Способ управления регулируемымдвухполупериодным вентильным преобразователем

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН Ия

К АВТ©РСК9МУ 4:ВИ ЕТЕЛЬСТВУ

1 1 436430

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Зависимое от авт. свидетельства— (22) Заявлено 14.02.72 (21) 1747414/24-7 с присоединением заявки No— (32) Приоритет—

Опубликовано 15.07.74. Бюллетень . и 26

Дата опубликования описания 16,06.75 (51) М.!1л. Н 02р 13/16

Н 02m 7/18

Государственный иомитет

Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 621.316.727 (088.8) (72) Авторы изобретения

Ф. Н. Голубев и В. Д. Латышко

Ленинградский ордена Ленина электротехнический институт им. В. И. Ульянова (Ленина) (71) Заявитель (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РЕГУЛИРУЕМЫМ

ДВУХПОЛУПЕРИОДНЫМ ВЕНТИЛЪНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ

Изобретение может быть использовано в однофаз ных двухполупериодных и мостовых управляемых вентильных преобразов|ателях переменного тока в постоянный, допускающих возможность работы с опережающим значением углов отпирания вентилей при искусственной коммутации.

Известны способы управления регулируемыми двухполупериодными BenTHльными преобразователями, обеспечивающие повышение коэффициента мощности при глубоком регулировании выпрямленного напряжения. Такие способы могут быть реализованы только в схемах преобразователей, содержащих не менее двух групп вентилей, отпираемых с разными углами регулирования (в схемах с нулевыми и дополоеительными вентилями, с несимметричным управлением вентилями и с поочередным управлением последовательно включенными преобразователями) .

Известные способы применяются как в преобразователях, работающих с отстающими значениями углов отпирания вентилей (при естественной коммутации), так и в преобразователях, работающих с опережающими значениями углов отпирания (при искусственной коммутации). Однако эффект снижения реактивной мощности преобразователя при глубоком регулировании выпрямленного напряжения весьма ограничен и недостаточен для получения высоких энергетических показателей.

Известен также способ управления регулируемым двухполупериодным вентильным преобразователем путем двукратного отпира5 ния каждого вентиля в течение периода пап ряжения питающей сетки. ч

Предлагаемый способ позволяет по высить соя1Р преобразователя и обеспечить воз можность регулирования реактивной мощности

1О при неизменном выпрямленном напряжении.

Это достигается тем, что в преобразователе с искусственной коммутацией переключение вентилей производят один раз при искусственной коммутации в диапазоне углов отпи ра15 ния —:т<я, <О и второй раз при естественной коммутациями в диапазоне углов отпирания

0<и, <л. Углы отпирания вентилей в каждой из двухполупериодных схем неодинаковы.

Один вентиль отпирается при углах к„и а „, 20 а дРУгой — пРи Углах а „и ке„. Значе|ниЯ углов отпирания должны удовлетворять условию

О < а„, — и е„< л < o., — я, „< 2л. (1)

Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения и снижения величины высших гармонических составляющих потребляемого из сети тока в мосто|вой схеме преобразоватеЗп ля отпирание вентилей, включенных в проти436430

Л а = — — — Ла

I Ii

9 к е =Лк;

1t 1Т, + — > ——

2 2

>т а >,— — — — +Ла; к .> — — — Ла

10 „= const => — —

Л к >е= — +Ла, 2

Л к )(::9

Л а „=const=

25 — л Ла

"t а 1е Ла> к >ii >О

I — — Ла

O "е вополож>ные плечи моста, производят с разны:ми углами.

Углы отпирания вентилей при >регулировании выпрямленного напряжения изменяют одновременно в пределах

О < а „= и „вЂ” — - — и 0 > ач,= — к „, + .е

2 2 что позволяет улучшить .регулировочну>ю характеристику преобразователя и уменьшить требуемый диапазон регулирования фазы управляющих импульсов.

Для упрощения схемы управления два угла отпирания вентилей при регулировании выпрямленного напряжения сохраняют неизменными и регулирование производят одновременным или поочередным изменением двух других углов отпирания.

