СИСТЕМА И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЕМ
CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING A RECTIFIER WITH A TRANSDUCER

Настоящее изобретение относится к системе управления выпрямителем. Кроме того, настоящее изобретение относится к способу управления выпрямителем. В частности, настоящее изобретение относится к системе управления диодным выпрямителем.
Известно, что выпрямитель преобразует сигнал переменного напряжения или тока в сигнал постоянного напряжения или тока. Он используется в различных областях и производственных процессах. Управление выходным напряжением выпрямителя обычно осуществляется следующим способом: для грубой регулировки выходного напряжения выпрямителя используется трансформатор с регулированием напряжения под нагрузкой (OLTC). Для точной регулировки выходного напряжения используются насыщаемые реакторы, которые присоединены к выпрямителю для управления выпрямителем. В предшествующем уровне техники управление реактором обычно осуществляется посредством двух токовых цепей: одна цепь смещения и одна цепь управления. Ток цепи смещения может быть получен посредством однофазного ЛАТР и диодного выпрямителя B2. В альтернативном варианте может быть использован трансформатор с некоторым числом ответвлений обмотки на стороне вторичной обмотки и выпрямитель. Ток цепи управления может быть получен за счет тиристорного выпрямителя B6. Цепь управления обычно состоит из регулируемого источника постоянного тока, который подает питание на управляющую обмотку насыщаемого реактора. В альтернативном варианте управляющим током также может быть изменяемый сигнал переменного тока, который выпрямляется посредством пассивного выпрямителя, например, с использованием диодов.
Однако недостаток такого варианта состоит в том, что для каждой из этих токовых цепей требуются два отдельных выпрямительных моста - один мост для цепи тока смещения и один мост для цепи управляющего тока. Однако это приводит к сильному усложнению и, таким образом, к повышению затрат на изготовление и обслуживание при управлении выпрямителем. Другим недостатком является то, что ЛАТР, используемый для цепи смещения, должен быть настроен вручную, что также приводит к увеличению времени ремонта и обслуживания при вводе в эксплуатацию и эксплуатации такой выпрямительной системы.
В частности, при вводе в эксплуатацию выпрямителя и в случае изменения технологических параметров при использовании выпрямителя диапазон тока смещения и управляющего тока должен быть предназначен для обеспечения оптимального управляющего отклика выпрямительной системы. Эта регулировка обычно осуществляется вручную для нахождения оптимальных значений подходящего линейного рабочего диапазона на характеристической кривой гистерезиса управляемого элемента реактора. Однако это часто требует временных затрат, когда нужно оперативно отреагировать на изменение регулируемых параметров. Кроме того, выпрямитель должен быть подобран для новых технологических параметров, чтобы обеспечивать оптимальный управляющий отклик для технической системы, присоединенной к выпрямителю.
Целью настоящего изобретения является обеспечение улучшенной системы управления выпрямителем, чтобы было проще и быстрее предусмотреть и отрегулировать управление выпрямителем. В частности, в случае когда рабочие условия выпрямителя меняются, рабочие характеристики выпрямителя должны быть отрегулированы соответствующим образом, чтобы можно было использовать выпрямитель в оптимальном рабочем диапазоне.
Другой технической задачей настоящего изобретения является обеспечение улучшенной системы управления выпрямителем, снижающей затраты на изготовление и обслуживание.
Другой технической задачей настоящего изобретения является обеспечение улучшенного способа управления выпрямителем для сокращения времени регулировки выпрямителя в случае изменения технологических параметров и в результате обеспечение оптимального управляющего отклика для технической системы, которая может быть присоединена к выпрямителю.
