СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ УРОВНЯ ВЫПРЯМЛЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ P-ПУЛЬСНОГО ВЕНТИЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
METHOD OF CONTROLLING VOLTAGE LEVEL IN P-PULSE GATE CONVERTER

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может найти применение для питания потребителей постоянного тока с повышенными требованиями к качеству преобразования при различных уровнях выпрямленного напряжения.
Известен способ регулирования уровня выпрямленного напряжения p-пульсного вентильного преобразователя на примере преобразователя однофазного тока с однофазными мостовыми выпрямителями, соединенными последовательно, при р=2, заключающийся в том, что плавное регулирование выпрямленного напряжения между смежными дискретными уровнями его величины, образующими границы зон регулирования, осуществляют изменением угла регулирования управляемых вентилей однофазных мостовых выпрямителей, при этом нерегулируемые составляющие выпрямленного напряжения однофазных мостовых выпрямителей суммируют с регулируемой составляющей выпрямленного напряжения, для формирования нерегулируемых составляющих выпрямленного напряжения управляемые вентили выпрямителей включают с нулевым углом регулирования, для формирования регулируемой составляющей выпрямленного напряжения управляемые вентили включают с изменяемым углом регулирования, причем при переходе в высшую зону регулирования для повышения выпрямленного напряжения управляемые вентили выпрямителя, изменяющего напряжение на ранее регулируемой зоне, включают с нулевым углом регулирования, управляемые вентили выпрямителя высшей зоны регулирования включают с изменяемым углом регулирования, а для снижении напряжения управляемые вентили выпрямителя, изменяющего напряжение на ранее регулируемой зоне переводят в непроводящее состояние и включают с изменяемым углом регулирования управляемые вентили выпрямителя низшей зоны регулирования (Основы электрического транспорта: учебник для студ. высш. учеб. заведений / [М.А.Слепцов, Г.П.Долаберидзе, А.В.Прокопович и др.]; под общ. ред. М.А.Слепцова. - М.: Издательский центр «Академия», 2006. - С.170; Плакс А.В. Системы управления электрическим подвижным составом. Учебник для вузов ж.-д. транспорта. - М.: Маршрут, 2005. - С.137).
Основным достоинством приведенного способа, реализуемом в техническом результате, широко используемом на подвижном составе в системах электроснабжения однофазного переменного тока, является некоторое повышение коэффициента мощности на разных зонах регулирования.
Известен также способ регулирования уровня выпрямленного напряжения p-пульсного вентильного преобразователя на примере трехфазного выпрямителя, при p=6, заключающийся в том, что плавное регулирование напряжения на каждой зоне регулирования обеспечивают изменением угла регулирования тиристоров трехфазных управляемых мостовых выпрямителей, причем регулируемые составляющие выпрямленного напряжения трехфазных мостовых выпрямителей суммируют с нерегулируемой составляющей выпрямленного напряжения, для чего плавное регулирование выпрямленного напряжения в пределах одной зоны выполняют за счет изменения углов регулирования тиристоров управляемых трехфазных мостовых выпрямителей фазовым способом, при переходе в другую зону регулирования выпрямленного напряжения тиристоры выпрямителя, изменяющего напряжение на предыдущей зоне, включают с нулевым углом регулирования при повышении напряжения, а при снижении напряжения переводят в непроводящее состояние (Способ регулирования напряжения и устройство трехфазного выпрямителя / Т.Л.Леонидова, Н.Л.Рябченок, Н.М.Астраханцева, А.И.Орленко, П.К.Рябченок, М.Е.Алексеев, А.В.Рудых. Бюл. №25, 2009).
Недостатком указанных выше способов является относительно небольшое значение коэффициента мощности и его снижение, особенно проявляющееся в началах зон регулирования и обусловленное применением фазового регулирования и недостаточно высокой кратностью частоты пульсаций.