На фиг. 1 показана форма выпрямленного напряжения в однофазной >двухполупериодной схеме вентильного преобразователя при использовании описываемого способа управления, посгроен ная для трех значений соотн ошения углов отпирания вентилей, соответствующих неизменной величи>не выпрямлен>ной э. д. с. Е„= 0,5 Е«„и разным уровням реактивной мощности: а — отрицательному значению (емкостного характера) Q = 0,5 Е«„1„ при а„=О, а2, — — 135, а„, = — 90 и а)„

= — 45; б — нулевому значению Q=O при к,— — 24,3, а, = 114,3, а „, = — 114,3 и а „, = — 24,3 ; в — положительному значению (индуктивного характера) Q = + 0,5E«„ 1„ при а, = 45"" к,е= 90 > QI» = 135 и к>)>

= О; IIla фиг. 2 — схемы подключения управляющих электродов вентилей к системам управления, регулирующим углы а „, а„,, а,, и а;„: а — в од нофазной двухполупериодной, б — в однофазной мостовой схемах преобразователей; на фиг. 3, а — в — форма выпрямленного напряжения вентнлнного преобразователя, выполненного по одн)офазной мостовой схеме, построенная для тех же значений углов отпирания вентилей, выпрямленной э. д. с. и реактивной мощности, что и на фиг.

1; на фиг. 4 — форма выпрямленного напряжения в однофазной двухполупериодной схеме преобразователя при одновременном изменении всех четырех углов отпира;ния вентилей: а- к „= 5, а, = — 95, к „=- — 95 и а „, =—

= — 5 ; б-а)е =25, а>е = 115, а „, = — 115 на фиг. 5,а — д — форма выпрямленного напряжения в однофазной мостовой схеме выпрямления для тех же значений углов регулирован>ия, что и на фиг. 4; на фиг. 6 — регулировочные характеристики преобразователя для различных вариантов изменения углов отпирания вентилей: кривая 1 соответствует одновременному изменению всех углов отпи5 рания согласно уравнениям кривая 2 — одновременному изменению двух углов отпирания при неизменных значениях двух других согласно уравнениям

15 а „. — — сопМ ==О, а „==const= —, к „, =.Г

= — — — Лк> l7..)ii =Лк; а

20 ач, =сопМ=О, к, =Ла:, а 1е =сопst=О, а (>, = — сопst=Ix >„=const=0, а„=— - Лк, а и, 30 кривая 3 — изменению углов

Л а1, —— -const=0, к„, =co;lst=0, а„=.— +

Л

+Ла, а„, 2

35 кривая 4 — изменению углов

Л и с.„=со lst=- —, а„, =const= — - 2 2 кривая 5 (инверторного режима) —. изменению двух углов отпирания при неизменных значениях двух других согласно уравнениям

Л

nIe =const = —, к „=соиМ=л, а„, -=.I

= — —.- + a:"t; а и = — — — — + Ла;

;0 а,„=-const= — л, аei, =const= — —, к. е —.=

Л а >е = ConSt = > g I„= Const => — Л, „,,t

=л — Лк; а„, = — — -1- Лк;

Л

60 ) =-const= — R, а»i =const=.- — —, а(.

1I

=- — ---Лк; к„, = — л+Лк;

65 кривая 6 соответствует изменению углов

436430 д

=- const = — —

Л

Я„,,=const= —, а и

10

+Ля Я >и: ЛЯ л

+ЛЯ а „= — — — Ла;

Я.>>ии а >е и е л — +Ля

2 л

Ла Я >и

2 я „= — Ла

Л

= Ла> Я>е + Ла>

40 л

= — -+Ля, Я>и

6 я = = — Ла. ! и (2) Я „(011(Л+ Я >и

55 (3) 2л+а „, (о1(л+а >е

Л

Яг—

2 — — л — Ля, Я, = — л — Лк, я „, =- — л+Ла; кривая 7 — изменению углов я, — — const=n, n„, =const= — л, Л Л

cCi,= — — ЛЯ, Я..„= — — —.Ac ;

2 на фиг, 7 — форма выпрямле1н1ого напряжения в однофазной двухполупериодной (а — в) и однофазной мостовой (г — е) схемах преобразователя для случая, когда углы отпирания вентилей определяются выражениями

Л

Я1, ——,const=0> я >, =-const= —, я и—

Яс

> .си

= — Ла

20 на фиг. 8 — кривые зависимости относительной величины реактивной мощности от относительной величины выпрямлен ной э. д. с. для разных вариантов изменения углов отпирания вентилей в выпрямительном и инверт>о>рном 25 режимах по предлагаемому способу управления.

