Способ управления обратимым преобразователем энергии переменного тока в энергию постоянного тока

 

Областью применения предлагаемого технического решения является управление обратимыми преобразователями энергии переменного тока в энергию постоянного тока с использованием в мостовой схеме ключей с односторонней проводимостью и непрерывным сигналом управления методом широтно-импульсной модуляции. Технический результат - формирование заданной формы и фазы переменных токов преобразователя, например синусоидальных сетевых токов с единичным коэффициентом мощности. В процессе способа из задающего обобщенного вектора переменных токов выделяют результативную составляющую. Затем по условию совпадения знаков компонент результативной составляющей путем выделения модулей формируют два времязадающих сигнала. Формируют два кусочно-линейных однополярных несущих сигнала, отличающихся знаками производных, и сравнивая каждый из них с одним из двух опорных сигналов, определяют моменты коммутации ключей мостовой схемы. Предлагаемый способ позволяет обеспечить двустороннюю передачу энергии без усложнения традиционной мостовой схемы преобразователя, практически синусоидальный переменный ток и регулируемый коэффициент мощности. 2 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области управления обратимыми преобразователями энергии переменного тока в энергию постоянного тока с использованием в мостовой схеме ключей с односторонней проводимостью и непрерывным сигналом управления.

Наиболее близким из известных способов управления обратимыми преобразователями энергии переменного тока в энергию постоянного тока с использованием в мостовой схеме ключей с односторонней проводимостью и непрерывным сигналом управления является способ управления ключами трехфазного выпрямителя (инвертора) тока в режиме широтно-импульсной модуляции, позволяющий получить практически синусоидальный переменный ток и единичный коэффициент мощности на входе коммутатора [Изосимов Д.Б., Рывкин С.Е. Улучшение качества энергопотребления полупроводниковыми преобразователями с ШИМ // Электричество 4, 1996, с.48-55]. Трехфазная мостовая схема выпрямителя (инвертора) тока характеризуется девятью рабочими состояниями ключей, шесть из которых соответствуют ненулевым образующим векторам, а три - нулевым. Напряжение в цепи постоянного тока формируется за счет формирования на периоде широтно-импульсной модуляции двух ненулевых и одного нулевого образующих векторов тока. Для формирования требуемого результирующего вектора тока определяют, какому из шести секторов, ограниченному двумя ближайшими ненулевыми образующими векторами, он принадлежит. Затем рассчитывают длительности формирования на периоде широтно-импульсной модуляции двух ненулевых и одного нулевого образующих векторов тока. Поскольку из-за наличия в звене постоянного тока сглаживающего дросселя разрывы цепи являются недопустимыми, для формирования нулевого вектора замыкают оба ключа хотя бы в одном из плеч моста. В способе [Изосимов Д. Б. , Рывкин С.Е. Улучшение качества энергопотребления полупроводниковыми преобразователями с ШИМ // Электричество 4, 1996, с.48-55] сектор определяется косвенно. Для этого измеряют входные напряжения и, выбирая два наибольших линейных напряжения, находят сектор. Длительности формирования образующих векторов тока рассчитывают из условий обеспечения заданной величины выпрямленного напряжения и пропорциональности долей времени ненулевых образующих векторов тока соответствующим значениям фазных напряжений.

Недостатками вышеописанного способа являются невозможность изменения фазы результирующего вектора переменного тока и соответственно регулирования коэффициента мощности преобразователя. В случае несинусоидальности напряжения сети формируемые сетевые токи также оказываются несинусоидальными. Кроме того, способ не определяет однозначно сигналы управления ключами на интервале формирования нулевого вектора тока.

Целью данного изобретения является обеспечение синусоидальности переменного тока и регулирования коэффициента мощности.

