Повышение эффективности полупроводникового преобразователя на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем при классическом и хордовом управлении Платоненков Сергей Владимирович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1 Многопульсные выпрямители: основные принципы построения и перспективы применения 14

1.1 Общее направление развития схемотехники и классификация выпрямителей 14

1.2 Выпрямители на базе трехфазных трансформаторов 17

1.3 Выпрямители с ортогональной системой напряжений (схема Скотта) 20

1.4 Выпрямители с трехфазным базисом для формирования выходного напряжения 23

1.5 Выпрямители на базе трансформаторов с вращающимся магнитным полем 26

1.6 Выводы по главе 1 31

ГЛАВА 2 Повышение качества выходного напряжения управляемого выпрямителя на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем за счет использования нескольких круговых обмоток 32

2.1 Варианты построения силовых схем двухмостовых управляемых выпрямителей 32

2.2 Особенности систем управления и силовых схем двухмостовых управляемых выпрямителей на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем 33

2.3 Исследование качества выходного напряжения управляемого выпрямителя на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем 41

2.4 Выводы по главе 2 49

ГЛАВА 3 Повышение качества выходного напряжения управляемого выпрямителя на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем за счет применения фильтров 51

3.1 Основные энергетические соотношения 51

3.2 Применение пассивных сглаживающих фильтров 53

3.2.1 Обзор схемных решений пассивных сглаживающих фильтров 53

3.2.2 Сравнительный анализ сглаживающих фильтров на основе обобщенной Т-образной схемы

3.3 Применение активного сглаживающего фильтра

3.4 Применение гибридных сглаживающих фильтров

3.5 Выводы по главе 3

ГЛАВА 4 Ступенчато-хордовый алгоритм управления выпрямителем, построенным на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем

4.1 Особенности силовой схемы управляемого выпрямителя при использовании ступенчато-хордового алгоритма управления

4.2 Порядок работы силовых ключей для ступенчато-хордового алгоритма управления

4.3 Регулирование выходного напряжения при ступенчато-хордовом алгоритме управления силовыми вентилями

4.4 Анализ качества выходного напряжения при использовании хордового алгоритма управления силовыми вентилями

4.5 Выводы по главе 4

ГЛАВА 5 Экспериментальные исследования методов совершенствования выпрямителей на базе трансформаторов с вращающимся магнитным полем

5.1 Моделирование управляемых выпрямителей на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем в Micro-Cap

5.1.1 Описание макромодели одномостового ТВМП

5.1.2 Описание макромодели двухмостового УВ с ТВМП

5.1.3 Описание упрощенной макромодели одномостового УВ с ТВМП

5.1.4 Описание упрощенной макромодели двухмостового УВ с ТВМП

5.1.5 Описание макромоделей пассивных фильтров

5.1.6 Описание макромодели активного фильтра

5.2 Физическая модель

5.3 Выводы по главе 5

Заключение

Список использованных источников

• Выпрямители с ортогональной системой напряжений (схема Скотта)
• Особенности систем управления и силовых схем двухмостовых управляемых выпрямителей на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем
• Применение активного сглаживающего фильтра
• Регулирование выходного напряжения при ступенчато-хордовом алгоритме управления силовыми вентилями

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Интенсивное развитие электротехнических комплексов и систем, связанное с внедрением полупроводниковых преобразователей (ПП), а также непрерывное увеличение их установленной мощности обуславливают актуальность выбора оптимальных силовых схем преобразователей от которых зависят вопросы электромагнитной совместимости ПП с питающей сетью и нагрузкой, рост добавочных потерь, сбои в работе устройств автоматики, вычислительной техники и корабельных систем управления.

Как известно, выбор структуры силовой схемы ПП определяет области их
применения и целесообразность использования в автономных

электроэнергосистемах при решении конкретных задач, например, для питания электроприводов или в системах размагничивания корпусов кораблей и судов, а также для зарядки аккумуляторных батарей.

