Способ построения системы управления трехфазным мостовым выпрямителем и трехфазным регулятором переменного напряжения и устройство для его реализации
Владельцы патента RU 2658312:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "КнАГТУ") (RU)
Изобретение относится к электротехнике, в частности к силовой электронике, и может быть использовано в электроэнергетических и электромеханических системах для управления трехфазными тиристорными преобразователями (мостовым выпрямителем и регулятором переменного напряжения). Устройство с переключателем (9) в нижнем положении предназначено для управления трехфазным регулятором переменного напряжения, а в верхнем положении для управления трехфазным мостовым выпрямителем. Областью применения устройства являются трехфазные мостовые выпрямители и трехфазные тиристорные регуляторы переменного напряжения. В схеме предусмотрен переключатель системы управления с выпрямителя на регулятор, за счет которого начальный угол управления сдвигается от момента перехода фазного напряжения через ноль до точки естественной коммутации (на тридцать градусов). 1 ил.
Предлагаемое техническое решение относится к электротехнике, в частности, к силовой электронике и может быть использовано в электроэнергетических и электромеханических системах для управления трехфазными тиристорными преобразователями (мостовым выпрямителем и регулятором переменного напряжения (РПН)).
Известны способ и устройство для управления трехфазным тиристорным мостовым выпрямителем и трехфазным тиристорным регулятором переменного напряжения (Патент РФ на полезную модель №115129, Б.И. №11, 20.04.12.), которое взято за прототип. Оно содержит трехфазный синхронизирующий трансформатор с двумя первичными обмотками, одна из которых соединена в звезду, а другая - в треугольник, и с двумя вторичными обмотками, соединенными в шестифазную звезду. В устройстве при помощи переключателя подключается к сети то одна, то другая первичная обмотка. Выходы вторичных обмоток подключены к неинвертирующим входам компараторов соответствующих каналов, а к инвертирующим входам всех компараторов подключен сигнал управления. Выход каждого компаратора через дифференциальную цепь, выпрямитель и основной одновибратор, формирующий длительность импульса не менее 90 град., подключен к одному из входов логического элемента «И», а второй вход логического элемента каждого из шести каналов подключен к общему модулятору, а выход логического элемента «И» через усилитель мощности и импульсный трансформатор подключен к управляющим входам тиристоров соответствующей нумерации, обозначенных по перекрестному принципу. Суть способа управления и устройства для его реализации заключается в том, что при управлении РПН на вход каждого компаратора подается отпорное напряжение, пропорциональное фазному синусоидальному напряжению. Сравнивая отпорное напряжение с напряжением управления, рабочий диапазон изменения угла управления тиристорами α находится в пределах от 0 до 90 град. В системе управления выпрямителем отпорное напряжение двигают на 30 град относительно опорного напряжения системы управления РПН и вместе с ним двигают управляющие импульсы до точки естественной коммутации тиристоров, сохраняя тот же диапазон изменения угла управления тиристорами α находится в пределах от 0 до 90 град.
Недостатками способа и устройства прототипа являются ограниченные функциональные возможности и области применения. Выпрямитель не обеспечивает работу двигателю постоянного тока в режиме генераторного торможения с рекуперацией энергии в сеть из-за отсутствия у выпрямителя инверторного режима, который возможен при α больше 90 град. По той же причине РПН при работе на асинхронный двигатель не обеспечивает рекуперативное торможение.
К недостаткам способа и устройства следует также отнести усложнение конструкции синхронизирующего трансформатора, его веса и габаритных размеров из-за применения двух первичных обмоток с разным числом витков. Синхронизирующий трансформатор в прототипе не стандартный, что приводит к необходимости изготовления специального трансформатора или к применению двух трансформаторов с соединением их вторичных обмоток в шестифазную звезду.
Задачей технического решения является расширение функциональных возможностей и области применения, а также создание простой в изготовлении и эксплуатации универсальной системы управления на основе системы управления трехфазным регулятором переменного напряжения, которая будет применима как собственно для трехфазного регулятора переменного напряжения, так и для мостового тиристорного выпрямителя. В результате чего на заводах-изготовителях один и тот же преобразователь может быть использован по двум назначениям.
