СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ УПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ НА БАЗЕ ТРАНСФОРМАТОРА С ВРАЩАЮЩИМСЯ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ С ЛЮБЫМ ЧИСЛОМ СЕКЦИЙ КРУГОВОЙ ОБМОТКИ
METHOD OF REGULATING OUTPUT VOLTAGE OF CONTROLLED RECTIFIER AT BASIS OF TRANSFORMER WITH ROTATING MAGNETIC FIELD WITH ANY NUMBER OF CIRCULAR WINDING SECTIONS

Область использования
Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразователям электрической энергии, и может быть использовано в системах автоматического управления управляемыми выпрямителями (УВ), построенными на базе трансформаторов с вращающимся магнитным полем (ТВМП) [Кузьмин И.Ю., Лимонникова Е.В., Музыка М.М., Платоненков С.В., Потего П.И., Сакович И.А., Телепнев A.И., Черевко А.И. Трансформатор с трехфазной и круговой обмотками // Патент РФ №2525298].
Уровень техники
Известен способ [Черевко А.И. Системы управления полупроводниковыми преобразователями, выполненными на базе трансформаторов с вращающимися магнитными полями / А.И. Черевко, B.А. Базанов, М.М. Музыка; под. ред. А.И. Черевко. - 2005. - 92 с.] импульсно-фазового управления выпрямителем на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем, позволяющий получать N пульсаций выпрямленного напряжения в УВ с ТВМП с четным числом секций N круговой обмотки (КО) и 2N пульсаций выпрямленного напряжения в УВ с ТВМП с нечетным числом секций КО за счет поочередной коммутации ЭДС, индуцируемых в секциях КО.
Регулирование выходного напряжения в прототипе УВ с ТВМП достигается путем изменения значения напряжения на сборных шинах выпрямителя за счет смещения момента коммутации отводов секций КО, расположенных на концах максимальных хорд относительно вектора вращающегося магнитного поля, с помощью силовых ключей (СКл) на угол управления α.
d
Данный способ управления имеет существенный недостаток, выражающийся в том, что с увеличением угла управления в кривой выпрямленного напряжения появляются разрывы первого рода, из-за чего кривая выпрямленного напряжения значительно искажается, при этом доля гармонических составляющих возрастает, что приводит к снижению среднего значения выпрямленного напряжения U, практически так же, как и у классических мостовых выпрямителей:
где  для нереверсивного УВ с ТВМП определяется по формуле (2):
d0
d
U - значение выпрямленного напряжения при α=0, определяемое по формуле (3) (в формуле (1) приводится для нормирования U(α) к единице):
Период пульсации выпрямленного напряжения в формулах (1…3) и далее определяется из формул (4.1) - для ТВМП с нечетным N и (4.2) - для ТВМП с четным N:
При этом коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения с ростом угла управления α будет стремительно возрастать, что следует из выражения (5) [Силовая электроника: учебник для вузов / Ю.К. Розанов, М.В. Рябчицкий, А.А. Кваснюк. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007, с. 217]:
Задача изобретения
max
Задача применения нового способа управления УВ, построенного на базе ТВМП с любым числом секций КО, состоит в улучшении качества выходного напряжения. Для ее решения производится уменьшение разницы между максимальным и минимальным значениями выпрямленного напряжения - Δ, получающейся в процессе регулирования выпрямленного напряжения из-за разрывов первого рода в его кривой, благодаря применению нового способа управления УВ с ТВМП.
Раскрытие изобретения
PU
Новый способ управления выпрямителем на базе ТВМП, конструктивно выполненным с любым числом секций круговой обмотки, позволяет улучшить качество выходного напряжения за счет снижения коэффициента пульсаций по напряжению K на большей части диапазона регулирования.
ТВМП содержит первичную ТО и вторичную КО. При этом в задачах рассмотрения способов управления выпрямителем КО удобно заменить геометрической аналогией - правильным N-угольником, вершины которого обозначают отводы КО ТВМП, как показано на фигурах 1, 2.
