Устройство управления непосредственным преобразователем частоты,преимущественно для транспортной автономной системы электроснабжения

Устройство управления непосредственным преобразователем частоты,преимущественно для транспортной автономной системы электроснабжения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Г. М. Вотчицев и В. И. Озеров

Московский ордена Ленина и ордена Трудового Храеного

Знамени инс титу т инженеров железнодорожного транспорта (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО

ДЛЯ ТРАНСПОРТНОЙ АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЫ

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Изобретение относится к преобразовательной технике, а именно к непосред-. ственным преобразователям частоты автономных систем электроснабжения, преимущественно для питания поездных нагру5 зок от синхронного генератора органической мощности.

Известны способы и системы управления непосредственными преобразователями частоты в автономных элекгроэнерге- 0 .тических системах, при которых управле. ние токосборными группами сводится .к поочередному раздельному включению их с выходной частотой, причем тиристоры группы, работаюшей в выпрямительном режиме, включают в моменты начала естественной коммутации (с6 0), а в инвергорном режиме управляющие импульсы подают с опережением по отношению к точкам начала естественноф Ю коммутации на время восстановления управляющих свойств вентилей (P >i $ +

+ uOk вост ) (фиг. 1). ПРи этом РегУлирование и стабилизацию выходного напря2 жения осуществляют путем изменения или стабилизации тока возбуждения питающего генератора. Преимуществом извест- ного способа управления является наиболее полное использование напряжения источника питания t,l.g и Е23.

Существенным недостатком устройств реализующих известные способы управле-ния (1-4 является неустойчивость режимов работы при активно - индуктивной нагрузке, в особенности при низких значениях Сов Ч нагрузки (0,6 и ниже).

Нестабильность длительностей инверторного и выпрямительного режимов при известных способах управления (l)приводит к появлению в кривой выходного тока постоянной составляющей и субгармонических составляющих 2 . При этом ток нагрузки начинает формироваться в основном только одной гокосборной группой, что зачастую приводит к сбою в работе преобразователя, вплоть до аварийного режима.

987780

Характерной особенностью многих видов режимов нагрузок непосредственных преобразователей частоты в автономных энергосистемах является то, что при номинальных величинах нагрузки ее со У % близок к единицы, а при уменьшении тоKQ или полной мощности HarpyaEH cosЧ уменьшается практически до нуля. На фиг.

2 в качестве примера приведен4 область возможных нагрузок и ее coo 9 при централизованном электроснабжении поездов. Из фиг. 2 видно, что при нагрузках около 254 " номинальной i соъ Ч нагрузки составляет 0,8. При таких значеничх cow Ч нагрузки обеспечивает- ь| 5 ся достаточная степень устойчивости преобразования частоты при использовании пз!зестцых cGocoGB и устройств управ ленин t: j и Г2) .

Наиболее близким к предлагаемому 20 является устройство управления непосредственным преобразователем частоты, решающее задачу повышения его устойчивости при работе на активно-индуктивную нагрузку и содержащее задающий генера- 2$ тор вьгходной частоты и датчик полярности тока нагрузки, выходы которых подключены к входу основного блока запрета и разрешения импульсов выпрямительно- го реха ма, вьпюлненного в виде дву- . щ входовой схемы совпадения, выходы этого блока соединены с одним из входов блоков запрета и разрешения импульсов выпрямцтельпого режима, выполненных в виде трехвходовых схем совпадения по числу вентилей преобразователя, к другим входам. которых подсоединены выходы сипхроцпзатора, вырабатывающего в момент начала естественной коммутации импульсы лыпрямительного режима, а также логические блоки запрета и разрешения управляющих. импульсов инвертор- ного режима, выполненные в виде двувходовых логических схем совпадения по числу вентилей преобразователя и обеспечивающие, подачу управляющих импульсов в инверторпом режиме с заданным углом опережения относительно начальных моментов естественной коммутации, причем выходы указанных блоков запрета и разре50 щения импульсов выпрямительного и инверторного режимов подключены к формирователям управляющих импульсов Г5 j, Однако данное устройство характеризуется недостаточно высоким качеством о . выходного напряжения.

