CZ282055B6

CZ282055B6 - Způsob řízení elektrických ventilů usměrňovače

Info

Publication number: CZ282055B6
Application number: CS921053A
Authority: CZ
Inventors: Grzegorz Dr. Skarpetowski
Original assignee: Daimlerchrysler Ag
Priority date: 1991-04-08
Filing date: 1992-04-07
Publication date: 1997-05-14
Also published as: CA2063690C; DE59201492D1; FI107475B; NO179600C; EP0508110A2; KR100187965B1; US5331537A; FI921533A0; AU1386492A; AU648399B2; DE4111226A1; NO921106L; ES2072037T3; PL168286B1; PL294126A1; NO179600B; DK0508110T3; JPH05115180A; ZA922237B; FI921533L

Abstract

Při způsobu řízení elektrických ventilů usměrňovače, obsahujícího pro každou fázi střídavého proudu nejméně jeden elektrický ventil nebo řetězec ventilů, přičemž ventily nebo ventilové řetězce každé fáze střídavého proudu se řídí se vzájemným posunem fází, se generují řídicí signály (11) pro elektrické ventily v závislosti na komutační funkci. Řídicí signály (11) se přivádějí na vícestupňové a vícefázové síťové a nucené komutované usměrňovače (13, 14), kterými je možno řídit různé typy usměrňovačů. Jednoduchým přeprogramováním modulátoru (9) generátoru (10) řídicích signálů je možno zařízení lokomotivy přestavit na jiný druh napájení. Modulátoru (9) a impulzovému generátoru (8) jsou přiváděny modulátorové řídicí signály (7), popřípadě řídicí signály (6) impulzového generátoru (8) nebo nastavovače (5), se kterým tvoří generátor (10) řídicích signálů.ŕ

Description

Způsob řízení elektrických ventilů usměrňovače

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu řízení elektrických ventilů usměrňovače, obsahujícího pro každou fázi střídavého proudu nejméně jeden elektrický ventil nebo řetězec elektrických ventilů.

Dosavadní stav techniky

Tento způsob řízení elektrických ventilů se vzájemným posuvem fází byl podrobně popsán F. Bauerem a H.-D. Heiningem ve zprávě o názvu Rychle reagující prostorové vektorové řízení výkonové tříúrovňové střídačové hnací soustavy přednesené na 3. evropské konferenci o názvu Power Electronic and Applications, EPE Aachen ve dnech 9. až 12. října 1989, sborník 1, str. 417 až 420. V této zprávě bylo popsáno nasazení počítače pro regulaci indukčního stroje, napájeného z usměrňovače, prováděnou s orientovaným polem. GTO tyristory tříúrovňového střídače byly řízeny pomocí modulace šířky impulzu. Jak regulace s orientovaným polem, tak také vytváření impulzových obrazců se implementuje do procesoru pro zpracování signálů. Přitom je pro každý typ usměrňovače potřebný vždy jeden speciální řídicí program nebo speciální řídicí zapojení obvodů.

Podstata vynálezu

Nedostatky tohoto dosud známého řízení jsou odstraněny způsobem řízení elektrických ventilů usměrňovače podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že elektrické ventily nebo ventilové řetězce každé fáze střídavého proudu se ovládají se vzájemným fázovým posuvem a elektrické ventily usměrňovače se komutují pro regulaci výstupního proudu usměrňovače řídicími signály generovanými jako funkce komutační funkce FCF,j(t), která je rovna:

nl

KF,j(t) = m,(t) + (2/π). Σ {sin (η . π . mj(t)).

n=l cos (n . k . (ω . t - (8j + φι + ψ>)))}/η, kde t = čas, mj(t) = modulační funkce, n = regulační proměnná s hodnotou 1 < n < nl, nl = součinitel přesnosti, i = regulační proměnná pro charakterizování fáze (R, S, T; a, b, c ...) střídavého proudu s 1 < i < Αφ . AG, Αφ = počet ventilových řetězců s posunutými základními vlnami, AG = počet ventilových řetězců majících stejnou fázi základních vln, j = regulační proměnná pro označení impulzového obrazce v rozsahu 1 < j < Αε . Αφ, Αε = počet nezávislých ventilových řetězců s posunutým impulzovým obrazcem, k = násobnost taktování, ω = úhlová frekvence střídavého napětí, φ, = nastavitelný fázový úhel, i = regulačně korekční úhel a 8j = výchozí hodnota polohy impulzového obrazce j-tého ventilového řetězce (13, 14) se stejným indexem i.