Кривые 8 — 11 соответствуют выпрямительному режиму при изменении угло в регулирования согласно уравнениям 30

6 сс, =const=-0, Я„=cOnsl.= —, я„, =

Д я п> сопз1= — я и =const=0> я л я 1e =ConSt= 0 я1и = C011St= —, я е

Г я „=сопМ= —, я„, =сопМ=О, яс, =Ля, Кривые 12 — 15 соответствуют инверторно50 му режиму при изменении углов регулирования согласно уравнениям

Л

CC 1e = COnSt = —, n, >e — — СОПЗ1 = Л> япи-=

Л

= — л+Ла, Я2и = — — +Ла;

Л

Я 1„= СОПз1 = л> Я и СОП$1=—

Л

Я1е — Ля> я «>е л Ля>

Л сопз1= — л, я „

Л

Я ре =СОПЗ1=Л> Я2и =СОПИ= — —, Яi

Л

= — — Ла а „вЂ” — — л+Лк.

Кривые для случаев изменения углов регулирования согласно соотношениям

7t я)„.ЛЯ, Я,,> Ля, Яge

Л к, — — const=0, а „=const=0, к„= — +

Л Л я >е=соп$1= —, Rn> =Const= — > а 1е

2 2

Л Л а, =-const= — я, =const= — =

2 2

=л — Ла, яьи = — л+Ля;

=const=n, аги =-const= — л, а„=-совпадают с осью абсцисс.

Кривая 16 определяет полный диапазон регулирования реактивной мощности преобразователя.

При построении кривых напряжения и графиков процесс коммутации вентилей рассматривается как мгновенный, т. е. включение и выключение вентилей как при естественной, так и при искусственной коммутации происходит мгновенно.

Каждый вентиль однофаз ного двухполупериодного преобразователя, управляемого по предл агаемому способу (ом. фиг. 1) включают дважды за период сети — один раз при естественной и второй раз при искусственной коммутациями — и углы отпирания первого и второго вентилей неодинаковы. Первый вентиль включается с естественной коммутацией при угле а, и проводит ток в интервале времени (отсчет времен и и углов регулирования производят от момента времени, в котором происходило бы включвние неуправляемого вентиля в схеме неуправляемого преобразователя). Второе включение этого вентиля происходит с искусственной коммутацией (когда напряжение íà его аноде меньше, чем на аноде второго включаемого вентиля) при угле а, „, При этом вентиль проводит ток в интервале времени

Второй вентиль, включаясь с искусственной коммутацией при угле а„,, проводит ток в интервале времени

436430

7 а с естественной коммутацией при угле а, проводит ток в интервале а, (И1<П+а >е (6) Прп изменениях значений углов а,, а,, а и, и а „в допустимых пределах изменяются продолжительности этих интервалов и их расположение иа протяжении периода сети.

Вследствие этого изменяются среднее значение выпрямленного напряжония и реактивная мощность, потребляемая из сети. Эти величины неоднозначно определяют друг друга, что позволяет путем соответствующего изменения углов а,„., а„,, а„и а „осуществлять регулирование выпрямле н ного напряжения при неизменном требуемом уровне реактивной мощности или изме нять в некоторых пределах реактивну1о мощность при неизменном выпрямленном напряжении (ом. фиг. 1, а — в).

Соотношения углов а>,, а1„а„и а2„, при когорых продолжительность всех четырех интервалов времени протекания тока через вентили (выражения 2=5) больше или равна нулю, опрвделяют по выражению (1).

