СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СЕТЕВОГО ТОКА ЧЕТЫРЕХКВАДРАНТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
METHOD FOR SHAPING NETWORK CURRENT OF FOUR-QUADRANT CONVERTER

Изобретение относится к электротехнике, к способам управления входными преобразователями тягового электропривода электроподвижного состава переменного тока.
3
Известен способ формирования сетевого тока четырёхквадрантного преобразователя, состоящий в том, что полупериод питающего напряжения разбивают на равные интервалы, для каждого интервала определяют значение тока, которого необходимо достичь на данном интервале, на каждом интервале замыкают источник входного напряжения на входную индуктивность до тех пор, пока ток не достигнет определённого значения на этом интервале, после чего источник входного напряжения до конца интервала размыкают (см. МКИ Н02М 1/12, заявка ФРГ №2217023, опубл. 1980 г., 9 октября, №41 Brown, Boveri&Cie AG, 6800 Mannheim. Nill, Reiner).
При таком способе возможны режимы работы, когда на первом интервале входной ток, не достигнув заданного значения, снова спадает до нуля. В результате, при таком способе формирования сетевого тока невозможно обеспечить высокое значение коэффициента формы тока и, следовательно, ожидаемое качество управления - высокий коэффициент мощности.
З
З
Наиболее близким по технической сущности является способ формирования сетевого тока четырехквадрантного преобразователя, так называемый "токовый коридор", состоящий в том, что вводят амплитуду заданного значения тока и определяют заданное мгновенное значение тока по формуле i=Isinωt. В положительном полупериоде питающего напряжения замыкают источник входного напряжения на входную индуктивность, пока ток не достигнет суммы заданного значения и величины допустимого отклонения. Размыкают источник входного напряжения, пока ток не достигнет разности заданного значения и величины допустимого отклонения, затем опять замыкают источник входного напряжения на входную индуктивность, пока ток не достигнет суммы заданного значения и величины допустимого отклонения. Размыкают источник входного напряжения, пока ток не достигнет разности заданного значения и величины допустимого отклонения и т.д. до конца положительного полупериода питающего напряжения. В отрицательном полупериоде питающего напряжения замыкают источник входного напряжения на входную индуктивность, пока ток не достигнет разности заданного значения и величины допустимого отклонения. Размыкают источник входного напряжения, пока ток не достигнет суммы заданного значения и величины допустимого отклонения, затем опять замыкают источник входного напряжения на входную индуктивность, пока ток не достигнет разности заданного значения и величины допустимого отклонения. Размыкают источник входного напряжения, пока ток не достигнет суммы заданного значения и величины допустимого отклонения и т.д. до конца отрицательного полупериода. Таким образом формируют ширину основного токового коридора, относительно заданного значения сетевого тока (Патент РФ №2261519).
Этот способ имеет следующий недостаток. Использование одинаковой ширины токового коридора (равного удвоенному значению допустимого отклонения) на всём полупериоде питающего напряжения приводит к искажению формы сетевого тока по причине медленного нарастания тока в начале каждого полупериода. Низкая интенсивность нарастания тока в начале каждого полупериода и спада в конце каждого полупериода обусловлена малыми значениями э.д.с. тягового трансформатора в начале и конце полупериода. Всё это ухудшает показатели качества преобразования энергии четырехквадрантным преобразователем.
З
З
З
Поставленную задачу решают способом управления преобразователем, при котором вводят амплитуду заданного значения тока I и определяют заданное мгновенное значение тока по формуле i=Isinωt, в положительном полупериоде питающего напряжения замыкают источник входного напряжения на входную индуктивность, пока значение сетевого тока не достигнет суммы заданного мгновенного значения сетевого тока и величины его допустимого отклонения, размыкают источник входного напряжения, пока сетевой ток не достигнет разности заданного мгновенного значения сетевого тока и величины допустимого отклонения. Повторяют указанные операции до конца положительного полупериода питающего напряжения, в отрицательном полупериоде питающего напряжения замыкают источник входного напряжения на входную индуктивность, пока сетевой ток не достигнет разности заданного мгновенного значения сетевого тока и величины его допустимого отклонения, повторяют указанные операции до конца отрицательного полупериода питающего напряжения. Способ отличается тем, что устанавливают различные допустимые отклонения мгновенного значения сетевого тока в зависимости от режима работы четырехквадрантного преобразователя, соотвественно, устанавливают ширину основного токового коридора и дополнительного токового коридора, допустимое отклонение мгновенного сетевого тока которого устанавливают в доле от указанного отклонения основного токового коридора, ширину токового коридора в начале и конце каждого полупериода принимают фиксированной и составляющей от 0,2 до 0,5 ширины основного токового коридора, измеряют значение тока нагрузки четырехквадрантного преобразователя и сравнивают его со значением сетевого тока. При превышении значения тока нагрузки четырехквадрантного преобразователя значения сетевого тока по модулю, регулируют сетевой ток в дополнительном токовом коридоре, при превышении сетевого тока по модулю значения тока нагрузки регулируют сетевой ток в основном токовом коридоре.
