способ управления двунаправленными ключами в трехфазном трехуровневом выпрямителе

Формула изобретения

Способ управления двунаправленными ключами в трехфазном трехуровневом выпрямителе, заключающийся в том, что формируют прямоугольные импульсы напряжения длительностью , причем передние фронты импульсов синхронизируют с фазными напряжениями питающей сети по моментам перехода напряжений через ноль, сформированные импульсы подают на управляющие входы двунаправленных ключей трехфазного трехуровневого выпрямителя, отличающийся тем, что середины указанных прямоугольных импульсов синхронизируют с фазными напряжениями питающей сети по моментам перехода напряжений через ноль, измеряют действующее значение первой гармоники фазного тока выпрямителя, вычисляют значение угла согласно выражению

где - угловая частота фазного напряжения питающей сети;

L - фазная индуктивность выпрямителя;

I ₁ - действующее значение первой гармоники тока входной фазы выпрямителя;

U₁ - действующее значение фазного напряжения питающей сети, сформированные прямоугольные импульсы напряжения сдвигают по фазе в сторону отставания на угол , а затем подают на управляющие входы двунаправленных ключей трехфазного трехуровневого выпрямителя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления выпрямителем с емкостным фильтром на выходе при создании электромеханических систем, например, при создании электроприводов переменного тока.

Известен способ (авторское свидетельство СССР №1460761, кл. Н 02 М 7/12, 1988) управления двунаправленными ключами в трехфазном трехуровневом выпрямителе, состоящий в том, что формируют эталонное напряжение, превышающее падение напряжения на включенном тиристоре, выделяют положительные значения каждого измеренного напряжения между анодом и катодом тиристора, формирование эталонного сигнала проводят путем суммирования всех выделенных положительных значений, сравнивают измеренные напряжения с эталонным напряжением, а сформированный импульс управления подают на управляющий электрод тиристора, напряжение на котором больше, чем эталонное напряжение.

Существенным недостатком данного способа является формирование входного тока выпрямителя несинусоидальной формы, что значительно снижает входной коэффициент мощности трехфазного трехуровневого выпрямителя.

Кроме того, известен способ управления двунаправленными ключами в трехфазном трехуровневом выпрямителе (Mehl, Е.L.M., and Barbi, I. "Designe Oriented Analysis of a High Power Factor and Low Cost Three-Phase Rectifier", Proceeding of the 27^th IEEE Power Electronics Specialists Conference, Baveno, Italy, June 23-27, Vol.I, pp.165-170, 1996), являющийся прототипом предлагаемого изобретения, при котором формируют прямоугольные импульсы напряжения длительностью . Передние фронты импульсов синхронизируют с напряжением питающей сети в моменты перехода через ноль фазного напряжения, сформированные импульсы подают на управляющие входы двунаправленных ключей трехфазного трехуровневого выпрямителя, далее (выпрямителя).

Существенным недостатком данного способа является жесткая привязка передних фронтов импульсов к моментам перехода фазных напряжений питающей сети через ноль и, как следствие, невозможность формировать предельно максимального среднего значения выпрямленного напряжения при изменении величины тока входной фазы выпрямителя.

Задачей изобретения является создание способа управления, позволяющего формировать предельно максимальное среднее значение выпрямленного напряжения трехфазного трехуровневого выпрямителя при изменении величины тока входной фазы выпрямителя.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе управления двунаправленными ключами в трехфазном трехуровневом выпрямителе формируют прямоугольные импульсы напряжения длительностью , причем середины указанных прямоугольных импульсов синхронизируют с фазными напряжениями питающей сети по моментам перехода напряжений через ноль, измеряют действующее значение первой гармоники тока входной фазы выпрямителя, вычисляют значение угла согласно выражению

где: - угловая частота фазного напряжения питающей сети;

L - фазная индуктивность выпрямителя;

I ₁ - действующее значение первой гармоники тока входной фазы выпрямителя;

U₁ - действующее значение фазного напряжения питающей сети, сформированные прямоугольные импульсы напряжения сдвигают по фазе в сторону отставания на угол , а затем подают на управляющие входы двунаправленных ключей трехфазного трехуровневого выпрямителя.

На фиг.1 приведена структурная схема системы управления, реализующая предлагаемый способ управления двунаправленными ключами в трехфазном трехуровневом выпрямителе; на фиг.2 - диаграммы, поясняющие способ управления; на фиг.3 векторная диаграмма токов и напряжений, действующих во входной фазе выпрямителя.