Решение поставленной задачи достигается тем, что каждая первичная фазная обмотка синхронизирующего трансформатора непосредственно через автомат подключена к двум другим фазам сети, число нормально замкнутых и нормально разомкнутых контактов переключателя равно числу каналов устройства, и в каждый канал вводится логический элемент «ЗАПРЕТ» и дополнительный одновибратор, формирующий длительность импульса, равную 30 град., входы основного и дополнительного одновибраторов объединены, выход логического элемента «ЗАПРЕТ» подключен к другому входу логического элемента «И», при этом неинвертирующий вход логического элемента «ЗАПРЕТ» подключен к выходу основного одновибратора, а его инвертирующий вход подключен к общему входу переключателя, инвертирующие входы компараторов каждого канала подключены к соответствующим выводам шестифазной звезды вторичных обмоток синхронизирующего трансформатора, а неинвертирующие входы всех компараторов объединены и предназначены для подачи на них сигнала управления, причем выход переключателя с нормально разомкнутым контактом подключен к корпусу устройства, обеспечивая устройству управление трехфазным регулятором переменного напряжения с углом управления тиристорами, регулируемым от точки перехода фазного напряжения через ноль на 180 град., а выход переключателя с нормально замкнутым контактом подключен к выходу дополнительного одновибратора, выполняя логическим элементом «ЗАПРЕТ» совместно с основным и дополнительным одновибраторами сокращение длительности импульсов по переднему фронту на 30 град., создавая импульсы длительностью не менее 60 град, с углом управления тиристорами, регулируемыми от точки естественной коммутации на 180 град., и обеспечивая устройству управление трехфазным мостовым выпрямителем при работе в выпрямительном и инверторном режимах.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется нижеследующем описанием и прилагаемыми к нему чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для управления трехфазным мостовым выпрямителем и трехфазным регулятором переменного напряжения, а на фиг. 2 - диаграммы управляющих импульсов для трехфазного регулятора переменного напряжения (фиг. 2, а) и для трехфазного мостового выпрямителя (фиг. 2, б).
Устройство (фиг. 1) содержит трехфазную сеть 1, 2, синхронизирующий трансформатор 3 с первичной обмоткой, соединенной в треугольник, и двумя вторичными обмотками, соединенными в шестифазную звезду, шесть каналов управления, каждый из которых включает в себя компаратор 4, дифференцирующую цепь 5, выпрямитель 6, основной одновибратор 7, дополнительный одновибратор 8, переключатель 9, логический элемент «ЗАПРЕТ» 10, логический элемент «И» 11, модулятор 12, усилитель мощности 13, импульсный трансформатор 14. Нумерация каналов выполнена от 15 до 20.
Элементы устройства соединены следующим образом.
Выводы вторичных обмоток трехфазного синхронизирующего трансформатора 3 подключены к неинвертирующим входам компараторов 4, к инвертирующим входам всех компараторов подключен общий сигнал управления Uу. Выход компаратора 4 через дифференциальные цепочки 5 и однополупериодный выпрямитель 6 подключен к входу основного одновибратора 7. Выход основного одновибратора 7 подключен к неинвертирующему входу логического элемента «ЗАПРЕТ» 10, а выход логического элемента «ЗАПРЕТ» 10 подключен к одному из входов логического элемента «И» 11, к другому входу которого подключен модулятор 12. Инвертирующий вход логического элемента «ЗАПРЕТ» 10 подключен к общему входу переключателя 9, причем выход переключателя 9 с нормально замкнутым контактом подключен к выходу дополнительного одновибратора 8, а выход переключателя 9 с нормально разомкнутым контактом подключен к корпусу устройства. Выход логического элемента «И» 11 через усилитель мощности 13 подключен к входу импульсного трансформатора 14. Выход импульсного трансформатора 14 подключен к управляющим электродам тиристоров соответствующей нумерации.
Устройство (фиг. 1) с переключателем 9 в нижнем положении предназначено для управления трехфазным регулятором переменного напряжения, а в верхнем положении для управления трехфазным мостовым выпрямителем. Это универсальное устройство управления согласно предлагаемому изобретению работает следующим образом.
