СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ УПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ НА БАЗЕ ТРАНСФОРМАТОРА С ВРАЩАЮЩИМСЯ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ С ЧЕТНЫМ ЧИСЛОМ СЕКЦИЙ КРУГОВОЙ ОБМОТКИ
METHOD OF CONTROLLING OUTPUT VOLTAGE OF CONTROLLED RECTIFIER BASED ON TRANSFORMER WITH ROTATING MAGNETIC FIELD WITH EVEN NUMBER OF SECTIONS OF CIRCULAR WINDING

Область использования
Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразователям параметров электрической энергии, и может быть использовано для управления выпрямителями (УВ), построенными на базе трансформаторов с вращающимися магнитными полями (ТВМП).
Уровень техники
Известен способ импульсно-фазового управления выпрямителем на базе ТВМП с четным числом секций круговой обмотки (КО), позволяющий получать N пульсаций выпрямленного напряжения за счет поочередной коммутации ЭДС, присутствующих на диаметрально расположенных отводах КО, где N - четное число секций КО ТВМП [А.И. Черевко, В.А Базанов., М.М. Музыка. Системы управления полупроводниковыми преобразователями, выполненными на базе согласующих трансформаторов с вращающимися магнитными полями, Изд-во АГТУ, г. Архангельск 2005 г., 90 с]. В этом случае период одной пульсации выпрямленного напряжения определяется по формуле:
Регулирование выходного напряжения УВ с ТВМП достигается путем изменения величины ЭДС на сборных шинах выпрямленного напряжения за счет смещения момента коммутации диаметрально расположенных отводов секций КО относительно вектора вращающегося магнитного поля с помощью силовых ключей (СКл) на угол α. При α=0 ЭДС на сборных шинах выпрямителя максимальна, а при α=90° ЭДС на сборных шинах выпрямителя равна нулю. Поэтому момент при α=0 получил название «момента условной естественной коммутации СКл». Как и у классических мостовых схем выпрямления угол α здесь называется «углом управления».
Известный способ управления УВ с ТВМП имеет существенный недостаток, выражающийся в том, что при угле управления α>0 в кривой выпрямленного напряжения появляются разрывы первого рода, из-за чего кривая выпрямленного напряжения значительно искажается, при этом высшие гармоники выпрямленного напряжения увеличиваются, а среднее значение выпрямленного напряжения снижается по мере увеличения угла управления α, практически так же, как и у классических мостовых преобразователей
При этом коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения с ростом угла управления α будет многократно возрастать, что следует из выражения:
кроме того, в выходном напряжении УВ с ТВМП с четным числом секций КО можно получить только N пульсаций выпрямленного напряжения за один период напряжения питающей сети, так как в этом случае СКл подключают на сборные шины только диаметрально расположенные отводы секций КО.
Задача изобретения
Задача изобретения состоит в улучшении качества выпрямленного напряжения за счет уменьшения разрывов первого рода.
Для достижения поставленной задачи предлагается увеличить количество пульсаций в кривой выпрямленного напряжения за счет подключения на сборные шины выпрямителя дополнительных отводов КО, между которыми можно условно провести пары параллельных наибольших хорд.
Раскрытие изобретения
Новый способ регулирования УВ, построенного на базе ТВМП, состоит в том, что:
mах
выпрямленное (выходное) напряжение УВ формируется путем поочередного подключения на сборные шины выпрямителя ЭДС, снимаемых с диаметрально расположенных отводов КО ТВМП, и ЭДС, снимаемых с дополнительных отводов КО, сдвинутых на промежуточный фазовый угол 2π/2N, где N - число секций, между которыми можно условно провести пары параллельных наибольших хорд, при этом в выпрямленном напряжении на большей части диапазона регулирования число пульсаций в кривой выпрямленного напряжения удваивается, а размах пульсаций Δ снижается, что приводит к снижению коэффициента пульсаций по напряжению и, следовательно, к улучшению качества выпрямленного напряжения.
