Джерело струму з дискретним споживанням електроенергії

Реферат: Джерело струму з дискретним споживанням електроенергії містить шість ключів, кожний із яких виконаний на зустрічно-паралельно з'єднаних IGBT-транзисторах. Ключі з'єднані послідовно по два, перші виводи яких підключені до фазних затискачів мережі, а другі виводи - до затискача нейтралі мережі, три ланцюжки із послідовно з'єднаних дроселів, датчиків фазних струмів і навантажень, перші виводи яких підключені до середніх точок відповідних пар послідовно з'єднаних ключів, три релейних елементи, три суматори, виходи яких з'єднані з входами відповідних релейних елементів, система керування ключами, виходи якої з'єднані з затворами IGBT-транзисторів відповідних ключів, блок задання, перший, другий і третій виходи якого з'єднані з підсумовуючими входами першого, другого і третього суматорів, з віднімаючими входами яких з'єднані виходи відповідних датчиків струму. Джерело струму містить силовий активний випрямляч, виконаний за трифазною мостовою схемою на IGBT-транзисторах, шунтованих зворотними діодами, входи якого з'єднані з відповідними другими виводами навантажень, два послідовно з'єднаних конденсатори, вільні виводи яких з'єднані з виходом силового активного випрямляча, а їх середня точка з'єднана з нейтраллю мережі, система керування силовим активним випрямлячем, виходи якої з'єднані з затворами його IGBTтранзисторів, а перший, другий і третій входи з'єднані з виходами відповідно першого, другого й третього релейних елементів, датчик напруги з'єднаний з виходом силового активного випрямляча, послідовно з'єднані четвертий суматор і четвертий релейний елемент, вихід якого підключений до першого входу системи керування ключами. Підсумовуючий вхід четвертого суматора з'єднаний з четвертим виходом блока задання, його віднімаючий вхід підключений до виходу датчика напруги, три нуль-органи фазних струмів, входи яких з'єднані з виходами датчиків фазних струмів, а виходи з другим, третім і четвертим входами системи керування ключами, датчик фазних напруг, входи якого підключені до затискачів трифазної мережі, а його виходи з'єднані з відповідними входами блока задання. UA 90925 U (54) ДЖЕРЕЛО СТРУМУ З ДИСКРЕТНИМ СПОЖИВАННЯМ ЕЛЕКТРОЕНЕРГІЇ UA 90925 U UA 90925 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до електротехніки і може бути використана для живлення навантажень, що вимагають регулювання струму. Відоме джерело струму, до складу якого входить трифазний індуктивно-ємнісний перетворювач, вхідні затискачі якого з'єднані з трифазною мережею, вихідні - з трифазним навантаженням [Милях А.Н., Волков И.В. Системы неизменного тока на основе индуктивноемкостных преобразователей, 1974, 216 с.]. Недоліком відомого джерела струму є неможливість регулювання струму в навантаженні, а також низька електромагнітна сумісність з мережею. Найбільш близьким за технічним рішенням і задачею, що вирішується, є джерело струму, до складу якого входять шість ключів, кожний із яких виконаний на зустрічно-паралельно з'єднаних IGBT-транзисторах, при цьому ключі з'єднані послідовно по два, перші виводи яких підключені до фазних затискачів мережі, а другі виводи - до затискача нейтралі мережі, три ланцюжки із послідовно з'єднаних дроселів, датчиків фазних струмів і навантажень, перші виводи яких підключені до середніх точок відповідних пар послідовно з'єднаних ключів, а виводи навантажень з'єднані з нейтраллю мережі, три релейних елементи, три суматори, виходи яких з'єднані з входами відповідних релейних елементів, система керування ключами, виходи якої з'єднані з затворами IGBT-транзисторів відповідних ключів, і входи - з виходами релейних елементів, блок завдання, перший, другий і третій виходи якого з'єднані з підсумовуючими входами першого, другого і третього суматорів, з віднімаючими входами яких з'єднані виходи відповідних датчиків струму [A fixed band hysteresis current controller for voltage Source AC chopper, Proceedings of World Academy of Science: Engineering & Technolog, Nov2008, Vol.47, p 351]. Недоліком відомого джерела струму є відсутність електромагнітної сумісності з мережею живлення. В основу корисної