Способ и устройство синхронизации системы управления преобразователями напряжения
METHOD AND APPARATUS FOR SYNCHRONISING A VOLTAGE CONVERTER CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к системам управления силовыми преобразовательными устройствами и может быть использовано в трехфазных управляемых мостовых выпрямителях, а также в цифровых и аналоговых системах управления вентильными преобразователями.
Известен способ управления выпрямителями, в котором синхроимпульсы формируют в момент сравнения линейно-управляющегося и опорного напряжений. Отсчет уровня линейно-изменяющегося напряжения начинают с момента естественной коммутации вентилей (Г.Н. Горбачев, Е.Е. Чаплыгин. Промышленная электроника. - М.: Энергоатомиздат, 1988, 320 с.).
Недостатком указанного способа является необходимость сдвига переменного напряжения каждой из фаз на угол 30°, соответствующей точке естественной коммутации вентилей, что не позволяет увеличить точность синхронизации напряжения.
Известен также способ синхронизации системы управления преобразователем, в котором напряжение синхронизации приложено ко входу компаратора через два последовательно включенных интегратора, работающих в противофазе и формирующих импульсы напряжения со скважностью равной двум (см. патент РФ № 2107981, МПК H02M 1/08 (1995.01), опубл. 27.03.1998).
Недостатком данного способа является накопление ошибки интегрирования, что приводит к насыщению интегратора.
Наиболее близким аналогом (прототипом) по технической сущности к предлагаемому способу является способ синхронизации цифровой системы управления (см. патент РФ № 2417507, МПК H02M 1/08 (2006.01), опубл. 27.04.2011).
В приведенном способе синхроимпульсы управления формируют путем сравнения отфильтрованного синхронизирующего напряжения с опорным сигналом (напряжением). Для уменьшения накопительной ошибки интегрирования изменяют скорость нарастания и спада сигнала на входе интегратора. Кроме того, нет необходимости формирования опорного напряжения и его сравнения с фильтрованным синхронизирующим напряжением.
Недостатками данного способа являются: усложнение схемы из-за наличия двух интеграторов и необходимость периодической настройки интеграторов в процессе эксплуатации.
Известно управляющее устройство трехфазного управляемого выпрямителя, состоящее из генератора линейно управляющего напряжения, формирователя импульсов управления, устройства сравнения фазных напряжений, схем выбора включаемых вентилей, регистра сдвига. Ключевыми элементами выпрямителя являются полностью управляемые вентили - транзисторы (см. патент РФ № 2279178, МПК H02M 7/162 (2006.01), опубл. 27.06.2006).
Недостатком указанного устройства является незначительный диапазон регулирования выходного напряжения.
Известно также устройство выпрямителя со средней точкой; в каждом плече катодной и анодной групп включены два диода, в точку соединения которых подключены транзисторы, образующие среднюю точку. В среднюю точку также включены конденсаторы, соединенные последовательно. Подстройка уровня напряжения осуществляется синхронным включением транзисторов (см. патент США № 7,196,919 В2, опубл. 27.03.2007).
Недостатком указанного устройства является то, что выравнивание напряжений в положительной и отрицательной части источника осуществляется транзисторами с незначительным диапазоном регулирования выходного напряжения.
Известно также устройство синхронного регулятора напряжения, выполненного на микросхеме QFN36 для управления трехфазным мостовым инвертором (см. патент Яп. SI-6633С, опубл. 21.04.2016).
Недостатком устройства является его сложность, наличие большого количества компонентов и необходимость использования специализированных микросхем и драйверов.
Наиболее близким аналогом (прототипом) по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для управления вентильным преобразователем, содержащее мостовой тиристорный выпрямитель, источник напряжения, маломощные трехфазные мостовые выпрямители, импульсные пик-трансформаторы и нагрузку (см. патент РФ № 1066025, МПК H02P 13/16 (2000.01), опубл.07.01.1984).
Недостатками данного устройства являются наличие большого количества моточных элементов и низкая точность синхронизации напряжения.
