Регульоване джерело струму

Винахід відноситься до електротехніки і може бути використаний для живлення навантаження змінної та постійної напруги. Відоме регульоване джерело струму, до складу якого входить регульоване джерело напруги, виконане на базі тиристорного перетворювача, вихід якого з'єднаний з навантаженням, в коло якого ввімкнений датчик струму, вихід якого з'єднаний з віднімаючим входом суматора, на підсумовуючий вхід якого надходить сигнал завдання, а вихід з'єднаний з входом регулятора струму, вихід якого з'єднаний з системою керування джерела напруги. [Ильинский М.Ф. Электроприводы постоянного тока с управляемым моментом . - М.: Энергоиздат, 1981. - 144с.]. Недоліком відомого джерела струму є низький коефіцієнт потужності, чутливість до дії різного роду збурень, перервний струм в колі навантаження при малих завдаючих сигналах. Найбільш близьким за технічним рішенням є джерело струму, до складу якого входить нерегульоване джерело постійної напруги, тиристорний ключ, датчик струму, суматор, віднімаючий вхід якого з'єднаний з виходом датчика струму, на підсумовуючий вхід суматора надходить сигнал завдання на величину струму, релейний елемент, вхід якого з'єднаний з виходом суматора. [Энергетическая электроника: Справочное пособие: Пер. с нем./Под ред. В.А.Лабунцова. - М.: Энергоатомиздат, 1987 -464с.]. Недоліком відомого джерела струму є неможливість реалізації рекуперації енергії в мережу, негативний вплив імпульсного режиму роботи ключа на мережу, ускладнення ключа та його системи керування при збільшенні потужності навантаження, зменшення коефіцієнта потужності при зменшенні струму в колі навантаження. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення регульованого джерела струму, в якому шляхом заміни некерованого випрямляча керованим, виконаним на базі повністю керованих тиристорів, досягається можливість рекуперації енергії в мережу і підвищення швидкодії, при цьому роль тиристорного ключа виконують тиристори випрямляча, схема керування не ускладнюється при збільшенні навантаження, а шляхом додаткового введення датчиків напруги навантаження і конденсатора, датчика амплітуди напруги мережі, релейних елементів, суматорів, блоків множення та ділення, досягається формування вхідних струмів джерела, близьких до синусоїдальної форми, ліквідується викривляючий вплив джерела на живильну мережу. Поставлена задача вирішується за допомогою того, що в регульованому джерелі струму, до складу якого входить нерегульоване джерело постійної напруги, тиристорний ключ, датчик струму, суматор, віднімаючий вихід якого з'єднаний з виходом датчика струму, на підсумовуючий вхід суматора надходить сигнал завдання на величину струму, релейний елемент, вхід якого з'єднаний з виходом суматора, згідно з винаходом джерело постійної напруги виконано за схемою трифазного моста на повністю керованих тиристорах, при цьому функції ключа виконують тиристори моста, а перший затискач датчика струму з'єднаний з позитивним виводом трифазного тиристорного моста, другий - з першим затискачем навантаження, другий затискач якого з'єднаний з першим затискачем додаткового введеного дроселя, другий затискач якого з'єднаний з негативним виводом трифазного тиристорного моста, крім того в кожний із трьох входів тиристорного моста додатково введені ланцюжки із послідовно з'єднаних дроселів і датчиків фазного струму, трифазний мостовий випрямляч, виконаний на IGBT-транзисторах, при цьому його вхідні затискачі з'єднані з вхідними затискачами тиристорного моста, а до вихідних затискачів мостового випрямляча під'єднаний додатково введений конденсатор, додатково введено трифазний синхронізатор, вхід якого з'єднаний з живильною мережею, трифазний генератор синусоїдальних сигналів, входи якого з'єднані з виходом синхронізатора, перший, другий та третій блоки