моделі поставлена задача покращення електромагнітної сумісності з мережею живлення завдяки введенню силового активного випрямляча з системою керування, чим досягається зменшення втрат потужності. Поставлена задача вирішується за допомогою того, що в джерело струму, до складу якого входять шість ключів, кожний із яких виконаний на зустрічно-паралельно з'єднаних IGBTтранзисторах, при цьому ключі з'єднані послідовно по два, перші виводи яких підключені до фазних затискачів мережі, а другі виводи - до затискача нейтралі мережі, три ланцюжки із послідовно з'єднаних дроселів, датчиків фазних струмів і навантажень, перші виводи яких підключені до середніх точок відповідних пар послідовно з'єднаних ключів, три релейних елементи, три суматори, виходи яких з'єднані з входами відповідних релейних елементів, система керування ключами, виходи якої з'єднані з затворами IGBT-транзисторів відповідних ключів, блок задання, перший, другий і третій виходи якого з'єднані з підсумовуючими входами першого, другого і третього суматорів, з віднімаючими входами яких з'єднані виходи відповідних датчиків струму, згідно з корисною моделлю, додатково введено силовий активний випрямляч, виконаний за трифазною мостовою схемою на IGBT-транзисторах, шунтованих зворотними діодами, входи якого з'єднані з відповідними другими виводами навантажень, два послідовно з'єднаних конденсатори, вільні виводи яких з'єднані з виходом силового активного випрямляча, а їх середня точка з'єднана з нейтраллю мережі, система керування силовим активним випрямлячем, виходи якої з'єднані з затворами його IGBT-транзисторів, а перший, другий і третій входи з'єднані з виходами відповідно першого, другого й третього релейних елементів, датчик напруги з'єднаний з виходом силового активного випрямляча, послідовно з'єднані четвертий суматор і четвертий релейний елемент, вихід якого підключений до першого входу системи керування ключами, а підсумовуючий вхід четвертого суматора з'єднаний з четвертим виходом блока задання, при цьому його віднімаючий вхід підключений до виходу датчика напруги, три нуль-органи фазних струмів, входи яких з'єднані з виходами датчиків фазних струмів, а виходи - з другим, третім і четвертим входами системи керування ключами, датчик фазних напруг, входи якого підключені до затискачів трифазної мережі, а його виходи з'єднані з відповідними входами блока задання. На фіг. 1 представлена схема запропонованого джерела струму. На фіг. 2 показано процеси, що відбуваються в джерелі струму. На фіг. 3 показана реакція на змінення величини опору навантаження. На фіг. 4 показана реакція на змінення величини напруги мережі. До складу джерела струму входять шість ключів 1, 2, 3, 4, 5 і 6, кожний із яких виконаний на зустрічно-паралельно з'єднаних IGBT-транзисторах, при цьому ключі з'єднані послідовно по два 1 і 2, 3 і 4, 5 і 6, перші виводи яких підключені до фазних затискачів мережі, а другі виводи - до затискача нейтралі мережі, три ланцюжки із послідовно з'єднаних дроселів 7, 8, 9, датчиків 1 UA 90925 U 5 10 15 20 25 30 фазних струмів 10, 11, 12 і навантажень 13, 14, 15, перші виводи яких підключені до середніх точок відповідних пар послідовно з'єднаних ключів, три релейних елементи 16, 17, 18, три суматори 19, 20, 21, виходи яких з'єднані з входами релейних елементів 16, 17, 18, система керування 22 ключами, виходи якої з'єднані з затворами IGBT-транзисторів ключів 1, 2, 3, 4, 5 і 6, блок задання 23, перший, другий і третій виходи якого з'єднані з підсумовуючими входами першого 19, другого 20 і третього 21 суматорів, з віднімаючими входами яких з'єднані виходи датчиків 8, 11, 14 струму, силовий активний випрямляч 24, виконаний за трифазною мостовою схемою на IGBT-транзисторах, шунтованих зворотними діодами, входи якого з'єднані з другими виводами навантажень 9, 12, 15 відповідно, два послідовно з'єднаних конденсатори 25, 26, вільні виводи яких з'єднані з виходом силового активного випрямляча 24, а їх середня точка з'єднана з нейтраллю мережі, система керування 27 силовим активним випрямлячем, виходи якої з'єднані з затворами його IGBT-транзисторів, а перший, другий і третій входи з'єднані з