Техническим результатом, достигаемым с помощью заявленных способа синхронизации системы управления преобразователей напряжения и устройства для его осуществления, является увеличение точности синхронизации напряжения, упрощение схемы синхронизации системы управления преобразователями напряжения и повышение надежности его работы.
В заявленном способе указанный технический результат достигается тем, что в известном способе синхронизации системы управления преобразователей напряжения, заключающемся в том, что формируют синхроимпульсы путем сравнения фильтрованного синхронизирующего напряжения с опорным напряжением, вычисляют исходное синхронизирующее напряжение путем деления фазных напряжений, дополнительно осуществляют деление полуволны фазного напряжения на два уровня, на первом из которых, полуволну фазного напряжения сопоставляют напряжению естественной коммутации схемы преобразователя, а на втором уровне, выпрямленное фазное напряжение сопоставляют напряжению включения гальванически развязанного электронного элемента, напряжение на котором достаточно для его включения, осуществляют сравнение фазных напряжений, позволяющее сформировать исходное синхронизирующее напряжение, осуществляющего синхронизацию цифровых (аналоговых) систем управления вентильными преобразователями и трехфазных регулируемых выпрямителей.
Благодаря новой совокупности существенных признаков способа синхронизации системы управления преобразователей напряжения и введенной последовательности действий, основанных на многоуровневом делении полуволны фазного напряжения, за счет чего осуществляется упрощение схемы и увеличивается точность синхронизации.
В заявленном устройстве синхронизации системы управления преобразователями напряжения технический результат достигается тем, что в известном устройстве управления вентильным преобразователем, содержащим маломощный трехфазный источник тока, вход которого является входом устройства, каждый из шести выходов которого соединен с входами шести формирователей положительного направления тока и шесть формирователей импульсов управления, выходы которых соединены со входом нагрузки, дополнительно введены шесть делителей фазных напряжений, вход каждого из которых соединен с первым выходом соответствующего формирователя положительного направления тока, а первые выходы соединены с первыми входами оптопар, при этом вторые выходы первого, второго и третьего делителей фазных напряжений соединены с входами первого накопительного конденсатора, первый, второй и третий выходы которого соединены с вторыми входами соответственно первой, второй и третьей оптопары, а вторые выходы четвертого, пятого и шестого делителей фазных напряжений соединены с входами второго накопительного конденсатора, первый, второй и третий выходы которого соединены с вторыми входами соответственно четвертой, пятой и шестой оптопары, причем выходы всех оптопар соединены с входами соответствующих элементов совпадения, выходы которых соединены с первыми входами соответствующих формирователей прямоугольных импульсов, выходы которых соединены с входами соответствующих формирователей импульсов управления, а вторые входы с соответствующими выходами контроллера, первая группа входов которого соединена с вторыми выходами формирователей положительного направления тока, а второй вход соединен с выходом нагрузки.
Благодаря новой совокупности существенных признаков устройства синхронизации систем управления преобразователей напряжения обеспечивается упрощение устройства, устранение моточных элементов (пик-трансформаторы) и повышение надежности работы заявляемого устройства за счет работы делителей фазных напряжений, выпрямление фазного напряжения и включения оптопары, осуществляющей включение элементов совпадения, формирующей сигнал прямоугольной формы, в формирователе прямоугольных импульсов, выделяющим момент формирования импульсов управления, формируемых в формирователе импульсов управления и контроллера, формирующего сдвиг прямоугольных импульсов.
Сущность предлагаемого способа и устройства синхронизации системы управления преобразователями напряжения состоит в формировании исходного синхронизирующего напряжения, как результата двухуровневого деления полуволны фазного напряжения и их сравнении, осуществляющего синхронизацию цифровых (аналоговых) систем управления вентильными преобразователями и трехфазных регулируемых выпрямителей.