Среди различных типов ПП наиболее эффективны многофазные

преобразователи, обеспечивающие повышенную кратность частоты пульсации выходного напряжения по сравнению с трехфазной мостовой схемой, принятой на кораблях и судах в качестве базовой схемы преобразования. В работах Крыловского государственного научного центра, ЦНИИ СЭТ, СПбГМТУ, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», НИУ МЭИ и ряда других НИИ и вузов России показано, что применение многофазных или многопульсных преобразователей считается одним из наиболее важных методов улучшения качества электроэнергии с точки зрения снижения влияния преобразователей на питающую сеть и нагрузку.

В работах, выполненных в Новосибирском государственном техническом
университете, получило развитие новое направление принципов построения схем
выпрямления, обладающих улучшенными технико-экономическими показателями.
Среди схемных решений ПП определенный интерес представляют технические
решения выпрямительных агрегатов, обеспечивающих повышенную кратность
частоты пульсации выходного напряжения посредством интегрированных

трансформаторных преобразователей числа фаз (ТПЧФ).

Современные достижения в области трансформаторостроения и

преобразовательной техники позволяют создавать интегрированные многопульсные выпрямительные агрегаты, которые могут удовлетворять возросшим в настоящее

4 время требованиям к электромагнитной совместимости между различными потребителями электрической энергии и питающей сетью.

Анализ существующих в настоящее время схемных решений многопульсных полупроводниковых выпрямителей, обеспечивающих повышенную кратность частоты пульсации выходного напряжения посредством интегрированных ТПЧФ, позволяет заключить, что наибольшее распространение получили несколько принципов построения ТПЧФ, основанных на использовании двухфазного базиса (схемы Скотта), трехфазного базиса и замкнутых или разомкнутых схем соединения секций обмоток, а так же использование явления вращающегося магнитного поля (ВМП).

Цель настоящей работы – повышение эффективности полупроводниковых преобразователей, построенных на базе трансформаторов с вращающимися магнитными полями (ТВМП) за счет совершенствования силовых схем преобразователей и алгоритмов управления силовыми ключами полупроводниковых коммутаторов, переключающих отводы выходных круговых обмоток ТВМП, что требует:

1. Исследования и анализа зарубежного и отечественного опыта построения многопульсных выпрямителей и определения взаимной связи между выходными и конструктивными параметрами силовых схем.

2. Анализа электромагнитных процессов, разработки алгоритмов и программ в среде Mathcad и Matlab по расчёту основных характеристик управляемых выпрямителей (УВ), построенных на базе ТВМП с различной топологией вторичных обмоток и вида силовых коммутаторов (СК).

3. Разработки новых алгоритмов, способов и структурных схем систем управления УВ, построенных на базе ТВМП, с различными типами СК и различным числом пар силовых ключей (СКЛ) в составе СК.

4. Разработки схемотехнических моделей УВ на базе ТВМП с различными типами СК для исследования их эффективности в установившихся и аварийных режимах работы.

5. Проведения экспериментальных исследований разработанных преобразовательных устройств, для подтверждения достоверности теоретических исследований.

Методы исследований. Основаны на применении современного

математического аппарата, соответствующего решаемым задачам: методов теории

5 электрических и магнитных цепей, методов теории гармонического анализа, операционного и матричного исчисления.

Расчеты и математические модели выполнены в программных средах MathCad и Matlab. Основные теоретические результаты подтверждаются схемотехническим моделированием в среде Micro-Cар на ПЭВМ, а так же результатами исследований лабораторных макетов ПП с ТВМП, разработанных и изготовленных с участием автора настоящей диссертационной работы.

Научная новизна диссертационной работы определяется следующими положениями:

6. Предложены и проанализированы три способа реализации силовой схемы выпрямителя, позволяющие улучшить его характеристики, а именно – увеличение числа секций КО, увеличение числа выходных круговых обмоток, добавление нового структурного элемента – сглаживающего фильтра.

7. Разработаны алгоритмы и программы в среде MathCad по расчёту регулировочных и энергетических характеристик УВ на базе ТВМП, позволившие оценить эффективность предложенных способов совершенствования силовой схемы.

8. Построены модели УВ на базе ТВМП с различными вариантами силовых схем и структур СК в среде схемотехнического моделирования Micro-Cap, позволившие подтвердить основные теоретические положения.

