Трехфазный автономный инвертор тока с управлением несимметрией напряжения в выходной сети

Полезная модель относится к области преобразовательной техники и может применяться для питания трехфазных сетей переменного тока ограниченной мощности и управления несимметрией выходного напряжения при питании потребителей, требующих стабильного напряжения. Задачей заявляемой полезной модели является получение симметричного выходного напряжения автономного инвертора тока при снижении стоимости оборудования и его энергоемкости. Решение поставленной задачи достигается путем подключения к выходу инвертора тока, управляемого микропроцессорной системой управления, датчиков напряжения и соединенных с ними аналого-цифровых преобразователей, выходы которых подключены к микропроцессорной системе управления инвертором. Микропроцессорная система управления запрограммирована на изменение фазных углов коммутации тиристоров инвертора, причем величины изменения углов определяются методом градиентного или покоординатного спуска с помощью последовательных пробных изменений каждого из углов, с помощью чего обеспечивается минимизация несимметрии системы выходных напряжений инвертора.

Полезная модель относится к области преобразовательной техники и может применяться для питания трехфазных сетей переменного тока ограниченной мощности и управления несимметрией выходного напряжения при питании потребителей, требующих стабильного напряжения.

Основной причиной асимметрии системы напряжений на потребителях в сети ограниченной мощности является подключение несимметричной, например однофазной, нагрузки, мощность которой сравнима с мощностью источника. Следствием несимметрии системы напряжений могут быть перегрев, ухудшение работы и сокращение срока службы оборудования, старение изоляции, снижение мощности асинхронных двигателей, и другое.

Используемые для питания промышленных сетей автономные инверторы тока (АИТ) обычно не предусматривают активного управления качеством выходной электрической энергии. Вследствие этого при использовании несимметричных нагрузок выходная система напряжений инвертора может также становиться несимметричной, что приводит к описанным выше последствиям.

Обычно проблему симметрирования в таких сетях решают с помощью включения в сеть дополнительного силового оборудования. Например, известны симметрирующие устройства, основанные на включении в сеть цепи перераспределения энергии, благодаря чему достигается симметрирование системы напряжений [1-3]. Более поздние разработки в этой области основаны на вентильном управлении энергией с помощью полупроводниковых преобразователей [4, 5]. Применение полупроводниковых преобразователей

имеет преимущества, поскольку вентильные преобразователи частоты (ВПЧ) обладают существенно большей управляемостью.

Недостатком всех приведенных выше устройств симметрирования является необходимость их включения в сеть в качестве дополнительных силовых элементов, что влечет за собой увеличение суммарной стоимости оборудования и затрат электрической энергии.

Наиболее близким по структуре к предлагаемому устройству является тиристорный преобразователь постоянного напряжения в переменное, состоящий из двух трехфазных тиристорных мостов, выходных коммутирующих конденсаторов, связанных между собой по схеме треугольника и включенных на выходе мостов (конденсаторного суммирующего устройства), двух трехфазномостовых индуктивно-вентильных компенсаторов реактивной мощности и двух импульсных регуляторов со сглаживающими LC-фильтрами [6]. Недостатком прототипа является отсутствие средств симметрирования выходной системы напряжений, вследствие чего при питании несимметричной нагрузки выходная система напряжений может иметь значительную асимметрию.

Задачей заявляемой полезной модели является получение симметричного выходного напряжения АИТ при снижении стоимости оборудования и его энергоемкости.

Поставленная задача решается следующим образом. В устройство АИТ, содержащего два тиристорных моста и конденсаторное суммирующее устройство, введены три датчика мгновенного напряжения, входы которых подключены к выходам инвертора. Выходы датчиков напряжения через аналого-цифровые преобразователи (АЦП) подключены к микропроцессорной системе управления (МСУ), генерирующей сигналы управления тиристорами АИТ. При этом МСУ запрограммирована на варьирование значений _k (k=1÷5) - электрических углов, соответствующих моментам коммутаций тиристоров каждого из двух мостов АИТ. При изменении величин _k оказывается

возможным минимизировать действующее значение обратной последовательности основной частоты напряжения, а также некоторые высшие гармоники, входящие в его состав. (Крайние значения углов ₀ и ₆ не могут изменяться при заданной частоте сети.)

