Способ и устройство стабилизации трехфазного переменного напряжения
Владельцы патента RU 2551427:
Открытое акционерное общество Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава (ОАО "ВНИКТИ") (RU)
Изобретение относиться к области электротехники и может быть использовано при производстве, преобразовании и распределении электрической энергии, в частности в стабилизаторах трехфазного переменного напряжения локомотивов. Техническим результатом является обеспечение стабилизации выходного трехфазного переменного напряжения при изменении входного напряжения в широком диапазоне, уменьшение массогабаритных показателей. Указанный технический результат достигается тем, что в способе и устройстве стабилизации трехфазного переменного напряжения, в которое введены линейный дроссель, ключевой транзистор, диод и фильтровая емкость, блок управления управляет автономным инвертором напряжения по закону синусоидальной векторной широтно-импульсной модуляции. Блок управления формирует импульсы включения/выключения ключевого транзистора по разностному сигналу с элемента сравнения при входном напряжении ниже заданного значения напряжения, а при входном переменном напряжении выше заданного значения напряжения отключает ключевой транзистор и стабилизирует выходное переменное напряжение автономным инвертором напряжения по заранее вычисленной линейной характеристике в зависимости от величины постоянного напряжения на входе автономного инвертора напряжения.. Дополнительно к выходу автономного инвертора напряжения подключен трехфазный синусный фильтр, состоящий из индуктивностей, включенных последовательно с выходными фазами (U, V, W), и емкостей, включенных между выходами индуктивностей. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относиться к области производства, преобразования и распределения электрической энергии, в частности к стабилизаторам трехфазного переменного напряжения для локомотивов.
Известен способ управления стабилизатором переменного напряжения, заключающийся в том, что напряжение вольтодобавки, формируемое выпрямителем, инвертором и вольтодобавочным трансформатором, регулируется по двум координатам - амплитуде и фазе- и суммируется или вычитается из входного напряжения в зависимости от уменьшения или увеличения выходного напряжения (RU, патент №2074494, МПК H02M 5/257, G05F 1/26, опубл. 1997 г.).
Недостатком известного способа является узкий диапазон входного напряжения и увеличенные массогабаритные параметры вольтодобавочного трансформатора в мощных стабилизаторах переменного напряжения.
Известен способ стабилизации постоянного напряжения, принятый за прототип, в котором входное постоянное напряжение прикладывают к последовательно включенным дросселю и ключевому транзистору, изменением времени включения/выключения которого схема управления формирует постоянное стабилизированное напряжение в соответствии с заданным значением при входном напряжении ниже заданного (Семенов Б.Ю. «Силовая электроника: от простого к сложному», Москва, СОЛОН-Пресс, 2005 г., стр. 235-242).
Недостатком известного способа является стабилизация только постоянного напряжения в узком диапазоне входного напряжения.
Известен стабилизатор постоянного напряжения, содержащий линейный дроссель, входом подключенный к плюсу входного напряжения, а выходом - к точке соединения коллектора ключевого транзистора и анода диода, катод которого подключен к плюсовому входу нагрузки, параллельно которой подключена фильтровая емкость, при этом эмиттер ключевого транзистора соединен с минусом входного напряжения, а управляющий вход подключен к выходу схемы управления (Семенов Б.Ю. «Силовая электроника: от простого к сложному», Москва, СОЛОН-Пресс, 2005 г., стр. 235-242, рис. 10.1).
Недостатком известного стабилизатора является стабилизация только постоянного напряжения в узком диапазоне входного напряжения.
Известен стабилизатор переменного напряжения, принятый за прототип и содержащий трехфазный вольтодобавочный трансформатор, включенный между входными и выходными выводами, управляющим входом подключен к выходу инвертора, вход которого через выпрямитель подключен к входным и выходным выводам, при этом выпрямитель и инвертор управляются соответственно системой управления выпрямителем и системой управления инвертором, которые также подключены к входным выводам и выходным выводам, измеряемым датчиком напряжения, информационный выход которого на элементе сравнения сравнивается с заданным значением выходного напряжения, а сигнал сравнения управляет системой управления выпрямителем и системой управления инвертором (RU, патент №2074494, МПК H02M 5/257, G05F 1/26, опубл. 1997 г.).