9. Предложен принципиально новый алгоритм управления СКЛ выпрямителя, который позволяет изменять число секций КО подключаемых на сборные шины выпрямителя в результате чего весь диапазон регулирования выходного напряжения разбивается на несколько поддиапазонов в рамках которых удается ограничить величину коэффициента пульсаций на уровне, требуемом особо ответственными потребителями.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

1. Разработаны программы в среде MathCad по расчёту основных характеристик УВ на базе ТВМП, с различными видами СК и различным числом пар СКЛ в силовых коммутаторах, позволяющие осуществлять выбор оптимальных параметров, таких как число секций КО, число выходных круговых обмоток при которых обеспечиваются заданные показатели качества выходного напряжения УВ с ТВМП.

2. Разработаны новые схемотехнические модели УВ с ТВМП в программной среде Micro-Cap с различными видами СК и различным числом пар СКЛ в силовых коммутаторах, позволяющие исследовать их работу при различных нагрузках, в симметричных, несимметричных и аварийных режимах с целью выборов параметров элементов силовой схемы.

3. Разработаны новые схемотехнические модели АФ в программной среде Micro-Cap, позволяющие исследовать их работу при различных нагрузках, в симметричных, несимметричных и аварийных режимах, что необходимо для выбора параметров их элементов.

4. Произведено исследование энергетических характеристик работы ПП на базе ТВМП с различными видами СК и различным числом пар СКЛ в силовых коммутаторах, что позволяет выбирать тип силовой схемы выпрямителя и параметры входящих в нее элементов.

Представленная работа выполнялась в соответствии с госбюджетной НИР по заказам предприятий Государственного Российского центра атомного судостроения в рамках федеральной целевой программы «Развитие гражданской морской техники» на 2009-2016 годы при непосредственном участии автора.

Результаты работы используются предприятием ОСК - АО «СПО «Арктика», а так же в учебном процессе института судостроения и морской арктической техники филиала САФУ в Северодвинске.

На защиту выносятся:

1. Результаты анализа методов улучшения качества выходного напряжения УВ с ТВМП.

2. Схемотехнические модели УВ с ТВМП с различными видами СК и различным числом пар СКЛ в силовых коммутаторах, схемотехнические модели АФ, построенные в программной среде Micro-Cap позволяющие исследовать их работу при различных нагрузках, в симметричных, несимметричных и аварийных режимах с целью выборов параметров их элементов.

3. Способы управления и алгоритмы построения систем управления УВ с ТВМП, пригодные для любого числа пар СКЛ в силовых коммутаторах и различных схем СК при реализации которых удается ограничить величину коэффициента пульсаций на уровне, требуемом особо ответственными потребителями.

4. Алгоритм управления СКЛ выпрямителя, позволивший уменьшить необходимую глубину фазового регулирования для получения широкого диапазона регулирования выходного напряжения при использовании которого удается ограничить величину коэффициента пульсаций на уровне, требуемом особо ответственными потребителями.

Апробация работы. Основные положения и научные результаты работы докладывались и обсуждались на международных конференциях:

4. «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования», Вологда, 2009-2010гг.

5. «Энергетика и энергоэффективные технологии», Липецк, 2010г.

6. «Наука и образование XXI века», Уфа, 2013г.

7. «Авиация и космонавтика», Москва, МАИ, 2015 г.

Всероссийских конференциях:

1. «Электромагнитная совместимость технических средств и биологических объектов «ЭМС-2008», С.Петербург, 2008г.

Научно практических конференциях

8. XIII НПК «Взгляд в будущее», Санкт-Петербург, ЦКБ «МТ «Рубин», 2015г.;

9. НПК в рамках Ломоносовских чтений, 2009-2014гг;

10. НПК в филиале САФУ в г.Северодвинске, 2015г.

Публикации. Основные научные результаты работы отражены в 38 научных работах, в том числе: в 3 статьях, опубликованных в журналах, рекомендованных перечнем ВАК для докторских диссертаций, 4 патентах РФ, а также в материалах всероссийских и международных научно-технических конференций.

Личный вклад. Постановка и решение теоретических вопросов, основные
научные результаты работы принадлежат лично автору. Разработка

схемотехнических моделей УВ и АФ в программной среде Micro-Cap выполнена совместно с научным руководителем Черевко А.И.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 153 страницы, состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 137 наименований и приложений на 20 страницах. Основной текст составляет 133 страницы и включает 89 иллюстрации и 9 таблиц.

