СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ АКТИВНЫМ РЕГУЛЯТОРОМ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ АКТИВНЫМ РЕГУЛЯТОРОМ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ


RU (11) 2234726 (13) C1

(51) 7 G05F1/44, H02M5/257 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 05.12.2008 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 2003101946/09 
(22) Дата подачи заявки: 2003.01.24 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2003.01.24 
(45) Опубликовано: 2004.08.20 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: SU 1220086 А, 23.03.1986. ГЛАЗЕНКО Т.А. и др. Полупроводниковые системы импульсного асинхронного электропривода малой мощности. - Л.: Энегоатомиздат, 1983, с.10-15, рис.1-5, 1-6. WO 01/48903 А1, 05.07.2001. 
(72) Автор(ы): Сидоров С.Н. (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Ульяновский государственный технический университет (RU) 
Адрес для переписки: 432027, г.Ульяновск, ул. Северный Венец, 32, УлГТУ, проректору по НИР 

(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ АКТИВНЫМ РЕГУЛЯТОРОМ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ 

Активный регулятор переменного напряжения обеспечивает возможность одновременного независимого регулирования выходного напряжения и потребляемой активной мощности, а также величины и знака реактивной мощности сетевого входа. Выполнен по трехфазной схеме с применением согласующего трансформатора и трех коммутирующих элементов, каждый в виде однофазного диодного моста с подключенным на выходе силовым транзисторным ключом, с помощью которых осуществляется чередующееся подключение с двойной по отношению к сети частотой трехфазной нагрузки к двум вторичным обмоткам трансформатора. Предлагается способ независимого пропорционального регулирования активной и реактивной составляющих мощности сетевого входа, для чего получены математические выражения, связывающие задающие сигналы с управляющими напряжениями на входах системы импульсно-фазового управления. Технический результат - возможность реализации активного режима. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для повышения энергетических показателей трехфазных регуляторов переменного напряжения.

Выполнение регуляторов переменного напряжения на новой элементной базе в виде запираемых тиристоров GТО или транзисторных ключей типа IGBT, MOSFET позволяет перевести данные устройства в активный режим энергопотребления. Активный регулятор переменного напряжения (АРПН) отличает наличие как минимум двух управляющих входов, один из которых традиционно служит для регулирования выходного напряжения и, соответственно, потребляемой активной мощности, а второй - для одновременного регулирования величины и знака реактивной мощности сетевого входа. Таким образом, наличие второго управляющего входа позволяет данному устройству активно влиять на энергетический режим питающей сети, чем и обусловлено его название. Для перевода регулятора в активный режим необходимо обеспечить в его схеме возможность периодического чередующегося подключения трехфазной нагрузки к двум фазам питающей сети. Для этого могут служить коммутирующие элементы, каждый из которых содержит транзисторный ключ на выходе однофазного диодного моста, зажимами переменного тока соединенного с двумя вторичными обмотками согласующего трансформатора (см. например, Глазенко Т.А. и др. Полупроводниковые системы импульсного асинхронного электропривода малой мощности. Л.: Энергоатомиздат, 1983, с.10-15). Как будет показано, при таком исполнении существует возможность одновременного изменения выходного напряжения, а также величины и знака фазового сдвига 1 между сетевым напряжением и первой гармоникой потребляемого тока. Для упрощения автоматического регулирования этот процесс должен осуществляться автономно, то есть с помощью двух управляющих сигналов независимо друг от друга по линейному пропорциональному закону. Согласно известному решению (см. патент РФ № 2167484, 2001 г., Бюл.№ 14), подобное регулирование реализуется с помощью задающих сигналов Up , Uq , относительные значения которых пропорциональны активной и реактивной составляющим мощности, на основе вертикального принципа путем коммутации транзисторных ключей, в моменты равенства периодически изменяющихся синхронно с сетью опорных сигналов линейно-пилообразной формы и управляющих сигналов Uy1 , Uy2 , значения которых определяют фазовую задержку моментов включения и выключения транзисторов. Управляющие сигналы получают на выходах некого функционального построителя, на входы которого подают упомянутые выше задающие сигналы. Характеристики функционального построителя обеспечивают необходимую для линейного автономного регулирования связь указанных входных и выходных сигналов Uy1 (Up , Uq ), Uy2 (Up , Uq ), Uy3 (Up). Согласно предлагаемому решению эти выражения должны иметь следующий вид:







Реализация предлагаемого способа управления возможна в двух вариантах. Первый имеет отношение к так называемому компенсационному режиму энергопотребления АРПН, когда требуется одновременное независимое регулирование обеих указанных составляющих мощности сетевого входа. Регулирование активной мощности ведется с помощью управляющего сигнала, относительное значение которого изменяется в пределах U p=0-1, а регулирование величины и знака реактивной мощности - с помощью управляющего сигнала, изменяющегося по величине и знаку U q=0- 0.5, при этом импульсно-фазовое управление осуществляется с однократным включением каждого транзисторного ключа в течение полуволны сетевого напряжения с фазовой задержкой относительно начала полуволны, зависящей от знака реактивной мощности, а именно: в режиме генерирования реактивной мощности при U q&; 0 фазовая задержка осуществляется при включении с углом , а при выключении с углом ; в режиме потребления реактивной мощности при U q&; 0 фазовая задержка осуществляется при включении с углом , а при выключении с углом .

