Активний трифазний чотириквадрантний випрямляч

Реферат: UA 94401 U UA 94401 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до силової перетворювальної техніки і може бути використана в системах живлення постійним струмом, у силових випрямних установках, для живлення електроприводів постійного струму, у складі перетворювачів частоти. Відомий діодний випрямляч "Диодный выпрямитель (его варианты)" патент RU 2246169, МПК Н02М07/10, опублікований 10.02.2005. Основними складовими елементами випрямляча є діодний трифазний міст, фільтрові конденсатори та обмежувач пускового струму між середньою точкою фільтрових конденсаторів та нейтраллю мережі. Недоліками такого випрямляча є великі масогабаритні показники реактивних елементів фільтра, низька якість випрямленої напруги (високий рівень пульсації), відсутність можливості регулювання, стабілізації та рекуперації, а також низький коефіцієнт потужності, зумовлений високим рівнем вищих гармонік струму, що споживається з живлячої мережі. Останні недоліки зумовлюють низький рівень електромагнітної сумісності зазначеного випрямляча з живлячою мережею та навантаженням. Відомий трифазний керований випрямляч "Трехфазный управляемый выпрямитель", патент RU 2279178, МПК Н02М07/162, опублікований 27.06.2006, прийнятий за прототип. Він складається з блока повністю керованих силових ключів, зібраних за трифазною мостовою схемою, вхідного і вихідного фільтра, трьох датчиків вхідної напруги, датчика вихідної напруги і системи керування. У блоці силових ключів як ключі використовуються повністю керовані напівпровідникові прилади. У систему керування входять генератор пилкоподібної напруги, формувач імпульсів керування, циклічний регістр зсуву, пристрій порівняння фазних напруг і схема вибору увімкнення силових ключів. При цьому вихід генератора пилкоподібної напруги підключений до першого вхідного виводу формувача імпульсів управління, до другого вхідного виводу якого підключений вихід датчика випрямленої напруги, а вихідний вивід формувача імпульсів управління підключений до вхідного виводу циклічного регістра зсуву, що має три вихідних виводи, якими він підключений до трьох з шести вхідних виводів схеми вибору включення вентилів, до інших трьох вхідних виводів схеми вибору включення вентилів підключені вихідні виводи пристрою порівняння фазних напруг, які трьома своїми вхідними виводами підключено до фазних провідників живильної мережі, а шість вихідних виводів схеми вибору включення вентилів через пристрій узгодження з'єднані з керуючими виводами силових вентилів блока силових вентилів. Пристрій споживає струм синусоїдальної форми та високий коефіцієнт потужності. Однак недоліками трифазного керованого випрямляча є відсутність можливості реалізації рекуперації (перетікання енергії від споживача, навантаження, до живлячої мережі) та відносно ненадійна система керування випрямляча при умові роботи з мережею з високим вмістом вищих гармонік. Найбільш близьким до пристрою, що заявляється, вибраним як прототип, є трифазний активний випрямляч "Трехфазный активный выпрямитель", патент RU 2467462, МПК Н02М07/217, опублікований 20.11.2012. Трифазний активний випрямляч, що складається з блока силових вентилів, зібраних за трифазною мостовою схемою на повністю керованих вентилях транзисторах, датчика випрямленої напруги і системи управління, на вході він забезпечений датчиками вхідних фазних струмів, а система управління забезпечена обчислювачем неспостережуваних координат електроприводу, двома джерелами постійного струму, блоком перемноження, лінійним регулятором випрямленої напруги, релейними регуляторами активної та реактивної енергії, визначником фазового сектора і блоком вибору вектора напруги, причому вхідні виводи обчислювача з'єднані з датчиками вхідних фазних струмів і вихідними виводами блока вибору вектора напруги і датчиком випрямленої напруги, а вихідні виводи з першими вхідними виводами релейних регуляторів активної і вихідні виводи з першими вхідними виводами релейних регуляторів активної і реактивної енергії та визначником фазового сектора, вихідний вивід блока визначення фазового сектора з'єднаний з першим вхідним виводом блока вибору вектора напруги, другий вхідний вивід релейного регулятора реактивної енергії з'єднаний з джерелом постійного струму, а вихідний вивід з другим вхідним виводом блока вибору вектора напруги, вхідні виводи лінійного регулятора випрямленої напруги з'єднані з джерелом постійного струму і датчиком випрямленої напруги, а вихідний вивід з першим