Устройство управления трехфазным активным выпрямителем

Устройство управления трехфазным активным выпрямителем относится к преобразовательной технике, в частности к системам управления активными выпрямителями, и может использоваться в системах электропитания технологических нагрузок с регулированием выходного напряжения и активной коррекцией коэффициента мощности. Целью предлагаемого технического решения является упрощение схемы управления с одновременным жестким отслеживанием фазных токов. Поставленная задача решается тем, что устройство управления активным выпрямителем, состоящим из блока силовых вентилей, собранных по трехфазной мостовой схеме на полностью управляемых вентилях-транзисторах, с входными дросселями в каждой фазе, содержит датчики тока в каждой фазе сети, внутренний контур обратной связи по току, внешний контур управления по напряжению, связанные с цифровой схемой управления, в состав которой входят ШИМ, аналого-цифровой преобразователь и контроллер пространственно-векторного управления, выходы которой соединены с драйверами ключей выпрямителя. При этом внутренний контур управления по току содержит устройства перемножения в каждой фазе, на одни входы которых подаются сигналы с регулятора напряжения внешнего контура управления, а на другие входы - единичные синусоидальные функции, синхронизированные с соответствующими фазами, выходы устройств перемножения соединены с устройствами обратной связи по току, вторые входы устройств обратной связи соединены с выходами указанных датчиков фазных токов, выходы устройств обратной связи соединены с ПИ-регуляторами тока, соединенными с цифровой схемой управления.

Полезная модель относится к преобразовательной технике, в частности к системам управления активными выпрямителями, и может использоваться в системах электропитания технологических нагрузок, с регулированием выходного напряжения и активной коррекцией коэффициента мощности.

Большинство современных потребителей электрической энергии с точки зрения сети являются нелинейными нагрузками, что приводит к искажению формы потребляемого из сети тока. Кроме того, они способны генерировать или потреблять реактивную мощность. Современные международные стандарты (IEC 61000-3, IEEE 519-1992) и национальные стандарты развитых европейских стран на качество электрической энергии содержат нормы по гармоникам потребляемого тока. В России также существует стандарт ГОСТ Р51317.3.2-99, который ограничивает эмиссию гармонических составляющих тока технических средств. В этой связи с целью повышения коэффициента мощности для питания такого рода потребителей стали применяться различные фильтры и активные выпрямители с коррекцией коэффициента мощности.

В большинстве своем активные выпрямители состоят из трехфазного моста, собранного на транзисторах с обратными диодами и фильтров на стороне переменного тока и на стороне постоянного тока. Эти схемы имеют ряд достоинств:

- двусторонний обмен энергией с сетью;

- близкий к синусоидальному входной ток;

- возможность получения близкого к единице коэффициента мощности;

- регулирование и стабилизация напряжения (тока) на выходе.

Особенностью такой схемы выпрямителя является сложность алгоритмов управления им. Выпущено немало работ, предлагающих различные варианты построения систем управления для таких преобразователей. Наиболее распространенной системой управления является система векторного управления с ориентацией по обобщенному вектору напряжения сети и с контуром подчиненного регулирования тока сети. Принципы функционирования и построения такого рода систем достаточно подробно описаны в литературе (см., например, Герман-Галкин С.В. «Исследование активного выпрямителя в пакете SIM POWER SYSTEM»; Известия ВУЗов - Приборостроение, т. 47, 11 - 2004, Чаплыгин Е.Е., Стекленев А.Е. «Двухквадрантные преобразователи с активной коррекцией Коэффициента мощности» - Практическая силовая электроника, 10. 2003). Часто используемыми подходами являются гистерезисный метод управления и метод d-q преобразования. Гистерезисное управление приводит к переменной частоте коммутаций, что усложняет конструирование фильтра. Метод d-q преобразования основан на цифровом представлении, что ведет к усложнению системы. Из-за недостатков, связанных с использованием переменной частоты или сложности выполнения, трехфазные выпрямители с коррекцией коэффициента мощности все еще коммерчески недоступны.

В последнее время были разработаны более совершенные алгоритмы управления, более простые для реализации на микропроцессорах и позволяющие улучшить динамические характеристики преобразователя и повысить коэффициент мощности. К таким методам, например, относится метод прямого управления мощностью. Тем не менее, этот метод управления имеет недостатки: высокие требования к быстродействию микропроцессора, переменная частота коммутации, требуется наличие дорогостоящих датчиков напряжения на входе преобразователя.

Система управления должна решать следующие задачи: регулирование с максимальным быстродействием и стабилизация выходного напряжения преобразователя, обеспечение близкой к синусоидальной формы токов сети и коэффициента мощности, близкого к единице.

