Устройство компенсации высших гармоник и рекуперации энергии в сеть, адаптированное к электроприводу переменного тока

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам подавления и компенсации высших гармоник в электрических сетях и рекуперации энергии в сеть, и может быть использовано в регулируемых электроприводах переменного тока с двухзвенным преобразователем частоты, в которых входной диодный выпрямитель является нелинейной нагрузкой. Устройство компенсации содержит инвертор, повышающий трансформатор, датчик постоянного тока преобразователя частоты, датчик постоянного тока устройства компенсации, датчик переменного тока преобразователя частоты, датчик переменного тока устройства компенсации, датчик напряжения сети, блок вычисления среднего значения постоянного тока устройства компенсации, блок вычисления среднего значения постоянного тока преобразователя частоты, блок расчета амплитудного значения переменного тока преобразователя частоты, ПИ-регулятор тока, сумматор, блок расчета мгновенных фазовых углов напряжения сети, первый блок умножения, блок вычитания, блок релейных регуляторов, датчик напряжения звена постоянного тока, блок фильтрации сигнала, компаратор, ПИ-регулятор напряжения, блок формирования задания напряжения, второй блок умножения. Технический результат - повышение энергоэффективности. Устройство позволяет производить рекуперацию энергии торможения двигателя в сеть из звена постоянного тока двухзвенного преобразователя частоты с неуправляемым выпрямителем. 2 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам подавления и компенсации высших гармоник в электрических сетях и рекуперации энергии в сеть, и может быть использовано в регулируемых электроприводах переменного тока с двухзвенным преобразователем частоты, в которых входной диодный выпрямитель является нелинейной нагрузкой.

Известно устройство компенсации высших гармоник и коррекции несимметрии сети, содержащее инвертор, накопительный конденсатор, выходной сглаживающий пассивный фильтр и контроллер системы управления, причем контроллер системы управления снабжен датчиком тока фильтра, датчиком тока сети, датчиком напряжения, формирователем импульсов на основе релейных регуляторов с изменяемой шириной гистерезиса, фазовыми преобразователями тока и напряжения, блоком фазовой синхронизации, регулятором напряжения накопительного конденсатора, контроллер системы управления снабжен блоком выявления составляющих токов обратной и нулевой последовательности и блоком фазовой коррекции несимметричных составляющих тока, при этом вход блока выявления составляющих токов обратной и нулевой последовательности соединен с выходом датчика тока сети, а выход блока выявления составляющих токов обратной и нулевой последовательности соединен с входом блока фазовой коррекции несимметричных составляющих тока, который также соединен с выходом блока фазовой синхронизации, при этом выход блока фазовой коррекции несимметричных составляющих тока соединен с входом формирователя импульсов [1].

Недостатками данного устройства являются необходимость использования отдельного звена постоянного тока активного фильтра с накопительным конденсатором, пассивного фильтра и невозможность рекуперировать энергию в сеть через активный фильтр при торможении электропривода переменного тока.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство компенсации высших гармоник, адаптированное к электроприводу переменного тока, содержащее инвертор, повышающий трансформатор и контроллер системы управления, зажим «+» инвертора устройства компенсации подключен через датчик постоянного тока устройства компенсации к зажиму «+» неуправляемого выпрямителя преобразователя частоты, зажим «-» инвертора устройства компенсации подключен к зажиму «-» неуправляемого выпрямителя преобразователя частоты, зажим «+» неуправляемого выпрямителя преобразователя частоты подключен через датчик постоянного тока преобразователя частоты к первой обкладке накопительного конденсатора, зажим «-» неуправляемого выпрямителя преобразователя частоты подключен ко второй обкладке накопительного конденсатора, выход инвертора устройства компенсации подключен к обмотке высшего напряжения повышающего трансформатора, обмотка низшего напряжения повышающего трансформатора подключена через датчик переменного тока устройства компенсации к сети, вход неуправляемого выпрямителя подключен через датчик переменного тока преобразователя частоты к сети, вход датчика напряжения сети соединен с зажимами питающей сети, выход датчика напряжения сети подключен к входу блока расчета мгновенных фазовых углов напряжения сети, выход блока расчета мгновенных фазовых углов напряжения сети подключен к первому входу блока умножения, выход датчика постоянного тока преобразователя частоты подключен к входу первого блока вычисления среднего значения, выход первого блока вычисления среднего значения подключен к входу блока расчета амплитудного значения переменного тока преобразователя частоты, выход блока расчета амплитудного значения переменного тока преобразователя частоты подключен к первому входу сумматора, выход датчика постоянного тока устройства компенсации подключен ко входу второго блока вычисления среднего значения, выход второго блока вычисления среднего значения подключен ко второму входу ПИ-регулятора, на первый вход ПИ-регулятора подается ноль, выход ПИ-регулятора подключен ко второму входу сумматора, выход сумматора подключен ко второму входу блока умножения, выход блока умножения подключен к первому входу блока вычитания, ко второму входу блока вычитания подключен выход датчика переменного тока преобразователя частоты, выход блока вычитания подключен к первому входу блока релейных регуляторов, ко второму входу блока релейных регуляторов подключен выход датчика переменного тока устройства компенсации, выход блока релейных регуляторов подключен к входам драйверов управления силовыми ключами инвертора устройства компенсации [2].