множення, перші входи яких з'єднані з виходами генератора синусоїдальних сигналів, датчик напруги навантаження, під'єднаний до позитивного та негативного виходів тиристорного моста, четвертий блок множення, перший вхід якого з'єднаний з виходом додатково введеного датчика напруги навантаження, а на другий вхід четвертого блока множення надходить сигнал завдання величини струму навантаження, блок ділення, перший вхід якого з'єднаний з виходом четвертого блока множення, а другий вхід з'єднаний з виходом додатково введеного датчика амплітуди напруги мережі, що під'єднаний до вхідних затискачів джерела, перший суматор, підсумовуючий перший вхід якого з'єднаний з виходом блока ділення, під'єднаний до вихідних затискачів трифазного мостового випрямляча додатково введений датчик напруги конденсатора, другий суматор, віднімаючий вхід якого з'єднаний з виходом датчика напруги конденсатора, а на підсумовуючий вхід другого суматора надходить сигнал завдання на величину напруги конденсатора, вихід другого суматора з'єднаний з другим входом першого суматора, вихід якого з'єднаний з другими входами першого, другого та третього блоків множення, третій, четвертий та п'ятий суматори, підсумовуючі входи яких з'єднані з виходами першого, другого та третього блоків множення відповідно, а віднімаючі входи третього, четвертого та п'ятого суматорів з'єднані з датчиками фазних вхідних струмів джерела, перший, другий та третій релейні елементи, входи яких з'єднані з виходами відповідно першого, другого та третього блоків множення, п'ятий, шостий та сьомий блоки множення, перші входи яких з'єднані з виходами відповідно першого, другого та третього релейних елементів, а другі входи - з виходами відповідно третього, четвертого та п'ятого суматорів, четвертий, п'ятий та шостий релейні елементи, входи яких з'єднані з виходами відповідно п'ятого, шостого та сьомого блоків множення, шостий суматор, підсумовуючий вхід якого з'єднаний через додатково введений блок заборони проходження сигналу з другим входом четвертого блока множення, а віднімаючий вхід з'єднаний з виходом датчика струму навантаження, сьомий та восьмий релейні елементи, входи яких з'єднані з виходом шостого суматора, дев'ятий релейний елемент вхід якого з'єднаний з виходом першого суматора, десятий, одинадцятий та дванадцятий релейні елементи, входи яких з'єднані з першими входами відповідно першого, другого та третього блоків множення, логічний пристрій, перший, другий, третій, четвертий, п'ятий, шостий, сьомий, восьмий та дев'ятий входи якого з'єднані з виходами відповідно десятого, одинадцятого, дванадцятого, четвертого, п'ятого, шостого, сьомого, восьмого та дев'ятого релейних елементів, перші шість підсилювачів-формувачів, входи яких з'єднані з відповідними виходами логічного пристрою, а виходи з затворами транзисторів трифазного мостового випрямляча, другі шість підсилювачів-формувачів, входи яких з'єднані з відповідними виходами логічного пристрою, а виходи - з керуючими електродами тиристорів трифазного моста, що дозволяє підвищити швидкодію, реалізувати рекуперацію енергії в мережу, формувати вхідні струми синусоїдальної форми і цим ліквідувати викривляючий вплив джерела на живильну мережу. На Фіг.1 представлена схема силової частини запропонованого джерела, на Фіг.2 - схема системи керування, на Фіг.3, на Фіг.4, на Фіг.5 - часові діаграми напруг та струмів. До складу регульованого джерела струму входить трифазний тиристорний мост 46 на повністю керованих тиристорах, датчик струму 29, перший затискач якого з'єднаний з позитивним виводом моста 46, а другий -з першим затискачем навантаження 50, другий затискач якого з'єднаний з першим затискачем додатково введеного дроселя 49, другий затискач якого з'єднаний з негативним виводом моста 46, ланцюжки із послідовно з'єднаних дроселів 