Известна система управления трехфазным преобразователем, в которой рассогласование по напряжению подается на вход регулятора напряжения (пропорционального или пропорционально-интегрального типа). На выходе регулятора имеем заданное значение амплитуды фазного тока сети. Опорные сигналы фазных токов сети формируются из напряжений сети, масштабируются по амплитуде и поступают на входы ПИ-регуляторов с обычным ШИМ-модулятором. Данная система устойчива при соблюдении определенных ограничений на параметры ПИ-регулятора напряжения. При этом система обеспечивает плавное регулирование напряжения на нагрузке и токов сети, обеспечивает близкое к единице значение коэффициента мощности. Однако система обладает плохими динамическими характеристиками. Главная причина этого в том, что регулирование здесь осуществляется с помощью лишь одной переменной - амплитуды токов сети. Фазой токов здесь управлять невозможно. (Кондратьев Д.Е. «Трехфазные выпрямители с активной коррекцией коэффициента мощности и двунаправленной передачей энергии», диссертация, 2008, стр. 29).

Известен унифицированный комплексный метод управления с постоянной частотой, основанный на управлении коэффициентами заполнения ключей в каждом цикле. (WO 0111763, US 6297980). Он использует интегратор со схемой сброса в качестве основного элемента вместе с несколькими логическими и линейными элементами для управления шириной импульса трехфазного выпрямителя, активного фильтра и инвертора, связанного с сетью, таким образом, что трехфазный ток, потребляемый из сети - синусоидален. Выпрямитель работает по алгоритму, когда в течение каждых 60° один из ключей включен, а два других ключа управляются с высокой частотой.

Устройство для управления трехфазным выпрямителем, названное авторами, унифицированным комплексным контроллером, так как небольшие изменения позволяют применять его для коррекции коэффициента мощности активных выпрямителей, активных фильтров, и инверторов, соединенных с сетью, содержит датчики фазных токов (токов дросселей). Токи дросселей по абсолютной величине, выраженные в напряжениях проходят к трем компараторам, на другие входы которых поступают сигналы с интегратора, включенного во внешний контур обратной связи по напряжению. Когда сигналы на этих входах компараторов совпадают, компаратор меняет свое состояние, которое запускает соответствующий триггер, сигнал которого включает соответствующий ключ. Поэтому, коэффициенты заполнения d_a, d_b , d_c определяются для соответствующего ключа в каждом цикле коммутации.

Указанный унифицированный комплексный контроллер для применений 6 коррекцией мощности, может управлять силовой цепью в векторном режиме. В векторном режиме управления выпрямительная топология вращает соединение каждые 60° цикла сети в зависимости от состояний напряжения сети. В каждые 60° цикла только два ключа переключаются с высокой частотой. Поэтому коммутационные потери существенно снижаются. Ключи работают с током ниже, чем фазовый ток, что приводит к сниженным номиналам тока транзисторов и снижению потерь проводимости.

Схема управления для режима векторного управления состоит из интегратора 10, имеющего вход со схемой сброса 12, выход которой соединен с входом суммирующего устройства 14. Другой вход суммирующего устройства 14 соединен со входом интегратора 10. Выход сумматора соединен с двумя компараторами 16 и 18 (см. Фиг. 5 заявки WO 0111763)

Недостатком схемы является ее сложность, наличие сумматоров и компараторов.

Целью предлагаемого технического решения является упрощение схемы управления с одновременным жестким отслеживанием фазных токов.

Устройство управления активным выпрямителем, состоящим из блока силовых вентилей, собранных по трехфазной мостовой схеме на полностью управляемых вентилях-транзисторах, с входными дросселями в каждой фазе, содержит датчики тока в каждой фазе сети, внутренний контур обратной связи по току, внешний контур управления по напряжению, связанные с цифровой схемой управления, в состав которой входят ШИМ, аналого-цифровой преобразователь и контроллер пространственно-векторного управления, выходы которой соединены с драйверами ключей выпрямителя. В отличие от прототипа внутренний контур управления по току содержит устройства перемножения в каждой фазе, на одни входы которых подаются сигналы с регулятора напряжения внешнего контура управления, а на другие входы - единичные синусоидальные функции, синхронизированные с соответствующими фазами, выходы устройств перемножения соединены с устройствами обратной связи по току, вторые входы устройств обратной связи соединены с выходами указанных датчиков фазных токов, выходы устройств обратной связи соединены с ПИ-регуляторами тока, соединенными с цифровой схемой управления.

Контроллер векторного управления обеспечивает такой алгоритм работы ключей, когда в течение каждых 60° ключ одной из фаз (ключ с наибольшим напряжением) включен, а ключи других двух фаз управляются с высокой частотой.