Недостатком данного устройства является невозможность рекуперировать энергию в сеть через активный фильтр при торможении электропривода переменного тока.

Цель изобретения - повышение энергоэффективности системы двухзвенного преобразователя частоты с неуправляемым выпрямителем и устройством компенсации высших гармоник, адаптированным к электроприводу переменного тока. Предлагаемое устройство позволяет производить рекуперацию в сеть энергии торможения из звена постоянного тока двухзвенного преобразователя частоты с неуправляемым выпрямителем.

Указанный результат достигается тем, что в устройстве компенсации высших гармоник и рекуперации энергии в сеть, содержащем инвертор, повышающий трансформатор и контроллер системы управления, зажим «+» инвертора устройства компенсации подключен через датчик постоянного тока устройства компенсации к зажиму «+» неуправляемого выпрямителя преобразователя частоты, зажим «-» инвертора устройства компенсации подключен к зажиму «-» неуправляемого выпрямителя преобразователя частоты, зажим «+» неуправляемого выпрямителя преобразователя частоты подключен через датчик постоянного тока преобразователя частоты к первой обкладке накопительного конденсатора, зажим «-» неуправляемого выпрямителя преобразователя частоты подключен ко второй обкладке накопительного конденсатора, параллельно накопительному конденсатору подключен датчик напряжения звена постоянного тока, выход инвертора устройства компенсации подключен к обмотке высшего напряжения повышающего трансформатора, обмотка низшего напряжения повышающего трансформатора подключена через датчик переменного тока устройства компенсации к сети, вход неуправляемого выпрямителя подключен через датчик переменного тока преобразователя частоты к сети, вход датчика напряжения сети соединен с зажимами питающей сети, выход датчика напряжения сети подключен ко входу блока расчета мгновенных фазовых углов напряжения сети, выход блока расчета мгновенных фазовых углов напряжения сети подключен к первому входу блока умножения, выход датчика постоянного тока преобразователя частоты подключен к входу первого блока вычисления среднего значения, выход первого блока вычисления среднего значения подключен к входу блока расчета амплитудного значения переменного тока преобразователя частоты, выход блока расчета амплитудного значения переменного тока преобразователя частоты подключен к первому входу сумматора, выход датчика постоянного тока устройства компенсации подключен ко входу второго блока вычисления среднего значения, выход второго блока вычисления среднего значения подключен ко второму входу ПИ-регулятора тока, на первый вход ПИ-регулятора тока подается ноль, выход ПИ-регулятора тока подключен ко второму входу сумматора, выход датчика напряжения звена постоянного тока подключен ко входу блока фильтрации сигнала, выход блока фильтрации сигнала подключен к первому входу компаратора и к первому входу ПИ-регулятора напряжения, ко второму входу компаратора, а также ко второму входу ПИ-регулятора напряжения подключен выход блока формирования задания напряжения, выходы ПИ-регулятора напряжения и компаратора подключены ко входам второго блока умножения, выход второго блока умножения подключен к дополнительному третьему отрицательному входу сумматора, выход сумматора подключен ко второму входу блока умножения, выход блока умножения подключен к первому входу блока вычитания, ко второму входу блока вычитания подключен выход датчика переменного тока преобразователя частоты, выход блока вычитания подключен к первому входу блока релейных регуляторов, ко второму входу блока релейных регуляторов подключен выход датчика переменного тока устройства компенсации, выход блока релейных регуляторов подключен ко входам драйверов управления силовыми ключами инвертора устройства компенсации.

Предлагаемое устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана структура устройства, а на фиг. 2 - осциллограммы токов.

На фиг. 1: 1 - двигатель переменного тока; 2 - инвертор преобразователя частоты; 3 - накопительный конденсатор; 4 - неуправляемый выпрямитель преобразователя частоты; 5 - инвертор устройства компенсации; 6 - повышающий трансформатор; 7 - датчик постоянного тока преобразователя частоты; 8 - датчик постоянного тока устройства компенсации; 9 - датчик переменного тока преобразователя частоты; 10 - датчик переменного тока устройства компенсации; 11 - датчик напряжения сети; 12 - первый блок вычисления среднего значения; 13 - второй блок вычисления среднего значения; 14 - блок расчета амплитудного значения переменного тока преобразователя частоты; 15 - ПИ-регулятор тока; 16 - сумматор; 17 - блок расчета мгновенный фазовых углов напряжения сети; 18 - первый блок умножения; 19 - блок вычитания; 20 - блок релейных регуляторов; 21 - датчик напряжения звена постоянного тока; 22 - блок фильтрации сигнала; 23 - формирователь задания на напряжение звена постоянного тока; 24 - компаратор; 25 - ПИ-регулятор напряжения, 26 - второй блок умножения.