PU
СР
На основе анализа геометрической аналогии КО ТВМП было показано [Черевко А.И., Музыка М.М., Платоненков С.В., Сакович И.А., Кузьмин И.Ю. Качество выходного напряжения выпрямителя, построенного на базе ТВМП, при четном и нечетном числе секций КО ТВМП // Электротехника - 2012. - №4. - с. 41-45] (фигура 1), что в ТВМП присутствует многофазное векторное пространство ЭДС, в котором можно выделить ступени регулирования, характеризующиеся одинаковым минимальным значением K. Количество ступеней регулирования (К) выражается формулой (6.1) для УВ с ТВМП с четным числом секций КО и формулой (6.2) для УВ с ТВМП с нечетным числом секций КО и определяется как количество хорд различной длины в правильном N-угольнике (фигуры 1, 2):
Длина n-й хорды правильного многоугольника, геометрического подобия КО ТВМП (фигуры 1, 2), определяется из формул (7.1) для УВ с ТВМП с четным числом N секций КО и формулы (7.2) для УВ с ТВМП с нечетным числом N секций КО как длина n-й хорды окружности (с радиусом R и центральным углом γ), в которую вписан данный многоугольник, и равняется алгебраической сумме ЭДС секций между двумя рассматриваемыми отводами КО:
d0
Нормируя выпрямленное напряжение к единице, то есть полагая определенным его максимальное значение как U=1, формулы (7.1) и (7.2) можно переписать в виде формул (8.1) и (8.2):
Векторы ЭДС n-й ступени регулирования для УВ с ТВМП с N-секциями КО определяются формулой (9.1) для УВ с ТВМП с четным числом секций КО и формулой (9.2) для УВ с ТВМП с нечетным числом секций КО:
PU
Новизна предлагаемого способа состоит в том, что регулирование выпрямленного напряжения УВ осуществляется путем эффективного с точки зрения уменьшения K перехода с одной ступени регулирования на другую, а именно путем изменения долевого соотношения длительностей подключения ЭДС данных ступеней регулирования на сборные шины выпрямителя, которые в сумме по времени составляют период пульсации выходного напряжения.
Новый способ регулирования выходного напряжения основан на новом принципе формирования выходного напряжения УВ. Многообразие форм выходного напряжения УВ определяется многофазной системой ЭДС, индуцируемых в секциях КО. Коммутационный переход может осуществляться с одной кривой ЭДС на другую, формируя участки «вертикальных» переходов в форме выходного напряжения УВ.
max
Положительный эффект в виде улучшения качества выпрямленного напряжения достигается благодаря тому, что при том же числе пульсаций на одном периоде питающей сети снижается их размах Δ, что исходя из формулы (5) приводит к снижению значения коэффициента пульсаций по напряжению.
Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим три принципиальных отличия от прототипа:
1) Для формирования кривой выпрямленного напряжения используются ЭДС дополнительные ступени регулирования.
2) Изменение значения выпрямленного напряжения от одной ступени регулирования к другой осуществляется с помощью изменения долевого соотношения длительностей коммутации ЭДС двух смежных ступеней регулирования, в сумме по времени составляющих период пульсации выходного напряжения
Диапазон значений выходного напряжения определяется объединением диапазонов значений выходного напряжения для каждого диапазона регулирования, что отмечено в формуле (11):
В формуле (11) объединяемые множества определяются как:
Максимальное и минимальное значения для  диапазона регулирования могут быть найдены по формулам (12.1) и (12.2) соответственно:
d
3) УВ с предлагаемым способом управления имеет особую регулировочную характеристику U(α), состоящую из нескольких участков, описывающих выходное напряжение в функции угла управления в пределах каждого сегмента регулирования.