вхідним виводом блока перемноження, другий вхідний вивід якого з'єднаний з датчиком випрямленої напруги, вихідний вивід блока перемноження з'єднаний з другим вхідним виводом релейного регулятора активної енергії, вихідний вивід якого з'єднаний з третім вхідним виводом блока вибору вектора напруги, а вихідні виводи блока вибору вектора напруги з'єднані з керуючими висновками транзисторів. При цьому лінійний регулятор випрямленої напруги виконаний у вигляді пропорційно-інтегрального регулятора, а релейні регулятори активної і реактивної енергії виконані у вигляді двопозиційних релейних регуляторів з гістерезисною петлею без зони нечутливості. Недоліком цього перетворювача є відсутність можливості 1 UA 94401 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 реалізації рекуперації, а також ненадійна робота системи керування при наявності вищих гармонік в живлячій мережі. Задачею корисної моделі є реалізація режиму активного випрямлення з синусоїдальною формою фазних струмів та коефіцієнтом потужності, близьким до одиниці, реалізація режиму рекуперації з синусоїдальною формою фазних струмів та високим коефіцієнтом потужності та стійкість системи керування до наявності вищих гармонік у живлячій мережі. Ця задача вирішується тим, що активний трифазний чотириквадрантний випрямляч, який складається з блока повністю керованих силових ключів, зібраних за трифазною мостовою схемою, вхідного фільтра, вихідного фільтра, датчика вихідної напруги, блока датчиків вхідних фазних напруг, блока датчиків вхідних фазних струмів та системи керування, до складу якої входять блок виділення перших гармонік, блок задання рівня напруги, при якій перетворювач починає рекуперацію, регулятор режиму рекуперації, блок задання вихідної напруги, регулятор вихідної напруги, контролер керування ключами, три суматори, три помножувачі, причому вихідний сигнал датчика вихідної напруги подається на перший вхід регулятора режиму рекуперації та на перший вхід регулятора вихідної напруги, на другий вхід регулятора вихідної напруги подається вихідний сигнал блока задання рівня вихідної напруги, вихідний сигнал якого подається на перші входи трьох помножувачів, на другі входи трьох помножувачів подаються вихідні сигнали блока датчиків фазних струмів, на другий вхід регулятора режиму рекуперації подається вихідний сигнал блока задання кількості енергії яка рекуперується, у той час вихідні сигнали блока датчиків вхідних фазних напруг подаються на вхід блока виділення перших гармонік, вихідні сигнали блока виділення перших гармонік подаються на третій, четвертий та п'ятий вхід регулятора режиму рекуперації, вихідні сигнали помножувачів подаються на перші входи суматорів, а на другі входи суматорів подаються вихідні сигнали регулятора режиму рекуперації, вихідні сигнали суматорів подаються на контролер керування ключами, вихідні сигнали якого подаються на шість повністю керованих силових ключів. Регулятор вихідної напруги може бути виконаний на основі пропорційно-інтегрального, пропорційно-інтегральнодиференціального або фазорегулятора. Контролер керування ключами може бути виконаний як релейні регулятори із гістерезисною зоною нечуттєвості або як таблиця стану комутаційних положень ключів. Корисна модель пояснюється кресленнями: Фіг. 1 - Схема активного трифазного чотириквадрантного випрямляча; Фіг. 2 - Структурна схема активного трифазного чотириквадрантного випрямляча; Фіг. 3 - Сигнали в системі керування активного трифазного чотириквадрантного випрямляча; Фіг. 4 - Форма фазних струмів та напруг фази А; сигнал керування на ключі 5 та 6 (VT1 та VT2 згідно з позначенням ключів з фіг. 1); Фіг. 5 - Компьютерна Matlab-модель активного трифазного чотириквадрантного випрямляча; Фіг. 6 - Осцилограми фазних струмів, фазних напруг та вихідної напруги у режимі пуску отримані при моделюванні системи у пакеті Matlab; Фіг. 7 - Осцилограми переходу з режиму активного випрямлення в режим рекуперації, отримані при моделюванні системи у пакеті Matlab; Активний трифазний чотириквадрантний випрямляч (див. фіг. 2) складається з блока силових ключів 4, зібраних за трифазною мостовою схемою на повністю керованих силових ключах 5, 6, 7, 8, 9, 10, вхідного L-фільтра 3, вихідного фільтра 11, датчика вихідної напруги 12, блока датчиків вхідних фазних напруг 2, блока датчиків вхідних фазних струмів 1 та системи керування 25. Активний трифазний чотириквадрантний випрямляч живиться від трифазної електричної мережі 27. До випрямляча підключено навантаження 26. До складу системи керування 