Положительным результатом изобретения является возможность формирования кривой сетевого тока с улучшенной формой, близкой к синусоидальной, что способствует повышению коэффициента мощности преобразователя и других важных показателей в сравнении со способом формирования сетевого тока с единым токовым коридором.
На фиг.1 приведена схема четырехквадрантного преобразователя.
На фиг.2 приведена временная диаграмма способа формирования сетевого тока (прототипа).
На фиг.3 представлено устройство, реализующее предлагаемый способ формирования сетевого тока с двумя «токовыми коридорами».
На фиг.4 показаны временные диаграммы предложенного способа.
На фиг.5 представлен алгоритм реализации предлагаемого способа формирования сетевого тока (головная часть);
На фиг.6 представлен алгоритм реализации предлагаемого способа формирования сетевого тока (фрагмент подпрограммы для реализации работы в отрицательном полупериоде).
ВХ
C
Способ реализуют микропроцессорной системой (фиг.3), состоящей из блока таймеров 1, процессора 2, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 3, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 4, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 5, цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 6, блока компараторов 7, блока драйверов 8, управляющих четырехквадрантным преобразователем 9, имеющим датчик входного тока I и датчик выходного напряжения U, выходы которых соединены с входами АЦП 5, и синхронизатора 10. Датчики тока и напряжения не показаны.
Четырехквадрантный преобразователь 9 и синхронизатор 10, предназначенный для определения полярности и моментов перехода через ноль сетевого напряжения, запитаны переменным напряжением u. Входы-выходы таймера 1, процессора 2, ОЗУ 3, ПЗУ 4, выход АЦП 5, ПАП 6, блока компараторов 7 и входы блока драйверов 8 объединены шиной адрессов-данных 11.
Четырехквадрантный преобразователь 9 и синхронизатор 12, предназначенный для определения полярности и моментов перехода через ноль сетевого напряжения, запитаны переменным напряжением u. Входы-выходы таймера 1, процессора 2, ОЗУ 3, ПЗУ 4, выход АЦП 5, ЦАП 6, блока компараторов 7 и входы блока драйверов 8 объединены шиной адрессов-данных 13.
Вход синхронизатора 12 соединен со входом сброса блока таймеров 1 и шиной прерывания процессора 2.
Таймер 1, процессор 2, ОЗУ 3, ПЗУ 4 и АЦП 5 могут быть интегрированы в специализированный контроллер, например М167-1С (см. каталог продукции "Бортовая промышленная электроника" АО "Каскод", 105037, Москва, Измайловская пл., 7).
На фиг.4 представлена осциллограмма предлагаемого способа формирования сетевого тока, из которой видно, что применение токового коридора с различной шириной способствует улучшению формы сетевого тока.
На фиг.4 также изображена диаграмма коммутации транзисторов 14, 15, 16 и 17 преобразователя 9. Состояние логической единицы соответствует включенному состоянию транзистора, а состояние логического нуля соответствует отключённому состоянию транзистора.
З
ВХ
d
З
З
Способ реализуют алгоритмом, приведенным на фиг.5. Выполнение его происходит в каждом полупериоде питающего напряжения после запуска управляющей программы. По приходу синхроимпульса СИ в начале каждого полупериода питающего напряжения (блок 18) осуществляют ввод амплитуды заданного значения сетевого (входного) тока I (блок 19), запуск таймера 1 (блок 20, ввод мгновенного значения входного тока I и измеренного значения тока нагрузки (выпрямленного тока) I на выходе преобразователя 9 (блок 21). Определяют необходимое в данный момент значение сетевого (входного) тока (блок 22) по формуле i=Isin ωt, где значение ωt соответствует данному моменту времени и содержимому таймера 1.