Ve výhodném provedení způsobu podle vynálezu se vytvoří modulační funkce (mjt)) podle vzorce:

m,(t) = (PZ - 1). {AC + m0,. cos (AC . (ω . t - (φ. + ψι)))}/(Αε + 1), kde t = čas, index i = proměnná pro vyznačení fáze (R, S, T, a, b, c, ...) střídavého proudu,

- 1 CZ 282055 B6

PZ = počet ovladatelných ventilů jednoho ventilového řetězce, AC = parametr provozního proudu s významem: AC = 1 pro provoz na střídavý proud/střídavé napětí, AC = 0 pro provoz na stejnosměrný proud/stejnosměmé napětí, mO, = předem daný parametr hloubky modulace, ω = úhlová frekvence střídavého napětí, ψ, = zadaný fázový úhel, popřípadě regulačně korekční úhel a φί = výchozí úhlová poloha pro i-fázi střídavého proudu.

Modulační funkce (m,(t)) se vytvoří podle vzorců:

a) n2 mj(t) = mOj + (2/π). Σ [sin (n . m0, . π). cos (η . (ω . t. - φί - ψ,))}/η n=l nebo b) m,(t) = mOi pro cos (ω . t - ψ;) > 0, jinak mj(t) = 0, nebo c) n2 mj(t) = mOj. {0,5 + (4/π²). Σ [cos ((2 . n - 1). (ω . t - φί - ψ₄))}/(2 . η - l)²} n=l nebo d) pro lichoběžníkovou modulaci n2 m,(t) = 0,5 + (4 . m0,/(n . α)) . Σ [sin (2 . n - 1) . a/(2 . η - l)²] . sin ((2 . n - 1) . (ω . t - φί - ψ,)), n=l kde t = čas, index i = regulační proměnná pro vyznačení fáze (R, S, T, a. b, c ...) střídavého proudu, mOj = parametr hloubky modulace, n2 = součinitel přesnosti, ω = úhlová frekvence střídavého proudu, φ, = předem zadaný fázový úhel, ψ, = regulačně korekční úhel a a = poloviční rozdíl mezi delší a kratší stranou z dvojice vzájemně rovnoběžných stran lichoběžníka.

V jiném konkrétním provedení vynálezu se vytvoří komutační funkce KFy(t) pro každý ventilový řetězec usměrňovače s více ventilovými řetězci samostatně ve stejně vytvořeném impulzovém generátoru a nadřazeným nastavovačem se inicializuje parametr komutační funkce KF./t).

Modulační funkce m,(t) pro každý ventilový řetězec usměrňovače s několika ventilovými řetězci samostatně ve stejné vytvořeném modulátoru inicializuje se parametr modulační funkce n,(t) pomocí nadřazeného nastavovače.

V ještě jiném konkrétním provedení způsobu podle vynálezu se v závislosti na komutační funkci KFjj(t) vytvoří řídicí signály pro ovladatelné ventily TON až TUM podle vzorce

LTOnjj = H(KFij(t) - LUO - n + 1), 1 < η < N pro ovladatelné ventily (TO1 - TON) mezi nulovou svorkou (UO) a kladnou vodičovou lištou (SO) s výchozím bodem na nulové svorce (UO), a podle vzorce

LTUny = H(-KFy(t) + LUO - n + 1), 1 < η < M pro ovladatelné ventily (TU1 - TUM) mezi nulovou svorkou (UO) a zápornou proudovou kolejnicí (SU), počínaje od nulové svorky (UO), přičemž i je proměnná pro označení fáze

-2CZ 282055 B6 (R, S, T, a, b, c ...) střídavého proudu, j je proměnná pro označení impulzového obrazce, H(x)je funkce Heaviside a LUO = 0,5 + ent ((PZ-2)/2) označuje referenční potenciál nulové svorky (UO) a PZ = N + M = počet ovladatelných ventilů ventilového řetězce.

Nejméně jeden modulátor a/nebo nejméně jeden z impulzových generátorů se řídí v závislosti na nejméně jednom vý stupním signálu S12, SYN,,, SYN, _a, _b, _c předřazeného regulátoru.

V dalším konkrétním provedení vynálezu se data nebo parametry AC, PZ, k, 4>_R, φ₅, φτ, Φα- Φ’σ, e_R, ε₅, ετ, ε₃ - ε’_ο, uložené nebo vytvořené v nastavovači periodicky přivádějí na nejméně jeden modulátor a na nejméně jeden impulzový generátor a určí se vzájemný fázový posuv fází R, S, T, a, b, c, ... střídavého proudu, popřípadě výchozí úhlové signály φ„ φβ, φ$, φτ, Φα, Φ’α, Φβ, Φ’β, Φσ, φ’_ε podle následující rovnice, do které se dosadí výchozí hodnota úhlu φ₀ a úhlového rozdílu φ = 2 . π/Αφ:

φι = φο + φ . (i - I), φ’ί . DS = φ; + π, < i < Αφ, Αφ = počet ventilových řetězců s posunem základních kmitočtů, a/nebo se výchozí hodnoty úhlové polohy (ε₃, ε_κ, ε₅, ε_τ, ε₃, ε’₃, c_b, c’_b, ε_ε, ε’_ε) impulzových obrazců vytvoří podle následující rovnice:

Cj = c₀ + Ac.(j- 1), c’j . DS = Cj + (PZ - 2) . π/k + (1 - AC). π/k, kde 1 < j < Αε, Αε = je počet nezávislých ventilových řetězců s posunutým impulzovým obrazcem,

Δε = 2 . n/((DS + 1). k . Αε) a ε₀ = n/(k . DS + 1)) pro (k + PZ - 1)/(4 - 2 . DS) - ent {(k + PZ - 1)/(4 - 2 . DS)} = 0, jinak je ε₀ = 0ent(x) = největší celé číslo < x, DS = 1 pro dvojstranné napájení, DS = O a PZ = počet ovladatelných ventilů TON - TUM každého ventilového řetězce. Výchozí hodnota úhlové polohy Cj, Cr, ε$, ε_τ, ε₃, ε’₃, c_b, c’_b, ε_ς, ε’_ς, impulzového obrazce je rovna nule a/nebo je počet PZ ovladatelných ventilů jednoho ventilového řetězce usměrňovače roven 1.

Výhoda řešení podle vynálezu spočívá v tom, že je tak dán k dispozici univerzální algoritmus pro vytváření potřebných povelů pro ventily a tyristory vícestupňových a vícefázových síťových a nucené komutovaných usměrňovačů. Při řízení není nutno zajišťovat pro každý typ usměrňovače nové naprogramování. Řídicí algoritmus může být řešen ve formě počítačového technického nebo programového vybavení.

Alternativní provedení impulzních modulátorů usměrňovačů mohou být v oblasti výkonové elektroniky omezeny na jeden až tři typy. Tím je možno výrazně ušetřit vývojové náklady, zejména při výrobě menšího počtu výrobků nebo při použití speciálních detailních řešení.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže objasněn pomocí příkladů provedení, zobrazených na výkresech, kde znázorňují obr. 1 blokové schéma usměrňovačem napájeného spotřebiče, popřípadě procesu s generátorem řídicích signálů pro generování řídicích signálů pro usměrňovač.

obr. 2 blokové schéma generátoru řídicích signálů pro třífázový usměrňovač se třemi ventilovými řetězci,

-3CZ 282055 B6 obr. 3 a) až f) schémata zapojení usměrňovačů s pouze jediným tyristorovým řetězcem, obr. 4 a) až e) schémata zapojeni obvodů se dvěma ty ristorovými řetězci, obr. 5 a) až c) schémata zapojení usměrňovačů se třemi řetězci tyristorů, obr. 6 matici ventilových řetězců pro vícefázový vícebodový usměrňovač, obr. 7 blokové schéma generátoru řídicích signálů pro tříokruhový a čtyřkvadrantový ovladač a obr. 8 pomocnou napěťovou síť pro taktovací algoritmus.

Příklady provedení vynálezu

Blokové schéma na obr. I zobrazuje zapojení zdroje 1 elektrické energie, tvořeného zdrojem střídavého napětí nebo zdrojem stejnosměrného napětí, s elektrickým spotřebičem, zejména s elektrickou zátěží nebo elektrickým strojem, popřípadě s výrobním nebo pracovním procesem 3, přes střídač nebo usměrňovač 2. V procesu 3 se generuje například proudový signál I, napěťový· signál U střídavého proudu, momentový signál Mo udávající velikost kroutícího momentu a frekvenční signál f, které se přivádějí na regulátor JL2. Regulátor 12 dodává na své výstupní straně regulační signál S12 pulzátoru nebo impulzovému generátoru 8 a také modulátoru 9 generátoru 10 řídicích impulzů. Regulační signály S12 mohou obsahovat signály mOj udávající parametry hloubkové modulace a signály o úhlové frekvence napěťových signálů U, kde i je proměnná pro fáze R, S, T střídavého proudu. Na vstup modulátoru 9 jsou dále přiváděny řídicí modulační signály 7 z programovacího členu nebo nastavovače 5 generátoru 10 řídicích signálů. K nastavovači 5 jsou na jeho vstup přiváděny měnitelné nastavovací signály 4. Na impulzový generátor 8 jsou přiváděny z nastavovače 5 ovládací signály 6 pro řízení generovaných impulzů a z modulátoru 9 je přiveden jeden signál, odpovídající modulační funkci m,(t~), přičemž na svém výstupu dodává impulzový generátor 8 spouštěcí nebo řídicí signály 11 na usměrňovač 2. Řídicí signály 11 mohou být optickými signály, přenášenými skleněnými optickými vlákny, nebo elektrickými signály, zesilovanými pomocí neznázoměného zesilovače.

Generátor 10 řídicích signálů 11 představuje jeden článek vodivostního elektronického systému, který je spínán přímo usměrňovačem 2 v místě napojení řídicí elektroniky na silnoproudý obvod. Generátor 10 řídicích signálů 11 dostává vstupní veličiny z regulátoru 12, popřípadě z části elektronického obvodu, který obsahuje řídicí prvky pro řízení usměrňovače 2.