Основные пульсации, формирующиеся на ЭДС первой ступени регулирования, описываемые формулой (2), дополняются пульсациями, описываемыми формулой (3) и формируемыми ЭДС второй ступени регулирования (фиг. 4).
k
В выражениях (6) и (7) ω - угловая частота вращения результирующего вектора магнитной индукции в ТВМП, m - номер ЭДС в пределах одной ступени регулирования (номер диагональной пары силовых ключей), L - длина k-ой хорды (ступени регулирования) окружности (фиг. 3) геометрического подобия КО ТВМП, определяемая из выражения:
Силовые ключи полупроводникового коммутатора для реализации предлагаемого способа управления УВ с ТВМП должны переключаться в определенной последовательности, алгоритм которой можно формализовать следующим способом.
1. Силовым ключам анодной и катодной групп присваиваются порядковые номера согласно отводам КО ТВМП, к которым они подключены.
2. Один из отводов КО принимается за базовый и ему присваивается номер «1».
3. Отвод КО, электрический потенциал которого имеет минимальный по модулю отрицательный фазовый сдвиг относительно рассматриваемого отвода, получает следующий за ним порядковый номер.
В этом случае алгоритм коммутации СКл выражается следующими формулами:
Здесь А[n] - номер ключа анодной группы для временной позиции n, К[n] - номер ключа катодной группы для временной позиции n (номера пульсации).
п
Примечание: оператор [x] возвращает наибольшее целое число, меньшее или равное аргументу х; «mod» - операция получения остатка от деления; n - номер временной позиции, характеризующий временной интервал продолжительностью Т/2. Временная позиция n=1 следует после выдержки угла управления α относительно условного момента естественной коммутации.
Учитывая наличие альтернативных вариантов коммутации, формулы (4.1) и (4.2) можно представить следующими альтернативными формулами:
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 отображена геометрическая аналогия КО ТВМП с 10 секциями. Показано, что каждая секция может быть условно представлена источником ЭДС равной амплитуды, но имеет различный фазовый сдвиг. Показано, что в качестве геометрической аналогии КО ТВМП можно рассматривать правильный N-угольник. На фигуре отмечено направление движения с угловой частотой ω результирующего вектора магнитной индукции, а также геометрический смысл угловой длительности пульсации выпрямленного напряжения для известного способа управления. Показано, что нумерация СКл при формализации алгоритмов управления совпадает с направлением движения результирующего вектора магнитной индукции ТВМП.
п
п
п
На фиг. 2 показана геометрическая аналогия КО ТВМП с 8 секциями. При известном способе управления подключение ЭДС на сборные шины осуществляется с диагонали 1-5 (фиг. 2а), затем через угловое время ω, равное Т, с диагонали 2-6 (фиг. 2в), образуя тем самым одну пульсацию выпрямленного напряжения на выходе УВ. На фиг. 2б показан случай, при котором через время, равное Т/2 после коммутации ЭДС с диагонали 1-5, возможна коммутация ЭДС с отводов 2-5, либо 1-6. Таким образом, на интервале времени, равном Т, образуется дополнительная пульсация выпрямленного напряжения.
k
На фиг. 3 представлено пояснение к формуле (4). Отображена хорда L, а также элементы окружности с центром в точке О, необходимые для нахождения ее длины - радиус R и внутренний угол сектора γ.
1
1max
2
2mах
п
п
<mrow><msup><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>˙</mo></mover><mn>1</mn></msup><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msup><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>˙</mo></mover><mn>2</mn></msup><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
На фиг. 4 показано формирование выпрямленного напряжения с 2N пульсациями на периоде питающей сети на примере УВ с ТВМП с N=10 при различных углах управления: α с размахом пульсации Δ и α с размахом пульсации Δ. Сплошными линиями показаны мгновенные значения ЭДС первой ступени регулирования -
- в каждый момент времени. Штриховыми линиями показаны мгновенные значения ЭДС второй ступени регулирования -
- в каждый момент времени. Также указаны период одной пульсации для известного способа управления - Т, и соответственно полупериод - Т/2, значение которого составляет длительность пульсации для нового способа управления.
Осуществление изобретения
В качестве примера можно привести алгоритмы включения силовых ключей анодной и катодной групп для УВ с ТВМП с N=10 для каждого из 2N=2·10=20 моментов времени (n), в сумме составляющих период напряжения питающей сети.
Таким образом, заявленный способ управления позволяет получить улучшенное качество выпрямленного напряжения по сравнению с известным способом управления. Во многом это достигается благодаря снижению наибольшего значения переменной составляющей пульсирующего напряжения за счет удвоения количества пульсаций практически на всем диапазоне регулирования.