Выпрямители с ортогональной системой напряжений (схема Скотта)

Среди преобразователей переменного тока в постоянный наибольшее распространение получили управляемые мостовые вентильные преобразователи [7, 8, 88] в силу минимального повышения установленной мощности согласующего трансформатора (Кптр = 1.05), лучшего использования вентилей по току и по напряжению [92, 94].

Ужесточение требований к качеству выходной электрической энергии и диапазону регулирования выходных параметров стало причиной использования схем с многоступенчатым преобразованием энергии. Многоступенчатые преобразователи содержат в своем составе регулятор напряжения – силовую схему, используемую для расширения диапазона регулирования выходного напряжения за счет применения различных видов модуляции: амплитудной, фазовой, частотно импульсной, широтно-импульсной, амплитудно-импульсной, многозонной импульсной и др. [92]. Недостатком многоступенчатых преобразователей является высокий уровень помех выходного напряжения, что требует в обязательном порядке применения сглаживающих фильтров.

При использовании принципа многоуровневого построения выходного каскада, можно упростить получение требуемого значения напряжения с малой амплитудой пульсаций на выходе преобразователя [28].

Для уменьшения уровня пульсаций выходного напряжения на базе многоступенчатого многоячейкового выпрямителя реализуется многозонная импульсная модуляция (МИМ), которая представляет собой сочетание амплитудной и широтно-импульсной модуляции в одной ступени питающего напряжения. Однако это требует питания многоступенчатого многоячейкового выпрямителя от нескольких изолированных источников напряжения [28]. В преобразователях с МИМ диапазон значений выходной величины разделен на ряд ступеней или зон. Многозонная модуляция обеспечивает уменьшение погрешности воспроизведения энергетическим каналом заданной формы управляющего напряжения на входе информационного канала преобразователя и уменьшение коммутационных потерь (так как высокочастотная модуляция имеет место лишь в одной ступени), а также улучшает спектр выходного напряжения [28]. Значительного улучшения качества питающего и выходного напряжения выпрямительных агрегатов можно добиться за счет совершенствования согласующего трансформатора и вентильной силовой схемы [28]. Поскольку полупроводниковые преобразователи представляют собой комплекс силовых трансформаторов и полупроводниковых коммутаторов, то уменьшение влияния преобразователя на питающую сеть и повышение качества выходного напряжения достигается за счет использования многофазных трансформаторов [28, 34, 54]. В научно-технической литературе [5, 10, 14, 16-20, 34, 35, 41, 58-68, 85] приводится описание большого количества схемотехнических решений многофазных трансформаторов, но практически отсутствует их сравнительный анализ. В результате обзорного анализа ряда работ [5, 10, 14, 16-20, 34, 35, 41, 58-68, 85] выявлено несколько характерных принципов формирования согласующим трансформатором многофазной системы напряжений требуемой для работы блока силовых вентилей. Суть первого принципа заключается в получении многофазной системы ЭДС за счет фазового сдвига векторов ЭДС двух и более трехфазных систем друг относительно друга на требуемый угол при использовании традиционных схем соединения трехфазных обмоток (например, звезда и треугольник). Второй принцип основывается на преобразовании исходной трехфазной системы ЭДС в двухфазную ортогональную с помощью схемы Скотта или её усовершенствованной версии [14]. В дальнейшем ортогональные напряжения используются для формирования требуемого количества векторов ЭДС с необходимыми амплитудами и фазами. Третий принцип заключается в сложении различных по модулю векторов ЭДС, создаваемых секциями различных фаз трехфазной вторичной обмотки трансформатора. Четвертый принцип формирования многофазной системы ЭДС реализуется за счет использования явления вращающегося магнитного поля.

К данному виду преобразователей следует отнести устройства на базе трансформаторов, в которых многофазная система ЭДС формируется за счет использования различных схем соединения трехфазных обмоток. Всего можно выделить три основных способа формирования многофазной ЭДС [5-8].

Первый способ основан на использовании одного трехфазного трансформатора, первичная обмотка которого выполнена по схеме звезды или треугольника, а каждая из фаз вторичной разбита на несколько секций. Секции разных фаз соединены в различные трехфазные схемы, которые не связаны между собой, но в совокупности образуют многофазную систему ЭДС.

