СПОСОБ СТУПЕНЧАТО-ХОРДОВОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЯ НА БАЗЕ ТРАНСФОРМАТОРА С ВРАЩАЮЩИМСЯ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
METHOD OF STEP-LINK CONTROL OF OUTPUT VOLTAGE FOR RECTIFIER BASED ON TRANSFORMER WITH ROTATING MAGNETIC FIELD

Область использования
Способ ступенчато-хордового регулирования выходного напряжения выпрямителя относится к области электротехники, в частности к полупроводниковым преобразователям параметров электрической энергии и может быть использован для управления выпрямителями, построенными на базе трансформаторов с вращающимися магнитными полями (ТВМП).
Уровень техники
Известно, что ступенчатое регулированием выходного напряжения применяют для стабилизации выходного напряжения выпрямителей [B.C. Руденко, В.И. Сенько, И.М. Чиженко, Основы преобразовательной техники, М., Высшая школа, 1980 г., 424 с], а также для регулирования переменного напряжения [Ю.С. Забродин. Промышленная электроника, М., Высшая школа, 1982 г., 496 с]. Способ ступенчатого регулирования реализуется с помощью трансформаторов с пульсирующим магнитным полем, содержащих первичные или вторичные обмотки с несколькими секциями, отводы которых переключаются полупроводниковыми коммутаторами.
Наиболее близким к заявляемому способу ступенчато-хордового регулирования является способ ступенчатого регулирования выходного напряжения выпрямителя за счет переключения отводов вторичных обмоток согласующего трехфазного трансформатора с пульсирующими магнитными полями, с обмотками, включенными по схеме звезда/звезда (с отводами) [B.C. Руденко, В.И. Сенько. И.М. Чиженко, Основы преобразовательной техники, М., Высшая школа, 1980 г., 424 с.].
Цель применения способа ступенчатого регулирования выпрямленного напряжения с помощью вольтодобавки состоит в улучшении энергетических показателей выпрямителя, а именно: коэффициента сдвига и коэффициента мощности.
Сущность способа ступенчатого регулированием выходного напряжения выпрямителя заключается в арифметическом суммировании напряжения вольтодобавок от секций с более высокими напряжениями с напряжением основной секции с номинальным напряжением за счет чего ступенчато изменяется величина выходного напряжения выпрямителя. Управляемый выпрямитель (УВ), реализующий способ ступенчатого регулирования содержит два трехфазных коммутатора: неуправляемый, выполненный по трехфазной нулевой схеме на силовых диодах, который передает в нагрузку номинальное напряжение, и управляемый, выполненный по трехфазной нулевой схеме на тиристорах, который передает в нагрузку добавочное (высокое) регулируемое напряжение.
К недостаткам аналога следует отнести:
1) усложнение конструкции трансформатора за счет применения вольтодобавок;
2) значительный коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения, так как при регулировании напряжения высшей ступени вольтодобавки возникают разрывы первого рода в кривых выпрямленного напряжения;
3) увеличение числа силовых ключей в составе полупроводниковых коммутаторов;
4) ухудшение качества питающего напряжения и тока при регулировании напряжения высшей ступени вольтодобавки.
Задача изобретения
Цель изобретения - улучшение качества питающего и выпрямленного напряжения на основании применения нового ступенчато-хордового способа регулирования, при котором выпрямленное напряжение получается путем геометрического суммирования напряжений отдельных секций вторичной круговой обмотки трансформатора нового типа с вращающимся магнитным полем (ТВМП). ТВМП содержит первичную трехфазную и вторичную круговую n-секционную обмотку (КО), отводы которой переключаются полупроводниковым коммутатором в соответствии с новым «хордовым» алгоритмом, при котором исключаются разрывы первого рода в кривой выпрямленного напряжения, что уменьшает коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения, уменьшает коэффициент сдвига между первыми гармониками питающего тока и напряжения, снижает влияние УВ с ТВМП на питающую сеть и обеспечивает высокое значение коэффициента мощности на всех ступенях регулирования.
Раскрытие изобретения
Сущность предлагаемого способа - ступенчато-хордового регулирования состоит в геометрическом суммировании напряжений отдельных секций вторичной круговой обмотки трансформатора нового типа с вращающимся магнитным полем. ТВМП содержит первичную трехфазную и вторичную круговую n-секционную обмотку, отводы которой переключаются полупроводниковым коммутатором (ПК). Непосредственный порядок геометрического суммирования мгновенных напряжений отдельных секций вторичной круговой обмотки определяется новым «хордовым» алгоритмом переключения отводов n-секционной КО и поясняется схемами, приведенными на фигуре 1, когда КО содержит различное число секций.