Сущность изобретения
Решение состоит в обеспечении системы управления выпрямителем, определенной признаками независимого пункта 1 формулы изобретения. Другое решение состоит в обеспечении способа управления выпрямителем с системой управления, определяемой признаками независимого пункта 17 формулы изобретения. Предпочтительные примеры изобретения изложены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Ключевой идеей настоящего изобретения является система управления выпрямителем, содержащая по меньшей мере один реактор на фазу, соединенный с выпрямителем, для обеспечения входного сигнала для выпрямителя, другое средство обеспечения тока смещения для управления реактором и средство обеспечения управляющего тока для управления реактором. Ток смещения зафиксирован на заранее определенном значении, которое взято в качестве входного сигнала для средства обеспечения управляющего тока, тогда как средство обеспечения управляющего тока компенсирует разность между указанным определенным значением тока смещения и начальным значением, определяющим начальную точку линейного рабочего диапазона реактора.
Важный аспект настоящего изобретения состоит в том, что выходными параметрами выпрямителя, предпочтительно диодного выпрямителя, такими как выходное напряжение или выходной ток, можно управлять путем управления регулятором, который присоединен к выпрямителю. Сам реактор управляется посредством тока смещения и/или управляющего элемента, который предусмотрен посредством цепи тока смещения и цепи управляющего тока. Электрические характеристики реактора зависят от характеристик его кривой гистерезиса, определяющей рабочий диапазон реактора. Форма кривой гистерезиса зависит от технологических параметров реактора и, таким образом, может меняться в зависимости от меняющихся внешних условий, таких как искажение сигналов, температура, влияющая на характеристики реактора. Как известно специалистам в этой области, реактор предпочтительно должен использоваться в линейном диапазоне указанной кривой гистерезиса. По сравнению с предшествующим уровнем техники в системе управления по настоящему изобретению используется заранее определенное значение, которое представляет собой величину смещения, которая измеряется и используется в качестве входного сигнала для управления реактором.
Линейный рабочий диапазон кривой гистерезиса реактора определяется начальным значением, определяющим начальную точку, и конечным значением, определяющим конечную точку линейного рабочего диапазона реактора.
В зависимости от положения величины смещения на кривой гистерезиса реактора управляющий ток обеспечивается посредством использования цепи управляющего тока для компенсации разности между значением смещения и начальной точкой линейного рабочего диапазона реактора. Таким образом, также и начальная точка линейного рабочего диапазона реактора может быть изменена за счет искажения сигнала, влияющего на реактор и, таким образом, на положение и форму его характеристической кривой гистерезиса. Система управления по настоящему изобретению позволяет уровнять и сбалансировать разность между значением смещения и начальной точкой линейного рабочего диапазона реактора, обеспечивая более простое и быстрое нахождение начальной точки линейного рабочего диапазона реактора.
Одним из преимуществ настоящего изобретения является то, что ток смещения, который представляет собой просто заранее определенное значение, может быть установлен в качестве параметра при вводе выпрямителя в эксплуатацию. Это позволяет сократить время ввода в эксплуатацию выпрямительной системы. Кроме того, гораздо проще и быстрее установить выпрямитель в нужный рабочий режим, поскольку минимальное время важно для нахождения линейного рабочего диапазона реактора. Таким образом, итеративный способ нахождения начальной и конечной точек линейного рабочего диапазона реактора, общепринятый в предшествующем уровне техники, больше не нужен.
Система управления по настоящему изобретению также обеспечивает более защищенный выпрямитель в отношении внешнего искажения сигналов, влияющего на использование выпрямительной системы, такого как шум сигнала. Даже при искажении сигнала, влияющем на выпрямитель, система управления по настоящему изобретению позволяет установить характеристики выпрямителя на предпочтительный линейный рабочий диапазон быстрее и эффективнее.
Другое преимущество настоящего изобретения состоит в том, что оно может быть осуществлено очень легко в разных технических системах, таких как системы управления и связи, поскольку оно обеспечивает заданные интерфейсы, которые могут быть присоединены к компонентам внешних систем. Система управления по настоящему изобретению сама функционирует главным образом самодостаточно и, таким образом, ее можно использовать независимо от систем управления и связи, которые присоединены к системе по настоящему изобретению.