Управлению подлежат два параметра: К _2U - коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности и К_U3 - условный общий коэффициент несинусоидальности кривых напряжения. Их минимизацию МСУ осуществляет методом градиентного или покоординатного спуска. МСУ может быть реализована, например, на комплекте PIC18Fxx2 фирмы Microchip, который позволяет реализовывать встраиваемые микроконтроллеры ВПЧ, способные решать сложные логические и оптимизационные задачи. Применение в качестве МСУ микроконтроллера обусловлено тем, что поставленная задача симметрирования является нетривиальной и не может быть решена с использованием традиционных аналоговых средств управления.

Предлагаемое устройство поясняется чертежами. На фиг.1 представлена структурная схема устройства. На фиг.2 представлена исходная симметричная система напряжений (К_2U=0%, К_U3 =0%), на фиг.3 показан пример изменения системы напряжений после того, как в электрической сети появилась несимметричная, мощность которой сравнима с мощностью источника нагрузка (К _2U=11,3%, К_U3=0,91%), на фиг.4 показана система напряжений, полученная после того, как устройство закончило минимизацию несимметрии (К_2U=0,11%, К _U3=5,77%).

Предлагаемый инвертор содержит два тиристорных моста 1 и 2, которые состоят из тиристоров 3÷8 и 9÷14 соответственно. Для питания от входной сети (например, 50 Гц) использованы сглаживающие реакторы 15 и 16, подключенные к тиристорным мостам 1 и 2 соответственно. В схему инвертора включено суммирующее устройство, состоящее из групп конденсаторов 17÷22 и 23÷28, которые соединены с выходами мостов 1 и 2 соответственно. Выходы суммирующего устройства являются выходами инвертора, к которым

для измерения мгновенных значений выходных напряжений подключены датчики напряжения 29÷31, выходы которых подключены к аналогово-цифровым преобразователям 32÷34. АЦП 32÷34, обеспечивающие оцифровку полученных мгновенных значений напряжений, подключены к микропроцессорной системе управления 35, которая соединена с каждым из тиристоров мостов 1 и 2, выходы которых соединены встречно-параллельно.

Устройство работает следующим образом. МСУ 35, управляющая работой тиристоров 3÷8 и 9÷14, с определенной периодичностью (не реже 90 раз за период частоты) снимает показания с датчиков напряжения 29÷31 через АЦП 32÷34. На основании полученных величин МСУ рассчитывает следующие показатели:

1. Коэффициент несимметрии рассчитывается как

где U_max, U _min - наибольшее и наименьшее из действующих значений межфазных напряжений , , [7].

2. Условный общий коэффициент несинусоидальности кривых напряжения рассчитывается как

где i - номер кривой, К_Ui - коэффициент несинусоидальности i-ой кривой.

3. Итоговая минимизируемая функция рассчитывается как

где - вес коэффициента несинусоидальности (01). В данной функции оптимальное значение для коэффициента составляет 0,1÷0,2. Тогда главным минимизируемым показателем является несимметрия системы напряжений, а минимизация несинусоидальности происходит с целью нахождения такого минимума несимметрии, при котором несинусоидальность также минимальна.

Для аппаратной реализации предлагаемого метода симметрирования целевая функция выражена через величины, легко измеряемые непосредственно в функционирующей сети.

Как только в выходной системе напряжений возникает значительная асимметрия (F>, где взято равным 0,01, или 1%), МСУ начинает коррекцию качества электрической энергии методом градиентного или покоординатного спуска. Так как нет возможности рассчитать частные производные функции F аналитически, для минимизации поочередно производятся пробные шаги по трем углам каждого из двух мостов инвертора, при которых значение углов изменяется на небольшую величину (1 электрический градус). При этом каждый раз измеряется отклонение минимизируемой функции от ранее измеренного значения.

