Способ регулирования выходного напряжения управляемого выпрямителя на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем
Владельцы патента RU 2641662:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова" (САФУ) (RU)
Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразователям параметров электрической энергии, и может быть использовано для управления выпрямителями (УВ), построенными на базе трансформаторов с вращающимися магнитными полями (ТВМП). Техническим результатом является улучшение качества выпрямленного напряжения при глубоком его регулировании. В способе регулирования выходного напряжения управляемого выпрямителя на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем осуществляют подключение на сборные шины выпрямителя кроме ЭДС, снимаемых с отводов секций круговой обмотки, расположенных на концах максимальных хорд, ЭДС со смежных отводов круговой обмотки, сдвинутых на минимальный промежуточный фазовый угол - 2π/4Ns, по отношению к отводам, расположенным на концах максимальных хорд. При этом дополнительные ЭДС добавляются к основным ЭДС за счет схемного суммирования мгновенных значений потенциалов смежных и основных отводов. В результате число пульсаций в кривой выпрямленного напряжения удваивается, а размах пульсаций - Δmax снижается, что приводит к снижению коэффициента пульсаций по напряжению и, следовательно, к улучшению качества выпрямленного напряжения. 5 ил., 3 табл.
Область использования. Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразователям параметров электрической энергии, и может быть использовано в управляемых выпрямителях (УВ) на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем (ТВМП) [Кузьмин И.Ю., Лимонникова Е.В., Музыка М.М., Платоненков С.В., Потего П.И., Сакович И.А., Телепнев А.И., Черевко А.И. Трансформатор с трехфазной и круговой обмотками // Патент РФ №2525298] как реверсивного, так и нереверсивного типа.
Уровень техники. Известен способ [Черевко А.И. Системы управления полупроводниковыми преобразователями, выполненными на базе трансформаторов с вращающимися магнитными полями / А.И. Черевко, В.А. Базанов, М.М. Музыка; под. ред. А.И. Черевко. - 2005. - 92 с.] импульсно-фазового управления выпрямителем на базе ТВМП, позволяющий при четном числе секций КО (NS) или четном числе пар силовых ключей (NСКЛ) получать на выходе четное число пульсаций выпрямленного напряжения NП=Ns=NСКЛ=N, а при нечетном числе секций КО или нечетном числе пар силовых ключей получать удвоенное число пульсаций выпрямленного напряжения - 2NП, за счет поочередной коммутации ЭДС, присутствующих на отводах КО, между которыми можно провести наибольшие хорды.
При этом период одной пульсации выпрямленного напряжения определяется по формуле (1) для УВ с ТВМП с нечетным NS
Регулирование выходного напряжения в прототипе УВ с ТВМП достигается путем изменения значения ЭДС на сборных шинах выпрямленного напряжения за счет смещения момента коммутации отводов секций КО, расположенных на концах максимальных хорд относительно вектора вращающегося магнитного поля, с помощью силовых ключей (СКл) на угол управления α. При α=0 ЭДС на сборных шинах выпрямителя максимальна, а при α=αup=(π+Тп)/2 ЭДС на сборных шинах выпрямителя равна нулю.
Данный способ управления имеет существенный недостаток, выражающийся в том, что при угле управления α>0 в кривой выпрямленного напряжения появляются разрывы первого рода, из-за чего кривая выпрямленного напряжения значительно искажается, при этом высшие гармоники увеличиваются, а среднее значение выпрямленного напряжения снижается по мере увеличения угла управления α, практически так же, как и у классических мостовых преобразователей
где f(x) для нереверсивного УВ с ТВМП определяется по формуле (3)
При этом коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения (KPU) с ростом угла управления α будет многократно возрастать, что следует из выражения (4) [Силовая электроника: учебник для вузов / Ю.К. Розанов, М.В. Рябчицкий, А.А. Кваснюк. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007, с. 217]:
Кроме того, в выходном напряжении УВ с ТВМП с нечетным NS можно получить только 2NS пульсаций на периоде питающей сети, что согласно формуле (1) определяет также доминирующую гармоническую составляющую с порядком 2NS.