Другим ключевым аспектом настоящего изобретения является обеспечение способа управления выпрямителем посредством системы управления по меньшей мере с одним реактором, который присоединен к выпрямителю. Реактор имеет рабочие характеристики, определяемые характеристической кривой гистерезиса, такой как кривая гистерезиса, и реактор присоединен к выпрямителю, причем реактор управляет выпрямителем.
Способ включает следующие этапы:
- задание значения тока смещения в качестве заранее определенного значения для средства управления реактором;
- обнаружение начального значения, определяющего начальную точку линейного рабочего диапазона в пределах характеристики управления реактора путем компенсации разности между заранее определенным значением тока смещения, которое взято в качестве входного сигнала для средства, обеспечивающего управляющий ток для управления реактором, и начальным значением;
- обнаружение конечного значения, определяющего конечную точку линейного рабочего диапазона реактора, при этом начальная и конечная точки определяют линейный рабочий диапазон в пределах регулировочной кривой реактора.
Следует отметить на общем виде, что начальная точка и конечная точка, определяющие линейный рабочий диапазон реактора, устанавливаются или могут быть установлены путем автоматической настройки.
Следует отметить на более детальном виде, что начальная точка линейного рабочего диапазона реактора представляет собой значение управляющего тока, предусмотренное посредством обеспечения управляющего тока, такого как ток цепи управления, которая присоединена по меньшей мере к одному реактору. Автоматическая настройка управляющего тока предназначена для компенсации разности между заранее определенным значением тока смещения, которое установлено на первом этапе, и начальной точкой. Значение тока смещения может представлять собой зафиксированный параметр смещения. Значение тока смещения может соответствовать начальной точке линейного рабочего диапазона реактора, но если заранее определенное значение тока смещения отличается от начальной точки, значение управляющего тока должно быть установлено для компенсации разности между заранее определенным значением тока смещения и начальной точкой. Это также может быть осуществлено путем автоматической настройки.
Автоматическая настройка позволяет автоматически установить пределы тока смещения и управляющего тока. Цель нахождения и задания пределов значений тока смещения и управляющего тока состоит в обеспечении максимального линейного диапазона управления для реактора, влияющего на управление выпрямителем. Следует отметить, что автоматическая настройка также может быть осуществлена в полуавтоматическом режиме с использованием трансформатора с зафиксированными ответвлениями обмотки, которые выбраны при вводе в эксплуатацию для установки тока смещения.
Другое осуществление автоматический настройки состоит в том, что она также может функционировать для системы управления с одной единственной цепью управляющего тока, обеспечивающей управляющий ток без отдельной цепи смещения, обеспечивающей ток смещения. Это предпочтительно дает возможность более быстрого ввода в эксплуатацию выпрямителя, поскольку может быть предотвращен требующий длительного времени процесс нахождения оптимальных настроек для линейного рабочего диапазона реактора вручную.
Также следует отметить, что значение тока смещения в качестве заранее определенного значения может быть установлено на фиксированную величину при вводе в эксплуатацию выпрямителя либо вручную, либо автоматически, но оно также может быть установлено на другую величину при автоматической переустановке начальной точки и конечной точки линейного рабочего диапазона реактора.
Другим преимуществом использования автоматической настройки пределов значений тока смещения и/или управляющего тока является то, что она уменьшает зависимость от ручного ввода в эксплуатацию при нахождении оптимальных настроек цепи управления. Автоматическая настройка также позволяет перенастроить цепь управления без присутствия инженера по ремонту и техническому обслуживанию на участке использования технической системы. Перенастройка также позволяет установить цепь управления на оптимальный линейный рабочий диапазон, даже при использовании выпрямителя, независимо от того, меняются ли технологические параметры и влияет ли на него искажение сигнала.
Также следует отметить, что за счет использования цепи управления для каждого реактора по отдельности может быть выровнено различие токов для разных фаз.
Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения
По первому предпочтительному варианту осуществления системы управления выпрямителем, используемым в промышленности, например в электролизе алюминия, начальная точка линейного рабочего диапазона реактора зависит от технологических параметров. Этими технологическими параметрами могут быть входное напряжение и/или ток выпрямителя. Преимуществом системы управления по настоящему изобретению является повышенная гибкость в использовании выпрямителя, главным образом, независимо от характеристик реактора, управляющего выпрямителем. Кроме того, более точные результаты могут быть достигнуты быстрее при выборе выпрямителя для изменений внешнего сигнала или изменения рабочих режимов.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения заранее определенное значение смещения для тока смещения, обеспечиваемого такими средствами как цепь тока смещения, зависит от характеристик кривой гистерезиса реактора, определяющих характеристики электрического сигнала реактора. Поскольку форма кривой гистерезиса может меняться из-за искажений сигнала, влияющих на реактор и выпрямительную систему, заранее определенное значение смещения тока смещения также может меняться. Однако это изменение затем может быть скорректировано и скомпенсировано за счет соответствующего управляющего тока, обеспечиваемого такими средствами как цепь управляющего тока.
Следует отметить, что заранее определенное значение смещения может соответствовать начальной точке, определяющей начало линейного рабочего диапазона реактора, но это может быть в исключительном случае. Таким образом, при попытке найти начальную точку должно быть скомпенсировано различие с заранее определенным значением смещения. Это достигается путем обеспечения управляющего тока посредством цепи управляющего тока с соответствующим значением.
Кроме того, следует отметить, что система управления по настоящему изобретению содержит цепь тока смещения в качестве средства обеспечения тока смещения и средство, содержащее цепь управляющего тока для обеспечения управляющего тока.
Однако система управления по настоящему изобретению также может функционировать таким образом, чтобы в системе управления использовалась только цепь управляющего тока без использования цепи тока смещения, что означает, что выпрямитель управляется исключительно посредством цепи управляющего тока. Это дает преимущество использования уменьшенного числа электрических компонентов и, таким образом, приводит к снижению затрат на эксплуатацию и обслуживание выпрямителя.
Также следует отметить, что путем использования цепи управления для каждого реактора по отдельности может быть выровнено различие токов для разных фаз.
В предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере один реактор установлен в или снаружи трансформаторного шкафа системы в зависимости от требований применения выпрямителя.
В другом варианте осуществления системы управления по настоящему изобретению переключатель ответвлений трансформатора под нагрузкой присоединен к трансформаторному шкафу для грубой регулировки выходного сигнала выпрямителя. Это обладает тем преимуществом, что затраты на систему управления снижаются, поскольку размеры реактора можно значительно уменьшить, таким образом, уменьшив реактивную мощность реактора.
По одному предпочтительному варианту осуществления цепь тока смещения и цепь управляющего тока соединены друг с другом. Это обладает тем преимуществом, что нужно использовать только цепь тока с одной намоткой в реакторе и, таким образом, снизить затраты на компоненты выпрямительной системы.
По одному предпочтительному варианту осуществления цепь тока смещения и цепь управляющего тока представляют собой две отдельные токовые цепи. Это также является предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, поскольку наложение сигналов уменьшается. В случае сбоя цепи управляющего тока этот вариант осуществления помогает предотвратить превышение пределов по току, что могло бы привести к отключению выпрямителя по соображениям безопасности, поскольку обычно компоненты цепи тока смещения более устойчивы к искажению сигналов.
По одному предпочтительному варианту осуществления средство обеспечения тока смещения и средство обеспечения цепи управления осуществлены в пределах одного блока управления, чтобы уменьшить пространство, требуемое для выпрямителя.
По одному предпочтительному варианту осуществления средство обеспечения цепи управляющего тока содержит программный модуль.
По одному предпочтительному варианту осуществления система управления по настоящему изобретению для управления выпрямителем осуществлена в выпрямителе. Применение системы управления по настоящему изобретению не ограничивается конкретным применением выпрямителя, и, таким образом, система по настоящему изобретению также может быть осуществлена в системе для управления диодным выпрямителем.