Цель изобретения — улучшение качес тва выходного напряжения. ф

Поставленная цель достигается тем, ч о устройство управления непосредственным преобразователем частоты, содержащее задающий генератор выходной частоты и датчик полярности тока нагрузки, выходы которых подключены к входу основ.ного блока запрета и разрешения импуль-! сов выпрямительного режима, выполненноr o в аиде двувходовой схемы совпадения, выход этого блока соединен с одним из входов блоков запрета и разрешения импульсов выпрямительного режима, выполненных в виде трехвходовых схем совпадений по числу вентилей преобразователя, к другим входам которых подсоединены выходы синхронизатора, выраба> тывающего в моменты начала естественной коммутации импульсы выпрямительного режима, а также логические блоки запрета и разрешения управляющих импульсов инверторного режима, выполненйые в виде двувходовых логических схем совпадения по числу вентилей преобразователя и обеспечивающие подачу управляющих импульсов в инверторном режиме с заданным углом опережения относительно начальных моментов естественной коммутации, причем выходы указанных блоков запрета и разрешения импульсов выпрями,тельного и инверторного режимов подключейы к формирователям импульсов, снабжено измерителем величины тока нагрузки с пороговым элементом,,выход которого подсоединен к третьим входам блоков запрета и разрешения импульсов выпрямительного режима и к одному из входов введенных по числу вентилей преобразователя дополнительных блоков запрета. и разрешения импульсов выпрямительно. го режима, выполненных;аналогично основному блоку запрета и разрешения, причем вторые входы дополнительных блоков подсоединены к выходу основного блока запрета и разрешения импульсов выпрятельного.-. режима, а третьи входы под-т— ключены к тем выходам.синхронизатора, импульсы которых смещены по фазе в сторону отставания на угол, равный или больший упомянутого заданного угла опережения подачи импульсов в инверторном режиме.

На фиг. 1 приведены диаграммы выходного напряжения и тока нагрузки при

d = Ои f3= 30эл. град; нафиг. 2— пример области возможных значений нагрузок с соответствующими им cos Ч для системы электроснабжения поездов; на

I l фиг, 3 — пример принципиальной схемы пра780 6 импульсов вьптрямительного режима, собираемых в пачки, например, по четыре с помощью блоков 38 ИЛИ. На входные зажимы блоков 38 импульсь1 управления поступают or синхронизатора 39, который генерирует импульсы в точках, соответст, вующих моментам пересечения кривых

:фазных напряжений источника питания.

Синхронизатор 39 формирует за период входного напряжения импульсы (при шес тифаэной системе питающих напряже ). Равноотстоящие друг от друга на

30 эл. град. по входной частоте.

Stm формирования мощных управляющих импульсов для каждого тиристора

l,2 и l2 имеется формирователь (блок выходного каскада), номер которого на фиг. 4 совпадает с номером тиристора на принципиальной схеме фиг. 3. Формирователи имеют по три входа, причем реализуется логическая функция ИЛИ, е формирование импульса происходит в момент подачи управляющего сигнала на любой из входов. На однй из входов подаются сигналы, упарвляющие выработкой импульсов выпрямительного режима с фазой первого импульса в пачке, соот-. ветствующей началу естественной коммутации тиристоров, на другой вход подаются сигналы выпрямительного режима, фаза которых сдвинута в сторону огсгавания от точек начала естественной коммутации ыа угол, равный или больший углам подачи импульсов инверторного режима, и на третий вход подаются сигналы инверторного режима. осуществляет раздельное включение токосборных групп по принципу слежения заф током нагрузки, а также и величиной этого тока с помощью, например,.трансформаторов 26 тока. В нъгрузке 25 имеет место последовательное чередование полуволн положительного и отрицательного напряжений с выходной частотой.

Оепь обратной связи на току содержит также выпрямитель 27, резисторный 30 делитель 28 напряжения, пороговый элемент 29, например, в виде стабилитрона или динистора и транзисторный ключ 30.

Эта цепь позволяет преобразовать сигнал, .пропорциональный току нагрузки, в диск- ff ретный логический сигнал напряжения постоянного уровня, близкий к нулю или равный единице.

