ТРЕХФАЗНЫЙ АКТИВНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к силовой преобразовательной технике и может быть использована для питания электроприводов постоянного тока, в составе преобразователей частоты для питания электроприводов переменного тока, в системах электропитания постоянным током, в силовых выпрямительных установках, питающихся от источников электрической энергии ограниченной мощности.
Известен трехфазный активный выпрямитель, состоящий из блока силовых вентилей, собранных по трехфазной мостовой схеме на полностью управляемых вентилях-транзисторах, датчика выпрямленного напряжения, датчиков входных фазных токов и системы управления, которая снабжена вычислителем ненаблюдаемых координат электропривода, двумя источниками постоянного тока, блоком перемножения, линейным регулятором выпрямленного напряжения в виде пропорционально-интегрального регулятора, релейными регуляторами активной и реактивной энергии в виде двухпозиционных релейных регуляторов с гистерезисной петлей без зоны нечувствительности, определителем фазового сектора и блоком выбора вектора напряжения (см. патент РФ №2467462, H02M 7/217).
Недостатком известного устройства является низкая надежность из-за нестабильной работы системы управления, использующей релейные регуляторы активной и реактивной энергии и осуществляющей выбор вектора входного напряжения выпрямителя согласно адаптивной таблице переключений. Это приводит к возникновению переменной частоты коммутации полностью управляемых ключей блока силовых вентилей, к значительным коммутационным потерям на указанных ключах, а также к аварийному останову устройства при резких несимметричных провалах напряжения источника питания.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является трехфазный активный выпрямитель напряжения, включающий силовые вентили на полностью управляемых ключах, трехфазный реактор, соединяющий входы блока силовых вентилей через датчики тока с трехфазным источником питания, емкостной фильтр, который параллельно с нагрузкой и датчиком выпрямленного напряжения подключены к выходным зажимам блока силовых вентилей, датчики напряжения трехфазного источника питания, подключенные к входным зажимам трехфазного реактора, широтно-импульсный модулятор, выходы которого подключены к управляющим входам блока силовых вентилей, систему управления, задатчик выпрямленного напряжения, задатчик реактивного тока трехфазного источника питания (Шрейнер Р.Т. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. Екатеринбург: УРО РАН, 2000. С. 600-602.).
Недостатком известного устройства является низкая надежность, в связи с отсутствием адаптации его системы управления к несимметричным провалам напряжения трехфазного источника питания, которые содержит в своем составе напряжение обратной последовательности. Отсутствие аналогичного напряжения со стороны трехфазного активного выпрямителя напряжения вызывает увеличение отдельных его фазных токов в два раза и более, что приводит к срабатыванию токовой защиты устройства и его отключению. При этом значения указанных токов ограничиваются только реактивными сопротивлениями реакторов. Кроме того, значительное увеличение токов активного выпрямителя напряжения вызывает увеличение размаха колебания напряжения на емкостном фильтре выше предельно-допустимого значения, что также приводит к срабатыванию защиты известного устройства по выпрямленному напряжению и его отключению.
Задача, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в повышении надежности работы трехфазного активного выпрямителя напряжения при несимметричных провалах напряжения источника питания.
Технический результат, создаваемый полезной моделью, заключается в создании системы управления трехфазного активного выпрямителя напряжения, ограничивающей увеличение его фазных токов при несимметричных провалах напряжения источника питания, а также ограничивающей размах колебания напряжения на емкостном фильтре в пределах допустимых значений.