Na obr. 2 je zobrazen generátor 10 řídicích signálů 11 pro usměrňovač 2 se třemi fázemi R, S, T, který nastavuje tři obousměrné polořízené ventilové řetězce 13 pomocí vodivostních signálů 11, přičemž pro lepší přehlednost tohoto příkladného provedení je místo tří ventilových řetězců 13 zobrazen jen jeden z nich, připojený k fázi T. Antiparalelně ke každému tyristorů ventilového řetězce 13 je zapojena dioda. M určuje počet dolních ventilových svorek U1 ...UM mezi dolní proudovou kolejnicí SU a nulovací svorkou LJO, popřípadě výstupní svorkou. N označuje počet horních ventilových svorek Ol ...ON mezi horní proudovou kolejnicí SO a nulovací svorkou UO. Počet bodů usměrňovače 2 je označen PZ = O, ...M-l, Μ, M + 1, M + 2, ... Μ + N + 1, M + N+2.

Místo obousměrných polořízených ventilových řetězců 13 může být také použito jednosměrných plně řízených ventilových řetězců 14 se sériovým zapojením tyristotů TUM, ...TLJ2, TU1, TO1, TO2, ...TON. Stejné označení platí i pro další neznázoměné další ventilové řetězce 13.

Generátor 10 řídicích signálů 11 obsahuje jen jeden nastavovač 5, avšak vždy pro jednu fázi R, S, T vždy jeden modulátor 9 a jeden impulzový generátor 8.

Nastavovač 5, který obsahuje programovací parametry generátoru 10 řídicích signálů 11, má za úkol převést jednou v hierarchicky nadřazených úrovních stanovená data po odpovídajícím zpracování, při kterém se musí vzít v úvahu také data vlastního zapojení, stanovená testováním v otevřeném provozu, na modulátor 9 nebo na skupinu modulátorů 9 a na impulzový generátor 8.

-4CZ 282055 B6

Nastavovač 5 dostává jako nastavovací signály následující signály:

- AG = počet ventilových řetězců 13, 14 se stejnou fází základního kmitočtu,

- AC = parametr provozního proudu, součinitel stejnosměrného nebo střídavého provozního proudu,

AC = 1 znamená provoz střídavý proud/střídavé napětí,

AC = 0 znamená provoz stejnosměrný proud/stejnosměmé napětí jako například ujednokvadrantového ovladače podle obr. 3d) a 3e,

- PZ = délkový parametr ventilového řetězce, počet sériově zapojených tyristorů v každém ventilovém řetězci, kde

PZ = 2 = dvoubodový obvod,

PZ = 3 = tříbodový obvod,

PZ = 4 = čtyřbodový obvod,

- DS = parametr dvoustranného zatěžovacího napájení,

DS = 0 = jednostranné napájení například měniče u asynchronního a do hvězdy zapojeného stroje podle obr. 5c),

DS = 1 = dvoustranné napájení například transformátorového vinutí u čtyřkvadrantového ovladače podle obr. 4 d), ω = úhlová frekvence střídavého napětí U = 2 . π . f, f = frekvence střídavého napětí U,

- k = parametr taktování, vícenásobné taktování,

- Ω = úhlová frekvence taktování = k .ω = 2 .π . f_t pro AC = 1, f_t = taktovací kmitočet,

- Αφ = počet ventilových řetězců s posuvem základního kmitočtu a

- Αε = počet nezávislých ventilových řetězců s posunutým impulzovým obrazcem.

Modulátor 9 dostává z nastavovače 5 následující signály, které jsou modulačními signály 7 modulátoru 9: AC, PZ, ma - φ_κ, φ₅, φ_τ = výchozí úhlové polohy základních kmitů ventilových řetězců R, S, T. Zobecněně jsou tyto výchozí úhlové polohy označeny φ„ přičemž i = 1, 2, .. Αφ . AG je proměnná pro fáze střídavého proudu.

Impulzový generátor 8 dostává od nastavovače 5 řídicí signály 6 impulzového generátoru 8 ve formě následujících signálů: PZ, ω, k a

- 8r, s_s, ε_τ = výchozí hodnoty úhlové polohy impulzního obrazce ve vztahu k řetězcům s posunutým impulzovým obrazcem.

Obecně se výchozí hodnoty impulzové úhlové polohy označují ε_ρ přičemž j = 1, 2, ... Α_ε. Αφ je proměnnou pro impulzový obrazec.

Uhlový kmitočtový signál ω pro impulzový generátor 8 a modulátor 9 může přicházet u usměrňovače 2 také od regulátoru 12. Impulzový generátor 8 a modulátor 9 dostávají z regulátoru 12 společně s regulačními signály S12 vždy jeden synchronizační signál SYN a korekční signál vždy podle úhlové polohy základních kmitů. U vektorového regulátoru 12 může být používán také jen jeden parametr mO, hloubky modulace a jeden korekční signál Modulátor 9 dostává od regulátoru 12 parametr mOj hloubky modulace, popřípadě také úhlový kmitočtový signál ω.