Раздельное включение токосборных групп осуществляется по сигналам дат- 40 чиков 33. и 32 нуля тока нагрузки, которые включены последовательно с токосборными группами в фазу нагрузки. C выхода датчика 31 снимается логический сигнал о наличии тока положительной 40 полярности в нагрузке, а с выхода датчика 32 - сигнал о наличии тока отрицательной полярности.

Система управления преобразовате лем (фиг. 4) в соответствии с предлага» 0 емым устройством содержит задающий генератор 33, выходы которого связаны с логическими элементами 34 и 35 совпадения (схемы И), на другие входы элементов 34 и 35 поступают сигналы с датчиков 33. и 32 нуля тока нагрузки.

И

Выходные щнны 36 и 37 указанных элементов И обеспечивают разрешение или запрет формирования управляющих

5 987 обраэователя; на фиг. 4 и 5 — устройство управления; на фиг. 6 — временные диаграммы выходных напряжения и тока для режимов при of= 30 и (Ь = 30 эл. град. f

Силовая часть преобразователя (фиг.

3) содержит две встречно-параллельно включенные токосборные группы, каждая иэ которых состоит из двух последовательно включенных трехфазных мостовых схем 10 на. тиристорах. Каждая мостовая группа подключена к одной из двух систем трехфазной сети или обмоток синхронного генератора с частотой f< . Токосборная группа на тиристорах 1-l2 формирует положительную полуволну тока нагрузки, а токосборная группа на тиристорах 13

24 — отрицательную полуволну тока нагрузки 25.

Система управления преобразователем 20

Импульсы выпрямительного режима на управляющем электроде определенного тиристора с углом регулирования, равным нулю, формируются в том случае, когда имеется соответствующее состояние за-, дающего генератора 33, полярность протекающего в нагрузке тока совпадает с полярностью выходного напряжения преобразователя и синхронизатор 39 и смеситель 38 вырабатывают сигналы в точках начала естественной коммутации для данного тиристора, а значение выходного тока нагрузки (соответственно значение мощности нагрузки} 25 превосходит определенное заданное. значение. При .этом стабилитрон 29 и транзистор 30 включены, а с помощью схемы 40 инвертирования потенциал шины 41 равен единице. Поэтому логическая схема 42 разрешает прохождение сигналов с выхода смесителя 38 При снижении мощности нагрузки ниже заданного уровня осуществ7 9877 80

:ляется запрет с помощью блока 42 форми,рования импульсов выпрямительного ре.жима с углами регулирования равными ттутцо и разрешение подачи импульсов с углами регулирования большими ипи равными углам запаса в инвертррном режиме. Это разрешение осущесгвляется с помощью блока 43 через шину 44, поскольку транзистор 30 входит в режим

Импульсы инверторного режима дпя т6 определенного тиристора вырабатываются в течение всего промежутка времени, пока ток нагрузки имеет определенную полярность, в моменты, соответствующие опережению на 30 эл, град. точек начала I3 естественной коммутапии, что определяет-,: ся дискретностью фазового положения импульсов, вырабатываемых синхронизатором 39. Запрет и разрешение на выработку импульсов пнверторного режима 26 осуществляется с помощью логического блока 45, на вход которого поступают сигналы or синхрониза гора 39 и с выходов 46 датчиков 31 и 32 нуля тока.

Таким образом, при совпадении нолярнос- 2$ ти тока и напряжения в нагрузке система управления вырабатывает как импульсы пнвертора режима, так и импульсы режима выпрямительного, а когда генерация импульсов выпрямительного режима прек З6 рашаегся, то генерация инверторных импульсов до тех пор, пока ток данной полярности не снизится до нуля.

B соогветствии с предлагаемым уст ройством управления в режимах нагрузки преобразователя, когда ток нагрузки и соответс гвенно ее мощность или cos9 превосходят некоторое заданное значение, r. е. преобладает активная составляющая нагрузки при характерном законе измене- 6 ния в соответствии с фиг. 2, с выхода порогового элемента„ контролирующего величину тока нагрузки, на шину 4l. поступает сигналр разрешающий подачу импульсов выпрямительного режима с углами регулирования,.равными нулю, что обеспечивает максимальное использование напряжения источника питания и улучшение коэффициента мощности на входе преобразователя, уменьшение установленной мощности источника питания. При этом за счет преобладания активной составпякипей мощности нагрузки обеспечивается достаточная устойчивость процесса преобразования и допустимая величине субгармо-, нических составпякипих в токе нагрузки.