Заявленные способ синхронизации систем управления преобразователей напряжения и устройство для его реализации поясняются чертежами, на которых показаны:
фиг. 1 - структурная схема устройства синхронизации системы управления преобразователями напряжения, реализующая способ синхронизации системы управления преобразователями напряжения;
фиг. 2 - алгоритм, реализующий способ синхронизации системы управления преобразователями напряжения;
фиг. 3 - принципиальная схема устройства синхронизации системы управления преобразователями напряжения (силовая часть схемы устройства);
фиг. 4 - алгоритм, реализующий работу устройства синхронизации системы управления преобразователями напряжения;
фиг. 5 - временные диаграммы работы синхронизации системы управления преобразователями напряжения.
Реализация заявленного способа синхронизации системы управления преобразователями напряжения, отображенного на фиг. 1, объясняется алгоритмом, представленным на фиг. 2:
на шаге 1
формируют синхроимпульсы путем сравнения фильтрованного синхронизирующего напряжения с опорным напряжением;
на шаге 2
полуволну фазного напряжения сопоставляют напряжению естественной коммутации;
на шаге 3
осуществляют сравнение напряжения включения гальванически развязанного электронного элемента с выпрямленным фазным напряжением; причем, при совпадении номиналов напряжения, осуществляется переход к шагу 4, а при несовпадении - возвращаются к шагу 2, сопоставления полуволны фазного напряжения напряжению естественной коммутации;
на шаге 4
в случае соответствия выпрямленного фазного напряжения напряжению включения гальванически развязанного электронного элемента формируют исходное синхронизирующее напряжение.
Описанный способ, применительно к устройствам синхронизации системы управления преобразователями напряжения, реализованным, например, в трехфазном регулируемом выпрямителе, может быть исполнен с помощью устройства синхронизации системы управления преобразователями напряжения, показанного на фиг. 1, 3.
Заявленное устройство синхронизации системы управления преобразователями напряжения, показанное на фиг. 1, 3, содержит маломощный трехфазный источник тока (1), вход которого является входом устройства, каждый из шести выходов которого соединен с входами шести формирователей положительного направления тока (2.1 … 2.6) и шесть формирователей импульсов управления (8.1 … 8.6), выходы которых соединены со входом нагрузки (10), шесть делителей фазных напряжений (3.1 … 3.6), вход каждого из которых соединен с первым выходом соответствующего формирователя положительного направления тока (2.1 … 2.6, каждого из шести полупроводниковых диодов, обозначенных на фиг. 3, как D1-D6), а первые выходы соединены с первыми входами оптопар (5.1 … 5.6), при этом вторые выходы первого, второго и третьего делителей фазных напряжений (3.1 … 3.3) соединены с входами первого накопительного конденсатора (4.1), первый, второй и третий выходы которого соединены с вторыми входами соответственно первой, второй и третьей оптопары (5.1 … 5.3), а вторые выходы четвертого, пятого и шестого делителей фазных напряжений (3.4 … 3.6) соединены с входами второго накопительного конденсатора (4.2), каждый из трех выходов которого соединен с вторыми входами соответственно четвертой, пятой и шестой оптопары (5.4 … 5.6), причем выходы всех оптопар (5.1 … 5.6) соединены с входами соответствующих элементов совпадения (6.1 … 6.6), выходы которых соединены с первыми входами соответствующих формирователей прямоугольных импульсов (7.1 … 7.6), выходы которых соединены с входами соответствующих формирователей импульсов управления (8.1 … 8.6), а вторые входы с соответствующими выходами контроллера (9), первая группа входов которого соединена с вторыми выходами формирователей положительного направления тока (2.1 … 2.6), а второй вход соединен с выходом нагрузки (10).
Маломощный трехфазный источник 1 предназначен для электропитания нагрузки 10.
Формирователи положительного направления тока 2.1…2.6 предназначены для однополярной подачи напряжения на делители фазных напряжений. Вариант построения формирователей положительного направления тока 2.1…2.6 (полупроводниковые диоды) известен и описан в [1].
Делители фазных напряжений 3.1…3.6 предназначены для выпрямления фазного напряжения и включения оптопары (оптрона).