Задача изобретения. Задача применения нового способа управления УВ, построенного на базе ТВМП с любым нечетным числом секций КО, состоит в улучшении качества выходного напряжения. Для ее решения предлагается уменьшить разницу между Udmax и Udmin, получающейся в процессе импульсно-фазового регулирования выпрямленного напряжения из-за разрывов первого рода в его кривой, благодаря двойному увеличению количества пульсаций при применении нового способа управления УВ с ТВМП.
Раскрытие изобретения. Новизна предлагаемого способа состоит в том, что:
1) на интервалах диапазонов регулирования, приведенных в таблице 1, и указанных для реверсивного и нереверсивного УВ с ТВМП, выходное напряжение содержит 4N пульсаций.
2) для формирования пульсаций выходного напряжения УВ с ТВМП нечетным N используются дополнительно задействованные ЭДС КО ТВМП, число которых помимо 2N, используемых в известном способе управления, достигает 2N суммарно давая 4N пульсаций;
3) для УВ с ТВМП с нечетным N выпрямленное (выходное) напряжение УВ формируется путем поочередной коммутации как ЭДС, снимаемых с отводов КО ТВМП, конструктивно расположенных в наибольших хордах КО, так и ЭДС, сдвинутых на промежуточное к ним фазовое расстояние - 2π/4N, формируемых путем схемного суммирования мгновенных значений потенциалов, имеющих минимальный взаимный фазовый сдвиг, т.е. находящихся на двух смежных отводах КО.
4) в выпрямленном напряжении на большей части диапазона регулирования преобладает 4N-гармоническая составляющая над 2N-гармонической составляющей для УВ с ТВМП с нечетным N.
5) в выходном напряжении УВ снижается размах пульсаций - Δmax, что исходя из формулы (4) приводит к снижению значения коэффициента пульсаций по напряжению, т.е. улучшению качества выпрямленного напряжения.
6) регулировочная характеристика для нереверсивного УВ рассчитывается согласно формулам (5)-(7)
где f1(x) и f2(x) для нереверсивного УВ с ТВМП определяется по формулам (6) и (7)
Алгоритм коммутации СКл на примере рассмотрения фиг. 1 и 2 можно формализовать с учетом принятия следующих положений:
1) один из отводов КО ТВМП принимается за базовый, ему присваивается номер «1»;
2) отвод КО, электрический потенциал в котором имеет минимальный по модулю отрицательный фазовый сдвиг относительно рассматриваемого отвода, получает следующий за ним порядковый номер;
3) силовым ключам анодной и катодной групп присваиваются порядковые номера согласно отводам КО ТВМП, к которым они подключены.
Алгоритм коммутации СКл для известного способа управления, при котором на сборные шины выпрямителя подключаются отводы КО, соответствующие наибольшим хордам, выражается формулами (8.1) и (8.2) для УВ с ТВМП с нечетным N
Алгоритм коммутации СКл для нового способа выражается формулами (9.1) и (9.2) для УВ с ТВМП с нечетным N
В формулах (9.1), (9.2) 
- множество номеров открытых СКл анодной группы для временной позиции n, 
- множество номеров открытых СКл катодной группы для временной позиции n (номера формируемой пульсации).
Примечания: оператор 
возвращает наибольшее целое число, меньшее или равное аргументу x; «mod» - операция получения остатка от деления; n - номер временной позиции. Временная позиция n=1 следует после выдержки угла управления α относительно условного момента естественной коммутации.
Предлагаемый способ управления предназначен для реализации с использованием полностью управляемых СКл, включенных встречно-параллельно и выполненных без обратносмещенного диода, либо с обратно смещенным диодом, но включенных последовательно (фиг. 3).