Если принять, что в каждой секции КО возбуждаются одинаковые по амплитуде ЭДС, отличающиеся между собой пространственно-фазовыми сдвигами, а сами ЭДС уравновешиваются соответствующими падениями секционных напряжений, то амплитудное напряжение на секции КО, при холостом ходе УВ с ТВМП, можно найти как
ts_m
l_m
1
2
1
2
где U - амплитудное напряжения на секции t-s КО ТВМП (здесь t и s - номера узлов КО на концах одной секции); U - амплитудное падение напряжения на фазе первичной трехфазной обмотки (ТО) ТВМП; w и w - числа витков фазы ТО и одной секции КО соответственно; L и L - индуктивности фазы ТО и одной секции КО соответственно.
Для расчета напряжения между узлами КО, можно воспользоваться топографической векторной диаграммой, основанной на геометрической интерпретации конструкции круговой обмотки ТВМП (фигура 1). Тогда КО ТВМП при 3-х секциях представляется в виде треугольника, при 4-х секциях - в виде квадрата, при 5-и секциях - в виде пятиугольника, при 6-и секциях - в виде шестиугольника и т.д. (фигура 1). В случае КО с 3-я секциями (фигура 1, выход 1.1) напряжение, например, между узлами 1-2, 2-3, 3-1 оказывается численно равно длине хорды, соединяющей соответствующие узлы (отводы КО):
12
23
Для КО с 4 секциями (фигура 1, выход 1.2), напряжение между узлами 1 и 3 КО может быть найдено, как величина, равная диагонали квадрата, которая численно равна сумме проекций двух секционных напряжений U′ и U′ на диагональ квадрата:
СКЛ
d
При нечетном числе секций КО N=5, коммутатор отводов секций КО, формирующий выпрямленное напряжение (U), будет поочередно подсоединять к нагрузке отводы 1-3 и 1-4, 2-4 и 2-5, 3-5 и 3-1, 4-1 и 4-2, 5-2 и 5-3 и т.д. (фигура 1, выход 1.3).
d
Поэтому при пятисекционной обмотке мгновенное значение выпрямленного напряжения u(t) может быть найдено, например, как напряжение между узлами 1 и 3, которое выражается как сумма проекций, отличающихся по величине от проекций четырехсекционной КО (фигура 1, выход 1.3):
СКЛ
d
При четном числе N=6, коммутатор отводов секций КО будет поочередно подсоединять к нагрузке отводы 1-4, 2-5, 3-6, 4-1, 5-2, 6-3 и т.д. (фигура 1, выход 1.4). Здесь u(t) может быть найдено, как напряжение между диаметрально расположенными узлами 1 и 4, которое состоит из трех проекций:
СКЛ
СКЛ
d
Из фигуры 1 следует, что при четном числе N КО имеет 2n хорд с максимальным напряжением, а при нечетном числе N таких хорд нет. Здесь при каждой вершине (отводе КО) имеются две хорды с наибольшими по величине напряжениями, например хорда 1-3 и 1-4 (1.3), из которых формируется u(t). Указанная геометрическая интерпретация, отображающая топологию КО, позволяет получить физическое объяснение причины удвоения числа пульсаций в кривой выпрямленного напряжения УВ с ТВМП с нечетным числом пар силовых ключей.
Аналогичным образом можно рассчитать максимальное напряжение между любыми двумя отводами КО, при любом числе секций КО или числе пар силовых ключей.
Напряжение с отводов КО поступает на полупроводниковый коммутатор (ПК), представляющий собой многоплечную мостовую схему выпрямления, выполненную на полностью управляемых полупроводниковых приборах (ПП), роль которых, в зависимости от напряжения, прикладываемого к нагрузке выпрямителя, могут выполнять двухоперационные (запираемые) тиристоры, полевые транзисторы или биполярные транзисторы с изолированным затвором. ПК работает в соответствии с новым алгоритмом, при котором переключение отводов силовой КО происходит без разрыва ее токовых цепей, что исключает появление разрывов первого рода (скачков) выходного напряжения. Выходы многоплечного моста подключены к сборным шинам, с которых запитывается нагрузка выпрямителя. В качестве примера новый способ регулирования рассмотрим для случая, когда ТВМП содержит девятисекционную КО, а выпрямительный коммутатор выполнен на 9 пар полностью управляемых силовых ключей. Принципиальная схема УВ с ТВМП представлена на фигуре 2.