Второй вариант переводит устройство в компенсированный режим энергопотребления, когда регулирование выходного напряжения и потребляемой активной мощности осуществляется с помощью сигнала U p=0-1 при поддержании нулевого значения реактивной мощности. Данный режим обеспечивается установкой U q=0 при такой организации импульсно-фазового управления, когда включение каждого транзистора в течение полуволны сетевого напряжения происходит с фазовой задержкой на угол 1= /2-0.5Uy 3, а выключение - с задержкой на угол 2= /2+0.5Uy 3.

На фиг.1 представлена принципиальная схема силовых цепей и укрупненная блок-схема цепей управления рассматриваемого устройства; на фиг.2 - временные диаграммы напряжений (а, б) и мощностей (в), а также фазовая диаграмма мощностных составляющих (г), иллюстрирующие работу регулятора в компенсационном режиме неавтономного управления с углами 2= 1+ /3, на фиг.3 - аналогичные диаграммы, иллюстрирующие работу регулятора в компенсационном режиме автономного управления, реализация которого возможна при углах управления 2&; 1+ /3; на фиг.4 - аналогичные диаграммы, иллюстрирующие работу регулятора в компенсированном режиме.

Представленное на фиг.1 устройство содержит 3-фазный согласующий трансформатор 1, к одноименным выводам вторичных обмоток которого подключена нагрузка 2. Формирование импульсного напряжения в нагрузке осуществляется кратковременным попарным объединением других выводов обмоток с помощью коммутирующих элементов. Эти элементы выполнены одинаково с применением однофазных диодных мостов 3, 4, 5, к выходным зажимам которых подключены транзисторные ключи 6, 7, 8. Основными элементами цепей управления служат функциональный построитель 9, на входы которого подаются задающие сигналы Up, Uq, а на выходах получают управляющие сигналы Uy1, Uy2, Uy3, поступающие далее на входы системы импульсно-фазового управления транзисторами 10.

Алгоритм работы состоит в поочередном циклическом переключении транзисторов с двойной по отношению к сети частотой. Регулирование осуществляется импульсно-фазовым способом изменением углов включения 1 и выключения 2 транзисторов, замеряемых относительно начала положительных и отрицательных полуволн сетевого линейного напряжения. Замыкание тока нагрузки на интервалах выключенного состояния транзисторов происходит по параллельным нагрузке цепям, содержащим, как видно из фиг.1, вспомогательный диодный мост с подключенным на выходе конденсаторным фильтром и разрядным резистором.

Получим закон автономного пропорционального регулирования мощностных составляющих сетевого входа при допущении синусоидальности питающего напряжения и работы регулятора на нагрузку омического характера. В этом случае, при условии соединения первичных обмоток идеального трансформатора звездой, форма сетевого фазного тока будет совпадать с формой выходного фазного напряжения, показанного на диаграммах фиг.2а, б; 3а, б; 4а. Раскладывая данный ток в ряд Фурье, запишем выражения косинусного и синусного коэффициентов при первом слагаемом тригонометрического ряда в относительной системе координат



где Um - амплитудное значение линейного напряжения вторичных обмоток трансформатора;

R - фазное омическое сопротивление нагрузки;

КТ - коэффициент трансформации.

Данные соотношения позволяют расчитать действующее значение основной гармоники сетевого тока и фазовый сдвиг этой гармоники



а также активную и реактивную мощности на сетевом входе регулятора



После подстановки (1), (2) в (3) относительные значения активной и реактивной мощностей выразятся



Для осуществления пропорционального регулирования введем понятия задающих сигналов, значения которых равны относительным значениям указанных мощностей Up =Р ; U q=Q . Таким образом, закон пропорционального управления активным регулятором может быть представлен уравнениями (4). Решение этой системы уравнений относительно углов управления 1, 2 обеспечит возможность независимого регулирования Р и Q с помощью двух задающих сигналов в пределах Up Upг , Uq Uqг . Граничные значения сигналов можно получить, подставляя в (4) максимальный угол выключения 2=1+ /3



Придавая углу включения транзисторов всевозможные значения 1=0- , с помощью (5) на фиг.2в построены графики максимальных значений задающих сигналов Upг ( 1), Uqг ( 1), а на фиг.2г фазовая тректория этих координат. Работа при указанных задающих сигналах обеспечивает максимальные значения активной и реактивной мощностей, однако регулирование в этом случае будет неавтономным. Автономное (независимое) регулирование данных мощностей возможно при условии 2&; 1+ /3.Форма выходного напряжения Uн(t) и графики зависимостей Р ( 1), Q ( 1), в данном режиме для случая 2= 1+ /6 показаны на фиг.3 в режиме генерирования реактивной мощности при Uq&; 0 (а) и в режиме потребления реактивной мощности при Uq&; 0 (б).

