Устройство управления высоковольтным преобразователем частоты с активным выпрямителем
HIGH VOLTAGE FREQUENCY CONVERTER CONTROL UNIT WITH ACTIVE RECTIFIER

Изобретение относится к области электротехники, в частности к силовой преобразовательной технике и может быть использовано для управления трехуровневым активным выпрямителем преобразователя частоты.
Известно устройство управления активным выпрямителем, содержащее датчики тока и напряжения источника питания, датчик выпрямленного напряжения, широтно-импульсный модулятор, задатчик выпрямленного напряжения и задатчик реактивного тока источника питания систему управления, включающую блок выделения симметричных составляющих напряжений прямой и обратной последовательностей в кривой напряжения источника питания, блок фазовой автоподстройки частоты, блок преобразования токов источника питания из неподвижной системы координат abc во вращающуюся систему координат dq, блок пропорционально-интегральных регуляторов активной и реактивной составляющих тока источника питания, блок преобразования управляющих по напряжений прямой последовательности из вращающейся системы координат dq в неподвижную систему координат αβ, первый и второй сумматорами, блок преобразования управляющих напряжений из неподвижной координат αβ в систему координат abc и блок пропорционально-интегрального регулятора выпрямленного напряжения (пат. РФ №161102, Н02М 7/00).
Вышеописанное устройство обладает низкой надежностью его работы при кратковременных несимметричных провалах напряжения в питающей сети, а также отсутствием возможности работы при возникновении перенапряжений на источнике питания, что приводит к отключению преобразователей частоты с активными выпрямителями.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является устройство управления высоковольтным преобразователем частоты, содержащее блок измерения напряжения источника питания, вход которого подключен к выходу трехфазного источника питания, а выход - к блоку вычисления несимметрии напряжения источника питания, первый выход которого соединен с первым входом системы управления преобразователем частоты при симметричном напряжении источника питания, а второй выход - с задатчиком напряжения звена постоянного тока, выход которого соединен со вторым входом указанной системы управления преобразователем частоты, первый и второй выходы указанной системы управления соединены с первым и вторым управляющими входами высоковольтного преобразователя частоты, силовой вход которого подключен к источнику питания, а силовой выход- к синхронной машине, к первому информационному выходу высоковольтного преобразователя частоты через датчик тока источника питания подключен третий вход системы управления преобразователем частоты, четвертый вход указанной системы управления подключен к выходу датчика напряжения источника питания, а пятый вход- к выходу датчика напряжения звена постоянного тока, три входа которого подключены ко второму, третьему и четвертому информационным выходам высоковольтного преобразователя частоты, шестой вход системы управления преобразователем частоты при симметричном напряжении источника питания подключен к задатчику реактивного тока, кроме того, оно снабжено системой управления высоковольтного преобразователя частоты при несимметричном напряжении источника питания, включающей блок вычисления активной и реактивной составляющих токов источника питания, первый вход которого соединен с выходом датчика тока источника питания, а второй вход с первым выходом блока фазовой автоподстройки частоты и формирования номера сектора на третьей плоскости базовых векторов, вход указанного блока соединен с выходом датчика напряжения источника питания, первый и второй выходы блока вычисления активной и реактивной составляющих токов соединены соответственно с первыми входами релейного регулятора активного тока и релейного регулятора реактивного тока, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами блока предварительного выбора базового вектора напряжения активных выпрямителей высоковольтных преобразователей частоты (пат. РФ № 2699374, МПК H02M5/451, H02M 7/483).
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности использовать ее при возникновении в питающей сети как несимметричных провалов напряжений, так и при возникновении перенапряжений вследствие коммутации энергоемкого оборудования.
Техническая проблема, решаемая заявляемым устройством, заключается в повышении надежности и повышении быстродействия работы высоковольтного преобразователя частоты на базе активного выпрямителя при возникновении в питающей сети несимметричных провалов напряжений, перенапряжений и при параллельной работе с устройствами, имеющими нелинейный характер нагрузки.
