Групповой преобразователь частоты
Патент 1001373
Авторы
Групповой преобразователь частоты
Иллюстрации
Реферат
ОП ИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕН ИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Сопетскнн
Социалистических
Республик (I1) 1001373 (6l) Дополнительное к авт.спид-ву (22) Заявлено 09.04.81 (21) 3273128/24-07 с присоединением заявки № (23) Приоритет
Опубликовано 28.02.8З. Бюллетень № 8
Дата опубликования описания 02.03.83 (Si)e. К .
Н 02 М 5/27
Н 02 М 7/515
Государственный комитет ло делам изобретений н открытий (53) УД К 621.3 14. .27 (088.8) (72) Авторы изобретения
И.И.Кантер, И.И.Артюхов, Н. П.Мит и С. Ф.Степанов ! -- Х,-" .;-,. /
Саратовский ордена Трудового Кра ного,Знаиейтт-voaHTajcÌè÷åñêèé институт
j (7l) Заявитель (54) ГРУППОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
1
Изобретение относится к силовой преоб. разовательной технике и может быть mcпользовано в тиристорных комплексах для электроснабжения предприятий на повышенных частотах.
Известен групповой преобразователь, состоящий из источника постоянного напряжения и нескольких объединенных по выходе инверторов, каждый из которых снабжен трансформатором тока, пер вичные обмотки которых включены с одинаковой полярностью между соответствующими инверторами и фазой сети, а вторичные обмотки соединены последовательно также с одинаковой полярнос тью 1.1).
Данное устрейство, отличаясь значительной массой и габаритами эа счет уравнительных трансформаторов тока, не обеспечивает достаточной эффективности го деления тока между остальными инверто» рами в широком диапазоне нагрузок, так как настраивается на фиксированную вели2 чину разбаланса выходных токов. инверто ров.
Известен также групповой преобразователь частоты, содержащий два объединенных по выходу инверторы,регуляторы. постоянного налряжения в цепи питания каждого инвертора с установленными на их выходах 1„С-фильтрами, блок управ ления регуляторами, датчики тока в. пепи. питания инверторов и узел сравнения сиг палов (21.
Недостаток укаэанного устройства . состоит в том, что оно решает задачу распределения нагрузки только в случае двух инверторов одинаковой мощности, что ограничивае область его применения.
Наиболее близок к предлагаемому по технической сущности групповой преоб- . разователь частоты, содержащий объединенные по выходу инверторы, регуляторы постоянного напряжения в пепи питания каждого инвертора, выполненные в виде полууправляемых мостов с установлеь3 100 ными на их выходах L Гфильтрами, блоки управления регуляторами, датчики тока в цепи питания инверторов, узлы сравнения сигналов, а также сумматор и делитель, соединенные последовательно, и умножители сигналов датчиков тока, входы которых соединены с выходом делителя, причем выход каждого из датчи1373
4 ключены к входам соответствующих блоков управления регуляторами, инверторы разделены на две группы, мощности каждой из которых выбирают таким образом, что выполняется условие
2 ков тока подключен к одному из входов сумматора,: а выходы умножителей под- 1О ключены к одним из входов узлов сравнения, другие входы которых соединены с выходами соответствующих датчиков тока, при этом выходы узлов сравнения подключены к входам соответствующих блоков управления регуляторами (3).
В известном устройстве обеспечивается заданная загрузка произвольного количества объединенных по выходу инверторов во всем диапазоне изменения параметров щ нагрузки. В результате этого может быть достигнута предельная мощность преобразовательного агрегата при использовании вентилей установленной мощности.
Структура выпрямительной части преоб- zi разователя реализуется минимальным количеством управляемых вентилей. Однако во входном токе преобразователя дополнительно к нечетным возникают четные гармоники, которые отрицательно сказы- щ ваются на работе устройств питающих преобразователь, что ограничивает область применения таких преобразователей.
11ель изобретения — уменьшение ме" шающего влияния преобразователя на питающую сеть.