На рисунке 1.2 представлены принципиальная электрическая схема и векторная диаграмма выпрямителя на основе одного трехфазного трехстержневого трансформатора. Первичная обмотка ABC трансформатора соединена звездой и подключена к питающей сети. Вторичные обмотки A1B1C1 и A2B2C2 соединены звездой и треугольником соответственно и подсоединены к полупроводниковому коммутатору.

Особенности систем управления и силовых схем двухмостовых управляемых выпрямителей на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем

Выходное напряжение УВ с ТВМП можно представить в виде суммы постоянной составляющей и некоторого числа гармонических составляющих (см. анализ в главе 2). При этом среднее значение напряжения, приложенное к нагрузке, может быть определено из выражения (3.1). UCP = — \um- sin(2 fnm t)dt (3.1) п 0 +tu Мгновенное напряжение u(t), прикладываемое к нагрузке, отличается от значения выражения (3.1). Крайне важной для выбора силовой схемы фильтра является зависимость максимального за период пульсации значения /% от величины среднего значения напряжения /%. График (Рисунок 3.1) и последующие построены в зависимости от среднего значения выходного напряжения, приведенного к амплитуде напряжения питающей сети С/% = (UCp / Um)100%.

Анализ графиков (Рисунок 3.1) позволяет сделать вывод, что вид силовой схемы оказывает существенное влияние на размах пульсаций выпрямленного напряжения УВ [81]. Так например для трехфазного (шестипульсного) выпрямителя величина провала достигает в наихудшем режиме 48% напряжения источника, в свою очередь подобный параметр 30-пульсного выпрямителя не превышает 11%.

Разность U = \иСР - u(t)\ характеризует энергетический вклад гармоник в выходное напряжение УВ. Максимальная за период пульсации разность между Ucp и u(t) определяет мгновенную мощность, которую должен развивать фильтр для полной компенсации (Рисунок 3.2). 50 20 U% Nn = Nn= 12 Nn= 18 Nn = 30 - 1 1 1 1 20 40 60 80 100

Зависимость PMAX% от величины [/%. Проинтегрировав значение мгновенной мощности пульсации на периоде пульсации, можно получить зависимость средней мощности гармоник выходного напряжения УВ от величины выходного напряжения (Рисунок 3.3). 5 u% РCP% Nn = N„=\% Nn = 30 -- — 1 1 \ 0 20 40 60 80 100

Анализ приведенных выше зависимостей позволяет сделать следующие выводы: 1. силовая схема УВ с ТВМП оказывает существенное влияние на размах, мгновенную и среднюю мощности гармоник; 2. для подавления пульсаций в малопульсных схемах оправдано применение только пассивных и комбинированных фильтров; 3. для подавления пульсаций в многопульсных схемах возможно применение активных фильтров (без пассивной составляющей).

Обзор схемных решений пассивных сглаживающих фильтров В связи с тем, что пульсации выпрямленного напряжения приводят к дополнительным потерям в R-L цепях нагрузки, ухудшая тем самым условия коммутации двигателей постоянного тока и возбуждая помехи, нарушающие работу судовых электроаппаратов и приборов, возникает необходимость снижения уровня данных пульсаций, для чего в состав выпрямителей включают сглаживающие фильтры [48].

Сглаживающими считают фильтры, пропускающие практически без искажения постоянную составляющую и с большим ослаблением переменную составляющую. Они имеют сравнительно невысокую стоимость, простую конструкцию и достаточно просты в эксплуатации.

Эффективность использования сглаживающего фильтра можно оценить величиной коэффициента сглаживания: Кс=PU (3.2) где kPU и kPN - коэффициенты пульсации на выходе выпрямителя и на нагрузке. Коэффициент сглаживания, найденный по формуле (3.2), будет показывать действие фильтра по снижению любой гармоники.