55, 56, 57 і датчиків фазних струмів 15, 16, 17, що введені в кожний із трьох входів моста 46, другий трифазний мостовий випрямляч 39, виконаний на IGBT-транзисторах, при цьому його вхідні затискачі з'єднані з вхідними затискачами моста 46, а до вихідних затискачів мостового випрямляча 39 під'єднаний додатково введений конденсатор 4, додатково введений трифазний синхронізатор 1, вхід якого з'єднаний з живильною мережею, трифазний генератор синусоїдальних сигналів 2, входи якого з'єднані з виходами синхронізатора 1, перший 6, другий 7 та третій 8 блоки множення, перші входи яких з'єднані з виходами генератора синусоїдальних сигналів 2, датчик напруги навантаження 53, під'єднаний до позитивного та негативного виходів тиристорного моста 46, четвертий блок множення 51, перший вхід якого з'єднаний з виходом додатково введеного датчика напруги навантаження 53, а на другий вхід четвертого блока множення 51 надходить сигнал завдання величини струму навантаження, блок ділення 52, перший вхід якого з'єднаний з виходом четвертого блоку множення 51, а другий вхід з'єднаний з виходом додатково введеного датчика амплітуди напруги мережі 54, що під'єднаний до вхідних затискачів джерела, перший суматор 5, підсумовуючий перший вхід якого з'єднаний з виходом блока ділення 52, під'єднаний до вихідних затискачів трифазного мостового випрямляча 39 додатково введений датчик напруги конденсатора 48, другий суматор 3, віднімаючий вхід якого з'єднаний з виходом датчика напруги конденсатора 48, а на підсумовуючий вхід другого суматора 3 надходить сигнал завдання на величину напруги конденсатора 4, вихід другого суматора 3 з'єднаний з другим входом першого суматора 5, вихід якого з'єднаний з другими входами першого 6, другого 7 та третього 8 блоків множення, третій 12, четвертий 13 та п'ятий 14 суматори, підсумовуючі входи яких з'єднані з виходами першого 6, другого 7 та третього 8 блоків множення відповідно, а віднімаючі входи третього 12, четвертого 13 та п'ятого 14 суматорів з'єднані з датчиками 15, 16, 17 фазних вхідних струмів джерела, перший 9, другий 10 та третій 11 релейні елементи, входи яких з'єднані з виходами відповідно першого 6, другого 7 та третього 8 блоків множення, п'ятий 18, шостий 19 та сьомий 20 блоки множення, перші входи яких з'єднані з виходами відповідно першого 9, другого 10 та третього 11 релейних елементів, а другі входи – з виходами відповідно третього 12, четвертого 13 та п'ятого 14 суматорів, четвертий 21, п'ятий 22 та шостий 23 релейні елементи , входи яких з'єднані з виходами відповідно п'ятого 18, шостого 19 та сьомого 20 блоків множення, шостий суматор 30, підсумовуючий вхід якого з'єднаний через додатково введений блок заборони проходження сигналу 47 з другим входом четвертого 51 блока множення, а віднімаючий вхід з'єднаний з виходом датчика 29 струму навантаження, сьомий 31 та восьмий 32 релейні елементи, входи яких з'єднані з виходом шостого 30 суматора, дев'ятий 28 релейний елемент, вхід якого з'єднаний з виходом першого 5 суматора, десятий 25, одинадцятий 26 та дванадцятий 27 релейні елементи, входи яких з'єднані з першими входами відповідно першого 6, другого 7 та третього 8 блоків множення, логічний пристрій 24, перший, другий, третій, четвертий, п'ятий, шостий, сьомий, восьмий та дев'ятий входи якого з'єднані з виходами відповідно десятого 25, одинадцятого 26, дванадцятого 27, четвертого 21, п'ятого 22, шостого 23, сьомого 31, восьмого 32 та дев'ятого 28 релейних елементів, перші шість (33¸38) підсилювачів-формувачів, входи яких з'єднані з відповідними виходами (1¸6) логічного пристрою 24, а виходи - з затворами транзисторів трифазного мостового випрямляча 39, другі шість підсилювачів-формувачів (40¸45), входи яких з'єднані з відповідними виходами (7¸12) логічного пристрою 24, а виходи з керуючими електродами