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 отображена геометрическая аналогия КО ТВМП с 9 секциями. Показано, что каждая секция может быть условно представлена источником ЭДС равной амплитуды, но имеющих различный фазовый сдвиг. Показано, что в качестве геометрической аналогии КО ТВМП можно рассматривать правильный N-угольник. На фигурах отмечено направление движения с угловой частотой ω результирующего вектора магнитной индукции, а также геометрический смысл угловой длительности пульсации выпрямленного напряжения для классического способа управления. Показано, что нумерация СКл при формализации алгоритмов управления совпадает с направлением движения результирующего вектора магнитной индукции ТВМП.
На фиг. 2 показана структурная схема УВ с ТВМП с 9 секциями КО: трехфазная обмотка ТВМП (10), круговая обмотка с нумерованными отводами ТВМП (11), сборная шина УВ (12), нагрузка (13). К каждому отводу КО подключены соответственно пронумерованный СКл анодной и катодной групп.
На фиг. 3 показано условно-графическое обозначение силового ключа УВ с ТВМП и варианты его организации на примере IGBT-транзисторов: включение встречно-параллельным способом, когда транзисторы не имеют обратносмещенный диод, и последовательное включение транзисторов с обратносмещенными диодами. Транзисторы управляются одним сигналом, т.е. вместе переходят либо в открытое, либо в закрытое состояние.
На фиг. 4 показана векторная диаграмма ЭДС для УВ с ТВМП с N=9.
На фиг. 5 показано формирование выпрямленного напряжения с 4N пульсациями на периоде питающей сети на примере УВ с ТВМП с N=9 при различных углах управления с указанием среднеквадратичного значения (СКЗ) - Ud и размаха пульсаций - Δmax.
Осуществление изобретения.
ТВМП содержит первичную трехфазную (фиг. 2-10) и вторичную круговую (фиг. 2-12) обмотки. При этом в задачах рассмотрения способов управления круговую обмотку удобно заменить геометрической аналогией - правильным N-угольником, вершины которого обозначают отводы КО ТВМП.
На основе анализа геометрической аналогии КО ТВМП было показано [Черевко А.И., Музыка М.М., Платоненков С.В., Сакович И.А., Кузьмин И.Ю. Качество выходного напряжения выпрямителя, построенного на базе ТВМП, при четном и нечетном числе секций КО ТВМП // Электротехника - 2012. - №4. - с. 41-45] (фиг. 1), что в векторном пространстве всех ЭДС КО имеются ЭДС, число фаз которых составляет для нечетного числа секций КО - 2N, что положено в основу известного способа управления.
При классическом импульсно-фазовом способе управления выпрямленное напряжение, содержащее 2N пульсаций, на выходе УВ с ТВМП с нечетным N формируется из ЭДС, снимаемых с наибольших хорд КО ТВМП (фиг. 1). При этом СКл коммутируются согласно формулам (8.1) и (8.2), а количество ЭДС, используемых для формирования выходного напряжения, равно 2N. В качестве примера в таблице 2 приведена последовательность коммутации СКл для УВ с ТВМП с N=9, где единицей условно показано открытое состояние СКл, а на фиг. 4 сплошными линиями показаны векторы ЭДС.
Путем схемного суммирования мгновенных значений потенциалов, имеющих минимальный взаимный фазовый сдвиг, возможно получить дополнительные ЭДС, которые могут быть задействованы для формирования дополнительных 2N пульсаций. При этом общее количество пульсаций, из которых может быть сформировано выходное напряжение УВ на одном периоде питающей сети, будет равно 4N.
На фиг. 4 приведена векторная диаграмма ЭДС для УВ с ТВМП с N=9. Сплошными линиями показаны векторы ЭДС (количество которых составляет 2N=18), из которых формируется выпрямленное напряжение при классическом импульсно-фазовом управлении. Штриховыми линиями показаны векторы ЭДС (количество которых также составляет 2N=18), образованные путем суммирования мгновенных значений потенциалов, имеющих минимальный взаимный фазовый сдвиг, на каждых из двух смежных отводах КО.