Вектор заданных мгновенных значений фазных токов преобразуют с выделением трех результативных компонент, удовлетворяющих условию равенства их суммы нулю. На каждом периоде широтно-импульсной модуляции на основе анализа знаков результативных компонент определяют четыре рабочих ключа, один из которых используют в качестве базового и включают на весь период широтно-импульсной модуляции. Для определения моментов переключения трех оставшихся рабочих ключей формируют два времязадающих сигнала путем выборки из трех результативных компонент задающего вектора двух активных компонент по условию совпадения их знаков и выделения модулей этих компонент. Путем выборки из трех результативных компонент задающего вектора базовой компоненты по условию отличия ее знака от знака активных компонент определяют базовую фазу мостовой схемы, содержащую базовый ключ. Базовый ключ определяют по знаку базовой компоненты. Для формирования нулевого образующего вектора тока используют второй ключ базовой фазы, для формирования двух ненулевых образующих векторов тока используют ключи двух других фаз, которые определяют по знаку активных компонент. Ключи, используемые для формирования ненулевых образующих векторов тока, переключают в моменты совпадения опорных сигналов с времязадающими сигналами, ключ, используемый для формирования нулевого образующего вектора тока, включают на интервалах времени, когда выключены оба ключа, используемые для формирования ненулевых образующих векторов.

Для регулирования коэффициента мощности преобразователя в цепи переменного тока изменяют фазу вектора заданных мгновенных значений фазных токов относительно фазы вектора переменного напряжения.

Для регулирования напряжения на стороне постоянного тока преобразователя изменяют амплитуду компонент вектора заданных мгновенных значений фазных токов.

На фиг.1 представлена трехфазная мостовая схема выпрямителя (инвертора) тока. СУ - схема управления ключами преобразователя, вырабатывающая сигналы управления в соответствии с поданным на ее вход вектором заданных фазных токов преобразователя - На фиг.2 представлена блок-схема, иллюстрирующая процесс преобразования сигналов в соответствии с представляемым способом. На этом чертеже: ВРС - блок выделения результативной составляющей, ОС - блок определения текущего сектора, ГОС - генератор опорных сигналов, ФСУ - формирователь сигналов управления ключами, F= [f₁, f₂, f₃,f₄,f₅,f₆]^Т - вектор сигналов управления ключами (1 - ключ открыт, 0 - закрыт).

На фиг.3 показано распределение знаков компонент результативной составляющей вектора заданных фазных токов преобразователя для случая их синусоидальности.

На фиг.4 представлен результат формирования управляющих сигналов для III-го сектора.

Поскольку рассматриваемая схема не имеет нулевого провода, то из произвольного вектора заданных фазных токов путем умножения на матричную константу выделяют результативную составляющую I*_пm ^F= MI*_п ^F, которая может быть воспроизведена в виде усредненных значений широтно-модулированных фазных токов преобразователя - , причем i*_пma+i*_пmb+i*_пmc= 0. На фиг.2 эту функцию выполняет блок выделения результативной составляющей (ВРС). Затем путем анализа знаков компонент вектора результативной составляющей I*_пm ^F определяют текущий сектор, поскольку каждый сектор характеризуется определенной комбинацией знаков (фиг.3). По условию совпадения знаков из трех компонент вектора результативной составляющей выделяют две активные компоненты, используемые в дальнейшем для определения активных на текущем периоде ШИМ ключей. Третья компонента вектора результативной составляющей является базовой. Так, например, в III-м секторе (фиг. 3) одинаковый знак (положительный) имеют компоненты i*_пma и i*_пmb, а i*_пmc имеет противоположный знак (отрицательный), в этом случае активными компонентами будут i*_пma и i*_пmb, а базовой компонентной будет i*_пmc. Выделяя модули активных компонент, формируют два времязадающих сигнала i*₁ и i*₂ для III-го сектора (фиг.3) i^*₁ = |i^*_пma|, i^*₂ = |i^*_пmb|. По составу активных компонент и по их знаку определяют два активных ключа, моменты переключения которых определяют путем формирования двух периодических однополярных кусочно-линейных опорных сигналов с противоположными по знаку производными по времени i_оп1 и i_оп2 и сравнения каждого из опорных сигналов с одним из двух времязадающих сигналов. В III-м секторе активными компонентами являются i*_пma и i*_пmb (фиг.3), поскольку активные компоненты положительны, активными ключами являются 1-й и 3-й ключ. Моменты переключения активных ключей производят в моменты совпадения мгновенных значений опорных и времязадающих сигналов (фиг.4). Опорные сигналы i_оп1 и i_оп2 вырабатывает генератор опорных сигналов (ГОС) (фиг.2).