Далее сущность полезной модели поясняется с помощью рисунка, на котором представлена система управления трехфазным выпрямителем 1 с ключами 2-2 ₁, 3-3₁, 4-4₁, на входе каждой фазы которого подключены дроссели 5, 6, 7. Датчики тока 8, 9 и 10 измеряют ток дроссели 5, 6, 7. Сигналы с датчиков тока поступают на устройства обратной связи 11, 12 и 13, на другие входы которых поступают сигналы с выходов умножителей 14, 15, 16. На одни входы умножителей 14, 15, 16 приходят сигналы с регулятора напряжения 17 внешнего контура управления выходным напряжением, состоящего из датчика выходного напряжения 18, устройства обратной связи 19, на один из входов которого подается сигнал уставки выходного напряжения, а на другой - сигнал с датчика напряжения 18. С выхода устройства ООС 19, сигнал поступает на вход линейного регулятора 17. На другие входы умножителей подаются сигналы единичной синусоиды, например, с генератора (не показан). Таким образом, на выходах умножителей формируются сигналы, использующиеся в качестве уставок по току, поступающие на устройства обратной связи 11, 12 и 13. Выходы устройств обратной связи 11, 12, 13 связаны с ПИ-регуляторами 20, 21, 22. Выходы регуляторов 20, 21, 22 связаны с цифровой схемой управления 23, которая содержит в себе контроллер пространственно-векторного управления и широтно-импульсный модулятор. Выходы цифровой схемы управления связаны с управляющими входами ключей 2-2₁ , 3-3₁ и 4-4₁. Цифровая схема управления управляет силовой цепью в векторном режиме.

В векторном режиме управления дважды за период выходной частоты со сдвигом и в течение интервалов /3 управление каждой фазы инвертора делают пассивным, т.е. коммутации силовых ключей с частотой ШИМ в ней не происходит. При этом открыт либо верхний, либо нижний фазный ключ в соответствии с алгоритмом управления. В каждые 60° цикла только два ключа других фаз переключаются с высокой частотой.

Например, течение диапазона от 30° до 90° ключ 2 - включен, а ключи 3₁ и 4₁ управляются с высокой частотой. Поэтому коммутационные потери существенно снижаются.

Рассогласование по выходному напряжению подается на вход регулятора 19 (пропорционального или пропорционально-интегрального типа). На выходе регулятора получаем заданное значение амплитуды фазного тока сети. Однако в этом случае регулирование осуществляется только по одной переменной - амплитуде токов сети. Для того, чтобы управлять и фазой токов сети, опорные сигналы фазных токов сети формируются в предлагаемом устройстве путем умножения заданных значении амплитуды, поступающих на умножитель 11, 12 и 13 от ПИ-регулятора 19, на единичные синусоидальные сигналы в соответствии с фазой (sint, sin(t+120), sin(t+240)), и подаются в качестве уставок на устройства отрицательной обратной связи 14, 15 и 16, соответственно. Рассогласования мгновенных значений токов с датчиков токов 8, 9, 10, со схем обратной связи 11, 12, 13 поступают на ПИ-регуляторы 20, 21, 22. С выходов регуляторов 20, 21, 22 сигналы поступают в цифровую схему управления 23, где оцифровываются и далее в соответствии с определенным алгоритмом векторной модуляции по соответствующей программе на их основе вырабатываются сигналы управления ключами выпрямителя 1. При этом цифровая схема управления 23 должна иметь синхронизацию с сетью. В таком устройстве управления жестко отслеживается ток в каждой фазе, коэффициент заполнения у определяется в каждой фазе на каждом цикле сети.

1. Устройство управления активным трехфазным выпрямителем, состоящим из блока силовых вентилей, собранных по трехфазной мостовой схеме на полностью управляемых вентилях-транзисторах, с входными дросселями в каждой фазе сети, содержащее датчики тока в каждой фазе сети, внутренний контур обратной связи по току, внешний контур управления по напряжению, связанные с цифровой схемой управления, в состав которой входят аналого-цифровой преобразователь, ШИМ и контроллер пространственно-векторного управления, выходы которой соединены с драйверами ключей трехфазного выпрямителя, отличающееся тем, что внутренний контур управления по току содержит устройства перемножения в каждой фазе, на одни входы которых подаются сигналы с регулятора напряжения внешнего контура управления, на другой вход - единичные синусоидальные функции, синхронизированные с соответствующими фазами, выходы устройств перемножения соединены с устройствами обратной связи по току, вторые входы устройств обратной связи соединены с выходами указанных датчиков фазных токов, выходы устройств обратной связи соединены с регуляторами тока, соединенными с цифровой схемой управления.

2. Устройство управления по п. 1, отличающееся тем, что цифровая схема управления обеспечивает такой алгоритм работы ключей, когда в течение каждых 60° один из ключей одной их фаз (ключ с наибольшим напряжением) включен, а два ключа других фаз управляются с высокой частотой.