Обычно при проектировании фильтра принимаются во внимание только основная гармоника или несколько канонических гармоник с низшими порядковыми номерами. В этом случае, для оценки эффективности использования сглаживающего фильтра можно использовать значение коэффициент сглаживания на -й гармонике: К= , (3.3) — " V с Uvd где Uv - амплитуда -й гармоники напряжения на входе фильтра, т. е. на выходе выпрямителя; Uvd - амплитуда -й гармоники в нагрузке. К сглаживающим фильтрам принято относить:

пассивный сглаживающий L - фильтр;

Г-образный (L-С) сглаживающий фильтр; - сглаживающий фильтр с параллельным резонансным контуром (фильтр «пробка»); - комбинированный индуктивный фильтр с резонансной цепочкой; - трансформаторный фильтр; - дифференциальный фильтр. Пассивный сглаживающий дроссель (L - фильтр, Рисунок 3.4) применяется для подавления пульсации тока при невысоких требованиях к качеству выпрямленного напряжения. Наиболее распространенной областью его применения является вентильный электропривод постоянного тока.

Фильтр представляет из себя дроссель с сердечником из ферромагнитного материала с воздушным зазором. Фильтр включается последовательно с нагрузкой и обтекается выпрямленным током. Воздушный зазор вводится для исключения насыщения дросселя под действием тока нагрузки [94].

Индуктивный фильтр является крупногабаритным устройством Реактивное сопротивление дросселя XL = coL зависит от круговой частоты со, потому для уменьшения габаритов устройства стараются повысить частоту основной пульсации выпрямленного напряжения или пульсность выпрямителя. Сглаживающий индуктивный фильтр может использоваться для улучшения формы кривой постоянного тока нагрузки при питании сильноточных потребителей.

Если к качеству выпрямленного напряжения предъявляются повышенные требования, то применяется Г-образный сглаживающий L-C фильтр (Рисунок 3.5). Применение двух реактивных элементов имеет свои преимущества: так дроссель сглаживает кривую выпрямленного тока, а конденсатор – кривую выпрямленного напряжения. Эффективность работы фильтра увеличивается с возрастанием ёмкости конденсатора и частоты переменной составляющей напряжения.

Г-образный сглаживающий L-C фильтр может использоваться при большой мощности нагрузки. К достоинству фильтра относятся его относительно малые габариты; к недостаткам – возможность возникновения переходных процессов в нагрузке и сравнительно низкая надежность конденсаторных батарей. Подобные фильтры используются для сглаживания тока и напряжения в преобразователях типа ВАКС [8].

Применение активного сглаживающего фильтра

Векторная диаграмма показывает попарное совпадение векторов малых хорд, что подтверждает сделанные ранее выводы о параллельности этих хорд и, соответственно, равенстве их напряжений.

Если принять за точку отсчета момент естественной коммутации диаметральной пары силовых ключей 1 и 2, то в первый момент времени следует замкнуть ключи 1 и 2 (Рисунок 4.14), при этом 1 отвод КО подключается к положительной шине выпрямителя 1 ключом, а 5 отвод КО 2 ключом подключается к отрицательной шине выпрямителя. Через время равное 2-7r/N с момента включения пары 1-2 СКЛ должна включиться последующая смежная пара 3-4, подключенная к выводом КО имеющими минимальный отрицательный фазовый сдвиг (Рисунок 4.15б). При этом предшествующая пара СКЛ отключается с небольшой временной задержкой (Рисунок 4.15а), что позволяет исключить разрывы цепей питания индуктивных катушек, составляющих секции КО.

Коммутация СКЛ на первой ступени регулирования. Далее процесс переключения повторяется аналогичным образом. Таким образом, работа выпрямителя на первой ступени регулирования принципиально не отличается от работы УВ при классическом способе управления. На второй ступени порядок включения ключей существенно изменяется. Если принять за точку отсчета момент, сдвинутый на 7r/N относительно момента естественной коммутации диаметральной пары силовых ключей 1 и 2, то в первый момент времени следует замкнуть одну из двух пар силовых ключей: 1 и 4 или 3 и 2 (Рисунок 4.16). В первом случае 1 отвод КО подключается к положительной шине выпрямителя 1 ключом, а 6 отвод КО 4 ключом подключается к отрицательной шине выпрямителя. Во втором случае 2 отвод КО подключается к положительной шине выпрямителя 3 ключом, а 5 отвод КО 2 ключом подключается к отрицательной шине выпрямителя. Как показывает рисунок 4.13 хорды 1-6 и 2-5 сонаправлены и потому равнозначны. Для определенности будем считать, что использовались ключи 1 и 4.