Технический результат, заключается в повышении надежности работы преобразователя частоты с активным выпрямителем при возникновении в питающей сети несимметричных провалов напряжений, перенапряжений, а также при параллельной работе с устройствами, имеющими нелинейный характер нагрузки за счет снижения аварийных отключений преобразователя частоты с активным выпрямителем.
согласно изобретению,
Поставленная проблема решается тем, что в устройстве управления высоковольтным преобразователем частоты с активным выпрямителем, содержащем блок измерения напряжения питающей сети, три входа которого подключены к соответствующим выходам трехфазного силового трансформатора, а три выхода - подключены к трем входам блока фазовой автоподстройки частоты, выход которого подключен к первому входу блока преобразования из неподвижной системы координат abc во вращающуюся систему координат dq, второй, третий, четвертый входы последнего подключены к выходам блока измерения токов, а пятый, шестой, седьмой входы блока преобразования из неподвижной системы координат abc во вращающуюся систему координат dq подключены к блоку измерения напряжения питающей сети, причем первый выход блока преобразования из неподвижной системы координат abc во вращающуюся систему координат dq подключен к первому входу блока сравнения тока фактического и тока задания по активной составляющей, второй вход которого подключен к выходу блока формирования тока задания по активной составляющей, первый вход последнего подключен к выходу блока задатчика уровня напряжения в звене постоянного тока, второй вход - подключен к выходу блока измерения фактического значения уровня напряжения в звене постоянного тока, входы которого подключены к силовым шинам звена постоянного тока, при этом второй выход блока преобразования координат из неподвижной системы координат abc во вращающуюся систему координат dq подключен к первому входу блока сравнения тока фактического и заданного по реактивной составляющей тока, выход которого подключен к входу блока обработки сигналов рассогласования по реактивной составляющей, выход последнего соединен с первым входом блока формирования напряжений по активной и реактивной составляющим, второй вход блока формирования напряжений по активной и реактивной составляющей соединен с выходом блока устранения сигналов рассогласования токов по активной составляющей, вход которого соединен с выходом блока сравнения тока фактического и тока задания по активной составляющей, третий и четвертый входы блока формирования напряжений по активной и реактивной составляющей подключены к выходам блока преобразования координат из неподвижной системы координат abc во вращающуюся систему координат dq, при этом первый, второй выходы блока формирования напряжений задания по активной и реактивной составляющим подключены к первому и второму входам блока вычисления коэффициента модуляции и формирования импульсов управления ключами активного выпрямителя соответственно, двенадцать выходов которого подключены к управляющим контактам ключей активного выпрямителя,  оно снабжено блоком измерения напряжения на входе активного выпрямителя, блоком формирования тока задания по реактивной составляющей, блоком сравнения уровней напряжений питающей сети с напряжением на входе активного выпрямителя, причем первый, второй и третий входы последнего подключены к четвертому, пятому и шестому выходам блока измерения напряжения питающей сети, а четвертый, пятый и шестой входы - подключены к первому, второму и третьему выходам блока измерения напряжения на входе активного выпрямителя, три входа последнего подключены к трехфазной силовой цепи на входе активного выпрямителя, при этом выход блока сравнения уровней напряжений питающей сети с напряжением на входе активного выпрямителя соединен со входом блока формирования тока задания по реактивной составляющей тока, выход которого подключен ко второму входу блока сравнения тока фактического с током задания по реактивной составляющей тока.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 представлена функциональная схема устройства управления высоковольтным преобразователем частоты с активным выпрямителем;
- на фиг. 2 приведена упрощенная схема замещения активного выпрямителя;
- на фиг. 3 приведены векторные диаграммы, поясняющие работу устройства управления высоковольтным преобразователем частоты с активным выпрямителем;
- на фиг.4 приведены результаты математического моделирования работы высоковольтного преобразователя частоты с активным выпрямителем при возникновении в питающей сети однофазного провала напряжения, при использовании стандартного устройства управления высоковольтным преобразователем частоты с активным выпрямителем и заявленным устройством управления высоковольтным преобразователем частоты с активным выпрямителем.
Устройство управления высоковольтным преобразователем частоты с активным выпрямителем (фиг.1) включает блок измерения напряжения питающей сети 1, три входа которого подключены к соответствующим выходам трехфазного силового трансформатора 2, а три выхода - подключены к трем входам блока фазовой автоподстройки частоты 3, выход которого подключен к первому входу блока преобразования из неподвижной системы координат abc во вращающуюся систему координат dq 4. Второй, третий, четвертый входы вышеупомянутого блока 4 подключены к выходам блока измерения токов 5, а пятый, шестой, седьмой входы блока 4 подключены к блоку измерения напряжения питающей сети 1. Первый выход блока преобразования из неподвижной системы координат abc во вращающуюся систему координат dq 4 подключен к первому входу блока сравнения тока фактического и тока задания по активной составляющей 6, второй вход которого подключен к выходу блока формирования тока задания по активной составляющей 7, первый вход последнего подключен к выходу блока задатчика уровня напряжения в звене постоянного тока 8, второй вход - подключен к выходу блока измерения фактического значения уровня напряжения в звене постоянного тока 9. Два входа блока 9 подключены к силовым шинам звена постоянного тока. При этом второй выход блока преобразования координат из неподвижной системы координат abc во вращающуюся систему координат dq 4 подключен к первому входу блока сравнения тока фактического и заданного по реактивной составляющей тока 10, выход которого подключен к входу блока обработки сигналов рассогласования по реактивной составляющей 12, выход последнего соединен с первым входом блока формирования напряжений по активной и реактивной составляющим 13. Второй вход блока формирования напряжений по активной и реактивной составляющей 13 соединен с выходом блока устранения сигналов рассогласования токов по активной составляющей 11, вход которого соединен с выходом блока сравнения тока фактического и тока задания по активной составляющей 6, третий и четвертый входы блока формирования напряжений по активной и реактивной составляющей 13 подключены к выходам блока преобразования координат из неподвижной системы координат abc во вращающуюся систему координат dq 4. Первый и второй выходы блока формирования напряжений задания по активной и реактивной составляющим 13 подключены к первому и второму входам блока вычисления коэффициента модуляции и формирования импульсов управления ключами активного выпрямителя 14 соответственно. Двенадцать выходов которого подключены к управляющим контактам ключей активного выпрямителя 15. Устройствоснабжено блоком сравнения уровней напряжений питающей сети с напряжением на входе активного выпрямителя 16, блоком измерения напряжения на входе активного выпрямителя 17, блоком формирования тока задания по реактивной составляющей 18, причем первый, второй и третий входы блока сравнения уровней напряжений питающей сети с напряжением на входе активного выпрямителя 16 подключены к четвертому, пятому и шестому выходам блока измерения напряжения питающей сети 1, а четвертый, пятый и шестой входы - подключены к первому, второму и третьему выходам блока измерения напряжения на входе активного выпрямителя 17, три входа последнего подключены к трехфазной силовой цепи на входе активного выпрямителя 15, при этом выход блока сравнения уровней напряжений питающей сети с напряжением на входе активного выпрямителя 15 соединен с входом блока формирования тока задания по реактивной составляющей тока 18, выход которого подключен ко второму входу блока сравнения тока фактического с током задания по реактивной составляющей тока 10.
В качестве блока формирования тока задания по реактивной составляющей 18 выступает свободный в программируемом логическом контроллере преобразователя частоты пропорционально-интегральный регулятор. В качестве блока измерения напряжения на входе активного выпрямителя 17 используются три свободных аналоговых входа в программируемом логическом контроллере преобразователя частоты. В качестве блока сравнения уровней напряжений питающей сети с напряжением на входе активного выпрямителя 16 выступает математический блок, в котором мгновенные значения уровней напряжений питающей сети и на входе активного выпрямителя преобразуются в действующее значения, далее происходит расчет среднего значения напряжения питающей сети и на входе активного выпрямителя, затем происходит их сравнение по формуле (1)
Am.сети
Вm.сети
Сm.сети
где U, U, U - мгновенные значения фазных напряжений питающей сети, В;
Am.АВ
Вm.АВ
Сm.Ав
U, U, U - мгновенные значения фазных напряжений на входе активного выпрямителя, В.
Активный выпрямитель 15 подключен к сети через буферный реактор 19, три входа которого подключены к соответствующим выходам силового трансформатора 2. Три выхода буферного реактора 19 подключены к соответствующим силовым входам активного выпрямителя 15. Под позицией 20 показан автономный инвертор напряжения, который подключен через звено постоянного тока к соответствующим выходам активного выпрямителя 15.
В традиционном устройстве управления высоковольтным преобразователем частоты с активным выпрямителем ток задания по реактивной составляющей равен нулю. Поэтому традиционные устройства управления высоковольтным преобразователем частоты неадаптированы к несимметрий питающего напряжения. В связи с этим в заявленное устройство управления высоковольтным преобразователем частоты с активным выпрямителем были снабжен блок формирования тока задания по реактивной составляющей 18, а также добавлены блоки сравнения уровней напряжения питающей сети и на входе активного выпрямителя 16, блок измерения напряжения на входе активного выпрямителя 17.
Устройство управления высоковольтным преобразователем частоты с активным выпрямителем работает следующим образом.
U
U
.
U
U
d
АВ
q
АВ
d
АВ
q
АВ
В блоке измерения напряжения питающей сети 1 происходит измерение уровня напряжения питающей сети на выходах трехфазного силового трансформатора 2, измеренное напряжение поступает в блок фазовой автоподстройки частоты 3, на выходе которого формируется пилообразный сигнал ώt, который поступает в блок преобразования из неподвижной системы координат abc, во вращающуюся систему координат dq 4, на другие входы блока поступают измеренные значения уровня напряжения с блока 2 и измеренные значения токов с блока измерения токов 5, потребляемых активным выпрямителем 15. В блоке 4 происходит преобразование токов, потребляемых активным выпрямителем из неподвижной системы координат abc, во вращающуюся систему координат dq по активной d и реактивной q составляющим. Фактический ток по активной составляющей d, преобразованный в блоке 4, поступает в блок сравнения тока фактического и тока задания по активной составляющей d 6, в котором происходит сравнение токов фактического и заданного по активной составляющей d, на выходе которого формируется напряжение по активной составляющей . Ток задания по активной составляющей формируется в блоке формирования тока задания по активной составляющей 7, путем сравнения заданного напряжения в звене постоянного тока, которое задано в блоке задатчика уровня напряжения в звене постоянного тока 8 с фактическим напряжением в звене постоянного тока, который формируется в блоке измерения фактического значения уровня напряжения в звене постоянного тока 9, путем измерения напряжения на шинах постоянного тока. Сигнал рассогласования по напряжению постоянного тока обрабатывается пропорционально-интегральным регулятором, на выходе которого формируется ток задания по активной составляющей d. Ток задания по реактивной составляющей q, формируется путем сравнения уровней напряжения питающей сети и на входе активного выпрямителя (в блоке 16). Сигнал рассогласования напряжений питающей сети и на входе активного выпрямителя обрабатываются пропорционально-интегральным регулятором 18, на выходе которого формируется ток задания по реактивной составляющей q. В блоке 10 сравниваются значения тока заданного и фактического по реактивной составляющей q, сигнал их рассогласования обрабатывается пропорционально-интегральным регулятором тока (блок 12) на выходе которого формируется напряжение по реактивной составляющей Сформированные напряжения по активной и реактивной составляющим  и  поступают в блок формирования напряжений по активной и реактивной составляющим 13, в котором по системе уравнений 2, происходит добавление компенсирующих связей:
U
U
ds
qs
где  и  - напряжение питающей сети по активной и реактивной составляющим, В;
U
U
d
АВ
q
АВ
и   - сформированные напряжения по активной и реактивной составляющим на входе активного выпрямителя, В;
i
i
-
d
q
и фактические токи по активной и реактивной составляющим, А;
R
- активное сопротивление буферного реактора, Ом;
L
- индуктивность буферного реактора, Гн.