Úkolem modulátoru 9 je vytvářet modulační funkci m/t) z minimálního počtu dat. V mnoha, avšak nikoliv ve všech případech je možno podstatu řešení pochopit z analytického zobrazení. Pro jednoduchý usměrňovač síťového proudu nebo pro takové speciální modulační funkce mj(ť), které se vyskytují například při přímé samočinné regulaci, je třeba použít speciálně přizpůsobených rovnic. Modulační funkce m,(t) rozhoduje o formě řady impulzů, generovaných impulzovým generátorem 8.

-5CZ 282055 B6

Zcela obecná forma modulátoru 9 vypočítává na čase závislou modulační funkci:

m,(t) = (PZ - 1 . {AC + mOj . cos (AC. (ω . - (ψ, + @i)))}/(AC + I), kde t je čas, index i je řídicí proměnná pro vyznačení fáze R, S, T, střídavého proudu, mO; je parametr hloubky modulace, φ, označuje výchozí úhlovou polohu a ψ, korekční signál regulátoru 12, přičemž obvody ventilového řetězce jsou označeny i = 1,2, ...Αφ.

Modulační funkce m,(ť) určuje amplitudu, frekvenci a fázi proudu s určitou velikostí vztahu mezi proudem a napětím, produkovaným usměrňovačem 2.

Impulzový generátor 8 vytváří ze vstupních dat víceúrovňovou, popřípadě distribuční nebo komutační funkci KFj/t), závislou na čase, podle rovnice:

nl

KFjj(t) = mj(t) + (2/π). Σ {sin (η . π . nt(t). cos (n . k . (ω . t (ε, + φ; + ψ;)))}/η, n=l kde n je řídicí proměnná, nl je součinitel přesnosti a 8j je výchozí hodnota polohy i v impulzním obrazci produkovaném obvody ventilového řetězce. Signál <&, určující výchozí úhlovou polohu, může být přenášen na impulzový generátor 8 přes modulátor 9 nebo přímo z nastavovače 5; toto provedení není v příkladech zobrazeno.

Přesnost výpočtu přibývá s rostoucím počtem členů, přičemž nl se zejména volí v rozsahu od 20 do 100.

Řídicí signály 11 impulzového generátoru 8 odpovídají řídicím povelům tyristorů TUM,... TON. které se získávají s pomocí PZ komparátorů pro realizaci dalších signálů pro danou funkci H(x) z komutačních funkcí KFij(t). V impulzovém generátoru 8 nebo v přídavném a neznázoměném ústrojí mohou být vytvořeny úpravy pro vyhledávání chyb a pro zamezení krátkých spojení.

Generátor 10 řídicích signálů 11 může být realizován pomocí počítačových technických a programových prostředků, kterými může být řízen usměrňovač 2 s ventilovým řetězcem 13, 14 libovolné délky. Jako délkového parametru těchto řetězců je možno využít počtu stupňů, popřípadě počtu bodů PZ.

Obr. 3 až 5 znázorňují příklady využití algoritmu podle vynálezu, přičemž označení jsou pro jednotlivé příklady ventilových řetězců 14 souhlasná. Obr. 3 přitom zobrazuje usměrňovač 2, který obsahuje pouze jeden ventilový řetězec nebo řetězec sestávající jen z jednoho dílu.

Obr. 3 a) až 3 c) zobrazují jednofázový usměrňovač proudu, obr. 3 d) zobrazuje desetikvadrantový ovladač proudu, obr. 3 e) zobrazuje desetikvadrantový ovladač napětí a obr. 3 f) dvacetikvadrantový ovladač.

Usměrňovače 2 z této skupiny příkladů provedení mohou být řízeny také jen jednou konstrukční jednotkou nebo modulátorem 9 a impulzovým generátorem 8.

U usměrňovačů 2 se dvěma řetězci tyristorů je nutno použít dvou takových softwarových nebo hardwarových jednotek. K. nim patří následující usměrňovače 2, zobrazené na obr. 4, kde znázorňují:

-6CZ 282055 B6 obr. 4 a) jednofázový středový obvod, obr. 4 b) jednofázový můstkový obvod se všemi druhy řízení v několika provedeních, například jako sekvenční obvod na stejnosměrné straně, který představuje určitý druh elektronického stupňového spínače, obr. 4 c) jednofázový obvod na principu vypínání sledu fází, obr. 4 d) čtyřkvadrantový usměrňovač (jeden obvod čtyřkvadrantového usměrňovače nebo jeden obvod měniče napětí pro připojení na asynchronní motor), obr. 4 e) dvoukvadrantový usměrňovač pro napájení proudového střídače se změnou napětí ve stejnosměrné síti.