Для реализации предлагаемого способа управления необходимы четыре канала систем управления вентиля ми, позволяющие независимо регулировать в допустимых црвделах значения углов отпирания,вентилей. Выходные управляющие импульсы каналов управления должны попарно суммироваться (а„и а„,, а„, и а,„) и подаваться на управляющие электроды соответствующих вентилей.

Для управления однофазной мостовой схемой возможны д ва варианта осуществления способа: когда вентили, включенные в противоположные плечи моста, отпираются одновреме>нно IIlpkk,одних и тех же значениях углов а, и а„, т. е. одна пара противоположных вентилей отпирается при углах а1, и аи,, а другая пара — при углах а„и а „, и когда вентили противоположных плеч моста отпираются с разными значениями углов, т. е. в каждой паре противоположных вентилей один вентиль отпирается при углах а, и n„, а другой — при углах а „и а „. В первом случае форма выпрямленного напряжения одпофазной мостовой схемы такая же, как и у однофазной двухполупериодной схемы (см, фиг. 1): один полупериод сети форма выпрямленного напряжения определяется значениями углов а „и а„,, а другой полупериод — значениями углов а1„и а,,Во втором случа в каждый полупериод сети форма выпрямленного напряжения одинакова и определяется значениями всех четырех углов а,, а„,, а, и n „» представляет собой полусумму кривых выпрямленного напряукения за первый и второй полупериод сети в схеме двухполупериодного нулевого преобразователя.

Благодаря этому уменьшаются пульсации выпрямленного напряжения и высшие гармонические в кривой потребляемого из сети тока. Форма выпрямленного напряжения для этого случая, построенная при тех же значе8 ниях углов отпирания вентилей, что и на фиг. 1, а=в, приведена на фиг. 3, а=в. Поскольку управляющие импульсы вентилей, отпираемых с одинаковыми углами, должны

5 быть сдвинуты по фазе на половину периода сети, каждая из систем управления, регулируЮц1ИХ у ГЛЫ а > е > а > е, n22 И а >>» дОЛЖ На быть двухфазной.

При определении средней величины вы10 прямле|нной э. д. с. путем икетегрирования кривой се мгновенного значен ия за период получают зависимость

Е,>

" =- — (COSn„+ COSn и, + СОЗа2,+

Ea„2

+ сова 2„), (6) где Ед„— выпрямленная э.д.с. полностью открытого преобразователя.

Величина реактивной мощности, потреб2о ляемой преобразователем из сети, может быть найдена путем разложения к2ривой сетевого тока в гармонический ряд. При идеально сглаженном выпрямленном токе относительная величина реакт|ивной мощности равна

= — — (sinnl, + 51паи, + sinn.,+

Est Óó 2

+ sInn>, ) > (7) 45 1 углов и одновременно изменить их в соответствующих пределах, то выпрямленная э. д. с. изменится от + Edg до — Е, при

Q = О, т. е. при cosy=1. Уравнение регулировочной характеристики для этого случая получается подстановкой в выражение (6) з начений

t п >е = — + An; n2ll = — Ла, 2

50 и имеет вид

Форма выпрямленного напряжения в одно65 фазной двухполупериодной и мостовой схемах где I „— выпрямле н ный ток.

Из анализа выражений (6) и (7) следует, что путем соответствующего выбора соотношений углов регулирования можно обеспечить высокое значение coscp при регулировании выпрямлен ного напряжения в полном диапазоне и осуществлять регулирование реактивной мощности при неиэмвнноем выпрямленном напряжении. Решая совместно ура внен ия (6) и (7) с учетом ограничений пределов изменения углов, можно определить необходимые значе40 а 2„n и> H n >» AJIkI Il OJIQ IBHHkI т>рЕбуемых уровней выпрямленной э, д. с. и реактивной мощности.

Если установить ири полностью открытом и еобразователе (при Е „= Е>„) значения

nlå а „= О, а >е= > n o>

436430

Л ац = — — Ла;

2 а„=Ла;

-- — — =1 — sinAo.; O,=О.

1.")!„

2Î

== const = — - -2 а„, = ) а; а „= — pry

1- — =- созЛя;

Е(!„

Л я — = -- — - — Ла а!