Поставленная цель достигается тем, что в групповом преобразователе частоть1 содержащем объединенные по выходу инверторы, регуляторы постоянного напряжения в цепи питания каждого инвертора, выполненные в виде полууправляемых мостов с установленными на их выходах
L С-фильтрами, блоки управления регу- 4 ляторами, датчики тока в цепи питания инверторов узлы сравнения сигналов этих датчиков, а также сумматор и делитель, соединенные последовательно, и умножители сигналов датчиков тока, вхо- ды которых соединены с выходом делителя, причем выход каждого из датчиков тока подключен к одному из входов сумматора, а выходы умножителей подключены к одним из входои узлов сравнения, Ы другие входы которых соединены с выходами соответствующих датчиков тока, при этом выходы узлов сравнения подгде m„, rn> — количество инверторов первой и второй групп. соответственно; р. Є— номинальные мощности ин1 верторов, образующих эти группы, при этом регуляторы постоянного напряжения одной группы инверторов выполнены с совмещенной анодной неуправляемой группой вентилей, а другой — с совмешеннпй катодной неуправляемой группой вентилей.
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 и 3— схема одного из вариантов выполнения преобразователя и временные диаграммы, поясняющие его работу; на фиг. 4 и 5— графики зависимостей коэффициентов искажения 9 и мощности X от угла управления GL и коэффициента 9 or величины ассиметрии г загрузки инверторных блоков; на фиг. 6 — расчетная схема одной фазы выпрямительной части преобразователя, Групповой преобразователь частоты (фиг.l ) содержит разделенные на две группы инверторы 1 и 2, регуляторы 3 и 4 в цепи питания инверторов 1 и 2 соответственно, („С-фильтры 5, блоки 6 управления регуляторами постоянного напряжения, датчики 7 тока, узлы 8 сравнения, сумматор 9, делитель 10 и умножители 11. Регуляторы 3 постоянных напряжений, подаваемых на инверторы 1, выполнены с совмещенной катодной неуправляемой группой вентилей, а регуляторы 4 — с совмещенной анодной неуправляемой группой вентилей, При Ф =то =1 схема преобразователя
2 может быть выполнена так, как показано на фиг. 2. В этой схеме условия минимального искажающего влияния преобразователя на сеть выполняются в связи с необходимостью равномерной загрузки инверторных блоков. Работа устройства поясняется фиг. 3, где показаны временные диаграммы выпрямленных напряжений, потребляемых токов и результирующего
5 1001 потребляемого тока. На фиг. 2 и 3 приняты обозначения:
d1 oL>- углы управления р торами; (0„,0,0 )- входные фазные напряжен ня;
И и р 3,(3чпр4 управляюшие импульсы регуляторов 3 и 4; — входные фазные токи регуляторов 3 и 4 и результирующий по- 10 требляемый т ок с оотве тстве нно; (ВЫЛ 1ВЬ|х4 выходш е напряж (А5 - ВС ОСА mHeAm)e напряжен сети, йз которых они формируются;
1$ 1р, ®4, 11, 115 — токи через соответствуюшие вентили.
Кроме того, вводятся следующие обозначенияя:
Ud< — напряжение питания P -ro инвертора, снимаемое с емкости фильтра С ;
3 — среднее значение тока, потребляемого g «ым инвертором; Rgp — эквивалентное резистивное сопротивление це2$ пи постоянного тока 0 -ro инвертора;
0 = 1,.",и; — общее количество инверторов, включаемых на параллельную работу, причем
= m -+- lTlg
В качестве управляюших воздействий при регулировании токов, потребляемых инверторами, используются напряжения питания, подаваемые с выходов фильтров. $$
Информация о величине токов 3 поступает от датчиков 7, установленных в цепях постоянного тока инверторов 1 и 2.
Так как 3 < —. знакопостоянные величины, то датчики могут быть выполнены в виде 0
4 Ф шунтов. Сигналы 3 <, пропорциональные величине токов 3, с выходов датчиков
7 поступают на входы сумматора 9, на выходе которого образуется сигнал пропорциональный сумме токов, потреб$0, ляемых инверторами. Величина ) поступает на вход делителя 10, осуществ ляюшего деление на и . Выходной сигнал делителя Зд. -+3d поступает на входы о п умножителей 11, число которых равно р .