Tři tyristorové řetězce, které vyžadují tři řídicí moduly, jsou opatřeny například následujícími usměrňovači 2:

obr. 5 a): můstek pro střídavý proud, jednofázový sekvenční obvod, napájený střídavým proudem, obr. 5 b): kvazičtyřstupňový obvod, obr. 5 c): měnič napětí pro asynchronní motor v hvězdicovém zapojení, přičemž v těchto příkladech není zobrazen třífázový usměrňovač se zrušováním sledu fází.

Z příkladů na obr. 3 až 5 je seznatelné příkladné provedení logických obvodů, které jsou použitelné ve ventilových řetězcích s libovolným počtem členů.

Obr. 6 zobrazuje usměrňovač 2 v maticové formě pro fáze Αφ s Μ + N elektrických ventilů, zapojených v sérii, popřípadě tyristorů TUM ... TON, který vyžaduje pro každou fázi dva modulátory 9 a dva impulzové generátory 8. Pro takový usměrňovač 2 je délkový parametr ventilového řetězce PZ = Μ + N a počet ventilových řetězců ΑΝ (1 + DS). Αφ . AG . As.

Pro vymazání pásma harmonických složek synchronizačních frekvencí se použije posuvu impulzového obrazce. Tímto posuvem se zřetelně zvyšuje výsledná synchronizační frekvence f_tusměrňovače 2.

Je pouze věcí naprogramování jednotlivých parametrů, zda bude například šest řetězců usměrňovače provozováno ve formě tří vzájemně taktově přesazených, ale ve stejné fázi se nacházejících vstupních obvodů čtyřkvadrantového ovladače nebo jako tři taktově nepřesazené, ale vždy o 120° posunuté tri fáze střídače, popřípadě jako šestikvadrantový ovladač. Programuje se přitom buď posunutí fáze, nebo nastavení taktu.

Volné programování a vícenásobné paralelní provedení mnohých usměrňovačů 2, jak je to například používáno na síťové straně, umožňuje pouze nastavením odpovídajících parametrů i při dílčím výpadku zařízení automatický přechod na takový posun impulzových obrazců, při kterých je napájecí síť zatěžována v minimálním rozsahu harmonickými frekvencemi.

U příkladného provedení třífázového usměrňovače ve formě ventilových řetězců 13, 14, zobrazeného na obr. 2, musí být odděleně naprogramovány jak polohy jednotlivých fází základního kmitočtu, tak také polohy fází impulzových obrazců.

Obr. 7 zobrazuje generátor 10 řídicích signálů 11 pro tříobvodový čtyřkvadrantový ovladač. Každý obvod je opatřen dvěma modulátory 9 a dvěma impulzovými generátory 8, které jsou označeny A, B, AI, Bl, A2, B2. Soufázovost základních kmitočtů modulátorů 9 může být samostatně naprogramována pomocí signálů Φα, φ’_Α. φβ, Φ’β, Φο, ΦΙο θ výchozích úhlových polohách. Stejná zásada platí pro vzájemně opačný posun impulzových obrazců v impulzových generátorech 8 mezi dvojitě napájenými obvody pomocí jednotlivě programovaných hodnot ga,

-7CZ 282055 B6 ε\. Sb, e’h. ε_ς, ď_c výchozí úhlové polohy. Každé dva modulátory 9 dostávají od dvou regulátorů 12 parametry mO„ mOh. mO_r hloubky modulace. Regulátory 12 dodávají modulátoru 9 a impulzovému generátoru 8 regulační, popřípadě korekční úhlové signály ψ^, ij/_b, y/_c. Společná synchronizace ve vztažném bodě může být zapínána nebo vypínána. Také úhlová frekvence ω může být nastavena nastavovačem 5. Počáteční regulační hodnoty by mohly být také sdruženy do vektorové veličiny.

V nastavovači 5 se vypočtou signály Φα, Φα’, Φβ, Φβ’, Φο, φο’ pro výchozí úhlovou polohu podle následujících rovnic při využití výchozího úhlu například φο = 0 a úhlového natočení Δφ = 2 . π/Αφ:

φί = φο + Δφ . (i - 1), φ’ι. DS = φί + π, < i < Αφ.

Z toho se potom odvozují modulační funkce m_a(t), m_b(t), m_c(t) na výstupu modulátoru 9, aby se v rovnici mohly dosadit místo m,(t) konkrétní hodnoty a, b, c. Pro přehlednost příkladného provedení je zobrazena jen jedna modulační funkce m_a(t). Modulační funkce m_a’(t), m_b’(t), m_c’(t), které rovněž nejsou zobrazeny, se odvozují z modulačních funkcí m_a(t), m_b(t), m_c(t) tím, že se v rovnicích nahradí hodnota φ, hodnotou φ\.