На фиг. 2: I_nl - трехфазный переменный ток преобразователя частоты с выхода датчика тока 9; I_f - трехфазный переменный ток устройства компенсации с выхода датчика тока 10; I_l - суммарный трехфазный ток сети.

Устройство компенсации высших гармоник работает следующим образом.

Блок расчета мгновенных фазовых углов напряжения сети 17 на основе сигналов напряжений фаз сети u_1A, u_1B, u_1C, снятых с датчика напряжения 11, вычисляет синусы мгновенных фазовых углов напряжения сети по следующим формулам:

где f₁ - частота напряжения сети; t - текущее время.

В блоке умножения 18 синусы мгновенных фазовых углов напряжения сети умножаются на заданную амплитуду тока сети I_1m^*, формируя задание на мгновенные значения фазных токов сети i_1A^*, i_1B^*, i_1C^*, по формулам:

Таким образом, заданный ток сети совпадает по фазе с напряжением сети, что означает поддержание устройством единичного коэффициента мощности, потребляемой электроприводом.

Сигналы постоянного тока преобразователя частоты I_d и постоянного тока устройства компенсации I_df, снимаемые с датчиков токов 7 и 8 соответственно, имеют пульсации, обусловленные постоянным обменом мощности между инвертором устройства компенсации 5 и накопительным конденсатором 3. Поэтому указанные сигналы усредняются за некоторый промежуток времени Т_k в блоках 12, 13 по формулам:

где I_dcp, I_dfcp - усредненные значения токов преобразователя частоты и устройства компенсации соответственно.

В блоке расчета амплитудного значения переменного тока преобразователя частоты 14 вычисляется предварительное задание на амплитуду тока сети I_1mp^* по формуле:

где k_сх=0,816 - коэффициент выпрямления по току трехфазной мостовой схемы.

Однако использование предварительного задания на амплитуду тока сети I_1mp^* в качестве основного задания на амплитуду тока сети I_1mp^* приводит к частичному потреблению активной мощности электропривода через инвертор устройства компенсации. Это связано с тем, что формула (4) вычисляет требуемую амплитуду тока сети I_1mp^* приблизительно, не учитывая гармонический состав тока сети, потери в неуправляемом выпрямителе 4 и т.д. В результате ток через инвертор устройства компенсации возрастает, что приводит к необходимости завышать мощность инвертора.

Минимизация тока инвертора устройства компенсации осуществляется с помощью ПИ-регулятора тока 15. ПИ-регулятор тока формирует корректирующий ток I_dfкор для уточнения предварительного задания на амплитуду тока сети I_1mp^* таким образом, чтобы усредненное значение постоянного тока устройства компенсации I_dfcp равнялось нулю. В этом случае потребление активной мощности электропривода через инвертор устройства компенсации отсутствует.

Измеренный посредством датчика напряжения звена постоянного тока 21 сигнал напряжения U_d поступает в блок фильтрации 22, который формирует отфильтрованный сигнал напряжения в звене постоянного тока U_dф. Формирователь задания 23 устанавливает верхнюю границу напряжения в звене постоянного тока U_dзад, при превышении которой компаратор 24 формирует значение логической единицы на второй блок умножения 26, тем самым разрешая работу ПИ-регулятора напряжения 25. ПИ-регулятор напряжения осуществляет сравнение заданного U_dзад и фактического отфильтрованного U_dф значений напряжения звена постоянного тока и формирует корректирующее значение тока I_dUкор. Таким образом, при фактическом напряжении в звене постоянного тока U_dф, большем, чем U_dзад, ПИ-регулятор напряжения корректирует задание на амплитуду тока сети I_1mp^*, и устройство компенсации переходит в режим генерации активной мощности в питающую сеть. Таким образом выполняется рекуперация в сеть энергии торможения двигателя из звена постоянного тока двухзвенного преобразователя частоты.

В итоге, заданная амплитуда тока I_1m^*, получаемая с выхода сумматора 16, определяется формулой:

Задание на трехфазный переменный ток устройства компенсации I_f^* вычисляется по формуле:

где I₁^* - задание на трехфазный ток сети с выхода блока 18; I_nt - трехфазный переменный ток преобразователя частоты с выхода датчика тока 9.