Наиболее близким, принятым за прототип, является способ регулирования уровня выпрямленного напряжения p-пульсного вентильного преобразователя, содержащего при выпрямлении трехфазного тока p/6 последовательно расположенных преобразовательных секций, заключающийся в дискретном изменении уровня выпрямленного напряжения преобразователя, при котором заданный из n=1, 2,…, p/6 уровень выпрямленного напряжения формируют последовательным суммированием нерегулируемых выпрямленных напряжений, соответственно, k=1, 2,…, p/6 преобразовательных секций (А.с. СССР №1356153. Высоковольтный источник электроснабжения A.M.Репина / A.M.Репин. Бюл. №44, 1987; п.2 формулы).
Недостатком способа является уменьшение кратности частоты пульсаций выпрямленного напряжения при снижении уровня выпрямленного напряжения, причем форма выпрямленного напряжения на большинстве из дискретно формируемых уровней не является канонической. Поэтому, данный способ снижает коэффициент мощности от его максимальной величины, достигаемой при суммировании выпрямленных напряжений всех секций, а также приводит к существенному ухудшению качества выпрямленного напряжения.
Задачей изобретения является сохранение максимально достижимого коэффициента мощности p-пульсного вентильного преобразователя при формировании любого (из общего числа p/6) уровня выпрямленного напряжении и высокого качества выпрямленного напряжения.
Указанная задача достигается тем, что способ регулирования уровня выпрямленного напряжения p-пулъсного вентильного преобразователя, содержащего p/6 последовательно расположенных преобразовательных секций, заключается в дискретном изменении уровня выпрямленного напряжения преобразователя, при котором заданный из n=1, 2,…, p/6 уровень выпрямленного напряжения формируют суммированием нерегулируемых выпрямленных напряжений, соответственно, k=1, 2,…, p/6 преобразовательных секций, при этом, по крайней мере, один из уровней формируют путем принудительной ротации преобразовательных секций в цепи протекания тока нагрузки, причем при формировании любого из n=2, 3,…, p/6 - 1 уровня в процесс преобразования циклически, шесть раз в течение периода, посредством отпирания управляемых вентилей по заданному алгоритму включают все p/6 преобразовательных секций.
На Фиг.1 приведена электрическая схема преобразователя, реализующего предлагаемый способ; на Фиг.2 показаны векторные диаграммы трехфазных источников питания, последовательно сдвинутых на 20 эл. град., представленные амплитудно-фазовыми портретами (АФП) трехфазных систем напряжений, изображенными в виде треугольников, и совмещенные группы АФП при формировании результирующих выпрямляемых напряжений от трех источников (трехуровневое включение); на Фиг.3 показаны совмещенные АФП при формировании результирующих выпрямляемых напряжений от двух источников (двухуровневое включение); на Фиг.4 показана форма выпрямленного напряжения преобразователя при трехуровневом включении; на Фиг.5 приведены временные диаграммы напряжений источников ЭДС с указанием участков кривых фазных напряжений при формировании результирующих выпрямляемых напряжений от трех источников ЭДС и алгоритм работы управляемых вентилей; на Фиг.6 показана форма выпрямленного напряжения преобразователя при двухуровневом включении; на Фиг.7 приведены временные диаграммы напряжений источников ЭДС с указанием участков кривых фазных напряжений при формировании результирующих выпрямляемых напряжений от двух источников ЭДС и алгоритм работы управляемых вентилей; на Фиг.8 приведена форма выпрямленного напряжения при одноуровневом включении преобразователя; на Фиг.9 показаны формы выпрямленного напряжения при одном из вариантов управления вентилями для перехода с одноуровневого на двухуровневый и с двухуровневого на трехуровневый режимы работы.