СКЛ должна включиться последующая смежная пара, подключенная к выводом КО имеющими минимальный отрицательный фазовый сдвиг. Ввиду наличия двух параллельных хорд могут быть задействованы пары ключей 3-6 и 5-4 (Рисунок 4.17).

Поскольку предшествующая пара СКЛ отключается с небольшой временной задержкой, возможны два варианта коммутации. Рисунок 4.18а показывает процесс переключения на пару СКЛ 3-6. Рисунок 4.18б показывает процесс переключения на пару СКЛ 5-4. Хорды 2-7 и 3-6 сонаправлены и в целом равнозначны, однако при использовании хорды 3-6 требуется меньше переключений СКЛ, что снижает динамические потери в ключах. Через время равное 2-тг/N будут задействованы пары ключей 5-8 или 6-7. По причине, указанной выше, использование пары 5-8 является приоритетным. Далее процесс переключения повторяется аналогичным образом. а) б) Рисунок 4.18 – Коммутация СКЛ на второй ступени регулирования. Третья ступень регулирования формируются меньшими по размеру хордами, состоящими из двух секций КО. В первый момент времени следует замкнуть одну из двух пар силовых ключей: 15 и 4 или 3 и 16 (Рисунок 4.19). Для определенности будем считать, что использовались ключи 15 и

Через время равное 2 ж/N с момента включения предыдущей пары СКЛ должна включиться последующая смежная пара, подключенная к выводом КО имеющими минимальный отрицательный фазовый сдвиг. Ввиду наличия двух параллельных хорд могут быть задействованы пары ключей 1-6 и 5-2. Рисунок 4.20 – Второй шаг третьей ступени регулирования ТВМП-8. Поскольку предшествующая пара СКЛ отключается с небольшой временной задержкой, возможны два варианта коммутации. Рисунок 4.21а показывает процесс переключения на пару СКЛ 1-6. Рисунок 4.21б показывает процесс переключения на пару СКЛ 5-2. а) б) Рисунок 4.21 – Коммутация СКЛ на третьей ступени регулирования. Хорды 7-1 и 5-3 сонаправлены и в целом равнозначны. При этом, в отличие от второй ступени, ни одна из них явных преимуществ не имеет.

Через время равное 2 ж/N с момента включения предыдущей пары процесс переключения повторяется для следующей пары СКЛ.

Четвертая ступень регулирования формируются меньшими по размеру хордами, состоящими из одной секции КО. Если принять за точку отсчета момент, сдвинутый на я/N относительно момента естественной коммутации диаметральной пары силовых ключей 1 и 2, то в первый момент времени следует замкнуть одну из двух пар силовых ключей: 5 и 16 или 15 и 6 (Рисунок 4.22а). Для определенности будем считать, что использовались ключи 5 и 16.

Исходное состояние четвертой ступени регулирования ТВМП-8. Через время равное 2 ж/N с момента включения предыдущей пары СКЛ должна включиться последующая смежная пара, подключенная к выводом КО имеющими минимальный отрицательный фазовый сдвиг. Ввиду наличия двух параллельных хорд могут быть задействованы пары ключей 1-8 и 7-2 (рисунок 4.23). а) б) Рисунок 4.23 - Коммутация СКЛ на четвертой ступени регулирования. Хорды 1-8 и 4-5 сонаправлены и в целом равнозначны, однако при использовании хорды 4-5 происходит кратковременное короткое замыкание нагрузки через открытые ключи 7 и 16, что увеличивает потери и снижает надежность работы схемы. Через время равное 2 ж/N с момента включения предыдущей пары процесс переключения повторяется для следующей пары СКЛ. Порядок включения ключей для УВ с 8 парами СКЛ на каждой ступени регулирования представлен в таблице 4.2.

Регулирование выходного напряжения при ступенчато-хордовом алгоритме управления силовыми вентилями

В качестве основы для построения МПСУ был выбран микроконтроллер фирмы Microchip типа PIC18F4550, обеспечивающий достаточное быстродействие и работу интерфейса I2C и шины USB для более удобного обновления программного обеспечения. Во всех блоках МПСУ предусмотрена возможность обновления программного обеспечения микроконтроллеров прямо “на плате”, через интерфейс внутрисхемного программирования.