Недостатком известного стабилизатора является узкий диапазон входного напряжения и увеличенные массогабаритные параметры вольтодобавочного трансформатора в мощных стабилизаторах переменного напряжения.
Техническим результатом изобретения является стабилизация выходного трехфазного переменного напряжения при изменении входного переменного напряжения в широком диапазоне, уменьшение массогабаритных параметров стабилизатора.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе стабилизации трехфазного переменного напряжения, заключающемся в том, что выпрямляют входное переменное трехфазное напряжение, прикладывают к последовательно включенным дросселю и ключевому транзистору, изменением времени включения/выключения которого блоком управления формируют постоянное стабилизированное напряжение на входе автономного инвертора напряжения в соответствии с заданным значением при входном напряжении ниже заданного, из которого автономным инвертором напряжения по сигналам с блока управления формируют переменное напряжение по закону синусоидальной векторной широтно-импульсной модуляции, а при входном переменном напряжении выше заданного значения отключают ключевой транзистор и стабилизируют выходное переменное напряжение автономным инвертором напряжения по заранее вычисленной линейной характеристике в зависимости от величины постоянного напряжения на входе автономного инвертора напряжения.
Указанный технический результат достигается также с помощью устройства стабилизации трехфазного переменного напряжения, содержащего источник переменного напряжения, три фазы которого (A, B, C) подключены к выпрямителю, отрицательный выход которого подключен к отрицательному входу автономного инвертора напряжения, параллельно которому подключен датчик напряжения, информационный выход которого соединен с первыми входами блока управления и элемента сравнения, на второй вход которого подается заданное значение выходного напряжения, а выход подключен к второму входу блока управления, который управляет автономным инвертором напряжения, кроме этого, введены линейный дроссель, ключевой транзистор, диод и фильтровая емкость, а блок управления управляет автономным инвертором напряжения по закону синусоидальной векторной широтно-импульсной модуляции, при этом линейный дроссель входом подключен к плюсовому выходу выпрямителя, а выходом к точке соединения коллектора ключевого транзистора и анода диода, катод которого подключен к плюсовому входу автономного инвертора напряжения, параллельно которому подключена фильтровая емкость, при этом эмиттер ключевого транзистора соединен с минусом выпрямителя, а управляющий вход подключен к выходу блока управления, формирующего импульсы включения/выключения ключевого транзистора по разностному сигналу с элемента сравнения при входном напряжении ниже заданного значения напряжения, а при входном переменном напряжении выше заданного значения напряжения отключает ключевой транзистор и стабилизирует выходное переменное напряжение автономным инвертором напряжения по заранее вычисленной линейной характеристике в зависимости от величины постоянного напряжения на входе автономного инвертора напряжения, при этом к выходу автономного инвертора напряжения подключен трехфазный синусный фильтр, состоящий из индуктивностей, включенных последовательно с выходными фазами (U, V, W) и емкостей, включенных между выходами индуктивностей.
На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для реализации предложенного способа стабилизации трехфазного переменного напряжения. На фиг. 2 представлен график зависимости постоянного напряжения Uи на входе автономного инвертора напряжения от входного трехфазного переменного напряжения ~U (A, B, C). На фиг. 3 представлен график зависимости амплитуды базового вектора выходного напряжения Aи автономного инвертора напряжения в относительных единицах от входного трехфазного переменного напряжения ~U (A, B, C).
Устройство, реализующее способ стабилизации трехфазного переменного напряжения, содержит (фиг. 1) источник переменного напряжения 1, три фазы которого (A, B, C) подключены к выпрямителю 2, представляющего собой трехфазный мостовой выпрямитель, отрицательный выход которого подключен к отрицательный входу автономного инвертора напряжения 3, параллельно которому подключен датчик напряжения 4, информационный выход которого соединен с первыми входами блока управления 5 и элемента сравнения 6, на второй вход которого подается заданное значение выходного напряжения Uзад., а выход подключен к второму входу блока управления 5, который управляет автономным инвертором напряжения 3, кроме этого, введен линейный дроссель 7, входом подключенный к плюсовому выходу выпрямителя 2, а выходом - к точке соединения коллектора ключевого транзистора 8 и анода диода 9, катод которого подключен к плюсовому входу автономного инвертора напряжения 3, параллельно которому подключена фильтровая емкость 10, при этом эмиттер ключевого транзистора 8 соединен с минусом выпрямителя 2, а управляющий вход подключен к одному из выходов блока управления 5, формирующего импульсы управления по разностному сигналу с элемента сравнения 6, при этом к выходу автономного инвертора напряжения 3 подключен трехфазный синусный фильтр 11, состоящий из индуктивностей 12, включенных последовательно с выходными фазами (U, V, W) и емкостей 13, включенных между выходами индуктивностей 12.
Устройство, реализующее предлагаемый способ стабилизации трехфазного переменного напряжения, работает следующим образом.
Напряжение ~U с источника переменного напряжения 1 (A, B, C) подают на вход выпрямителя 2, выпрямленное постоянное напряжение Uв с выхода выпрямителя 2 поступает на вход линейного дросселя 7. Выход линейного дросселя 7 подключают к точке соединения коллектора ключевого транзистора 8 и анода диода 9. Блоком управления 5 управляют временем включения/выключения ключевого транзистора 8 и формируют постоянное стабилизированное напряжение Uи на входе автономного инвертора напряжения 3 в соответствии с заданным значением напряжения Uзад. и при входном напряжении ~U ниже заданного значения, из которого автономным инвертором напряжения формируют переменное напряжение по закону синусоидальной векторной широтно-импульсной модуляции. Выходное напряжение автономного инвертора напряжения 3 формируют с использованием шести базовых векторов U1, U2, U3, U4, U5, U6 и двух нулевых U(0), U(1). Путем переключения на периоде ШИМ между двумя соседними базовыми векторами и одним из нулевых векторов формируют требуемое выходное напряжение. Алгоритм управления сводиться к заданию порядка смены состояний ключевых элементов автономного инвертора напряжения 3, длительностей пребывания в каждом из них, частоты ШИМ и частоты выходного напряжения. Процесс формирования напряжения с использованием векторной ШИМ известен и подробно описан в технической литературе (например А.В. Клевцов «Преобразователи частоты для электропривода переменного тока», Тула «Гриф и К», 2008 г. стр. 47-51).
При включении ключевого транзистора 8 в дросселе 7 происходит линейное нарастание тока от нулевого значения по закону:
где Uв - напряжение на выходе выпрямителя 2;
T - время включения ключевого транзистора 8;
L - индуктивность линейного дросселя 7.
Линейный дроссель 7 будет находиться в фазе накопления энергии, при этом диод 9 закрывается и не позволяет фильтровой емкости 10 разряжаться через ключевой транзистор 8. Входной ток автономного инвертора напряжения 3 в этот промежуток времени поддерживают только за счет энергии, запасенной в фильтровой емкости 10. При выключении ключевого транзистора 8 линейный дроссель 7 переходит в фазу передачи энергии в нагрузку и энергия, запасенная в линейном дросселе, подзаряжает фильтровую емкость 10. Напряжение Uи на входе автономного инвертора напряжения 3 становится больше напряжения Uв на выходе выпрямителя 2 на величину определяемую индуктивностью линейного дросселя 7 и временем включения/выключения ключевого транзистора 8. Датчиком напряжения 4 измеряют напряжение на входе автономного инвертора напряжения 3, сравнивают с заданным значением выходного напряжения на элементе сравнения 6 и по разностному сигналу блок управления 5 управляет ключевым транзистором 8. При входном напряжении ниже заданного значения блок управления 5 реализует алгоритм работы повышающего стабилизатора. При входном переменном напряжении ~U выше заданного значения отключают ключевой транзистор 8 и стабилизируют выходное переменное напряжение (U, V, W) автономным инвертором напряжения 3 по заранее вычисленной линейной характеристике в зависимости от величины входного переменного напряжения ~U (фиг. 3).
На фиг. 2 приведен график зависимости постоянного напряжения Uи на входе автономного инвертора напряжения от входного трехфазного переменного напряжения ~U. При изменении входного трехфазного переменного напряжения ~U в диапазоне от 120 B до 220 B напряжение Uи стабилизируют на уровне 310 B. При изменении входного трехфазного переменного напряжения ~U в диапазоне от 220 B до 380 B напряжение Uи линейно нарастает до 540 B. Переменное напряжение 220 B (U, V, W) на выходе автономного инвертора напряжения 3 возможно сформировать только из постоянного напряжения Uи, равного 310 B, при этом амплитуды базовых векторов (Aи) в относительных единицах по которым формируют выходное напряжение автономного инвертора напряжения 3 составляют 0,866 (фиг. 3). При изменении входного трехфазного переменного напряжения ~U в диапазоне от 220 B до 380 B отключают ключевой транзистор 8 и стабилируют выходное напряжение (U, V, W) автономного инвертора напряжения 3 за счет линейного снижения амплитуды единичных базовых векторов (Aи) до величины 0,497 (фиг. 3) (А.В. Клевцов «Преобразователи частоты для электропривода переменного тока», Тула «Гриф и К», 2008 г. стр. 47-51). При этом входное напряжение Uи автономного инвертора напряжения 3 становиться больше напряжения Uзад., полярность сигнала с элемента сравнения 6 меняется на противоположную и блоком управления 5 закрывают ключевой транзистор 8 и начинают снижать амплитуды базовых векторов Aи по заранее вычисленной линейной характеристике (фиг. 3) в зависимости от величины входного трехфазного переменного напряжения ~U. При формировании выходного напряжения автономного инвертора напряжения 3 по закону синусоидальной векторной широтно-импульсной модуляции форма выходного напряжения прямоугольно-ступенчатая. Для получения выходного синусоидального напряжения к выходу автономного инвертора напряжения 3 подключают синусный фильтр 11, состоящий из индуктивностей 12 и емкостей 13, величины которых определяют частотные параметры синусного фильтра 11. Синусный фильтр 11 выделяет первую гармонику выходного напряжения автономного инвертора напряжения 3 (U1, V1, W1).
Предложенный способ и устройство стабилизации трехфазного переменного напряжения реализовано в опытном двухдизельном тепловозе на базе тепловоза ЧМЭЗ и показал свою эффективность и надежность.
1. Способ стабилизации трехфазного переменного напряжения, при котором выпрямляют входное трехфазное переменное напряжение, прикладывают к последовательно включенным дросселю и ключевому транзистору, изменением времени включения/выключения которого блоком управления формируют постоянное стабилизированное напряжение на входе автономного инвертора напряжения в соответствии с заданным значением при входном напряжении ниже заданного, из которого автономным инвертором напряжения по сигналам с блока управления формируют переменное напряжение по закону синусоидальной векторной широтно- импульсной модуляции, отличающееся тем, что при входном переменном напряжении выше заданного значения отключают ключевой транзистор и стабилизируют выходное переменное напряжение автономным инвертором напряжения по заранее вычисленной линейной характеристике в зависимости от величины постоянного напряжения на входе автономного инвертора напряжения.
2. Устройство стабилизации трехфазного переменного напряжения, содержащее источник переменного напряжения, три фазы которого подключены к выпрямителю, отрицательный выход которого подключен к отрицательному входу автономного инвертора напряжения, параллельно которому подключен датчик напряжения, информационный выход которого соединен с первыми входами блока управления и элемента сравнения, на второй вход которого подается заданное значение выходного напряжения, а выход подключен к второму входу блока управления, который управляет автономным инвертором напряжения, отличающееся тем, что введены линейный дроссель, ключевой транзистор, диод и фильтровая емкость, а блок управления управляет автономным инвертором напряжения по закону синусоидальной векторной широтно-импульсной модуляции, при этом линейный дроссель входом подключен к плюсовому выходу выпрямителя, а выходом к точке соединения коллектора ключевого транзистора и анода диода, катод которого подключен к плюсовому входу автономного инвертора напряжения, параллельно которому подключена фильтровая емкость, при этом эмиттер ключевого транзистора соединен с минусом выпрямителя, а управляющий вход подключен к выходу блока управления, формирующего импульсы включения/выключения ключевого транзистора по разностному сигналу с элемента сравнения при входном напряжении ниже заданного значения напряжения, а при входном переменном напряжении выше заданного значения напряжения отключает ключевой транзистор и стабилизирует выходное переменное напряжение автономным инвертором напряжения по заранее вычисленной линейной характеристике в зависимости от величины постоянного напряжения на входе автономного инвертора напряжения.
3. Устройство стабилизации трехфазного переменного напряжения по п. 2, отличающийся тем, что к выходу автономного инвертора напряжения подключен трехфазный синусный фильтр, состоящий из индуктивностей, включенных последовательно с выходными фазами, и емкостей, включенных между выходами индуктивностей.