25 входять: блок виділення перших гармонік 13, блок задання рівня напруги, при якій перетворювач починає рекуперацію 14, регулятор режиму рекуперації 15, контролер керування ключами 16, блок задання рівня вихідної напруги 17, регулятор вихідної напруги 18, три суматори 19, 20, 21 та три помножувачі 22, 23, 24. Вихідний сигнал датчика вихідної напруги 12 подається на перший вхід регулятора режиму рекуперації 15 та на перший вхід першого регулятора вихідної напруги 18, на другий вхід регулятора вихідної напруги 18 подається вихідний сигнал блока задання рівня вихідної напруги 17. На другий вхід регулятора режиму рекуперації 15 подається вихідний сигнал блока задання рівня напруги, при якій перетворювач починає рекуперацію 14. Вихідний сигнал регулятора вихідної напруги 18 подається на перші входи помножувачів 22, 23, 24, на другі вхід помножувачів 22, 23, 24 подаються вихідні сигнали блока датчиків фазних струмів 1. При цьому на помножувач 22 подається сигнал фази А, на помножувач 23 подається сигнал фази В, на помножувач 24 подається сигнал фази С. Вихідні сигнали блокуа датчиків фазних напруг 2 подаються на входи блока виділення перших гармонік 13. Вихідний сигнал блока виділення 2 UA 94401 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 перших гармонік 13 подається на третій, четвертий та п'ятий вхід регулятора режиму рекуперації 15. Вихідні сигнали регулятора режиму рекуперації 15 подаються на другі входи суматорів 19, 20 та 21. При цьому з регулятора режиму рекуперації 15 на суматор 19 подається сигнал фази А, на суматор 20 подається сигнал фази В, на суматор 21 подається сигнал фази С Вихідні сигнали помножувачів 22, 23, 24 подається на перші входи суматора 19, 20 та 21. Вихідні сигнали суматорів 19, 20 та 21 подаються на контролер керування ключами 16, вихідні сигнали якого подаються на шість повністю керованих силових ключів 5, 6, 7, 8, 9, 10. Підключено активний трифазний чотириквадрантний випрямляч до трифазної мережі земного струму 27. На фіг. 3 наведено сигнали в системі керування активним трифазним чотириквадрантним випрямлячем. Позиції на фігурі 3: Uc - сигнал вихідної напруги випрямляча з датчика вихідної напруги 12 (див. фіг. 2); Usa, Usb, Usc - сигнали миттєвих значень фазних напруг з блока датчиків фазних напруг 2 (див. фіг. 2); Usa1, Usb1, Usc1 - сигнали миттєвих значень перших гармонік фазних; isa, isb, isc - сигнали миттєвих значень фазних струмів випрямляча з блока датчиків фазних струмів (див. фіг. 2); Isa, Isb, Isc - сигнал задання форми фазних струмів випрямляча; ia_am, ib_am, ic_am - сигнал масштабованих миттєвих значень фазних струмів; Δіа, Δіb, Δіc - сигнали неузгодженості фазних струмів; Uout - сигнал задання рівня вихідної напруги випрямляча з блоку 14 (див.фіг.2); Urecup - сигнал завдання рівня вихідної напруги випрямляча, при якій випрямляч переходить в режим рекуперації з блока 14 (див. фіг. 2). Активний трифазний чотириквадрантний випрямляч працює наступним чином. Суматори 19, 20 та 21 розраховують різницю сигналів миттєвих значень перших гармонік фазних напруг Isa, Isb, Isc, які по суті є сигналами задання форми і фази форми фазних струмів, та сигналів масштабованих фазний струмів isa, isb, isc. Вихідні сигнали суматорів 19, 20, 21 Δіа, Δіb, Δіc представляють миттєву різницю (відхилення) миттєвих значень фазних струмів від їх сигналів задання та подаються на контролер керування ключами 16. Контролер керування ключами має задану величину гістерезису, за допомогою якої формується синусоїдальна форма спожитого струму випрямляча. Контролер керування ключами працює згідно з наступною логікою: Опис фази А. Якщо сигнал миттєвого значення фазного струму фази А більше сигналу задання фазного струму на величину гістерезису (ia_am-Isa>hyst), тоді на ключ 5 подається сигнал відкриття, а на ключ 6 подається сигнал закриття. При цьому миттєве значення струму зменшується. Коли сигнал миттєвого значення фазного струму менше сигналу задання фазного струму на величину гістерезису (ia_am-Isahyst), тоді на ключ 7 подається сигнал відкриття, а на ключ 8 подається сигнал закриття. При цьому миттєве значення струму зменшується. Коли сигнал миттєвого значення фазного струму менше сигналу задання фазного струму на величину гістерезису (ib_am-Isbhyst), тоді на ключ 9 подається сигнал відкриття, а на ключ подається 10 сигнал закриття. При цьому миттєве значення струму зменшується. Коли сигнал миттєвого значення фазного струму менше сигналу задання фазного струму на величину гістерезису, (ic_am-Isc