a
a
a
a
a
Поставленная задача решается тем, что трехфазный активный выпрямитель напряжения, включающий силовые вентили на полностью управляемых ключах, трехфазный реактор, соединяющий входы блока силовых вентилей через датчики тока с трехфазным источником питания, емкостной фильтр, который параллельно с нагрузкой и датчиком выпрямленного напряжения подключены к выходным зажимам блока силовых вентилей, датчики напряжения трехфазного источника питания, подключенные к входным зажимам трехфазного реактора, широтно-импульсный модулятор, выходы которого подключены к управляющим входам блока силовых вентилей, систему управления, задатчик выпрямленного напряжения, задатчик реактивного тока трехфазного источника питания, согласно изменению, система управления снабжена блоком выделения симметричных составляющих напряжений прямой и обратной последовательностей в кривой напряжения источника питания, блоком фазовой автоподстройки частоты, блоком преобразования токов источника питания из неподвижной системы координат bc во вращающуюся систему координат dq, блоком пропорционально-интегральных регуляторов активной и реактивной составляющих тока источника питания, блоком преобразования управляющих напряжений прямой последовательности из вращающейся системы координат dq в неподвижную систему координат αβ первым и вторым сумматорами, блоком преобразования управляющих напряжений из неподвижной системы координат αβ в систему координат bc и блоком пропорционально-интегрального регулятора выпрямленного напряжения, при этом входы блока выделения симметричных составляющих напряжений прямой и обратной последовательностей подключены к выходам датчиков напряжения трехфазного источника питания, выходы прямой последовательности напряжений указанного блока подключены к блоку фазовой автоподстройки частоты, а выходы обратной последовательности напряжений - к первому, второму сумматорам, первый выход блока фазовой автоподстройки частоты подключен к первому входу блока преобразования токов источника питания из неподвижной системы координат bc во вращающуюся систему координат dq и к первому входу блока преобразования управляющих напряжений прямой последовательности из вращающейся системы координат dq в неподвижную системы координат αβ, второй выход блока фазовой автоподстройки частоты подключен к первому входу блока пропорционально-интегрального регуляторов активной и реактивной составляющих тока источника питания, при этом второй и третий входы блока преобразования токов источника питания из неподвижной системы координат bc во вращающуюся систему координат dq подключены к датчикам тока трехфазного источника питания, а выходы указанного блока -ко второму и третьему входам блока пропорционально-интегрального регуляторов активной и реактивной составляющих тока источника питания, четвертый и пятый входы указанного блока подключены соответственно к задатчику реактивного тока трехфазного источника питания и выходу блока пропорционально-интегрального регулятора выпрямленного напряжения, первый и второй входы которого подключены соответственно к задатчику и датчику выпрямленного напряжения, при этом выходы блока пропорционально-интегральных регуляторов активной и реактивной составляющих тока источника питания подключены ко второму и третьему входам блока преобразования управляющих напряжений прямой последовательности из вращающейся системы координат dq в неподвижную систему координат αβ, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму сумматорам, выходы последних подключены к блоку преобразования управляющих напряжений из неподвижной системы координат αβ в систему координат bc, а выходы указанного блока соединены с управляющими входами широтно-импульсного модулятора.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена функциональная схема трехфазного активного выпрямителя напряжения.
Заявляемое устройство состоит из блока силовых вентилей 1 на полностью управляемых ключах, трехфазного реактора 2, который соединяет входы блока силовых вентилей 1 через датчики тока 3 с трехфазным источником питания 4. Емкостной фильтр 5, нагрузка 6 и датчик выпрямленного напряжения 7 соединены параллельно и подключены к выходным зажимам блока силовых вентилей 1. Кроме того, заявляемое устройство содержит датчики напряжения 8 трехфазного источника питания 4, подключенные к входным зажимам трехфазного реактора 2, широтно-импульсный модулятор 9, выходы которого подключены к управляющим входам блока силовых вентилей 1, систему управления 10, задатчик выпрямленного напряжения 11 и задатчик реактивного тока 12 трехфазного источника питания 4.
a
В заявляемом устройстве система управления 10 снабжена блоком выделения симметричных составляющих 13 напряжений прямой и обратной последовательностей в кривой напряжения трехфазного источника питания 4, блоком фазовой автоподстройки частоты 14, блоком преобразования токов 15 источника питания 4 из неподвижной системы координат bc во вращающуюся систему координат dq.
Кроме того, система управления 10 снабжена блоком пропорционально-интегральных регуляторов 16 активной и реактивной составляющих тока источника питания 4, блоком преобразования 17 управляющих напряжений прямой последовательности из вращающейся системы координат dq в неподвижную систему координат αβ.
a
В заявляемом устройстве система управления 10 также снабжена первым 18 и вторым 19 сумматорами, блоком преобразования 20 управляющих напряжений из неподвижной системы координат αβ в неподвижную систему координат bc и блоком пропорционально-интегрального регулятора 21 выпрямленного напряжения.
При этом входы блока выделения симметричных составляющих 13 напряжений прямой и обратной последовательностей подключены к выходам датчиков напряжения 8 трехфазного источника питания 4. Выходы указанного блока 13 для прямой последовательности напряжений подключены к блоку фазовой автоподстройки частоты 14, а выходы для обратной последовательности напряжений - к первому 18, второму 19 сумматорам.
a
Первый выход блока фазовой автоподстройки частоты 14 подключен к первому входу блока преобразования токов 15 источника питания 4 из неподвижной системы координат bc во вращающуюся систему координат dq и к первому входу блока преобразования 17 управляющих напряжений прямой последовательности из вращающейся системы координат dq в неподвижную системы координат αβ. Второй выход блока фазовой автоподстройки частоты 14 подключен к первому входу блока пропорционально-интегрального регуляторов 16 активной и реактивной составляющих тока источника питания 4.
a
При этом второй и третий входы блока преобразования токов 15 источника питания 4 из неподвижной системы координат bc во вращающуюся систему координат dq подключены к датчикам тока 3 трехфазного источника питания 4.