Краткое описание чертежей
П
1
2
На фигурах 1, 2 приведена геометрическая аналогия КО ТВМП с 9 и 10 секциями соответственно. Показано, что каждая секция может быть условно представлена источником ЭДС равной амплитуды и различного фазового сдвига. Проиллюстрировано, что в качестве геометрической аналогии КО ТВМП можно рассматривать правильный N-угольник. На фигурах отмечено направление движения с угловой частотой ω результирующего вектора магнитной индукции ТВМП, а также геометрический смысл угловой длительности пульсации выпрямленного напряжения - Т. Показано, что нумерация СКл при формализации алгоритмов управления совпадает с направлением движения результирующего вектора магнитной индукции ТВМП. Сплошными толстыми линиями выделены хорды многоугольников, формирующие различные ступени регулирования: первую (Е), вторую (Е) и так далее.
1
5
П
П
На фигуре 3 на примере УВ с ТВМП с 10 секциями КО на временной диаграмме мгновенных значений ЭДС, присутствующих на отводах КО, под буквами (а)…(д) показаны сегменты регулирования, которые ограничены мгновенными значениями ЭДС, формируемыми между соответствующих ступеней регулирования E…E. Показан период пульсации выходного напряжения Т. Для каждого сегмента регулирования утолщенными линиями показаны кусочно-заданные функции, интегрирование которых на интервале Т определяет значение выпрямленного напряжения.
На фигуре 4 показана регулировочная характеристика УВ с ТВМП с N=10 секциями КО.
На фигуре 5 показана графическая зависимость коэффициента пульсаций по напряжению от значения выпрямленного напряжения, характеризующая качество выпрямленного напряжения на всем диапазоне его регулирования: для классического способа управления (а), для классического способа управления, но применительно к различным ступеням регулирования (б…д) и для нового способа управления (е)
На фигурах 6…29 показаны осциллограммы выходного напряжения УВ с ТВМП с 10 секциями КО при различных значениях угла управления при регулировании от максимального значения выходного напряжения (фигура 6) до минимального (фигура 29).
На фиг. 30 и 31 показано геометрическое нахождение углов δ1 и δ2.
Осуществление изобретения
В качестве примера далее будет рассматриваться нереверсивный УВ на базе ТВМП с N=10 секциями КО.
Значение выпрямленного напряжения на каждом сегменте регулирования может быть найдено из формул (13)-(17):
В формулах (13)…(17) подынтегральные функции  описываются формулами (18)…(22) соответственно:
a
На третьем сегменте регулирования коммутационный переход с 3 ступени регулирования на 4-ю осуществляется когда мгновенные значения ЭДС равны, то есть проекции (h) хорд ⎥1; 4⎢ и ⎥10; 8⎢ на ось O-O1 равны (фигура 30). Для определения функции  должен быть известен угол δ1, который можно найти из треугольника Δ(1-4-11)=ΔАВС:
Известные стороны треугольника:
Проекция хорд ⎥1; 4⎢ и ⎥10; 8⎢ на ось O-O1 является высотой 1-12 треугольника Δ(1-4-11) и может быть найдена по формуле:
По теореме косинусов:
Тогда формула (23) с учетом (25)…(28) преобразуется к виду:
a
На четвертом сегменте регулирования коммутационный переход с 4 ступени регулирования на 5-ую осуществляется когда мгновенные значения ЭДС равны, то есть проекции (h) хорд ⎥1; 3⎢ и ⎥10; 9⎢ на ось О-О1 равны (фигура 31). Для определения функции  должен быть известен угол δ2, который можно найти из треугольника Δ(1-3-11)=ΔАВС:
Известные стороны треугольника:
Проекция хорд ⎥1; 3⎢ и ⎥10; 9⎢ на ось O-O1 является высотой 1-12 треугольника Δ(1-3-11) и может быть найдена по формуле:
По теореме косинусов:
Тогда формула (30) с учетом (31)…(34) преобразуется к виду:
PU
d
Для УВ с ТВМП с 10 секциями КО на фигуре 3 показаны доступные сегменты регулирования. На фигуре 4 приведена регулировочная характеристика выпрямителя. На фигуре 5 показаны графики зависимости коэффициента пульсаций по напряжению от значения выпрямленного напряжения - K(U), которые показывают, что новый способ управления УВ с ТВМП позволяет получить улучшенное качество выходного напряжения практически на всем диапазоне регулирования.