U
U
d
q
На выходе блока формирование получаем напряжения задания по активной и реактивоной составляющим  и  которые поступают в блок вычисления коэффициента модуляции и формирования импульсов управления ключами активного выпрямителя 14, в котором по формуле (3) происходит расчет коэффициента модуляции:
U
U
-
d
q
где  и напряжения задания на входе активного выпрямителя по активной и реактивной составляющим, В;
U
л.вх
- линейное напряжение питающей сети, В;
m - коэффициент модуляции.
После расчета коэффициента модуляции, происходит формирование импульсов управления ключами активного выпрямителя, в зависимости от используемого алгоритма широтно-импульсной модуляции.
АВ
С
Р
С
АВ
Р
Принцип действия заявленного устройства управления высоковольтным преобразователем частоты с активным выпрямителем можно пояснить на упрощенной однофазной схеме замещения (фиг.2), в которой активный выпрямитель представлен источником ЭДС Е, подключенным к сети Е через буферный реактор L (фиг.1, поз.19). Разница ЭДС сети Е и ЭДС активного выпрямителя Е приходится на падение напряжения ΔU на буферном реакторе. При номинальных условиях работы питающей сети и преобразователя частоты с активным выпрямителем, ток потребляемый активным выпрямителем находится в одной фазе с вектором напряжения питающей сети, обеспечивая единичный коэффициент мощности (фиг.3, а), сигнал рассогласования на выходе блока 16 равен нулю. Соответственно и ток задания по реактивной составляющей равен нулю. При возникновении в питающей сети перенапряжений, для уравновешивания ЭДС сети и ЭДС на входе активного выпрямителя, необходимо чтобы ток, потребляемый активным выпрямителем, отставал от вектора напряжения сети. Таким образом, вектор падения напряжения на буферном реакторе будет уравновешивать ЭДС сети и ЭДС на входе активного выпрямителя, т.е. на выходе блока 18 будет сформирован ток задания на потребления реактивной составляющей тока (фиг.3, б). В случае возникновения в питающей сети провалов напряжения, необходимо чтобы вектор тока, потребляемого из сети, опережал вектор напряжения сети, т.е. активный выпрямитель будет работать в режиме генерации реактивной мощности в питающую сеть. Вектор падения напряжения на буферном реакторе будет уравновешивать ЭДС на входе активного выпрямителя и ЭДС питающей сети (фиг.3, в).
На фиг.4 приведены результаты математического моделирования работы заявленного устройства управления высоковольтным преобразователем частоты с активным выпрямителем. На фиг.4 а, б, в, г, д приведены результаты математического моделирования работы высоковольтного преобразователя частоты с активным выпрямителем при возникновении однофазного провала напряжения в питающей сети глубиной 30% и длительностью 200 мс, при использовании традиционного устройства управления высоковольтным преобразователем частоты с активным выпрямителем. В момент возникновения однофазного провала напряжения в питающей сети (фиг.4 а), в звене постоянного тока происходит снижение уровня напряжения до критического значения, а также в момент окончания провала напряжения происходит скачок напряжения в звене постоянного тока, который превышают уставки защиты по напряжению (фиг.4 в). Также наблюдается превышение действующего значения токов, потребляемых преобразователем частоты (фиг.4 д). При этом ток по реактивной составляющей q-равен нулю.
На фиг.4 е,ж,з,и,к представлены результаты математического моделирования работы высоковольтного преобразователя частоты с активным выпрямителем, при использовании заявленного устройства управления высоковольтным преобразователем частоты с активным выпрямителем. В момент возникновения однофазного провала напряжения в питающей сети (фиг.4 е), происходит формирование тока задания по реактивной составляющей q-на генерацию реактивной мощности (фиг.4 ж). В связи с этим наблюдается заметное улучшение переходных процессов в звене постоянного тока (фиг.4 з) и токов, потребляемых преобразователем частоты (фиг.4 к) и преобразователь частоты не отключается максимально токовой защитой и защитой по напряжению в звене постоянного тока.
Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает повышение надежности работы преобразователя частоты как при провалах напряжений, так и при возникновении в питающей сети перенапряжений. Кроме того, устройство обеспечивает высокое быстродействие электропривода и его устойчивость к возмущающим воздействиям в питающей сети, вследствие работы других электроустановок.