Выходы указанного блока 15 подключены ко второму и третьему входам блока пропорционально-интегрального регуляторов 16 активной и реактивной составляющих тока источника питания 4.
Четвертый и пятый входы указанного блока 16 подключены соответственно к задатчику реактивного тока 12 трехфазного источника питания 4 и выходу блока пропорционально-интегрального регулятора 21 выпрямленного напряжения. Первый и второй входы, которого подключены соответственно к задатчику 11 и датчику 7 выпрямленного напряжения.
a
При этом выходы блока пропорционально-интегрального регуляторов 16 активной и реактивной составляющих тока источника питания 4 подключены ко второму и третьему входам блока преобразования 17 управляющих напряжений прямой последовательности из вращающейся системы координат dq в неподвижную системы координат αβ. Первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому 18 и второму 19 сумматорам. Выходы последних подключены к блоку преобразования 20 управляющих напряжений из неподвижной системы координат αβ в неподвижную систему координат bc. Выходы указанного блока 20 соединены с управляющими входами широтно-импульсного модулятора 9.
В созданной системе управления 10 заявляемой полезной модели блок выделения симметричных составляющих напряжений 13, блок фазовой автоподстройки частоты 14, все блоки преобразования координат 15, 17, 20, блоки пропорционально-интегральных регуляторов 16, 21, сумматоры 18, 19 выполняются на базе микропроцессорной техники, при этом используется векторная система управления с ориентацией по вектору напряжения источника питания. Задачей системы управления 10 является поддержание на заданном уровне напряжения на емкостном фильтре 5, обеспечение симметрии фазных токов активного выпрямителя напряжения и заданного коэффициента мощности указанного выпрямителя.
Трехфазный активный выпрямитель напряжения работает следующим образом.
a
b
c
Мгновенные значения фазных напряжений u, u, u с датчиков напряжения 8 трехфазного источника питания 4 подаются на входы блока выделения 13 симметричных составляющих напряжений прямой ,  и обратной ,  последовательностей. Отметим, что составляющие напряжения прямой последовательности,  обуславливают обмен энергией между трехфазным источником питания 4 и блоком силовых вентилей 1, а присутствие составляющих напряжений обратной последовательности ,  способно нарушить работу трехфазного активного выпрямители напряжения, вызывая значительное увеличение токов блока силовых вентилей 1 и значительные колебания напряжения на емкостном фильтре 5. Значения токов указанных токов ограничиваются только реактивными сопротивлениями реакторов 2. Отметим, что процесс выделения симметричных составляющих напряжений прямой ,  и обратной ,  последовательностей в блоке 13 осуществляется за полупериод питающего напряжения трехфазного источника питания 4.
Выделенные в указанном блоке 13 составляющие напряжений прямой последовательности , подаются на входы блока фазовой автоподстройки частоты 14, а составляющие напряжений обратной последовательности ,  подаются соответственно на первый 18 и второй 19 сумматоры.
a
b
c
пр
обр
Заметим, что значения симметричных составляющих напряжений прямой ,  и обратной ,  последовательностей зависят от величины несимметрии напряжений u, u, u трехфазного источника питания 4. Отметим также, что частота составляющих напряжений прямой последовательности ,  равна частоте источника питания ω=ω, а частота составляющих напряжений обратной последовательности ,  также равна частоте источника питания ω=-ω, но с обратным знаком.
пр
пр
a
b
d
q
d
q
a
b
a
Блок фазовой автоподстройки частоты 14 по мгновенным значениям составляющих напряжений прямой последовательности ,  формирует сигнал об угловом положении Θ напряжения прямой последовательности u источника питания 4 и определяет его частоту ω=ω. Сигнал об угловом положении Θ совместно с мгновенными значениями двух фазных токов i, i с датчиков токов 3 трехфазного источника питания 4 подаются соответственно на первый, второй и третий входы блока преобразования 15 токов источника питания 4 из неподвижной системы координат bc во вращающуюся систему координат dq. При этом на выходе блока преобразования координат 15 формируются два токовых сигнала i, i, значения которых во вращающейся системе координат dq остаются неизменными. Сигналы i, i отражают соответственно активную и реактивную составляющие токов i, i трехфазного источника питания 4.