ВХ
ВХ
n
З
C
u
З
C
Заданное значение амплитуды сетевого (входного) тока I определяют в каждом полупериоде сети по формуле I=k(U-U)+k∑(U-U),
n
u
где k и k - соответственно коэффициенты пропорциональной и интегральной частей регулятора;
З
C
U, U - соответственно заданное и действительное значения напряжения на выходе преобразователя.
d
ВХ
d
В блоке 23 сравнивают значения тока нагрузки (выпрямленного тока) I и значение сетевого тока I по модулю. При равенстве значений или при превышении значением тока нагрузки I значения сетевого тока по модулю  - устанавливают дополнительный токовый коридор (блок 24) и устанавливают допустимое отклонение ΔI дополнительного токового коридора в доле от допустимого отклонения ΔI основного коридора. Например, для доли дополнительного токового коридора 30% от основного коридора, это соотношение составит: ΔI=0,3ΔI.
Ширину токового коридора в начале и конце каждого полупериода можно принимать фиксированной и составляющей в диапазоне, например, от 0,2 до 0,5 ширины основного токового коридора, что существенно повышает качество потребляемой энергии преобразователем.
d
При превышении значения сетевого тока по модулю  над значением тока нагрузки I - устанавливают основной токовый коридор, значение которого задано в блоке 11.
+
-
ВХ
З
З
ВХ
З
ВХ
В блоке 25 определяют полярность полупериода питающего напряжения и, в случае положительного полупериода (/=1), в блоке 26 проверяют превышение входным током суммы заданного значения и допустимого отклонения. В отрицательном полупериоде переходят в подпрограмму реализации отрицательного полупериода (блок 65). Допустимое отклонение ΔI, заранее установленное для данного режима работы преобразователя с дополнительным (малым) и большим (основным) токовым коридором, заносят в ПЗУ 4. В случае превышения входным током I значения суммы i+ΔI в блоке 27, при помощи блока драйверов 8 выключают транзисторы 15, 16, работающие в положительном полупериоде и переходят в блок 23. Если входной ток не превышает значения суммы i+ΔI, то переходят в блок 28 и в нем проверяют выход I за нижнюю границу токового коридора i-ΔI и, в случае выхода, в блоке 29 анализируют, какой из транзисторов в работе, устанавливают признак состояния вентилей (Ч=1) и далее, если второй транзистор выключен (Ч1=0), то включают соответствующий транзистор для формирования входного тока I с установкой значения флага Ч1, равного единице. В представленной блок-схеме использованы два признака Ч и Ч1. Признак Ч1 означает, что включён только один из двух транзисторов, а признак Ч означает, что включены (работают) оба из двух транзисторов необходимого контура протекания тока. Ч=1 - в положительном полупериоде сети включен транзистор 15, в отрицательном полупериоде - транзистор 14; Ч=0 - в положительном полупериоде сети включен транзистор 16, в отрицательном - транзистор 17; Ч1=1 - второй транзистор пути протекания тока включен; Ч1=0 - второй транзистор пути протекания тока выключен.
При уставке признака Ч=1 (блок 29) переходят в блок 30 и определяют состояние Ч1. При Ч1=0 включают транзистор 16 (блок 31) и задают состояние признака Ч1 равным единице (Ч1=1) (блок 33) и переходят в блок 34. При несоответствии признака, (Ч1=0) в блоке 30, в блоке 32 включают транзистор 15 и переходят в блок 34, в котором присваивают значение признаку Ч, равное нулю (Ч=0). Затем переходят в блок 23 прерыванием 64.
При несоответствии признака Ч=0 (блок 29) переходят в блок 35 и опрашивают состояние Ч1=0. При Ч1=0 включают транзистор 15 (блок 36) и задают состояние признака Ч1 равным единице (Ч1=1) (блок 38) и переходят в блок 39. При несоответствии признака, (Ч1=0) в блоке 35, в блоке 37 включают транзистор 16 и переходят в блок 39. В блоке 39 присваивают значение признаку 4, равное единице (Ч=1). Затем переходят в блок 23 прерыванием 64.