тиристорів трифазного моста 46. Регульоване джерело струму працює таким чином. При подачі напруги на затискачі А ,В, С синхронізатор 1 виробляє синхроімпульси, що запускають генератор трифазних синусоїдальних сигналів 2 каліброваної амплітуди. Одночасно на вхід суматора 3 коригуючого каналу подається сигнал завдання на величину напруги конденсатора 4, сигнал з виходу блока 3 надходить на другий вхід суматора 5, з виходу якої о на другі входи блоків множення 6, 7, 8. Сигнали, що поступили на перші входи блоків 6, 7, 8 з виходів генератора 2 синусоїдальних сигналів перемножуються з вихідним сигналом першого суматора 5 і на виході блоків 6, 7, 8 формуються сигнали завдання вхідних струмів джерела з частотою мережі, які співпадають по фазі з фазними напругами мережі. Сигнал з блока 6 (відповідно 7 для фази В, 8 - для фази С) надходить на входи релейного елемента 9 (відповідно 10 для фази В, 11 - для фази С) і суматора 12 (відповідно 13 для фази В, 14 - для фази С), на другий вхід якого надходить сигнал з датчика вхідного струму 15 (відповідно 16 для фази В, 17 - для фази С), сигнали з блоків 9,12 (відповідно 10, 13 - для фази В, 11, 14 - для фази С) перемножуються блоками 18 (відповідно 19 для фази В, 20 - для фази С) і його вихідний сигнал подається на релейний елемент 21 (відповідно 22 для фази В, 23 - для фази С), вихідний сигнал якого надходить на четвертий (відповідно 5 і 6) вхід логічного пристрою 24. Вихідні сигнали з генератора 2 поступають також на входи релейних елементів 25, 26, 27, вихідні сигнали яких надходять відповідно на 1, 2, 3 входи логічного пристрою 24. Крім того, вихідний сигнал суматора 5 надходить на вхід релейного елемента 28, вихідний сигнал якого надходить на 9 вхід логічного пристрою 24. Одночасно з подачею напруги на затискачі А, В, С конденсатор 4 через зворотні діоди мостового випрямляча 39 заряджається до амплітудного значення лінійної напруги живильної мережі. Як тільки напруга на конденсаторі 4 досягла амплітуди лінійної напруги мережі, датчик 47 заборони проходження завдання величини струму навантаження знімає заборону і сигнали завдання на величину струму навантаження та з датчика струму навантаження 29, надходять на входи суматора 30, вихідний сигнал якого надходить на входи релейних елементів 31, 32, вихідні сигнали яких надходять відповідно на входи 7, 8 логічного пристрою 24. Логічний пристрій 24 формує на виходах 1¸12 сигнали, які визначаються комбінацією сигналів на входах 1¸9 у відповідності з таблицею 1. Вихідні сигнали з виходів 1¸6 підсилюються блоками 33¸38 і подаються на відповідні транзистори мостового випрямляча 39, а сигнали з виходів 7¸12 підсилюються блоками 40¸45 і подаються на відповідні тиристори першого тиристорного моста 46. Продовжується заряд конденсатора 4 до напруги, яка визначається рівнем сигналу завдання Uсз на величину напруги на конденсаторі 4. Умовою нормальної роботи джерела струму є заряд конденсатора 4 до початкової напруги, що більша амплітуди лінійної напруги живильної мережі UСПОЧ>[|UmAB|, |UmBC|, |UmCA|]. Згідно з таблицею 1 відкриваються тиристори моста 46 починається збільшення струму Id- Після досягнення струмом навантаження рівня завдання I dз релейні елементи 31, 32 в межах ширини петлі гістерезиса починають перемикання, змінюючи рівень сигналів (0,1) на входах 7, 8 логічного пристрою 24, реалізуючи через стан тиристорів моста 46 стабілізацію струму навантаження. Дросель 49 вводиться в коло навантаження для забезпечення неперервності струму у випадку активного навантаження та обмеження частоти перемикань релейних елементів 31, 32. З появою напруги Ud на навантаженні 50 вступає в роботу канал завдання амплітуди вхідних струмів (блоки 51, 52, 5). Блок 51 перемножує сигнал датчиків напруги 53 і струму 29 навантаження і результат подається на вхід блока ділення 52, який ділить вихідний сигнал блока 51 на сигнал датчика 54 амплітуди напруги мережі у відповідності з формулою 2 UI Imз = × d d . 