d
q
dc
пр
Сформированные токовые сигналы i, i на выходах блока преобразования 15 совместно с сигналом частоты ω=ω со второго выхода фазовой автоподстройки частоты 14 подаются соответственно на второй, третий и первый входы блока пропорционально-интегрального регуляторов 16 активной и реактивной составляющих тока источника питания 4. На четвертый вход указанного блока регуляторов тока 16 подается сигнал  с задатчика реактивного тока 12 трехфазного источника питания 4. Нулевое значение реактивного тока означает, что трехфазный активный выпрямитель напряжения должен работать с коэффициентом мощности равным единице. При этом на пятый вход блока регуляторов тока 16 подается сигнал  с выхода блока пропорционально-интегрального регулятора 21 выпрямленного напряжения. Этот сигнал формируется после прохождения через пропорционально-интегральный регулятор блока 21 разницы двух сигналов . При этом первый сигнал  формируется задатчиком выпрямленного напряжения 11, а второй u - датчиком выпрямленного напряжения 7 учитывающий потребление активной энергии нагрузкой 6.
d
q
d
q
Известно, что в математическом описании активного выпрямителя существуют перекрестные связи между токами i, i, т.е. указанные токи взаимно влияют друг на друга. В системе управления 10, чтобы обеспечить раздельное регулирование активного i и реактивного i токов в блоке пропорционально-интегрального регуляторов 16 присутствуют два блока компенсации перекрестных связей, их назначение состоит в том, чтобы скорректировать задания на напряжения в соответствии с выражениями: ; ; где ω - угловая частота источника питания 4; L - индуктивность реактора.
На выходах блока пропорционально-интегрального регуляторов 16 формируются управляющие сигналы коррекции , , которые совместно с сигналом углового положении Θ с первого выхода блока фазовой автоподстройки частоты 14 подаются соответственно на второй, третий и первый входы блока преобразования 17 управляющих напряжений прямой последовательности из вращающейся системы координат dq в неподвижную систему координат αβ.
dc
На выходах указанного блока 17 формируются управляющие сигналы ,  для составляющих напряжений прямой последовательности, которые подаются соответственно на первый 18 и второй 19 сумматоры. Указанные сумматоры 18 и 19 формируют управляющие сигналы , , которые предназначены устранить отклонение выпрямленного напряжения u на емкостном фильтре 5 от заданного значения , обеспечить единичный коэффициент мощности для трехфазного активного выпрямителя напряжения. Кроме того, благодаря введению в управляющие сигналы ,  составляющих напряжений обратной последовательности ,  ослабляется влияние несимметрии напряжения трехфазного источника питания 4 на надежность работы трехфазного активного выпрямителя напряжения.
a
Сформированные управляющие сигналы коррекции , , подаются на входы блока преобразования 20 управляющих напряжений из неподвижной системы координат αβ в систему координат bc. На выходе указанного блока преобразований 20 формируются мгновенные значения фазных напряжений , , , которые подаются на управляющие входы широтно-импульсного модулятора 9, управляющий работой полностью управляемых ключах блока силовых вентилей 1.
a
b
c
dc
a
b
q
В нормальном режиме работы трехфазного источника питания 4 его мгновенные значения напряжений u, u, u образуют практически симметричную систему напряжений, а система управления 10 заявляемого устройства работает так же, как и в прототипе. При этом осуществляется поддержание напряжения u на емкостном фильтре 5 на заданном уровне  без значительных колебаний, а мгновенные значения фазных токов i, i трехфазного источника питания 4 не превышают номинальные. Кроме того, поддержание практически нулевого реактивного тока i=0 от трехфазного источника питания 4 обеспечивает единичный коэффициент мощности заявляемого устройства.
a
b
c
a
b
c
обр
обр
В аварийных режимах работы, когда имеют место несимметричные провалы напряжения трехфазного источника питания 4, в кривых напряжений u, u, u трехфазного источника питания 4 присутствует напряжения обратной последовательности u. Предложенная система управления 10 заявляемого устройства позволяет сформировать такие управляющие напряжения u, u, u для широтно-импульсного модулятора 9, которые содержат в своем составе напряжение обратной последовательности . Введение этого напряжения позволяет блоку силовых вентилей 1 ослабить влияние обратной последовательности напряжений u трехфазного источника питания 4, обеспечивая симметрию токов трехфазного активного выпрямителя напряжения.
Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает повышение надежности работы трехфазного активного выпрямителя напряжения при несимметричных провалах напряжения источника питания. Это достигается благодаря адаптации его системы управления к несимметрии трехфазного источника питания, путем введения предуправления по напряжению обратной последовательности, что обеспечивает симметрию фазных токов трехфазного активного выпрямителя напряжения, а также ограничивает размах колебания напряжения на конденсаторе емкостного фильтра в допустимых пределах. Кроме того, заявляемое устройство поддерживает единичное значение коэффициента мощности, как при симметричной системе напряжений трехфазного источника питания, так и при наличии несимметрии напряжения указанного источника.