На основании формул (4.1) и (4.2) можно проследить очередность коммутации СКл для УВ с ТВМП с N=9. Допустим, что коммутация начинается с подачи импульсов управления на анодный ключ 1А, соединяющий положительную выходную шину УВ с первым выводом КО, и катодный ключ 5К, соединяющий отрицательную выходную шину УВ с пятым выводом КО. Через угловое время 2π/4N дополнительно включается катодный ключ 6К, обеспечивая совместно с открытым ключом 5К схемное суммирование мгновенных значений потенциалов с отводов 5 и 6 КО ТВМП, образуя с потенциалом на отводе 1 новый вектор ЭДС, и обеспечивая продолжение коммутации напряжения в нагрузку и образованием новой пульсации. Через угловое время 2π/4N ключ 5К закрывается, а ключи 1А и 6К продолжают находиться в открытом состоянии, продолжая коммутацию как в классическом способе управления. Через угловое время 2π/4N открывается ключ 2А, обеспечивая совместно с ключом 1А схемное суммирование мгновенных значений потенциалов с отводов 1 и 2 КО ТВМП, образуя с потенциалом на отводе 6 новый вектор ЭДС. Дальнейшая коммутация происходит в очередности, показанной на фиг. 4 стрелкой, с угловой частотой вращения магнитного поля ТВМП - ω. Таким образом, каждый из силовых ключей находится в открытом состоянии на интервале времени, равном 5⋅2π/4N частоты вращения магнитного поля.
Алгоритм коммутации СКл на каждом из 4N=36 интервалов времени в пределах одного периода напряжения сети, питающей УВ, поясняется таблицей 3. Единицей обозначено состояние, когда СКл открыт, отсутствием единицы - когда СКл заперт.
Далее коммутация СКл повторяется с периодом сети, питающей УВ.
На фиг. 5 показана получаемая форма выходного напряжения УВ при различной глубине регулирования.
Длительность пульсаций выходного напряжения для нового способа управления может быть выбрана равной 2π/4N. В этом случае при рассмотрении выходного напряжения на периоде питающей сети, с уменьшением его СКЗ, основная энергия пульсирующей составляющей напряжения эффективно перераспределяется между 2N-гармоникой и 4N-гармоникой для УВ с ТВМП с нечетным N. Под эффективностью здесь понимается максимизация отношения амплитуды 4N-гармоники к амплитуде 2N-гармоники при общем снижении коэффициента пульсаций. Таким образом, для максимального значения выпрямленного напряжения характерна минимальная амплитуда 4N-гармоники (как в известном способе управления), а для малых значений СКЗ выпрямленного напряжения будет характерно преобладание амплитуды 4N-гармоники над амплитудой 2N-гармоники.
Таким образом, новый способ управления позволяет получить улучшенное качество выпрямленного напряжения по сравнению с известным способом управления. Во многом это достигается благодаря снижению наибольшего значения амплитуды переменной составляющей пульсирующего напряжения за счет увеличения числа пульсаций до 4N на большей части диапазона регулирования.
Способ регулирования выпрямленного напряжения управляемого выпрямителя на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем, конструктивно выполненного с любым нечетным числом секций круговой обмотки, отличающийся тем, что на сборные шины выпрямителя кроме ЭДС, снимаемых с отводов, расположенных на концах наибольших хорд круговой обмотки, используют дополнительно задействованные ЭДС круговой обмотки, которые формируют за счет схемного суммирования потенциалов двух смежных отводов круговой обмотки с помощью полностью управляемых двунаправленных силовых ключей, при этом между ЭДС, снимаемых с отводов круговой обмотки, и дополнительно задействованными ЭДС формируют промежуточное фазовое расстояние, в результате происходит увеличение числа мгновенных ЭДС на сборных шинах выпрямителя, из которых формируют выпрямленное напряжение.