Поддержание заданного тока устройства компенсации I_f^* осуществляется с помощью блока релейных регуляторов 20. Блок релейных регуляторов содержит в себе три релейных регулятора токов фаз устройства компенсации. В них вычисляются разницы между заданными и фактическими значениями мгновенных фазных токов устройства компенсации Δi_fA, Δi_fB, Δi_fC по формуле:

где i_fA^*, i_fB^*, i_fC^* - задания на мгновенные фазные токи устройства компенсации; i_fA, i_fB, i_fC - фактические значения мгновенных фазных токов устройства компенсации.

Состояние выходов релейных регуляторов Q_A, Q_B, Q_C определяется по следующему алгоритму:

где h - зона гистерезиса, задаваемая равной 5…10% от номинального тока инвертора устройства компенсации.

Выходы релейных регуляторов подключены к входам драйверов ключей инвертора устройства компенсации. Выход релейного регулятора каждой фазы управляет сразу двумя ключами, находящимися в одном плече инвертора устройства компенсации, причем состояния этих двух ключей всегда противоположны: если один открыт, то другой закрыт.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет компенсировать высшие гармоники тока сети, потребляемые регулируемым электроприводом с двухзвенным преобразователем частоты, и осуществлять рекуперацию энергии в сеть при торможении двигателя, применяя схему с общим звеном постоянного тока при использовании меньшего числом математических операций в системе управления. Рекуперируемая в сеть энергия за счет работы логики компенсации высших гармоник характеризуется исключительно активной составляющей.

Источники информации

1. Патент RU 2573599. Устройство компенсации высших гармоник и коррекции несимметрии сети. МПК H02J 3/01, H02J 3/26, 2014.

2. Патент RU 2514439. Устройство компенсации высших гармоник, адаптированное к электроприводу переменного тока. МПК H02J 3/01. Опубл. 20.01.2016. Бюл. №2.

Устройство компенсации высших гармоник и рекуперации энергии в сеть, адаптированное к электроприводу переменного тока, содержащее инвертор, повышающий трансформатор и контроллер системы управления, зажим «+» инвертора устройства компенсации подключен через датчик постоянного тока устройства компенсации к зажиму «+» неуправляемого выпрямителя преобразователя частоты, зажим «-» инвертора устройства компенсации подключен к зажиму «-» неуправляемого выпрямителя преобразователя частоты, зажим «+» неуправляемого выпрямителя преобразователя частоты подключен через датчик постоянного тока преобразователя частоты к первой обкладке накопительного конденсатора, зажим «-» неуправляемого выпрямителя преобразователя частоты подключен ко второй обкладке накопительного конденсатора, выход инвертора устройства компенсации подключен к обмотке высшего напряжения повышающего трансформатора, обмотка низшего напряжения повышающего трансформатора подключена через датчик переменного тока устройства компенсации к сети, вход неуправляемого выпрямителя подключен через датчик переменного тока преобразователя частоты к сети, вход датчика напряжения сети соединен с зажимами питающей сети, выход датчика напряжения сети подключен к входу блока расчета мгновенных фазовых углов напряжения сети, выход блока расчета мгновенных фазовых углов напряжения сети подключен к первому входу блока умножения, выход датчика постоянного тока преобразователя частоты подключен к входу первого блока вычисления среднего значения, выход первого блока вычисления среднего значения подключен к входу блока расчета амплитудного значения переменного тока преобразователя частоты, выход блока расчета амплитудного значения переменного тока преобразователя частоты подключен к первому входу сумматора, выход датчика постоянного тока устройства компенсации подключен ко входу второго блока вычисления среднего значения, выход второго блока вычисления среднего значения подключен ко второму входу ПИ-регулятора, на первый вход ПИ-регулятора подается ноль, выход ПИ-регулятора подключен ко второму входу сумматора, выход сумматора подключен ко второму входу блока умножения, выход блока умножения подключен к первому входу блока вычитания. ко второму входу блока вычитания подключен выход датчика переменного тока преобразователя частоты, выход блока вычитания подключен к первому входу блока релейных регуляторов, ко второму входу блока релейных регуляторов подключен выход датчика переменного тока устройства компенсации, выход блока релейных регуляторов подключен к входам драйверов управления силовыми ключами инвертора устройства компенсации, отличающееся тем, что параллельно накопительному конденсатору подключен датчик напряжения звена постоянного тока, выход датчика напряжения звена постоянного тока подключен ко входу блока фильтрации сигнала, выход блока фильтрации сигнала подключен к первому входу компаратора и к первому входу ПИ-регулятора напряжения, ко второму входу компаратора, а также ко второму входу ПИ-регулятора напряжения подключен выход блока формирования задания напряжения, выходы ПИ-регулятора напряжения и компаратора подключены ко входам второго блока умножения, выход второго блока умножения подключен к дополнительному третьему отрицательному входу сумматора.