Накопительные конденсаторы 4.1 и 4.2 предназначены для формирования уровня фазных напряжений при их равенстве в положительных и отрицательных полупериодах, что соответствует точке естественной коммутации силовых элементов схемы.
Оптопары 5.1…5.6 предназначены для включения других элементов схемы устройства.
Элементы совпадения 6.1 … 6.6 предназначены для формирования сигнала прямоугольной формы в формирователях прямоугольных импульсов 7.1…7.6. Вариант построения элементов совпадения 6.1…6.6 известен и описан в [1].
Формирователь прямоугольных импульсов 7.1…7.6, например, схема мультивибратора, предназначенная для выявления момента формирования прямоугольных импульсов.
Формирователь импульсов управления 8.1…8.6 - усилительные элементы, драйверы, предназначенные для формирования импульсов управления. Вариант построения формирователя импульсов управления 8.1…8.6 известен и описан в [1].
Контроллер 9 предназначен для формирования сдвига прямоугольных импульсов. Вариант построения контроллера 9 известен и описан в [2-4].
Нагрузка 10 - любая нагрузка (активная, реактивная).
Заявленное устройство синхронизации системы управления преобразователями напряжения работает по следующему алгоритму (см. фиг. 4):
1) после осуществления однополярной подачи напряжения трехфазного тока (временная диаграмма 1), полученного от маломощного трехфазного источника тока, подается питание на делители фазных напряжений (активные сопротивления постоянного и переменного номинала), форма выходного напряжения на которых представлена на фиг. 5 (временная диаграмма 2);
2) осуществляется выпрямление фазного напряжения и включение оптопары (см. фиг. 5, временная диаграмма 3);
3) формируются сигналы прямоугольной формы с выявлением момента их формирования (осуществление сдвига сигналов прямоугольной формы, например, на угол , см. фиг. 5, временные диаграммы 4-9);
4) формируются импульсы управления (см. фиг. 5, временные диаграммы 10-15).
Таким образом, форма выходного напряжения выпрямителя, корректируемая импульсами управления, например, при сдвиге сигналов на угол α=0 и α=, будет иметь вид, как показано на фиг. 5 (диаграмма 16).
Напряжение первой фазы (фиг. 5, первая эпюра напряжения) выпрямляется диодом D1 (фиг. 3) и делится резисторами R1, R2, R3. Напряжение на конденсаторе С1 и резисторе R3 оценивается из выражения:
,
а на конденсаторе С2 по той же формуле, но с обратным знаком. Светодиоды оптопар А1…А6 включаются падением напряжения 2…3 В на резисторах R2 в момент равенства напряжений на конденсаторах, что соответствует напряжению естественной коммутации силовых элементов выпрямителя.
Включение светодиодов инициирует работу транзисторов оптопар А1…А6, диоды D7, D8 реализуют формирование прямоугольных импульсов (см. фиг. 5, временные диаграммы 4-9) в момент естественной коммутации.
Для изменения момента включения силовых элементов преобразователя формирователь прямоугольных импульсов 7.1…7.6 (фиг. 1) (например, ждущий мультивибратор) может изменять момент начала формирования прямоугольных импульсов по сигналу от контроллера 9.
Таким образом, заявляемые способ и устройство синхронизации системы управления преобразователями напряжения обладают существенным положительным эффектом, заключающимся в повышении надежности работы заявляемого устройства, точности регулирования выходного напряжения преобразователя и максимального сокращения (устранения) моточных элементов (трансформаторы, установки).
Литература
1. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. 12-е изд. Т. I, Т.II: Пер. с нем. - М.: ДМК Пресс, 2008. - 832 с.: ил.
2. Однокристальные микроЭВМ. Справочник. М.: МИКАП, 1994, - 400 с. : ил.
3. Шило В.Л. Популярные микросхемы КМОП: Справочник. - М.: Горячая линия - Телеком, 2001. - 112 с.
4. Микушин А.В., Сажнев А.М., Сединин В.И. Цифровые устройства и микропроцессоры. - СПб.: БХВ-Петербург, 2010. - 832 с.