При снижении тока нагрузки (соответственно мощности и соэЧ нагрузки) ниже, заданного уровня пороговое устройство

27-30 выдает сигнал, разрешающий подачу импульсов выпрями тельного режима через шину 44 и элемент 43 с углами регулирования, равными или большими углов запаса инверторного режима, подаваемыми через элемент 45. При этом на шине 41 появляется сигнал запрета.

Введение углов регулирования при малых нагрузках и низких соъЧ нагрузки обеспечивает устойчивую работу преобразователя частоты, отсутствие субгармонических составляющих в выходном токе преобразователя. При этом, поскольку установленная мощность источника пита- " ния ипи генератора определяется в режимах, близких к номинальным, такое переключение углов не.вызывает ухудшения энергетических показателей системы, а также использования напряжения источника, так как при снижении мяпности рагрузки уменьшается коммутационное радение напряжения.

Представленное на фиг. 4 устройство управления обеспечивает с помощью конт роля тока в фазах генератора дискретное переключение углов регулирования выпрямитепьного режима с 0 на 30 эл. град.

Углы запаса инверторного режима выбра« ны равными также 30 эл. град. Проследим принпип действия предлагаемого устройства на примере управления тиристором 1 преобразователя в соответствии с фиг. 3. Пусть в рассматриваемый момент времени сигналы йопярности выходного напряжения с выхода задающего генератора

33 и тока нттт"руз)щ, с выхода датчика 3l совпадают. В этом случае на выходе 36 бпо- ка 34 имеется разрешатащий сигнал, который подается на один из входов блока

42 (И). Пачка из четырех импульсов, первый из которых соответствует по фазе моменту начала естественной коммутации тиристора 1 в выпрямительном режиме, подается на другой вход блока 42 (И). В случае, если roz нагрузки или мощность нагрузки, или ее сов Ч нагрузки (соответственно ток или мощность нагрузки) превоскодят некоторое заданное значение (напуимер, cos Ч ъ 0,7), на шине 4l имеется также разрешакщий сигнал. На выходе блока 42 в этом случае появляется пачка выпрямительных импульсов 30,60,90 и 120 эл. град. по первичной частоте, которая подается на вход формирователя тиристора 4., Не этот же вход. формирователя поступают импульсы инверторного режима с углом

180 эл, град. При снижении указанных

9 9877 параметров нагрузки ниже заданного уровня на выходе 41 появляется запрещающий сигнал и одновременно появляется разрешающий сигнал на шине 44. В этом случае на один вход блока 43 посту- к пает разрешающий сигнал. На.его другой вход поступает серия импульсов 60, 90, 120 и- 150 эл. град. от смесителя 38, а также разрешающий сигнал or блока

34. В результате импульсы вьтрямитель-1D ного режима дискретно изменяют свою фазу на ЗО эл. град.

Среднее значение выходного напряжения на интервале выпрямительного режима снижается и стает равным примерно среднему значению выходного напряжения на йнтервале инверторного,режима. Нри высокоиндуктивной нагрузке это обеспечивает устойчивую работу преобразователя без субгармонических составляющих 2О в токе .и напряженйи. нагрузки.

Контроль нараме тров нагрузки может быть реализован также на прннпипе слеже-" ния за сдвигом тока нагрузки по -отношению к напряжению. Нафиг.5 изображена принци-25 пиальная схема такого порогового:устройст ва. Одновибраторы 47 и 48 запускаютсяпередними фронтами прямого и инверсного сигналов задающего генератора 33-.