Умножитель 11, соответствукаций Д -му инвертору, осушествляет умножение величины 3 . на коэффициент, пропорциЙэ ональный мощности 3 -го инвертора. При
373 6 этом коэффициенты у < подбираются так, чтобы выполнялось условие нормирования î
Выходной сигнал 0 -го умножителя 3< пропорционален той величине тока В -ro инвертора, который должен потребляться при требуемом распределении нагрузки, Величиж(Эар в у лах 8 сравнения еиналов сравниваются с поступаюшими с датчиков 7 величинами Эд . Сигналы
-о рассогласования A jd =3d - 3, пропорциональные отклонениям текуших значений потребляемых токов от требуемых при данной мошности нагрузки значений этих токов, поступают на входы соответствуюших блоков 6 управления регуляторами
Г>
3 и 4 постоянного напряжения.
Блоки 6 управления вырабатывают. сигналы управления тиристорами регуляторов 3 и 4. В преобразователях, включаемых на параллельную работу, исходное назначение блоков 6 управления состоит в регулировании величины напряжений Udg с целью стабилизации выходного напряжения преобразователя. В этом случае сигналы рассогласования D3gq, по даваемые с выходов узлов 8 сравнения, складываются в блоках 6 управления с сигналом рассогласования основного контура регулирования.
Таким образом, угол управления 0 «го регулятора равен
Ы =Ы +о
0 О Р где с1, — составляюшая угла управления, определяемая системой стабилизации выходного напряжения, причем эта составляюшая является общей для всех регуляторов;
1 (. - величина дополнительного угла управления, определяемая рассогласованием ВЗщ .
Для тех инверторов, у которых значе, ние тока сопревышает требуемую велио чину этого тока 3 у (т.е.$3d < О), величина > О и, следовательно, напряжение на входе этого инвертора Q уменьшаются, что приводит к уменьшению тока Зд и абсолютной величины рассогласования ДЗд . Наоборот, при 3dp( о
l ((д 3 ) О) величина дополнительйого угла sf<< О, что ведет к увеличению тока Лдр и уменьшению величины рассогла« сования.
В установившемся режиме для всех инверторов с точностью, определяемой кэ1001 о Е Д(1 39 Д 0 д р =и,,е м °
2О
ЗО
В силу этого условие
Пт ГП2
Р - Р =min
3=41 Ь1 исать след щим об.1О аффициентом усиления блоков 6 управления, выполняется равенство и, таким образом, выполняется требуемое условие распределения нагрузки между инверторами.
Мощность, потребляемая Р -ым инвестором
1О
Так как величина R
0 вследствие чего мощности, потребляемые инверт орам и, ю"= a ë практически пропорциональны потребляемым токам.
Суммарные мощности, потребляемые инверторами первой и второй групп:
1 1 1 р - Р.=Го,. u,Гз,.;
Е-" 3=1 j 31 Д5 а5 д,=1 д)
2 п2. 1тт 2
Р 2= Р5(= — " аК-" аК можно зап ую разом:
m1 m
0 Гз
5=" 7 3=1 где $ — достаточно малая величина.
Отсюда
1 2
+ à = а - с
14=1
Мгновенное значение фазного тока
1, потребляемого преобразователем из питающей сети, +12
;rae 1„, 1< — токи, потребляемые одноименными фазами регуляторов постоянного напряжения первой и второй групп инверторов соответственно, ° а
Тиристорам регулятора с совмещенной катодной группой соответствуют ло37;3 8 гические функции F (m4 ) равные 1, когда соответствующий тиристор открыт, и равные 0" в противном случае. Аналогичные функции вводят для тиристоров регуляторов второй группы инверторов
2х(Функции состояния диодов 12 и 14 (фиг. 6) обозначают соответственно чь12 14
С учетом введенных обозначений выражения для токов, потребляемых одноименными фазами регуляторов, могут быть записаны в виде где 112 а 114 — токи диодов 12 и 14 соответственно; ,1 — токи тиристоров регуляторов первой и второй групп соответственно.