Вариации углов _k не могут быть выбраны независимыми, поскольку средние значения фазных токов на выходе инвертора должны оставаться равными нулю. Поэтому из пяти изменяемых электрических углов каждого моста независимо изменяются три: ₁, ₃, и ₅. Для двух других имеем:

При использовании метода градиентного спуска для двух мостов последовательно производится шесть пробных изменений независимых электрических углов коммутации тиристоров, после чего МСУ изменяет величины вышеуказанных углов пропорционально измеренным отклонениям. При использовании метода покоординатного спуска пробные изменения по каждому из углов продолжаются до тех пор, пока это приводит к уменьшению минимизируемой функции, после чего осуществляется переход к пробным изменениям следующего угла (после последнего угла - к первому). Процедура повторяется до тех пор, пока значение минимизируемой функции не станет меньше или равно . Так как в выходной электрической сети могут присутствовать реактивные элементы, то после любого изменения одного из углов МСУ ожидает завершения переходных процессов в электрической сети.

Таким образом, технический эффект от использования предлагаемого устройства заключается в повышении качества выходной электрической энергии при питании электрической сети ограниченной мощности (например, цеха). Преимущество предлагаемого устройства состоит в том, что при его технической реализации, помимо инвертора, не требуется привлечения дополнительного силового оборудования (кроме датчиков напряжения и АЦП), которое требуется при включении в сеть симметрирующего устройства.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. А.с. 376854 СССР, МПК Н 02 J 3/26. Устройство для компенсации несимметрии трехфазного напряжения [Текст] / В.С.Синев (СССР). - Заявл. 1973, №1620161; опубл. 1973.

2. А.с. 523480 СССР, МПК Н 02 J 3/26. Устройство для симметрирования напряжения трехфазной сети [Текст] / Молин Н.И., Зиновьев Н.Д. (СССР). - Заявл. 17.12.1974, №2083544; опубл. 30.07.1976.

3. А.с. 547911 СССР, МПК Н 02 J 3/26. Способ симметрирования напряжения сети и устройство для его осуществления [Текст] / Молин Н.И., Зиновьев Н.Д. (СССР). - Заявл. 17.12.1974, №2083551; опубл. 25.02.1977.

4. А.с. 843097 СССР, МПК Н 02 J 3/26. Вентильное симметрирующее устройство [Текст] / Шидловский А.К.; Федий B.C. (СССР). - Заявл. 06.08.1979, №2807042; опубл. 30.06.1981.

5. А.с. 1603477 СССР, МПК Н 02 J 3/26. Вентильное симметрирующее устройство [Текст] / Сарв В.В.; Томсон Т.И. (СССР). - Заявл. 16.02.1988, №4379558; опубл. 30.10.1990.

6. А.с. 1056403 СССР, МПК Н 02 М 7/515. Тиристорный преобразователь постоянного напряжения в переменное [Текст] / Кантер И.И.; Митяшин Н.П.; Степанов С.Ф.; Артюхов И.И.; Корнев А.Н. (СССР). - Заявл. 16.07.1982, №3469796; опубл. 23.11.1983.

7. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - М.: Изд-во стандартов, 1998. - 32 с.

Трехфазный автономный инвертор тока с управлением несимметрией напряжения в выходной сети, включающий два тиристорных моста и конденсаторное суммирующее устройство, отличающийся тем, что введены датчики выходного напряжения, аналого-цифровые преобразователи и микропроцессорная система управления для генерации сигналов коммутации тиристоров инвертора, при этом датчики напряжения подключены к выходам суммирующего устройства, являющимися выходами инвертора, а через аналого-цифровые преобразователи - к микропроцессорной системе управления, которая запрограммирована на изменения электрических углов, соответствующих моментам коммутации тиристоров инвертора, с выбором оптимальных значений этих углов методом градиентного или покоординатного спуска.