Инверсный сигнал генератора ЗЗ образует.йф ся с помощью инвертора 49. (логическая схема HE). Время срабатывания и длительность выходных импульсов одновибраторов задаются на уровне предельпого временного сдвига тока, нагрузки по отно- м шению к напряжению, т. е. такого сдвига, при котором должно происходить нереключение режимов управления токосборйыми группами с одного угла регулирования на другой (например, с d 0 на угол 4ф с(ЗО эл. град. или наоборот). В схемах 50 и 53. совпадения (схемы И) происходит сравнение заданной длительности отставания тока по отношению к напряжению (длительности инверторного режи 4и ма) с фактическим сдвигом по отношению к напряжению. В результате этого сравнения на выходе блоков 50 и 51. появляются импульсы, если фактическое отста-. вание тока по отношению к напряжению превосходит заданное одновибраторами

47 и 48. B результате на выходных выводах счетных триггеров 52 и 53 появляются разрешающие сигналы на .подачу импульсов выпрямитепьного режима с соответствующими углами регулирования аналогично описанному выше.

На фиг. 6 приведена диаграмма напряжения и тока на выходе преобразователя

80 10 в режиме подачи импульсов выпрямительного режима с отставанием на 30 эп. град. от точек естественной коммутации и импульсов инверторного- режима с углами запаса 30 эл. град. При изменениях коэффипиента мощности нагрузки .-режима управления преобразователем изменяют таким образом, что кривая выходного напряжения скачком изменяется or фиг. 1 до фиг. 6 или наоборот.

Формула изобретения

Устройство управления непосредс твен ным преобразователем частоты, преимущественно для транспортной автономной системы электроснабжения, содержащее задающий генератор выходной частоты и датчик полярности тока нагрузки, выходы которых подключены к входу основного блока запрета и разрешения импульсов . выпрямительного режима, выполненного в виде двувходовой схемы совпадения, вьиод. этого блока соединен с одними из входов блоков запрета и разрешения импульсов выпрямительного режима, Ф выполненных в виде трехвходовых схем совпадения по числу вентилей преобразователя, к другим входам которых подсоединены выходы синхронизатора, вырабатывающего в моменты начала естествен. ной коммутации импульсы выпрямительного режима, а также логические блоки запрета ,и разрешения управляющих импульсов инверторного режима, выполненные в виде двувходовых йогических схем совпадения по числу вентилей преобразователя и обеспечивающие подачу управляющих .импульсов в инверторном режиме с задан-ным углом опережения относительно начальных моментов естественной коммутации, причем выходы указанных блоков

,запрета и разрешении импульсов выпрями-! тельного и инверторного режимов подключены к формирователям управляющих импульсов, о r л и ч à io щ е е с я тем, что, с целью улучшения формы кривой выходного напряжения преобразователя при работе на активно-индуктивную нагруз ку, оно снабжено измерителем величины тока нагрузки с пороговым элементом, выход которого подсоединен к третьим входам блоков заире а и разрешения импульсов выпрямительйого режима и к одйому из входов введенных пo числу вентилей преобразователя дополнительных блоков запрета и разрешения импульсов выпрямительного режима, выполнен-.

11 9877 ных аналогично основному блоку запрета и разрешения, причем вторые входы дополнительных блоков подсоединены к выходу основного блока запрета и разрешения импульсов выпрямительного 5 режима, а третьи входы подключены к тем выходам синхронизатора, импульсы которых смеШены по фазе в сторону отставания на угол, равный или больший упомянутого угла опережения подачи импульсов в инверторном режиме.

Источники информапии, принятые во внимание при экспертизе.

1, Быков Ю. М. Непосредственные преобразователи частоты с автономным источником энергии. N. Энергия, 1977.

2. Вотчипев Г. М. Савостьянов С. А.

Особенности работы непосредственного

80 12 преобразователя частоты при активноиндуктивной нагрузке. Труды институтов инженеров железнодорожного транспорта

Межвузовский сборник, вып. 585, с. Ч.01

108.

Зе Жемеров Г. Г. Тиристорные преобразователи частоты с непосредственной связью, Энергия", 3 977, с. 210-218.

4. Лозовой Ю. И. Основные проблемы однофазного преобразователя частоты на тиристорах Изв. высш. учебн. завед.—

Электромеханика", 1968, N 5, с. 548.

5. Белоновский В. А,, Пар. И. Т.

Способы устранения режима вытеснения в асинхронном электроприводе с непосред». ственным преобразователем частоты.Электротехника, 1978, № 7, с. 17-20.