Преобразователь (Фиг.1) содержит симметричные трехфазные источники 1, 2, 3 ЭДС, тридцать три вентиля 4-36, пятнадцать из которых управляемые, а восемнадцать неуправляемые. Из двенадцати управляемых вентилей сформировано два шестивентильных кольца: одно кольцо из вентилей 11, 17, 23, 29, 34, 36 объединенными анодами пар вентилей 11, 36; 17, 23; 29, 34 соединено, соответственно, с фазами a, b, c источника 1, а объединенными катодами пар вентилей 23, 29; 34, 36; 11, 17 соединено, соответственно, с фазами a, b, c источника 2; второе кольцо из вентилей 31, 35, 14, 5, 25, 19 объединенными анодами пар вентилей 14, 5; 25, 19; 31, 35 соединено, соответственно, с фазами a, b, c источника 2, а объединенными катодами пар вентилей 31, 25; 35, 5; 14, 19 соединено, соответственно, с фазами a, b, c источника 3.
Три управляемых вентиля 21, 32, 8 катодами подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 1, а анодами подключены, соответственно, к фазам b, c, a источника 3. Из девяти неуправляемых вентилей сформированы три анодные трехвентильные звезды: из групп вентилей 22, 33, 10; 24, 4, 13 и 27, 7, 15, катоды которых подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 1; к фазам a, b, c источника 2 и к фазам a, b, c источника 3, а из объединенных общих точек трехвентильных звезд образован выходной вывод 37 устройства. Из оставшихся девяти неуправляемых вентилей сформированы три катодные трехвентильные звезды: из групп вентилей 6, 20, 26; 12, 18, 30 и 9, 16, 28, аноды которых подключены, соответственно, к фазам a, b, c источника 3; к фазам a, b, c источника 2 и к фазам a, b, c источника 1, а из объединенных общих точек трехвентильных звезд образован выходной вывод 38 устройства. К выходным выводам устройства 37 и 38 подключена нагрузка 39.
Способ осуществляется следующим образом. Работа устройства (Фиг.1) иллюстрируется векторными диаграммами напряжений, представленными (на Фиг.2 для трехуровневого соединения систем; на Фиг.3 для двухуровневого соединения систем) в виде амплитудно-фазовых портретов напряжений вторичных фазных обмоток, составляющих три симметричные трехфазные системы 1, 2, 3, сдвинутые последовательно по фазе на 20 эл. град, и развернутыми на потенциальной плоскости векторными диаграммами результирующих напряжений. Из векторных диаграмм видно, что при трехуровневом соединении систем в формировании каждого результирующего выпрямляемого напряжения участвуют линейные напряжения каждой из трех трехфазных систем преобразовательных секций, а при двухуровневом соединении только двух систем, но при этом за период сетевого напряжения в процессе двухуровневого преобразования должна обеспечиваться полнооборотная ротация всех трех систем. В этом случае каждая секция преобразования задействована в формировании 12 результирующих напряжений, так как системы циклично сменяют друг друга.
Для организации двух- или трехуровневого соединения систем вентили шестивентильных колец и три отдельных вентиля с обратным включением относительно всех других вентилей выполнены управляемыми. Последовательность управляемого и естественного включения вентилей устройства при формировании выпрямленного напряжения, соответствующего сумме напряжений трех преобразовательных секций, приведена в таблице 1. Номера управляемых вентилей отмечены жирным шрифтом. Моменты включения данных вентилей соответствуют началу формирования соответствующей пульсации s. На Фиг.4 приведена кривая выпрямленного напряжения при трехуровневом включении. Сопоставление алгоритма включения управляемых вентилей с временными диаграммами фазных напряжений источников питания приведено на Фиг.5.
Таблица 1
s1
10
36
5
6
s7
22
17
19
20
s13
33
34
31
26
s2
10
11
5
6
s8
22
23
19
20
s14
33
34
31
26
s3
10
11
14
6
s9
22
23
25
20
s15
33
34
35
26
s4
10
17
14
6
s10
22
29
25
20
s16
33
36
35
26
s5
10
17
19
6
s11
22
29
31
20
s17
33
36
5
26
s6
10
17
19
20
s12
22
29
31
26
s18
33
36
5
6
Скругленные прямоугольники на временной диаграмме охватывают пары фазных напряжений систем ЭДС, которые участвуют в формировании текущей пульсации.