виходами першого 16, другого 17 й третього 18 релейних елементів відповідно, датчик 28 напруги з'єднаний з виходом силового активного випрямляча 24, послідовно з'єднані четвертий суматор 30 і четвертий релейний елемент 29, вихід якого підключений до першого входу системи керування ключами 22, а підсумовуючий вхід четвертого суматора 30 з'єднаний з четвертим виходом блока задання 23, при цьому віднімаючий вхід суматора 30 підключений до виходу датчика напруги 28, три нуль-органи 31, 32, 33 фазних струмів, входи яких з'єднані з виходами датчиків 8, 11, 14 фазних струмів, а виходи - з другим, третім і четвертим входами системи керування 22 ключами, датчик 34 фазних напруг, входи якого підключені до затискачів трифазної мережі, а його виходи з'єднані з відповідними входами блока задання 23. Джерело струму працює таким чином. Роботу джерела можна характеризувати двома функціями: відпрацювання заданих синусоїдальних струмів в навантаженнях і забезпечення стійкої роботи за рахунок збереження балансу потужностей споживаної із мережі та навантаженнях. Для забезпечення працездатності джерела необхідно, щоб конденсатори 25 і 26 були попередньо заряджені до напруги, що перевищує амплітуду фазної напруги мережі, тобто UC1  UC2  Umф ( Umф амплітуда фазної напруги мережі). Забезпечення балансу потужностей здійснюється за допомогою широтно-імпульсної модуляції напруги мережі живлення. Враховуючи, що запропоноване джерело струму електромагнітно сумісне з мережею (фазні напруги і струми в навантаженнях співпадають за фазою,   0 ), то потужність, споживана із мережі, при підключеному до мережі джерела (ключі 1, 3, 5 - замкнуті, а 2, 4, 6 - розімкнені) буде ImфUmф ( Imф - амплітуда фазного струму в навантаженні, що задана). Потужність в Pс  3 2 навантаженні буде Pн  3 35 2 ImфRн ( Rн - опір навантаження). Якщо Pс  Pн (умова працездатності 2 джерела), то конденсатори 25 і 26 будуть заряджатися. Заряд конденсаторів 25 і 26 контролюється датчиком напруги 28, сигнал з виходу якого надходить до віднімаючого входу суматора 30. На підсумовуючий вхід суматора 30 надходить сигнал UCз з блоку задання 23. Різниця сигналів UCз  UC1  UC2  з виходу суматора 30 надходить на релейний елемент 29 40 45 50 з зоною нечутливості "2b". Як тільки UC1  UC2  перевищить UCз на "2b", на виході релейного елемента 29 з'явиться сигнал (наприклад "0"), що надходить на вхід системи керування 22 ключами. На відповідні входи системи керування 22 надходять сигнали з нуль-органів 31, 32, 33 фазних струмів в навантаженнях. Система керування 22 при співпадінні сигналу "0" з виходу релейного елемента 29 і сигналів з виходів нуль-органів 31, 32, 33 забезпечує відключення ключів 1, 3, 5 і включення ключів 2, 4, 6 в моменти переходу фазних напруг мережі (фазних струмів в навантаженні) через нуль. Це забезпечує відключення джерела від мережі, а відпрацювання заданого синусоїдального струму в навантаженні здійснюється за рахунок енергії конденсаторів 25 і 26. Конденсатори починають розряджатися і, як тільки UC1  UC2 стануть меншими за UCз на величину "2b", на виході релейного елемента 29 з'явиться сигнал (наприклад "1"), що надходить на вхід системи керування 22 ключами. Система керування 22 забезпечує при цьому включення ключів 1, 3, 5 і відключення ключів 2, 4, 6 в момент переходу фазних напруг (струмів) через нуль. В подальшому процеси повторюються, забезпечуючи рівність Pн  Pс , де відносна ImфRн тривалість підключення мережі до джерела струму   . Umф 2 UA 90925 U Формування синусоїдальних струмів в навантаженнях відбувається таким чином. З блока задання 23 на підсумовуючі входи суматорів 19, 20, 21 надходять сигнали задання, що відповідають фазним струмам з заданою амплітудою i  Imф sin t, A 5 2    iB  Imф sin t  , 3   2   i  Imф sin t  . C 3   На віднімаючі входи суматорів 19, 20, 21 надходять сигнали з виходів датчиків 8, 11, 14 10 фазних струмів. Як тільки дійсний струм i A в дроселі 7 стане менше заданого i , на виході A суматора 19 з'явиться позитивний сигнал похибки. При умові, що він більший зони нечутливості "2а" релейного елемента 16, він перемикається з позитивним сигналом на виході, що призведе до