Для реализации ступенчато-хордового регулирования по новому алгоритму работы силовых ключей (СКЛ) необходимо ввести определенный порядок нумерации СКЛ, что позволит формализовать описание алгоритма работы устройства управления. Вначале один из отводов КО принимается за базовый и ему присваивается номер «1», причем в качестве базового может быть принят любой отвод. Отвод КО, имеющий минимальный отрицательный фазовый сдвиг относительно отвода «1», получает номер «2». Отвод КО, имеющий минимальный отрицательный фазовый сдвиг относительно отвода «2», получает номер «3» и т.д. Катодные СКЛ получают номера в соответствии с выражением (6)
KK
KO
где N - номер текущего катодного ключа; N - номер текущего отвода круговой обмотки, а анодные СКЛ получают номера в соответствии с выражением (7)
KA
где N - номер текущего анодного ключа.
В результате номера СКЛ катодной группы принимают нечетные значения (1, 3, 5 и т.д.), а номера силовых ключей анодной группы - четные значения (2, 4, 6 и т.д.). Принципиальная схема силовой части устройства с предлагаемой нумерацией отводов и силовых вентилей представлена на фигуре 2.
Величина напряжения, снимаемого коммутатором с пары отводов КО и подаваемого на сборные шины УВ, зависит от количества последовательно включенных секций между коммутируемыми отводами КО и определяется геометрической суммой ЭДС последовательно включенных секций. Так для УВ с девятью секциями КО (фигура 2) можно получить четыре уровня выпрямленного напряжения без разрывов первого рода (фигура 3):
4
1) напряжение U, определяемое геометрической суммой ЭДС четырех последовательно соединенных секций, когда коммутатор подключает на сборные шины УВ отводы 1 и 6 КО;
3
2) напряжение U, определяемое геометрической суммой ЭДС трех последовательно соединенных секций, когда коммутатор подключает на сборные шины У В отводы 2 и 5 КО;
2
3) напряжение U, определяемое геометрической суммой ЭДС двух последовательно соединенных секций, когда коммутатор подключает на сборные шины У В отводы 9 и 7 КО;
1
4) напряжение U, определяемое ЭДС секции, когда коммутатор подключает на сборные шины У В отводы 3 и 4 КО.
На фигуре 4 представлена векторная диаграмма, представляющая собой совокупность всех векторов напряжений КО ТВМП для всех четырех уровней выходного напряжения преобразователя (фигура 2), позволяющая сформировать предлагаемый алгоритм управления ПП, заключающийся в том, что при работе на любой ступени регулирования последовательно подключаются к нагрузке выводы КО, разделенные постоянным для каждой ступени числом секций КО. Каждая следующая пара отводов имеет минимальный отрицательный фазовый сдвиг напряжения относительно предыдущей пары отводов.
Так для преобразователя (фигура 2) согласно фигуре 4 на первой ступени, если принять за точку отсчета момент естественной коммутации диаметральной пары силовых ключей 1 и 2 (фигура 2), согласно векторной диаграмме (фигура 4), в первый момент времени следует замкнуть СКЛ 5 и 16, при этом 3-й отвод КО подключается к положительной шине выпрямителя 5-м СКЛ, а 4-й отвод КО 16-м ключом подключается к отрицательной шине выпрямителя.
Через время, равное π/N, с момента включения предыдущей пары СКЛ должна включиться последующая смежная пара, подключенная к выводам КО, имеющим минимальный отрицательный фазовый сдвиг (СКЛ 17 и 6). При этом предшествующая пара СКЛ отключается с небольшой временной задержкой, что позволяет исключить разрывы цепей питания индуктивных катушек, составляющих секции КО, и тем самым обеспечивает высокое качество выпрямленного напряжения. Далее процесс переключения повторяется аналогичным образом для последующих пар силовых ключей.
На второй ступени, согласно векторной диаграмме (фигура 4), в первый момент времени следует замкнуть СКЛ 17 и 4, при этом 9-й отвод КО подключается к положительной шине выпрямителя 17-м СКЛ, а 7-й отвод КО 4-м СКЛ подключается к отрицательной шине выпрямителя.
Через время, равное π/N, с момента включения предыдущей пары СКЛ должна включиться последующая смежная пара, подключающая выводы КО, имеющие минимальный отрицательный фазовый сдвиг (СКЛ 5 и 18). При этом предшествующая пара СКЛ отключается с небольшой временной задержкой, что позволяет исключить разрывы цепей питания индуктивных катушек, составляющих секции КО, и тем самым обеспечивает высокое качество выпрямленного напряжения. Далее процесс переключения повторяется аналогичным образом для последующих пар силовых ключей.
На третьей ступени, согласно векторной диаграмме (фигура 4), в первый момент времени следует замкнуть СКЛ 3 и 18, при этом 2-й отвод КО подключается к положительной шине выпрямителя 3-м СКЛ, а 5-й отвод КО 4-м СКЛ подключается к отрицательной шине выпрямителя.
Через время, равное π/N, с момента включения предыдущей пары СКЛ должна включиться последующая смежная пара, подключенная к выводам КО, имеющим минимальный отрицательный фазовый сдвиг (СКЛ 1 и СКЛ 4). При этом предшествующая пара СКЛ отключается с небольшой временной задержкой, что позволяет исключить разрывы цепей питания индуктивных катушек, составляющих секции КО, что тем самым обеспечивает высокое качество выпрямленного напряжения. Далее процесс переключения повторяется аналогичным образом для последующих пар силовых ключей.
На четвертой ступени регулирования, в первый момент времени следует замкнуть ключи 1 и 2, при этом 1-й отвод КО подключается к положительной шине выпрямителя 1-м ключом, а 6-й отвод КО 2-м ключом подключается к отрицательной шине выпрямителя.
Через время, равное π/N, с момента включения пары 1 и 2 СКЛ должна включиться последующая смежная пара (СКЛ 3 и СКЛ 4), соединенная с выводами КО, имеющими минимальный отрицательный фазовый сдвиг. При этом предшествующая пара СКЛ отключается с небольшой временной задержкой, что позволяет исключить разрывы цепей питания индуктивных катушек, составляющих секции КО, что тем самым обеспечивает высокое качество выпрямленного напряжения. Далее процесс переключения повторяется аналогичным образом для последующих пар силовых ключей.
Порядок включения СКЛ для всех ступеней регулирования приведен в таблице 1.
Графики значений ступеней выходного напряжения в долях напряжения секции для преобразователя (фигура 2) представлены на фигуре 5.
СТУП
Количество ступеней регулирования N выпрямленного напряжения в общем случае зависит от n - числа фаз КО ТВМП, и может быть определено из выражения (8.1) для четного n и (8.2) для нечетного n.
Так, например, при n=15, число ступеней регулирования выпрямленного напряжения будет равно семи, при n=19 число ступеней регулирования выпрямленного напряжения будет равно девяти и т.д.
Достоинство данного способа регулирования выпрямленного напряжения состоит в том, что здесь нет разрывов первого рода в кривой выпрямленного напряжения, а также в том, что здесь отношение амплитуды основной пульсации выпрямленного напряжения к среднему значению выпрямленного напряжения остается практически постоянным по величине, что следует из временных диаграмм (фигура 5) и выражения для коэффициента пульсаций:
здесь порядковый номер гармоники основной пульсации выпрямленного напряжения численно равен удвоенному числу фаз (2n) КО ТВМП.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами в количестве 5 (пяти) штук. На фигуре 1 представлены геометрические интерпретации круговых обмоток с различным числом секций и диаграммы напряжений между узлами 1,2 КО с 3-я секциями (1.1), между узлами 1,3 КО с 4-я секциями (1.2), между узлами 1,3 КО с 5-ю секциями (1.3) и напряжения между узлами 1,3 КО с 6-ю секциями (1.4). На фигуре 2 приведена принципиальная схема устройства, реализующего новый способ ступенчато-хордового регулирования. На фигуре 3 изображен ТВМП, где на схеме КО указаны максимальные значения напряжений на четырех ступенях регулирования в виде векторов между отводами круговой обмотки. На фигуре 4 представлена векторная диаграмма, представляющая собой совокупность всех векторов напряжений снимаемых с отводов КО для всех четырех уровней выходного напряжения выпрямителя (фигура 2), позволяющая сформировать новый алгоритм управления. На фигуре 5 приведены кривые выпрямленных напряжений для четырех ступеней регулирования, полученные в соответствии с новым способом ступенчато-хордового регулирования.
Реализация способа
Предлагаемый способ ступенчато-хордового регулирования реализуется за счет геометрического суммирования напряжений отдельных секций вторичной круговой обмотки трансформатора с вращающимся магнитным полем с помощью полупроводникового коммутатора (ПК), переключающего отводы вторичной круговой n-секционной обмотки ТВМП в соответствии с новым алгоритмом. Выходы ПК - многоплечного выпрямительного моста - подключаются к сборным шинам, с которых запитывается нагрузка выпрямителя. На любой ступени регулирования на сборные шины выпрямителя подключаются отводы круговой обмотки ТВМП, разделенные постоянным для каждой ступени числом секций КО, в результате этого величина выпрямленного напряжения определяется геометрической суммой ЭДС группы секций, находящихся между отводами круговой обмотки, которые подключаются полупроводниковым коммутатором на плюсовую и минусовую сборные шины выпрямителя, а каждая последующая пара отводов, подключаемых на сборные шины выпрямителя, имеет минимальный отрицательный фазовый сдвиг напряжения относительно предыдущей пары отводов.