Výchozí hodnoty pro posun impulzového obrazce jsou následující:

Δε = 2 .n/((DS+ 1). AJ, ε₀ = π/fk . (DS + 1)) pro (k + PZ - 1)/(4 - 2 . DS) - ent {(k + PZ - 1)/(4 - 2 . DS)} = 0 jinak je = 0. V této rovnici znamená ent(x) největší celé číslo < x. Hodnota je synchronizační hodnotou úhlové polohy impulzového obrazce.

S těmito hodnotami se získají z nastavovače 5 výchozí hodnoty Sa, ε\, s_b, E’_b, ε_ε, ε\ úhlové polohy impulzového obrazce podle následujícího vzorce:

ε; = ε₀ + Δ_ε. (j - 1), ε-j. DS = ^ + (PZ - 2). π/k + (1 - AC). π/k, < i < Αφ.

Signály označené apostrofem J platí pro diodový· řetězec, který je jako dvojitý napájecí řetězec (DS = 1) pevně definovatelnou fází a poloha impulzového obrazce přísluší k dvojitému řetězci bez apostrofu.

Aby se mohly v impulzovém generátoru 8 vypočítávat víceúrovňové funkce KF_aj, KF_bj, KF_CJ, je třeba dosadit do rovnice do hodnoty KFjj místo i hodnoty a, b, c. Víceúrovňové funkce KF’_aj, KF’_bj, KF’_Cj pro dvojitý řetězec se dostanou z víceúrovňových funkcí KF_aj, KF_aj, KF_aj, v jejichž rovnicích se nahradí m_a(t), m_b(t), m_c(t) hodnotami m_a’(t), m_b’(t), m_c’(t) a ε_] se nahradí ε\

Srovnávací potenciál LUO na nulové svorce UO má hodnotu vyplývající z rovnice:

LUO = 0,5 + ent((PZ - 2)/2).

Počet N tyristorů nad nulovou svorkou UO je

N = PZ/2 pro PZ/2 - ent (PZ/2) = 0, jinak je N - PZ/2 + 0,5. Počet M tyristorů pod nulovou svorkou UO je M = PZ - N.

-8CZ 282055 B6

Pro výpočet řídicích signálů 11, popřípadě řídicích signálů LTONj až LTUM, pro tyristory TON až TUM ve vztahu k fázi i s impulzovým obrazcem j se použije následujících rovnic:

LTONjj = H(KF,j(t) - LUO - N + 1),

LTOŽjj = H(KFij(t) - LUO - N - 1),

LTOly = H(KFij(t) - LUO),

LTUljj = H(-KFy(t) + LUO),

LTU2,j = (-KF.j(t) + LUO -1),

LTUMjj = H(-KF_u(t) + LUO - M + 1).

Přitom je H(x) tak zvanou Heaviside funkcí, pro kterou platí:

H(x) = 1 pro x > 0 a H(x) = 0 pro x < 0.

Pro horní tyristory TO1 až TON fáze i nebo pro ventilové řetězce platí pro řídicí signály 11, LTOn„ spodních tyristorů TU 1 až TUN, počínaje od nulové svorky UO, následující vztah:

LTOn.j = H(KFjj(t) - LUO - n + 1), 1 < η < N.

Podobně platí pro řídicí signály 11, TUn,j spodních tyristorů TU1 až TUM, počínaje od nulové svorky UO, následující vztah:

LTUn,j = H(-KF_y(t) + LUO - n + 1), 1 < η < M.

Obr. 8 zobrazuje pomocnou napěťovou síť taktovacího algoritmu, popřípadě komutační funkce KFjj(t). V každém průsečíku modulační funkce mi(t) s napěťovými vrstevnicemi LQ až L5, které odpovídají napětím na diodových výstupech UM až ON, je komutační funkce KF./t), která jednoznačně popisuje zapojení jednoho řetězce diod, zmenšena nebo zvětšena o 1. Změna odpovídá derivaci modulační funkce m/ť). Pomocná síť objasňuje vznik víceúrovňové komutační funkce KFy z jednotlivých průsečíků sítě a modulačních funkcí m,(t).

V další části popisu budou objasněny některé příklady provedení, ve kterých je použito vztahových značek z předchozího objasňování příkladu na obr. 2. Značky pro jednotlivé fáze R, S, T jsou také doplněny proměnnými i, přičemž i = 1 odpovídá jediné fázi nebo fázi R.

Usměrňovači matice, sestávající ze šesti čtyřstupňových dvoukvadrantových ovladačů s obrácením proudu, může být provozována jako:

- šest dvoukvadrantových ovladačů pro změnu proudu nebo napětí,

- tři čtyřkvadrantové ovladače s PZ = 2 nebo 3 nebo 4,

- dva jednoimpulzové třífázové měniče s PZ = 2 nebo 3 nebo 4,

-jeden dvouimpulzový třífázový měnič s PZ = 2 nebo 3 nebo 4,

- kombinaci těchto zapojení.