По одному предпочтительному варианту осуществления способа управления выпрямителем начальная точка и конечная точка, определяющие линейный рабочий диапазон реактора, могут быть установлены путем автоматической настройки. Автоматическая настройка значений минимального и максимального пределов линейного рабочего диапазона в рамках кривой управления по меньшей мере одного реактора для каждой фазы позволяет системе оставаться в пределах линейного рабочего диапазона реактора, даже если рабочий режим выпрямителя меняется из-за новых внешних параметров или искажения сигнала, влияющих на рабочий режим выпрямителя. Автоматическая настройка также обеспечивает быстрый и оптимальный управляющий отклик при изменении рабочих условий выпрямителя.
Другим преимуществом автоматической настройки значений начального и конечного пределов линейного рабочего диапазона в пределах кривой управления реактора является то, что периодическая регулировка этих пределов может быть проведена при регистрации изменений параметров при использовании выпрямителя. Частота проведения автоматической настройки зависит от выходного напряжения выпрямителя. Например, если превышен заранее определенный предел выходного напряжения выпрямителя, запускается автоматическая настройка. Таким образом, можно быстро отреагировать на изменения параметров, такие как изменения сигналов и изменения нагрузки, присоединенной к выпрямителю, которые могут влиять на рабочие характеристики выпрямителя. Следовательно, качество обслуживания значительно повышается за счет использования автоматической настройки вместо нахождения минимального и максимального значений линейного рабочего диапазона реактора вручную.
Другое преимущество непрерывной автоматической настройки состоит в том, что управление током используется максимально эффективно, давая потребителю самый сильный возможный средний ток и, таким образом, самую высокую возможную производительность.
Другое преимущество непрерывной настройки состоит в том, что использование переключателя ответвлений трансформатора сокращено до минимально возможного, и, таким образом, обслуживание устройства переключателя ответвлений трансформатора может быть сведено к минимуму.
Другие цели, альтернативные варианты и особенности настоящего изобретения будут очевидны по следующему подробному описанию предпочтительных вариантов осуществления в сочетании с чертежами.
На чертежах:
на фиг. 1 показан пример системы управления по настоящему изобретению, присоединенной к выпрямителю;
на фиг. 2 показан пример характеристической кривой управления реактора.
Ссылочные позиции, используемые на чертежах, и их значение приведены в справочной форме в списке ссылочных позиций. В принципе, одни и те же части снабжены одними и теми же номерами ссылочных позиций на чертежах. Все описанные варианты осуществления представляют собой пример сущности настоящего изобретения и не подразумевают какого-либо ограничения ими.
На фиг. 1 показана система 1 управления выпрямителем 2 с выходным сигналом 9, который может представлять собой выходное напряжение или выходной ток на нагрузку (не показана), присоединенную к выпрямителю 2. Выпрямителем 2 может быть диодный выпрямитель. Нагрузкой может быть, например, применение для электролиза алюминия. Система 1 управления содержит по меньшей мере один реактор 6 для каждой фазы, средство 7 обеспечения тока смещения для управления реактором 6 и средство 8 обеспечения управляющего тока для управления реактором 6. Предпочтительно средства 7 и 8 хранятся в блоке 3 управления, который присоединен по меньшей мере к одному реактору 6.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения блок 3 управления, который присоединен по меньшей мере к одному реактору 6, также может содержать только средство 8 с одиночной схемой соединения обмоток.
Кроме того, одиночный блок 3 управления может быть присоединен к нескольким реакторам 6 системы 1 управления. Следовательно, одиночный блок 3 управления может управлять несколькими реакторами 6 системы 1 управления.
В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения, если система 1 управления содержит несколько реакторов 6 для каждой фазы, возможно, чтобы для каждого реактора 6 для каждой фазы одиночный блок 3 управления был присоединен к реактору 6. В такой структуре несколько блоков 3 управления присоединены к нескольким реакторам 6. Следовательно, в таком альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения каждый блок 3 управления из нескольких блоков 3 управления управляет по меньшей мере одним реактором 6 из нескольких реакторов 6.
В качестве другого примера возможно управлять двумя реакторами одной фазы просто одним блоком 3 управления.