Так как точное решение системы уравнений (4) относительно углов управления в явном виде представляется затруднительным, приближенное решение получено при допущении



в следующем виде:



где Uy1 , Uy2 - управляющие сигналы, значения которых пропорциональны углу включения 1 и углу выключения 2 транзистора соответственно. Техническая реализация системы управления может быть осуществлена согласно блок-схеме фиг.1. Задающие сигналы Up, Uq поступают на входы функционального построителя 9, реализующего зависимости (6). На выходах этого блока формируются управляющие сигналы Uy1 , Uy2 , поступающие далее на входы системы импульсно-фазового управления 10. Работа данной системы происходит по так называемому вертикальному принципу. Как показано на диаграммах фиг.2а, фиг.3а, при генерировании реактивной мощности Uq&; 0 формирование передних фронтов отпирающих импульсов происходит в моменты равенства управляющего сигнала U y1 с линейно возрастающими опорными сигналами пилообразной формы, в результате чего углы включения транзисторов будут определяться зависимостью 1=U у1· /3. Формирование задних фронтов отпирающих импульсов будет происходить в моменты равенства этих же опорных сигналов с управляющим сигналом U у2, в результате чего углы выключения транзисторов будут равны 2=U y2· 2 /3. При работе регулятора с потреблением реактивной мощности Uq&; 0 формирование отпирающих импульсов, как показано на фиг.2б, фиг.3б, должно происходить в моменты равенства управляющих сигналов с опорными сигналами убывающей формы, в результате чего углы включения транзисторов будут определяться согласно зависимости 1= -U у2· 2 /3, а углы выключения согласно зависимости 2= -U y1· /3.

Точность отыскания углов управления по (6) снижается по мере уменьшения реактивной мощности Uq 0, поэтому для работы в компенсированном режиме при Uq=0 был найден другой алгоритм управления. В этом режиме фазовый сдвиг первой гармоники тока должен быть равен нулю 1=0, для чего включения и выключения транзисторов должны происходить симметрично относительно вершины полуволны сетевого напряжения, то есть при соотношении 2= - 1. Подставляя данную зависимость в (4), получаем закон регулирования в компенсированном режиме



где 1= /3- /2 - диапазон изменения угла включения.

Методом регрессии с помощью (7) найдена обратная зависимость угла включения от величины задающего сигнала



Результаты расчета зависимостей (7) и (8) на фиг.4б подтверждают их тождественность. Диаграммы на фиг.4а иллюстрируют возможность реализации закона управления (8) с достаточно высокой точностью на основе вертикального принципа с применением опорного сигнала линейно-пилообразной формы. В этом случае углы включения и выключения транзисторов будут определяться в точках пересечения данного периодического сигнала с задающим сигналом U*р=0 1, согласно выражениям

1= /2-0.5U p;

2= /2+0.5U p. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. Способ управления активным регулятором переменного напряжения, содержащим в своем составе три коммутирующих элемента, с помощью которых осуществляется периодическое чередующееся подключение трехфазной нагрузки к двум фазам питающей сети с регулируемой фазовой задержкой на угол управления , отсчитываемой от начала полуволны сетевого напряжения, который предусматривает одновременное независимое регулирование выходного напряжения, соответственно, активной, а также реактивной составляющих мощности сетевого входа с помощью управляющих сигналов Up*, Uq* на входах функционального построителя, относительные значения которых пропорциональны, соответственно, активной и реактивной мощности сетевого входа, на основе вертикального принципа путем коммутации транзисторных ключей в моменты равенства периодически изменяющихся синхронно с сетью опорных сигналов линейно-пилообразной формы и управляющих сигналов, получаемых с выходов указанного функционального построителя, отличающийся тем, что, при условии синусоидальности сетевого напряжения и работы регулятора на омическую нагрузку, управляющие сигналы имеют вид:







2. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что регулирование величины активной мощности с помощью задающего сигнала, изменяющегося в пределах Up=01, а также величины и знака реактивной мощности с помощью задающего сигнала, изменяющегося по величине и знаку в пределах Uq=00,5, осуществляют при однократном включении транзисторного ключа в течение каждой полуволны сетевого линейного напряжения с фазовой задержкой относительно начала полуволны, зависящей от знака реактивной мощности, а именно в режиме генерирования реактивной мощности при Uq<0 фазовая задержка осуществляется при включении с углом , а при выключении с углом в режиме потребления реактивной мощности при Uq>0 фазовая задержка осуществляется при включении с углом , а при выключении с углом .

3. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что регулирование активной мощности с помощью задающего сигнала, изменяющего в пределах Up=0-1, при поддержании нулевого значения реактивной мощности установкой задающего сигнала Uq=0 осуществляют при однократном включении транзисторного ключа в течение каждой полуволны сетевого линейного напряжения с фазовой задержкой относительно начала полуволны при включении на угол 1=/2-0,5Uy3 и фазовой задержкой при включении на угол 2=/2+0,5Uy3.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru