цепь рекуперации состоит из неуправляемого выпрямителя 6 и инвертора 7, ведомого сетью с системой 8 управления. Обе цепи включены встречно-параллельно и с одной стороны подключены к нагрузке, с другой - к сети. При этом цепи не имеют общих накопителей энергии и общих точек, кроме точек подключения к сети и нагрузке.

Количество фаз выпрямителя 3 и инвертора 7, подключенных к сети, совпадает с количеством фаз сети. Количество фаз коммутатора 4 и выпрямителя 6, подключенных к нагрузке, совпадает с количеством фаз нагрузки.

На фиг.1 представлена структурно-принципиальная схема устройства для реализации исходного способа релейного формирования тока с однофазной нагрузкой; на фиг.2 - структурно-принципиальная схема устройства для управления однофазной нагрузкой; на фиг.3 - структурно-принципиальная схема устройства для управления трехфазной нагрузкой; на фиг.4: а - временные диаграммы напряжений в фазах сети; б - временные диаграммы линейных напряжений сети и напряжения на нагрузке при работе устройства, изображенного на фиг.3; в - временные диаграммы напряжения задания на релейный регулятор и тока нагрузки при работе устройства, изображенного на фиг.2; на фиг.5 и 6 - структурно-принципиальные схемы, поясняющие работу устройства на фиг.2; на фиг.7 - структурно-принципиальная схема второго варианта устройства для реализации предлагаемого способа формирования тока и предназначенного для управления однофазной нагрузкой; на фиг.8 - структурно-принципиальная схема второго варианта устройства для управления трехфазной нагрузкой.

Работа устройства и пример выполнения способа для управления однофазной нагрузкой. На участке t1-t4 (фиг.4) в выпрямителе 3 открыты диоды VD1 и VD4, в инверторе 7 импульсы управления подаются на транзисторы VT5 и VT8 согласно алгоритму работы инвертора, ведомого сетью. Пусть в этот момент релейный регулятор 5 подал команду на увеличение тока в нагрузке. В коммутаторе 4 подаются импульсы управления на транзисторы VT1 и VT4, они открываются через диоды VD17 и VD20, нагрузка 1 оказывается подключенной к линейному напряжению Uab через цепочку последовательно включенных вентилей: VD1-VT1-VD17-нагрузка-VD20-VT4-VD4. Получившаяся схема включения нагрузки изображена на фиг.5. На ней не изображены те вентили, которые не участвуют в формировании тока нагрузки. Ток в нагрузке возрастает. Нагрузка потребляет энергию из сети. Соответствующая диаграмма тока нагрузки изображена на фиг.4,в на участке t1-t2. Диаграмма напряжения на нагрузке изображена на фиг.4,б на участке t1-t2. Как только ток достигает максимального значения, релейный регулятор 5 дает команду на уменьшение тока. При этом импульсы управления с транзисторов VT1 и VT4 снимаются. Транзисторы VT1 и VT4 закрываются. Т.к. нагрузка имеет индуктивный характер, то после закрытия транзисторов VT1 и VT4 на нагрузке начинает расти напряжение. Как только оно превысит сумму ЭДС инвертора 7 и падение напряжения на диодах VD8 и VD9 выпрямителя 6, эти диоды открываются. Схема преобразуется к виду, изображенному на фиг.6. Нагрузка оказывается подключенной к тому же линейному напряжению Uab, но в противоположной полярности через цепочку вентилей VD14-VT8-VD8-нагрузка-VD9-VT5-VD11. Ток в нагрузке уменьшается. Нагрузка рекуперирует энергию в сеть. Соответствующая диаграмма тока нагрузки изображена на фиг.4,в на участке t2-t3. Соответствующая диаграмма напряжения нагрузки представлена на фиг.4,б на участке t2-t3.

Поочередным включением первого и второго режимов достигается поддержание тока нагрузки. При этом при переходе на другие линейные напряжения в работу включаются другие вентили выпрямителя 3 и инвертора 7. При задании на релейный регулятор 5 противоположной полярности в работу вступают транзисторы VT2 и VT3, диоды VD18 и VD19 коммутатора 4 и диоды VD7 и VD10 выпрямителя 6. Инвертор 7 работает в крайнем инверторном режиме и в процессе формирования тока не регулируется.

Устройство для управления трехфазной нагрузкой работает аналогично. Только для увеличения положительного тока в фазе нагрузки открывается вентиль соответствующего плеча коммутатора 4, подключенный к катодной группе выпрямителя 3. Для увеличения отрицательного тока в фазе открывается вентиль коммутатора 4, подключенный к анодной группе выпрямителя 3.

Например, для увеличения положительного тока в фазе А нагрузки открывается транзистор VT1, для увеличения отрицательного тока открывается транзистор VT2.

Вариант устройства для реализации предлагаемого способа формирования тока отличается тем, что выходные однополярные точки выпрямителя 3 канала потребления и выпрямителя 6 канала рекуперации объединены, и входные однополярные точки инвертора 7 канала рекуперации и коммутатора 4 канала потребления объединены. Цепи потребления и рекуперации также не содержат накопителей энергии.

При таком построении схемы отпадает необходимость в диодах, включенных последовательно с силовыми транзисторами. Количество элементов в схеме уменьшается.

Работа устройства аналогична работе устройства с раздельными каналами потребления и рекуперации.

Преимущества предлагаемого способа формирования тока заключаются в том, что и потребление, и инвертирование энергии в процессе формирования тока происходит в одну и ту же фазу сети, что исключает появление реактивных токов рассогласования между фазами сети (мощности несимметрии) и снижает нагрузку на сеть. Система управления устройством для осуществления данного способа упрощается за счет разделения на две полностью независимые части: систему управления коммутатором 5 и систему управления инвертором 8. Алгоритм работы коммутатора 4 зависит только от тока нагрузки и не связан с полярностью напряжений в фазах сети. Алгоритм работы инвертора 7 зависит только от полярности напряжений в фазах сети и не связан с током нагрузки. Инвертор работает в крайнем инверторном режиме и не требует регулирования. За счет этого надежность устройства повышается.

1. Способ релейного формирования тока, включающий циклическое (с частотой срабатывания релейного регулятора) подключение нагрузки через цепочку, состоящую из последовательно соединенных диодов и транзисторов выпрямителя и коммутатора канала потребления, к линейному напряжению сети, положительному по отношению к направлению тока в нагрузке (режим потребления), при этом ток в нагрузке возрастает быстрее темпа изменения сигнала задания на ток на входе релейного регулятора, отключение транзисторов коммутатора канала потребления, при этом замыкание вытесненного из отключаемых транзисторов тока происходит через другие диоды и транзисторы выпрямителя и инвертора канала рекуперации на линейное напряжение сети, отрицательное по отношению к направлению тока в нагрузке (режим рекуперации) и убывании тока в нагрузке быстрее изменения сигнала задания, отличающийся тем, что в режиме рекуперации энергии нагрузку подключают к тому же линейному напряжению сети, что и в режиме потребления, в полярности, противоположной режиму потребления, при этом транзисторы цепи рекуперации открываются в крайнем инверторном режиме без регулирования.

2. Устройство релейного формирования тока, включающее в качестве инвертора-выпрямителя несколько параллельно установленных между сетью и нагрузкой диодно-транзисторых цепей, датчика тока, размещенный последовательно с нагрузкой и релейный регулятор, отличающееся тем, что устройство содержит две параллельные цепи - потребления и рекуперации, цепь потребления состоит из последовательно соединенных неуправляемого выпрямителя и коммутатора с релейным регулятором, а цепь рекуперации - из последовательно соединенных неуправляемого выпрямителя и инвертора с системой управления, обе цепи включены встречно-параллельно с одной стороны к сети, а с другой - к нагрузке, при этом цепи не имеют общих накопителей энергии и общих точек, кроме точек подключения к сети и нагрузке, или имеют общие точки - выходные однополярные точки выпрямителя канала потребления и выпрямителя канала рекуперации объединены, и входные однополярные точки инвертора канала рекуперации и коммутатора канала потребления также объединены.