)) = — 1+ ) 2сов

:I (J, ))) — — + Ла;

2 а

55

Л вЂ” +Ля; rg „ц = — \я;

6О 1-,, 1„2 +

) 2 sin („+ Ла) ).

1 )!

Е!„

3. я„=const= — а! = const = — л; — +Ля;

2 а ) с = -! — Л а, а >)) 65

Ед, 1,!

9 преобразователей для ряда последовательных значений Ла (5, 25, 45, 65, 85 ) показана на фиг. 4 и 5, соответственно, а регулировочная

Е) характеристика = f (A!>:) представлена

Е!!, кривой 1 на фиг. 6. Из анализа уравнения (8) и графика следует, что для регулирования выпрямлен)ной э. д. с. в полном диапазоне выпрямительного н и)нверторного режимов требуется изменение фазы управляющих импульсов в диапазоне 90, т. е. вдвое меньшем, чем при известном способе управления. Форма характеристики близка к линейной, что также является преимуществом предлагаемого способа управления.

Для упрощения схемы управления регулирование выпря!млekl)k OI o папря>кения может осуществляться путем изменения только одного илн двух углов отпирания вентилей при ! еизменных з)начениях остальных. В частности, регулирование выпрямленного напряжения в полном диапазоне выпрямительного или инверторного режима может быть достигнуто одновременным изменением любых двух углов отпирания при неизмененных значениях двух других. При этом для вып)ря)мительного режима возможны следующие варианты способа управления, обеспечивающие соглаоно выражениям (6) и (7) различные регулировочные и энергетические характеристики. л

1. а,„.-- const=-0; а„, ==const=- —

Q (1 — 1./ 2sin(+.Ла))

Е )!„1,! 2 4

2. а „вЂ” — с on М = — —; а „, == со и М =- 0;

Е,! 1 ."6 (1+ 1 2cos(+Ла));

3. n„=const=0, а!„const= — — -- 2

:ч

= — (1+V 2соэ(+ Ao ))

4 (1+ V 2 (+A )).

4. а, =сопМ= —, а„, =const=-0;

/,, (1+) 2соз(— +Ла)) 1 — 3 (1 — $ 2 сов (— !)- Ла) ).

1О 1 „1! 4

5. а >, — — const=0; o: „, =const= — 0:

Л .Т я „. = — - + Ля; и„, = — — — Ла;

6. а,, =const= — — а н, ) - ) I I3 фиг. 7 noK3333 3 форма выпрямленногo напряжения в однофазной двухполупериодной схеме преобразователя при управлении по первому из указанных вариантов для трех значений Ao.: Ля=15 (см. фиг. 7, а, г);

Ла=45 (см. фиг. 7, б. д); Ля=75 (ом. фнг.

7, в, е). Регулировочная характеристика для вариантов 1 — -4 представлена на фиг. 6 кривой 2, а для вариантов 5 и 6 — кривыми 3 и 4, соответственно.

Для инверторного режима возможны следующие варианты способа управления, обеспечивающие регулировочные и энергетические характеристики.

1. а „=const=- — ; а, =-const=n; п а !, = — л+Ла; J.„= — — — +Ла;

1-,! — — (- — 1 — -) 2cos(+Ла))

1: !„2 4

Е)!„1,!

2. я „, = const = — л) а„, = const = — — —

Л вЂ” =-т Ла

1 )!„2

= — — — (--1 — 1) 2 cos (— +Ля));

11

Е„ л

2 (- — 1 — 1 2 cos (— +ЛЯ));

Q 1 — л

Е 1 2 1 2 соя(4 +Ла)).

4. а 2е — — сопИ=л; Яеи =coHst= —— л

12 активной мощности. Полный диапазон регулирования реактивной мощ ности, определяемый сис1емой соотношений (6) и (7), представлен на фиг. 8 областью, охвачен ной ли6 нисй 16 окружности.

Предмет изобретения л — — Ла Яо, — — — л+Ла

>

Е„ — л — (--1 — 2 cos(-(-Ла)).

Q 1 — л

= — (— 1+ -), 2 cos(4 - Kn)) л л

5. к|, — — сопИ= —; Я >и — — сопя! =- ——

Я9е л Ла Я1и л+Ла

=созыва;

О.