Устройство (фиг.1) содержит трехфазную питающую сеть синусоидальных напряжений 1, 2, 3. Первая фаза питающей сети подключена к входу фазного дросселя 4, вторая и третья фаза питающей сети подключены к входам фазных дросселей 5 и 6 соответственно. Выходы фазных дросселей соединены с входами 7, 8 и 9 трехфазного трехуровневого выпрямителя (ТТВ) 10, образующие входные фазы выпрямителя. В одной из входных фаз выпрямителя включен датчик тока 11. Одновременно фазы питающей сети соединены с входами генератора импульсов 12. Выход датчика тока 11 соединен с входом блока вычисления - 13, выход блока 13 соединен с первым входом блока сдвига 14, второй, третий и четвертый входы которого соединены с генератором импульсов 12. Выходы блока 14 подключены к управляющим входам двунаправленных ключей 15, 16, 17. Каждый двунаправленный ключ одним выводом подключен к входной фазе выпрямителя, а другим выводом - к общей точке 18 выходных конденсаторов 19, 20, включенных последовательно. Параллельно выходным конденсаторам включена нагрузка (Н) 21, которая также подключена к выходу выпрямителя.

Способ управления двунаправленными ключами в трехфазном трехуровневом выпрямителе осуществляется следующим образом. В генераторе импульсов 12 формируют прямоугольные импульсы напряжения длительностью , середины которых синхронизируют с фазными напряжениями питающей сети по моментам перехода напряжений через ноль. Полученные импульсы с блока 12 поступают на второй, третий и четвертый входы блока сдвига импульсов 14. С помощью датчика тока 11 измеряют величину действующего значения первой гармоники тока входной фазы выпрямителя, полученное значение передают в блок вычисления угла 13. Вычисляют значение угла и полученное значение передают в блок сдвига 14. В блоке сдвига 14 импульсы сдвигают по фазе в сторону отставания на угол (фиг.2, а, б). Импульсы, сдвинутые по фазе в сторону отставания на угол 5 по отношению к фазному напряжению 1 питающей сети, подают на управляющий вход двунаправленного ключа 15. Импульсы, сдвинутые по фазе в сторону отставания на угол по отношению к фазным напряжениям 2, 3 питающей сети, подают на управляющие входы двунаправленных ключей 16 и 17 соответственно. Двунаправленные ключи переключают согласно импульсам и формируют на входах 7, 8 и 9 относительно общей точки 18 напряжения: u _7-18, u_8-18, u_9-18 (фиг.2, в, г, д). Соответственно между нулем питающей сети и общей точкой 18 формируют напряжение (фиг.2, е), согласно выражению:

.

На входах 7, 8 и 9 относительно нуля питающей сети формируют напряжения u₇₀, u ₈₀, u₉₀ согласно выражениям:

u₇₀=u_7-18-u _0-18;

u₈₀=u _8-18-u_0-18;

u ₉₀=u_9-18-u_0-18 ,

первые гармоники которых получают сдвинутыми по фазе в сторону отставания относительно фазных напряжений питающей сети на угол (на фиг.2, ж показано только напряжение u ₇₀).

Таким образом, сдвиг напряжений u ₇₀, u₈₀, u₉₀ относительно фазных напряжений питающей сети на угол является условием, обеспечивающим формирование предельно максимального среднего значения выпрямленного напряжения при изменении величины тока входной фазы выпрямителя. Покажем это, проанализировав электромагнитные процессы в одной входной фазе выпрямителя.

Согласно фиг.2 действующее значение первой гармоники напряжения u₇₀ определяется, как:

где: U₇₀₍₁₎ - действующее значение первой гармоники напряжения u₇₀ ,

U₀ - среднее значение напряжения, формирующееся на выходных конденсаторах 19, 20.

Это же напряжение согласно векторной диаграмме (фиг.3) можно определить как:

где - угол между первым фазным напряжением питающей сети и первой гармоникой напряжения u₇₀;

I₁ - действующее значение первой гармоники тока входной фазы выпрямителя;

U₁ - действующее значение фазного напряжения питающей сети.

Подставим (1) в (2) и выразим напряжение U ₀.

Очевидно, что среднее значение выпрямленного напряжения выпрямителя U_d определяется в виде:

U_d=2U₀ ,

тогда напряжение U_d согласно (3) определиться:

из которого видно, что для обеспечения предельно максимального среднего значения выпрямленного напряжения необходимо, чтобы выражение под знаком радикала было равно нулю, т.о. приравнивая соотношение под радикалом к нулю и выражая угол , получим:

Таким образом, описанный способ управления двунаправленными ключами в трехфазном трехуровневом выпрямителе позволяет формировать на выходе выпрямителя предельно максимальное среднее значение выпрямленного напряжения в отличие от прототипа, где угол между фазными напряжениями питающей сети и первой гармоникой напряжений u₇₀, u₈₀, u ₉₀ постоянный и не изменяется от величины тока входной фазы выпрямителя.