Последовательность управляемого и естественного включения вентилей устройства при формировании выпрямленного напряжения, соответствующего сумме напряжений двух преобразовательных секций, приведена в таблице 2.
Таблица 2
s1
4
5
6
s7
13
19
20
s13
24
31
26
s2
7
8
9
s8
15
21
16
s14
27
32
28
s3
10
11
12
s9
22
23
18
s15
33
34
30
s4
13
14
6
s10
24
25
26
s16
4
35
26
s5
15
8
16
s11
27
21
28
s17
7
32
9
s6
10
17
18
s12
22
29
30
s18
33
36
12
Моменты включения данных вентилей соответствуют началу формирования соответствующей пульсации s. На Фиг.6 приведена кривая выпрямленного напряжения при двухуровневом включении. Сопоставление алгоритма включения управляемых вентилей с временными диаграммами фазных напряжений источников питания приведено на Фиг.7. Скругленные прямоугольники на временной диаграмме охватывают пары фазных напряжений систем ЭДС, которые участвуют в формировании текущей пульсации. В качестве временной привязки выбраны моменты формирования пульсаций при двухуровневом преобразовании, так как начало пульсации s15 при этом совпадает с нулевой фазой напряжения фазы а трехфазной системы напряжений 1, в случае формирования системы на основе звезды.
При одноуровневом преобразовании управляемые вентили не включаются. Ротации систем, подразумеваемой как смена их положения в цепи преобразования не происходит. Например, при двухуровневом преобразовании на Фиг.3 показан один из циклов полнооборотной ротации систем: 1-2; 2-3; 3-1 (позиции А, Б и С). Ротация в этом случае сопровождается циклическим включением и отключением систем в цепи преобразования. Так как при одноуровневом преобразовании в цепи преобразования располагается только одна система, происходит только цикличное поочередное включение систем в преобразовательный процесс, причем естественное включение. Форма выпрямленного напряжения показана на Фиг.8.
Предложенный способ позволяет изменять уровень выпрямленного напряжения, не прибегая к известным методам фазового или амплитудного регулирования. Заданное чередование применяемых алгоритмов включения преобразователя на одно-, двух- или трехуровневый режим обеспечивает плавное регулирование выпрямленного напряжения между первым и вторым, вторым и третьим уровнями. Примеры переключения управляемых вентилей при переходе с одноуровневого преобразования на двухуровневое приведены в табл.3, а с двухуровневого на трехуровневое в табл.4. Соответствующие формы выпрямленных напряжений показаны на Фиг.9 (верхние диаграммы для идеальных по параметрам схем; нижние диаграммы для схем с параметрами, близкими к реальным).
Таблица 3
s1
-
s7
19
s13
-
s2
-
s8
29
s14
-
s3
-
s9
-
s15
-
s4
-
s10
-
s16
-
s5
-
s11
21
s17
-
s6
-
s12
29
s18
-
Таблица 4
s1
5
s7
19
s13
-
31
29
s2
8
s8
21
s14
32
s3
11
s9
23
s15
34
s4
14
s10
25
s16
35
s5
8
s11
21
s17
32
29
31
s6
17
s12
s18
36
-
Предлагаемый способ регулирования уровня выпрямленного напряжения p-пульсного вентильного преобразователя (здесь приведен преобразователь с p=18) по сравнению со способом, принятым за прототип, имеет следующие преимущества: обеспечивается высокое значение коэффициента мощности при любом уровне выпрямленного напряжения (из-за малых искажений сетевого тока при повышенной пульсности на всех уровнях); высокое качество выпрямленного напряжения (за счет сохранения наибольшей пульсности при любом уровне выпрямленного напряжения).
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает сохранение максимально достижимого коэффициента мощности p-пульсного вентильного преобразователя при формировании любого (из общего числа p/6) уровня выпрямленного напряжения и высокого качества выпрямленного напряжения.