Допустим, что на интервале 0<4)t<ß в проводящем состоя нии м огут наход иться тиристоры Т.;. (j =1, 1п1) и диод 14, тогда на интерва)ле Jl(ink)2 проводят тиристоры TgK(K=1, lTl2) и диод 12.
Следовательно, для тока 1, потребляемого преобразователем, справедливо следующее выражение
Yll
- „(М)1:-Г (xt)1 (а(нЫ Ц
П12
F><(X4) 121,+ 1 (ЫЦ 11 (М(жЫ gy), Так как аастааяяюиая (а=Г,а) тт ла управления с(достаточно малая величина, то основное влияние на искажение формы тока, потребляемого преобразователем из сети, оказывает составляющая ЫО. Положим, что Е-< (<(I,AJ).
В этом случае интервалы проводимости
THpHcT îðîâ Т1 < (j =1, m1) практически совпадают, прйчем
Г„. (11т) = Г1(ШЦ () Е (1,тт1Д, Аналогично (иЮ-Г (1i1Ц (1(е(1,m2)), 1001373
Затем
%1 m2 (:p. Е:р и о
3 =1
Н =ud,()
l3 1 где
Исходя из того, что токи, потребляемые инверторами, достаточно хорошо сглажены, выражение для определения тока окончательно можно записать в следу-10 ющем виде:
ХГ1(ШЦ+ГИ(ШЧ)ЛЬЕ 0<А<У (Я (ШЦФ Я(М)) Э Л(С0 (2Л- 5 функцию i > заменяют соответствук щим разложением в ряд фурье — 0Я
1 (Vt)=L — 3 cos — оп
-„ К1 aZ
%51T1 1С Ю вЂ” ) °
Ц. 1 г) Отсюда видно, что при выполнении
2 услови" — jg ° = Э из спектраль1=1 " ного состава входного тока преобразова30 теля исключаются четные гармоники.
Графики зависимостей коэффициента искажения 1 н коэффициента мощности
7(от величины угла управления о(. для предлагаемого устройства при симметрии загрузки инверторных блоков на фиг. 5. показаны сплошными линиями. Здесь же для сравнения приведены аналогичные зависимости для. известного устройства Я), графики которых изображены пункти ными линиями.
При асимметрии загрузки инверторных блоков коэффициент искажения может быть определен из следующего выражения:
0 б5
cos—
1) =—
У
Гп п 2 з.-Е з
j=- д3 1=1 1
Р=1 аЕ
Графики, характеризующие ухудшение коэффициента искажения 4 от величины асимметрии загрузки инверторных бло» ков, приведены на фиг. 6. Отсюда видно, что при любом значении угла управления с . выполнение условия обеспечивае получение наилучшего значения коэффициента искажения М и, следовательно, максимального значения коэффициента мощности
Уменьшение искажающего влияния преобразователя на питающую сеть дости " гается и при работе выпрямителей не на инверторы, а на произвольную нагрузку.
Однако в этом случае должны выполняться следующие условия: где d.„, d. — углы управления регулято рами йапряжений питания нагрузок первой и второй группы;
3 д ° — Выходной ток ) «го регулято ра пер зой группы;
3 -„ — выходной ток М -го регулятобк ра второй группы.
Выполнения условия (1) связано с выполнением соотношения
Где 0, Од выходные напряжения
1 гуляторов первой и второй групп соответственно.
Условия (1) — (3) должны выполняться при любых параметрах потребителей, подключенных к выходным зажимам регуляторов. Таким образом, эти потребители - произвольные и по условиям работы не имеют функциональных связей друг с другом.
Любое отклонение параметров потребителей приводит к рассогласованию углов управления и выходных токов регуляторов и, следовательно, к невыполнению условий (1) — (3).
Таким образом, минимальное искажающее влияние группы преобразовательных устройств на питающую сеть получается только в том случае, если по условиям работы требуется обеспечить заданное распределение токов этих регуляторов.