3 Um Вихідний сигнал блока 52 з урахуванням сигналу блока 3 коригуючого каналу формує величину завдання амплітуди вхідних фазних струмів І mз у відповідності з балансом енергій в системі мережа - навантаження конденсатор. Завдяки цьому на виходах блоків 6, 7, 8 формуються сигнали заданих струмів в дроселях 55, 56, 57. Ці сигнали відпрацьовуються релейними регуляторами, які зібрані на блоках 9, 12, 18, 21 (фаза А), 10, 13, 19, 22 (фаза В), 11, 14, 20, 23 (фаза С) і датчиками 15, 16, 17 відповідно комбінацією входів 4, 5, 6 разом з входами 1, 2, 3, 7, 8, 9 через вентилі моста 46 і мостового випрямляча 39. В таблиці 2 наведені характеристики релейних елементів, що входять до складу системи керування джерелом струму. В основі роботи перетворювача лежить принцип примусового формування синусоїдальних вхідних струмів при стабілізації струму навантаження на заданому рівні. В процесі формування струмів у відповідності з алгоритмом керування (таблиця 1) структура перетворювача визначається комбінацією станів релейних елементів, а змінення структури проходить в момент зміни цих станів. Принцип формування струмів в кожній фазі, полягає в тому, що в залежності від комбінації відкритих вентилів моста 46 та випрямляча 39 до вхідних дроселів 55, 56, 57 прикладаються напруги, під дією яких струми в них можуть збільшуватись або зменшуватись аж до досягнення бажаного миттєвого значення, яке визначається миттєвим значенням завдань величин струмів І аз, І bз, Ісз. При цьому система керування визначає стан джерел енергії (входи 1, 2, 3), за рахунок яких формуються струми, тенденції змінення величин струмів вхідних (входи 4-6) і навантаження (входи 7, 8), а також напрямок передачі енергії - з мережі в перетворювач або навпаки (вхід 9). Із діаграм, що представлені на Фіг.3, видно, що вхідні струми іа, ів, іс мають форму близьку до синусоїдальної і співпадають по фазі з фазними напругами Ua, Uв, Uc. При зменшенні величини живильної напруги (момент часу 0,027с) і її відновленні (момент часу 0,062с) величина струму навантаження I d не змінюється, тобто джерело струму інваріантне до коливань живильної напруги (зовнішнє збурення), при цьому синусоїдальність і синфазність з фазними напругами вхідних струмів не порушуються. Зміна ж амплітуди вхідних струмів на цьому відрізку часу обумовлена необхідністю підтримати баланс потужностей в системі мережа - навантаження. На Фіг.4 показані процеси, що відбуваються в джерелі струму при зміненні величини активного опору навантаження або величини електрорушійної сили, яка може бути ввімкнена в коло навантаження. В момент часу 0,034с збільшився опір навантаження, а в момент 0,068 с знову відновлюється до попередньої величини. Із діаграм видно, що при зміненні величини опору навантаження величина струму I d і в цьому разі не змінюється, тобто джерело струму інваріантне до параметричних збурень. Синусоїдальність і синфазність вхідних струмів не порушується. Зростання амплітуди вхідних струмів обумовлене необхідністю зберегти баланс потужностей в системі. На Фіг.5 показані процеси, що відбуваються в джерелі струму при зміненні завдання величини струму навантаження (в даному випадку при зменшенні). Перехід з більшої величини струму на меншу проходить за дуже малий час в режимі рекуперації енергії. Таким чином, використаний в запропонованому джерелі струму релейний принцип керування дозволяє одержати високу швидкодію джерела струму при відпрацюванні керуючих дій і формуванні струмів, що споживаються із мережі, близьких до синусоїдальної форми, а також знизити чутливість джерела струму до різного роду збурень, при високій електромагнітній сумісності джерела з живильною мережею.