Для дешифрации номера включаемого силового вентиля, использована программируемая логическая схема (ПЛИС), что позволило отказаться от устаревших серий дешифраторов, и обойтись всего одной микросхемой, выполненной по современной технологии.

Блок входных устройств (Рисунок 5.19) [95] МПСУ предназначен для вырабатывания сигнала синхронизации СУ с силовой сетью, и измерения ряда ее параметров, с передачей результатов измерений по шине I2C.

Гальваническая развязка каналов синхронизации обеспечивается за счет применения диодных оптопар. При этом большая часть синусоиды «срезается» включенным параллельно оптопаре стабилитроне, что обеспечивает высокую точность синхронизации, причем, задержка от начала положительной полуволны не превышает долей градуса. Всего реализовано 2 канала синхронизации: по входному напряжению и по выходной круговой ТВМП. Сигнал синхронизации с сетью передается непосредственно на блок БМК в целях минимизации задержек. При этом программное обеспечение самого БВУ может обрабатывать эти же сигналы для защиты от ошибок синхронизации, с выдачей запрета работы по шине I2C. ОП – оптопара диодная, ДХ – датчик Холла Рисунок 5.19 – Блок-схема БВУ

Предпринятые меры электромагнитной совместимости, в том числе: блокировочные конденсаторы, гальваническая развязка от измеряемых цепей, разграничение печатной платы на две экранированные секции и стабилизация питающего напряжения в самом блоке, а также возможность программной защиты от сбоев обеспечило надежную синхронизацию СУ с силовой сетью.

Блок микроконтроллера (Рисунок 5.20) реализует алгоритм управления, в соответствии с заданным пользователем режимом работы. Входным сигналом служит прерывание от блока БВУ, в виде прямоугольного импульса, начало которого служит точкой отсчета периода напряжения силовой сети. По интерфейсу I2C блок соединен с блоками БВУ и БИП, выступая ведущим устройством на шине. Также БМК может получать по интерфейсу I2C сигнал о запрете работы, и значение тока и напряжения, что позволяет реализовать стабилизацию напряжения или тока в нагрузке.

С выхода блока на вход блока БУФ параллельному цифровому каналу выдаются номера включаемых силовых вентилей, и сигнал разрешения работы. Использование битов контроля четности дает защиту от помех. Блок усилителей-формирователей (Рисунок 5.21) служит для дешифрации номера включаемых силовых вентилей, и усиления управляющего импульса до нужной мощности. С входного разъема двоичный код поступает на дешифратор, выполненный на микросхеме серии EPM7128 фирмы Altera. Наличие бита четности обеспечивает контроль целостности двоичного кода. В случае ошибки, вывод управляющих импульсов блокируется.

С выходов микросхемы ПЛИС, дешифрованный сигнал поступает на усилители импульсов на микросхемах ULN2003A. Преимущество таких сборок состоит в экономии места на печатной плате, возможности быстрой замены при установке в панели, и наличии встроенных пассивных цепей.

Наличие разъема внутрисхемного программирования предоставляет возможность дальнейшей корректировки и модернизации алгоритма управления, что подкрепляется примененной серией ПЛИС с большим запасом логических блоков. Резервирование во входном разъеме нескольких линий позволяет в дальнейшем вводить в алгоритм работы БУФ новые управляющие сигналы, что еще больше расширяет потенциал схемы.

Блок интерфейса пользователя (Рисунок 5.22) реализует интерфейс взаимодействия с пользователем, в том числе: ввод угла управления силовыми вентилями, отображение тока и напряжения на выходе преобразователя, и включение-отключение выдачи управляющих импульсов, а также выдачу информационных сообщений о режиме работы МПСУ. Для отображения информации применен буквенно-цифровой ЖКИ дисплей. Управление (в том числе изменение угла управления) производится через кнопочную клавиатуру. По интерфейсу I2C блок соединен с блоками БВУ и БМК. От блока БВУ принимаются данные о токе и напряжении на выходе преобразователя, а на БМК передаются команды управления.