З
При превышении или равенстве входным током значения суммы i+ΔI (блок 28) переходят в блок 40, где устанавливают признак состояния вентилей Ч1=0. При соответствии признака заданному значению осуществляют прерывание 64 и переходят в блок 23.
При несоответствии состояния вентилей признаку Ч1=0 в блоке 40 переходят в блок 41 и определяют соответствие работающих вентилей признаку Ч=1. При соответствии, в блоке 42 выключают вентиль 16 и переходят в блок 44. При несоответствии, - выключают 15 (блок 43) и переходят в блок 44, в котором присваивают значение признака Ч1, равное нулю (Ч=0), и переходят в блок 23.
Реализация способа формирования сетевого тока в отрицательном полупериоде представлена блок-схемой на фиг.6.
ВХ
З
З
ВХ
з
В отрицательном полупериоде запускают подпрограмму реализации отрицательного полупериода (блок 65). В случае превышения входным током I значения суммы i+ΔI в блоке 45, при помощи блока драйверов 8 выключают транзисторы 14 и 17 (блок 46), работающие в положительном полупериоде и переходят в блок 23 прерыванием (блок 64). Если входной ток не превышает значения суммы i+ΔI, то переходят в блок 47 и в нем проверяют выход I за нижнюю границу токового коридора i-ΔI и, в случае выхода, в блоке 48 анализируют, какой из транзисторов в работе, устанавливают признак состояния вентилей (Ч=1).
При уставке признака Ч=1 (блок 48) переходят в блок 49 и определяют состояние Ч1=0. При Ч1=0 включают транзистор 17 (блок 50) и задают состояние признака Ч1 равным единице (Ч1=1) (блок 52), переходя в блок 53. При несоответствии признака (Ч1=0) в блоке 49, в блоке 51 включают транзистор 14 и переходят в блок 53, в котором присваивают значение признаку 4, равное нулю (Ч=0). Затем переходят в блок 23 прерыванием (64).
При несоответствии признака Ч1=0 (блок 48) переходят в блок 54 и определяют состояние Ч1=0. При Ч1=0 включают транзистор 14 (блок 55) и задают состояние признака Ч1 равным единице (Ч1=1) (блок 57) и переходят в блок 58. При несоответствии признака, (Ч1=0) в блоке 54, в блоке 56 включают транзистор 17 и переходят в блок 58. В блоке 58 присваивают значение признаку 4, равное единице (Ч=1). Затем переходят в блок 23 прерыванием (блок 64).
З
При превышении или равенстве входным током значения суммы i+ΔI (блок 47) переходят в блок 59, где устанавливают признак состояния вентилей Ч1=0. При соответствии признака заданному значению осуществляют прерывание (блок 64) и переходят в блок 23 (прерыванием 64).
При несоответствии состояния вентилей признаку Ч1=0 в блоке 59 переходят в блок 60 и определяют соответствие работающих вентилей признаку Ч=1. При соответствии, в блоке 61 выключают вентиль 17 и переходят в блок 63. При несоответствии, - выключают 14 (блок 43) и переходят в блок 63, в котором присваивают значение признака 41, равное нулю (Ч=0), и переходят в блок 23.
Так продолжают до конца периода питающего напряжения, до прихода следующего синхроимпульса СИ, после чего цикл алгоритма на фиг.5 повторяют.
Применение данного способа формирования сетевого тока позволяет полностью использовать возможности вентилей четырехквадрантного преобразователя, максимально возможно приблизив кривую потребляемого тока к синусоиде (фиг.4), тем самым улучшить форму тока и повысить энергетические показатели преобразователя.
Как показали результаты экспериментальных исследований, применение токовых коридоров с двумя значениями ширины отклонения за полупериод питающего напряжения, в большинстве случаев, предпочтительнее по сравнению с применением только основного (единого) или тройного токового коридора, поскольку повышается качество сетевого тока и требуются меньшие аппаратные затраты на реализацию способа.
Ширина дополнительного токового коридора в зависимости от ширины основного токового коридора может устанавливаться индивидуально в зависимости от технических параметров преобразователя.
По энергетическим показателям способ формирования сетевого тока (с двойным значением ширины токового коридора) приближается к способу с широтно-импульсной модуляцией напряжения. При этом ресурсы устройства, реализующего этот способ, могут быть значительно проще по аппаратной части. Также существенно проще и программная реализация способа.