L,i, Ед„ ld

6. а, = со пя1 =- л; а „, = const = — л;

Л (я1 = — Лк, а > = — +-Ла

2 2 - г . Q — — — =- — 1+ я1пЛЯ; = О.

Ег„ Ед, lz

Регулировочная характеристика для вариантов 1=4, представленная кривой 5 на фиг. 6, расположена симметрично кривой 2 относительно оаи абсцисс, Аналогично, характеристика для варианта 5 расположена симметрично кривой 4, а для варианта 6 — симметрично кривой 3.

Кривые зависимости относительной величины реактив ной мощности от относительной величины выпрямленной э. д. с. в выпрямительном и и>нверторно м режимах показаны на фиг. 8. Для вариантов 1= — 4 выпрямительногс режима эти зависимости представлены кривыми 8 — 11, соответственно, а для вариантов

1 =4 и нверторного режима — соответствующими кривыми 12 — 15. Кривые для вариантов

5 и 6 обоих режимов совпадают с осью абс цисс.

Таким образом, предлагаемый способ управления позволяет получить благоприятную форму регулировочных характеристик на любом участке диапазона регулирования выпрямленного,на пряжения (как при изменении всех четырех углов отпира ния вентилей, так и при изменении только двух из них) и од>новременно ооеспечить требуемую величину ре1. Способ управления регулируемым двухI0 полупериодным вентильным преобразователем путем двукратного отпирания каждого вент1иля в течение периода напряжения питающей сети, отличающийся т м, что, с целью повышения соягр прео бразователя и обеспечен>ия

15 возможности регулирования реактивной мощности при неизменном выпрямленном наВряжении, в преобразователе с искусственной коммутацией переключение вентилей производят один раз при искусственной коммутации

20 в диапазоне углов отпира>ния — л<аи (О и второй раз при естественной коммутации в диапазоне углов отпира>ния 0<а, <л, причем

УГЛЫ КГи И а„атПИРаНИЯ ПЕРВОГО ВЕНТИЛЯ И

УГЛЫ а2и И а2е ОтПИРаНИЯ ВТОРОГО ВЕНТИЛЯ В

25 общем олучае неодинаковы и между ними выдерживают соотношение

0(аге а >и л я >е (а и 2л.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что, 30 с целью уменьшения пульсаций выпрямлен ноIo напряжения и снижения величины высших гармонических составляющих потребляемого из сети тока, в мостовой схеме преобразователя отпирали>ие вентилей, включенных в проти35 вополож ные плечи моста, производят с разными углами.

3. Способ по п.п. 1 и 2, отличающийся тем, что, с целью улучшения регулировочной характеристики цреобразователя и уменьшения требуемого диапазона регулиро ва ния фазы управляющих импульсов, углы отпира н ия BBHгилей при регулировании выпряилен ного напряжения изменяют одновременно в пределах

0(R1e а 2e (, и 0>а и =а)и+ т > T

+ —.- — —

2 2

4. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, 50 что, с целью упрощения схемы управления, два угла отпирания вентилей при регули ровании выпрямленного напряжения сохраняют неизменными и регулиро>ва н ие производят одновре>манным или поочередным изменением

55 двух других углов отпирания.

4364 3О

Еп

1 с,, (3 in) T

/) 7

) (,с — () ), rPg

Фиг. б Л «; 1 /ц, „

4! 1, (/ (1

1!

/1

/

/ .г

/ а

Ъ

/

I

/,1 (1

1 / / 1

/ / 1

/ f

/ /

/

/ г

/

/ (;(///г. 7

/

/

/, !

1

/ ! (, (9 !

436430 (Риз 8

Сосгавитель Ю. Баева

Техред Г. Васильева

Корректор Н. Аук

Редактор А. Пейсоченко

Тира>к 722 Подписное

Совета Мшшстров СССР открытий наб., д. 4/5

МОТ, Ззгорский цех

Заказ 1736 Изд. № 2010

ЦНИИПИ Государственного комитета по делам изобретений и

Москва, Ж-35, Раушская

Ed

Edo