По базовой компоненте определяют базовую фазу, содержащую базовый ключ, который включают на весь период ШИМ, причем базовый ключ определяют по знаку базовой компоненты. Для III-го сектора базовой компонентой является i*_пmc, тогда фаза С базовая, а базовым ключом является 6-й ключ мостовой схемы (фиг. 1), поскольку компонента i*_пmc отрицательная. Второй ключ базовой фазы используют для формирования нулевого вектора (для III-го сектора - это 5-й ключ), его включают на интервалах времени, когда выключены оба активных ключа (фиг.3).

Для регулирования напряжения на стороне постоянного тока преобразователя изменяют амплитуду компонент вектора заданных мгновенных значений фазных токов. Рекуперация осуществляется изменением знака напряжения в звене постоянного тока.

Использование предлагаемого способа управления обеспечивает улучшенную совместимость преобразователя с питающей сетью (нагрузкой), а именно синусоидальность переменного тока, и тем самым снижает искажения напряжения питающей сети и потери от высших гармонических составляющих в линиях электропередач (нагрузке), регулирование коэффициента мощности позволяет снизить реактивную составляющую переменного тока, рекуперация обеспечивает возврат энергии в питающую сеть.

Реализуемость предлагаемого способа подтверждается результатами проведенных экспериментальных исследований, представленными на фиг.5. Приведенные осциллограммы соответствуют установившемуся выпрямительному режиму, они были получены на опытном образце обратимого преобразователя мощностью 10 кВА, выполненном на транзисторах с изолированным затвором с последовательно подключенными диодами. На этом чертеже u_a - фазное сетевое напряжение, i_a - фазный сетевой ток, i_d - выпрямленный ток.

Формула изобретения

1. Способ управления обратимым преобразователем энергии переменного тока в энергию постоянного тока с использованием в трехфазной мостовой схеме ключей с односторонней проводимостью и непрерывным сигналом управления, работающих в режиме широтно-импульсной модуляции, отличающийся тем, что вектор заданных мгновенных значений фазных токов преобразуют с выделением трех результативных компонент, удовлетворяющих условию равенства их суммы нулю, на каждом периоде широтно-импульсной модуляции на основе анализа знаков результативных компонент определяют четыре рабочих ключа, один из которых используют в качестве базового и включают на весь период широтно-импульсной модуляции, моменты переключения трех оставшихся рабочих ключей определяют путем формирования двух периодических однополярных кусочно-линейных опорных сигналов с противоположными по знаку производными по времени и сравнения каждого из опорных сигналов с одним из двух времязадающих сигналов, причем времязадающие сигналы формируют путем выборки из трех результативных компонент задающего вектора двух активных компонент по условию совпадения их знаков и выделения модулей этих компонент, базовую фазу мостовой схемы, содержащую базовый ключ, определяют путем выборки из трех результативных компонент задающего вектора базовой компоненты по условию отличия ее знака от знака активных компонент, причем базовый ключ определяют по знаку базовой компоненты, для формирования нулевого образующего вектора используют второй ключ базовой фазы, для формирования двух ненулевых образующих векторов используют ключи двух других фаз, которые определяют по знаку активных компонент, каждый из ключей, используемых для формирования ненулевых образующих векторов, включают на время, когда мгновенное значение соответствующего времязадающего сигнала больше или равно значению сравниваемого с ним опорного сигнала, ключ, используемый для формирования нулевого образующего вектора, включают на интервалах времени, когда выключены оба ключа, используемых для формирования ненулевых образующих векторов.

2. Способ управления обратимыми преобразователями энергии переменного тока в энергию постоянного тока по п. 1, отличающийся тем, что регулирование коэффициента мощности преобразователя в цепи переменного тока осуществляют изменением фазы вектора заданных мгновенных значений фазных токов относительно фазы вектора переменного напряжения.

3. Способ управления обратимыми преобразователями энергии переменного тока в энергию постоянного тока по п. 1 или 2, отличающийся тем, что регулирование напряжения на стороне постоянного тока преобразователя реализуют изменением амплитуды компонент вектора заданных мгновенных значений фазных токов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5