Реактор 6 присоединен к выпрямителю 2 для обеспечения входного сигнала на выпрямитель 2. Средство 7 обеспечения тока смещения для управления реактором 6 и средство 8 обеспечения управляющего тока для управления реактором 6 присоединены к реактору 6. По меньшей мере один реактор 6 присоединен к трансформатору 5, который также может содержать переключатель ответвлений под нагрузкой (не показан) для грубой регулировки выходного напряжения выпрямителя. По другому аспекту настоящего изобретения реактором 6 используется для управления выходным сигналом 9, которым может быть выходное напряжение или выходной ток выпрямителя 2. Рабочие характеристики реактора 6 зависят от его кривой гистерезиса, которая меняется из-за рабочих параметров, таких как внешнее искажение сигнала, влияющее на характеристики реактора.
Чтобы гарантировать, что реактор 6 используется в линейном рабочем диапазоне его кривой гистерезиса с учетом разных рабочих режимов выпрямителя 2 или искажений сигнала, влияющих на реактор 6, начальная точка и конечная точка линейного рабочего диапазона реактора должны быть установлены соответствующим образом. Это осуществляется посредством системы управления по настоящему изобретению таким способом, чтобы ток смещения был зафиксирован на заранее определенном значении, которое взято в качестве входного сигнала для средства 8 обеспечения управляющего тока для управления реактором, поскольку средство 8 компенсирует различие между заранее определенным значением тока смещения и начальным значением, определяющим начальную точку линейного рабочего диапазона реактора 6. Конечная точка относится к фиксированному значению средства 8, в которой достигается конец линейного рабочего диапазона реактора 6.
На фиг. 2 показан пример характеристической кривой управления по меньшей мере одного реактора 6, представленного на фиг. 1. Реактор 6 присоединен к выпрямителю 2 для обеспечения входного сигнала на выпрямитель 2 для управления выпрямителем 2. На фиг. 2 характеристическая кривая управления реактора 6 показана в виде кривой гистерезиса.
Далее поясняются значения точек A, B, C и D на кривой гистерезиса на фиг. 2.
Точка A - это характеристическое значение тока смещения в качестве заранее определенного значения, которое установлено средством 7 управления реактором на фиг. 1.
Точка B - это характеристическая точка для начального значения, определяющего начальную точку линейного рабочего диапазона B-D в пределах кривой управления реактора 6, как показано на фиг. 1. Начальная точка B определяется компенсацией различия между заранее определенным значением тока смещения, представленным точкой A на фиг. 2, которое взято в качестве входного сигнала для средства 8, как показано на фиг. 1, и обеспечивает управляющий ток для управления реактором 6 и начальное значение.
Точка D определяет конечную точку линейного рабочего диапазона B-D реактора 6, как показано на фиг. 1, поскольку начальная точка B и конечная точка D определяют линейный рабочий диапазон B-D в пределах кривой управления реактора 6.
Следует отметить, что точки B и D на кривой гистерезиса предпочтительно могут быть найдены посредством последовательности автоматической настройки.
Точка C взята с учетом ситуации, когда положение или форма кривой гистерезиса реактора меняется за счет рабочих условий, которые могут влиять по меньшей мере на один или более компонентов реактора 6. В таком случае автоматическая настройка может обеспечивать, чтобы начальная точка B линейного рабочего диапазона B-D реактора 6 могла быть отрегулирована автоматически для соответствия измененным рабочим условиям. Примером такой ситуации может быть измененное напряжение постоянного тока при применении при промышленном способе с погружением в ванну.
Список ссылочных позиций:
1 - система управления
2 - выпрямитель
3 - блок управления
5 - трансформаторный шкаф
6 - реактор
7 - средство обеспечения тока смещения для управления реактором
8 - средство обеспечения управляющего тока для управления реактором
9 - выходной параметр выпрямителя
A - значение тока смещения
B - начальная точка линейного рабочего диапазона реактора
C - начальная точка линейного рабочего диапазона реактора в случае изменения режима работы
D - конечная точка линейного рабочего диапазона реактора.