Синхронизирующий трансформатор 3 устройства фазирован с сетью таким образом, что опорные напряжения для тиристоров соответствующих фаз опережают напряжения этих фаз на 90 град. Например, для первого канала, предназначенного для управления первым тиристором, подключенным к синусоидальному напряжению UA фазы А, опорное напряжение пропорционально линейному напряжению Uсв между фазами C и B, которое изменяется по косинусоидальному закону. Опорные напряжения подаются на инвертирующие входы компараторов 4 и сравниваются с напряжением управления Uу, подаваемого на их неинвертирующие входы. При изменении напряжения управления Uу от положительной амплитуды опорного напряжения до нуля и далее от нуля до отрицательной амплитуды угол управления тиристорами изменяется от 0 до 90 град, и далее от 90 до 180 град. При сравнении на компараторе соответствующего канала, опорного напряжения Uо с напряжением управления Uу, на выходе этого компаратора формируется прямоугольное напряжения, передний фронт которого определяет угол управления тиристором, относящийся к этому каналу. С выхода компаратора 4 сигнал поступает на вход дифференцирующей цепочки 5, которая по переднему фронту прямоугольного напряжения формирует положительный, а по заднему фронту отрицательный импульс. Эти двухполярные импульсы с дифференцирующей цепочки 5 подаются на однополупериодный выпрямитель 6 и далее выделенный им положительный импульс поступает на вход одновибратора 7, где формируется импульс продолжительностью не менее 90 град.
Поскольку в нижнем положении переключателя 9 логический элемент «ЗАПРЕТ» исполняет роль повторителя, то с основного одновибратора 7, проходя через логический элемент «ЗАПРЕТ», неизменные импульсы поступают на один из входов логического элемента «И» 11, на второй вход которого поступают высокочастотные импульсы с модулятора 12. В результате на выходе логического элемента «И» 11 формируется широкая пачка импульсов продолжительностью не менее 90 град., которая через усилитель мощности 13 и импульсный трансформатор 14, выполняющий роль гальванической развязки, поступает на управляющий вход тиристора с соответствующим номером. Нумерация тиристоров в трехфазном мостовом выпрямителе и трехфазном регуляторе переменного напряжения выполнена по перекрестному принципу.
В верхнем положении переключателя 9 на инвертирующий вход логического элемента «ЗАПРЕТ» подается импульс длительностью 30 град, с выхода дополнительного одновибратора 8, в то время как на неинвертирующий вход логического элемента «ЗАПРЕТ» сохраняется подача импульсов с выхода основного одновибратора 7 продолжительностью не менее 90 град. В результате на выходе логического элемента «ЗАПРЕТ» образуются импульсы продолжительностью не менее 60 град. Эти импульсы посредством модулятора 12 и логического элемента «И» 11 преобразуются в пачки высокочастотных импульсов и после усиления и гальванической развязки так же, как и в регуляторе переменного напряжения, подаются на тиристоры.
Угол управления тиристорами при изменении сигнала управления регулируется от 0 град, (от точки естественной коммутации) до 180 град. Таким образом, устройство обеспечивает управление трехфазным мостовым выпрямителем в выпрямительном и инверторном режимах работы соответственно при углах управления меньше или больше 90 град.
Областью применения предлагаемого технического решения являются специализированные предприятия, занимающиеся проектированием и производством трехфазных тиристорных преобразователей (мостовых выпрямителей и регуляторов переменного напряжения).
Устройство (фиг. 1) работает следующим образом.
При применении устройства для управления трехфазным тиристорным мостовым выпрямителем переключатель 9 устанавливается в верхнее положение и в работу устройства через нормально замкнутый контакт переключателя 9 подключается дополнительный одновибратор 8. Он формирует импульс длительностью, равной 30 град, и подает его на инвертирующий вход логического элемента «ЗАПРЕТ» 10. На неинвертирующий вход логического элемента «ЗАПРЕТ» 10 подается импульс длительностью не менее 90 град. с основного одновибратора 7. На выходе логического элемента «ЗАПРЕТ» 10 формируется импульс длительностью не менее 60 град, необходимый для управления выпрямителем. Отсчет начального угла управления тиристорами производится от точки естественной коммутации, сдвинутой относительно точки перехода через 0 фазного напряжения на 30 град.