подачі системою керування 27 відкриваючого імпульсу на затвор IGBT-транзистора силового активного випрямляча 24. В результаті напруга UC1 конденсатора 25 (при відпрацюванні позитивної півхвилі синусоїди) і напруга UC2 конденсатора 26 (при відпрацюванні негативної півхвилі синусоїди) включаться послідовно-згідно з фазною напругою мережі (ключі 1, 3, 5 15 20 25 30 включені), що призведе до зростання струму i A . Як тільки i A перевищить величину i на A величину ширини зони нечутливості релейного елемента 16, система керування 27 відключить відповідний IGBT-транзистор випрямляча 24. В результаті напруга UC2 конденсатора 26 (при відпрацюванні позитивної півхвилі синусоїди) і напруга UC1 конденсатора 25 (при відпрацюванні негативної півхвилі синусоїди) включаться послідовно-зустрічно з фазною напругою мережі, що призведе до зменшення струму і далі процеси повністю повторюються. Аналогічні процеси відбуваються і в фазах В і С. На фіг. 2 приведені процеси формування струмів, що споживаються з мережі і струмів у навантаженнях. З осцилограм видно, що струми в навантаженнях і струми, що споживаються, мають синусоїдальну форму і співпадають за фазою   0 з фазними напругами мережі (в момент часу t=0,28 с зменшилась величина струму задання). На фіг. 3 показана реакція на змінення опору навантаження (в момент часу t=0,365 с), а на фіг. 4 - реакція на змінення величини напруги мережі (в момент часу t=0,23 с). Видно, що система не реагує на збурення, тобто є інваріантною до дії таких збурень. Таким чином джерело струму електромагнітно сумісне з мережею і інваріантне до дії збурень. Завдяки скороченню часу споживання струму з мережі, відносно до загального часу роботи джерела, зменшуються втрати потужності в лініях живлення, а також комутаційні втрати в ключах (комутація відбувається при нульових початкових умовах). ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 45 50 Джерело струму з дискретним споживанням електроенергії, до складу якого входять шість ключів, кожний із яких виконаний на зустрічно-паралельно з'єднаних IGBT-транзисторах, при цьому ключі з'єднані послідовно по два, перші виводи яких підключені до фазних затискачів мережі, а другі виводи - до затискача нейтралі мережі, три ланцюжки із послідовно з'єднаних дроселів, датчиків фазних струмів і навантажень, перші виводи яких підключені до середніх точок відповідних пар послідовно з'єднаних ключів, три релейних елементи, три суматори, виходи яких з'єднані з входами відповідних релейних елементів, система керування ключами, виходи якої з'єднані з затворами IGBT-транзисторів відповідних ключів, блок задання, перший, другий і третій виходи якого з'єднані з підсумовуючими входами першого, другого і третього суматорів, з віднімаючими входами яких з'єднані виходи відповідних датчиків струму, яке відрізняється тим, що додатково введено силовий активний випрямляч, виконаний за трифазною мостовою схемою на IGBT-транзисторах, шунтованих зворотними діодами, входи якого з'єднані з відповідними другими виводами навантажень, два послідовно з'єднаних конденсатори, вільні виводи яких з'єднані з виходом силового активного випрямляча, а їх середня точка з'єднана з нейтраллю мережі, система керування силовим активним випрямлячем, виходи якої з'єднані з затворами його IGBT-транзисторів, а перший, другий і третій входи з'єднані з виходами відповідно першого, другого й третього релейних елементів, датчик напруги з'єднаний з виходом силового активного випрямляча, послідовно з'єднані четвертий суматор і четвертий релейний елемент, вихід якого підключений до першого входу 3 UA 90925 U 5 системи керування ключами, а підсумовуючий вхід четвертого суматора з'єднаний з четвертим виходом блока задання, при цьому його віднімаючий вхід підключений до виходу датчика напруги, три нуль-органи фазних струмів, входи яких з'єднані з виходами датчиків фазних струмів, а виходи з другим, третім і четвертим входами системи керування ключами, датчик фазних напруг, входи якого підключені до затискачів трифазної мережі, а його виходи з'єднані з відповідними входами блока задання. 4 UA 90925 U Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5