Такая задача решается, в частности, при
1001.Л73
12 параллельной работе инверторных блоков резличной мощности. Когда групповой преобразователь составляется из двух инверторных блоков, то его схема приобретает вид, показанный на фиг. 2. В этой схеме условия (1) — (3) выполняются в связи с необходимостью равномерной загрузки инверторных блоков 1. При этом за счет наличия инверторного трансформатора достигается гальваническая развязка между выходами инверторных блоков, в результате чего и-.ключается необходимость в установке разделительного трансформатора на входе группового преобразователя. Установка развязывающих трансформаторов на входе группового преобразователя существенно ухудшает мессогеэаритчъ.е показатели всей системы преобразования.
Улучшение спектрального состава потребляемого тока достигается не соответствующим законом управления вентилями регуляторов, а путем особым образом организованной структуры этих регуляторов, а именно благодаря тому, что регуляторы постоянного напряжения одной группы инверторов выполнены с совмещенной анодной неуправляемой группой вентилей, а другой — с совмещенной катодной неуправляемой группой 3 вентилей.
При использовании указаннъ х регуляторов в групповом преобразователе, осуществляющем централизованное питание потребителей на ряде фиксирэваннь х час- у тот, не требуется осуществлять групповуо регулировку напряжений питания инверторов. В этом случае тиристоры каждого регулятора управляются импульсами, которые подеются в соответствующий мт - Q) мент времени одновременно «а все тиристоры данного регулятора.
Таким образом, в предлагаемом преобразователе улучшается коэффициент искажения в результате минимизации содержания четных гармоник в кривой потребляемого тока. Это, в свою очередь, приводит к улучшению входного коэффициента мотцности, который не ниже чем 0,9 при кратности применения напряжения
Q g q равной 1,25.
Кроме того, предлагаемое устройство характеризуется уменьшенным значением (по сравнению с симметричными схемами выпрямления) потребляемой реактивной мощности при фазовом регулировании, простотой системы упревления, меньшими габаритами и более низкой ст э им остью.
Формула изобретения
Групповой преобразователь частоты, содержащий объединенные по выходу инверторы регуляторы постоянного напряжения в цепи питания каждого инвертора, выполнение в виде полууправляемых мостов с установленными на их выходах
L, С-фильтрами, блоки управления регуляторами, датчики тэка в цепи питания инверторов, узлы сравнения сигналов этих датчиков, е также сумматор и делитель, соединенные последовательно, и умножители сигналов датчиков тока, входы ко
TDpblx соединены с выходом делителя, причем выход каждого из датчиков тэка подключен к одному из выводов сумматора, а выходы умножителей подключены к одним из входов узлов сравнения, другие входы которых соединены с выходами соответствующих датчиков токе, при этом выходы узлов сравнения подключены к входам соответствующих блоков управления регуляторами, э т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью уменьшения искажающего влияния преобразователя на питающую сеть, регуляторы постоянного напряжения одной групйы инверторов выполнены с совмещенной анодной неуправляемой группой вентилей, а другой— с совмещенной катодной неуправляемой группой вентилей, причем инверторы сос тоят из двух групп, мощности каждой из которых выбирают таким образом, что выполняется условие
Щ Ю2 р р
rae ттт,„, 1тт > — количество инвертэров первой и второй групп: соответственно;
p, P — номинальные мощности
K инверторов, образующих эти группы.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Заявка ФРГ № 2418576, кл. Н 02 У 3/38, 1977.
2. Авторское свидетельство СССР № 866671, кл. Н 02 M 7/515.
3. Авторское свидетельство СССР № 896724, кл. Н 02 М 7/51 5, 1 982.
xo(i зМ
@и2.
1001173
100i373
1001373
1001373
РУ5
Р,2
О,б
145 m
Составитель Г. Мыцык
Редактор Л ; Г1челннская Техред >К.Кастелевнч Корректор Ю. Макаренко
Заказ 1439/70 Тираж 685 . Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4
Д85
04
Рие. 5