При применении устройства для управления трехфазным тиристорным регулятором переменного напряжения переключатель 9 должен находиться в нижнем положении. На вход компаратора 4 первого канала 15 для первого тиристора, подключенного к фазе А, подается напряжение.
Напряжение, подаваемое на неинвертирующие входы компараторов 4, сравнивается с напряжением управления Uу, подаваемым на инвертирующий вход компаратора. С выхода компаратора 4 сигнал поступает на вход дифференцирующей цепочки 5, с выхода которой продифференцированный двухполярный сигнал подается на однополупериодный выпрямитель 6, выделенный положительный импульс поступает на вход одновибратора 7, где формируется импульс продолжительностью не менее девяноста градусов. С одновибратора 7 импульсы поступают на один из входов логического элемента «И» 9, на второй вход которого поступают высокочастотные импульсы с модулятора 8. В результате на выходе логического элемента «И» 9 формируется широкая пачка импульсов продолжительностью не менее девяноста градусов, которая через усилитель мощности 10 поступает на импульсный трансформатор, выполняющий роль гальванической развязки. С импульсных трансформаторов управляющие импульсы поступают на управляющие электроды тиристоров соответствующей нумерации, обозначенных по перекрестному принципу.
Диаграммы управляющих импульсов приведены на фиг. 2.
Областью применения устройства являются трехфазные мостовые выпрямители и трехфазные тиристорные регуляторы переменного напряжения.
Способ построения системы управления трехфазным мостовым выпрямителем и трехфазным регулятором переменного напряжения и устройство для его реализации, заключающиеся в том, что посредством переключателя производится переключение с системы управления выпрямителем на систему управления регулятором переменного напряжения, а посредством автомата и трехфазного синхронизирующего трансформатора с первичной и двумя вторичными обмотками производится включение этих систем управления, причем первичная обмотка соединена в треугольник, две вторичные обмотки соединены в шестифазную звезду с нейтралью, подключенной к корпусу устройства, при этом в каждом канале выход компаратора через дифференциальную цепь и выпрямитель подключен к входу основного одновибратора, формирующего длительность импульса не менее 90 град., кроме этого к одному из входов логического элемента «И» каждого из шести каналов подключен модулятор, а выход логического элемента «И» через усилитель мощности и импульсный трансформатор подключен к управляющим входам тиристоров соответствующей нумерации, обозначенных по перекрестному принципу, отличающиеся тем, что каждая первичная фазная обмотка синхронизирующего трансформатора непосредственно через автомат подключена к двум другим фазам сети, число нормально замкнутых и нормально разомкнутых контактов переключателя равно числу каналов устройства, и в каждый канал вводится логический элемент «ЗАПРЕТ» и дополнительный одновибратор, формирующий длительность импульса, равную 30 град., входы основного и дополнительного одновибраторов объединены, выход логического элемента «ЗАПРЕТ» подключен к другому входу логического элемента «И», при этом неинвертирующий вход логического элемента «ЗАПРЕТ» подключен к выходу основного одновибратора, а его инвертирующий вход подключен к общему входу переключателя, инвертирующие входы компараторов каждого канала подключены к соответствующим выводам шестифазной звезды вторичных обмоток синхронизирующего трансформатора, а неинвертирующие входы всех компараторов объединены и предназначены для подачи на них сигнала управления, причем выход переключателя с нормально разомкнутым контактом подключен к корпусу устройства, обеспечивая устройству управление трехфазным регулятором переменного напряжения с углом управления тиристорами, регулируемым от точки перехода фазного напряжения через ноль на 180 град., а выход переключателя с нормально замкнутым контактом подключен к выходу дополнительного одновибратора, выполняя логическим элементом «ЗАПРЕТ» совместно с основным и дополнительным одновибраторами сокращение длительности импульсов по переднему фронту на 30 град., создавая импульсы длительностью не менее 60 град. с углом управления тиристорами, регулируемым от точки естественной коммутации на 180 град., и обеспечивая устройству управление трехфазным мостовым выпрямителем при работе в выпрямительном и инверторном режимах.