Příklad 1

Taktovací algoritmus pro maticový usměrňovač se šesti dvoukvadrantovými ovladači, PZ = 2, pro nastavení proudu nebo napětí:

Nastavovací obsah: AG = 3, AC = 0, PZ = 2, DS = 1, ω = 2 . π . f, f = 16 2/3 Hz, k = 12, Ω = k . ω, Αφ = 1.

-9CZ 282055 B6

Αε = 3.

Individuální vstupní signály modulátoru 9: mO, = 0,75, ψί = π/4, φ₀ = 0 φ_Α, φ’_Α, φ_Β, φ’_Β, Φο, Φ’σ

Individuální vstupní signály impulzového generátoru 8:

ε₃, ε\, s_b, ε\, s_c, ε\; ηΐ = 20, m_a(t), m_a’(t), m_b(t), m_b’(t), m_c(t), m_c’(t). Řídicí signály H.: LTOly, LTUljj.

Příklad 2

Taktovací algoritmus pro maticový usměrňovač se třemi čtyřkvadrantovými ovladači, PZ = 2: Nastavovací obsah: AG = 3, AC = 1, PZ = 2, DS - 1.

ω = 2 . π . f, f = 16 2/3 Hz, k = 11, Ω = k . ω, Αφ = 1, Α_ε = 3.

Individuální vstupní signály modulátoru 9, impulzového generátoru 8 a také řídicí signály 11 odpovídají signálům z příkladu 1, což platí také pro následující příklad:

Příklad 3

Taktovací algoritmus pro maticový usměrňovač se dvěma jednoimpulzovými třífázovými střídači, PZ = 2:

Nastavovací obsah: AG = 2, AC = 1, PZ = 2, DS = 0, ω = 2 . π . f, f = 16 2/3 Hz, k = 11, Ω = k . ω, Αφ = 3, Α_ε = 1.

Řešení podle vynálezu je zvláště vhodné pro vícesystémové lokomotivy. Elektrické silové schéma lokomotivy, vybavené minimálním počtem spínačů, se jednoduchým přeprogramováním modulátoru 9 může nastavit na jiný napájecí systém. Vícesystémové možnosti lokomotivy jsou zajištěny pomocí jediné usměrňovači elektronické soustavy. Univerzálnost použitého algoritmu umožňuje při obměnách základních projektů značnou úsporu nákladů a cen.

Výstupní signál m,(t) modulátoru 9 představuje proměnnou závislou na čase, která může být podobně jako řídicí napětí interpretována dosud známými usměrňovacími technickými prostředky. Tato funkce m,(t) může být realizována podobně jako u dřívějších provedení jako část regulátoru 12. který je určen pro dodávání proměnných, závislých na čase. Rozhraní mezi regulátorem 12 a modulátorem 9 je v takovém případě nepřehledné.

Nejdůležitější změna je v impulzovém generátoru 8, ke kterému je přiváděna modulační funkce ηΐώ·

Na rozdíl od řešení podle vynálezu se u dosud používaných impulzových generátorů vyskytuje pomocné napětí s pilovitým průběhem a se sinusovým řídicím napětím, přičemž rozhraní poskytuje řídicí signály pro tyristory. U popsaného impulzového generátoru 8 se naproti tomu musí analogickým způsobem v průsečících porovnávat řídicí napětí s pomocnou sítí podle obr. 8.

Pro speciální modulace mohou být používány speciální modulační funkce m/ť).

Pro pravoúhelníkové modulace s libovolnou šířkou impulzu platí:

n2 m,(t) = mOj + (2/π) . Σ [sin (n . mOj. π) . cos (η . (ω . t. - φ; - ψ,))]/η n=l přičemž n je proměnná a n2 je charakteristika přesnosti.

- 10CZ 282055 B6

Pro zvláštní případy obdélníkové modulace se šířkou impulzu 180° platí:

mj(t) = mOj pro cos (ω . t - φΐ) > 0, jinak je m_t(t) = 0.

Pro trojúhelníkovou modulaci platí:

n2 m,(t) = mO,. {0,5 + (4/π²). Σ [cos ((2 . n - 1). (ω . t - φ; - ψ;))]/(2 . η -l)²}. n=l

Pro lichoběžníkovou modulaci platí:

n2 m,(t) = 0,5 + (4 . m0j/(K . α)). Σ [sin (2 . n -1). a/(2 . η -1)²] . sin ((2 . n - 1) . (ω . t - φ; - ψί)), n=l přičemž a znamená poloviční rozdíl mezi délkou delší a kratší ze vzájemně rovnoběžných stran lichoběžníka. Charakteristika n2 leží zejména v rozsahu od 20 do 100.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob řízení elektrických ventilů usměrňovače (2), obsahujícího pro každou fázi (R, S, T; a, b, c, ...) střídavého proudu nejméně jeden elektrický ventil (TON až TUM) nebo řetězec (13, 14) elektrických ventilů, vyznačující se tím, že ventily (TON až TUM) nebo ventilové řetězce (13, 14) každé fáze střídavého proudu se ovládají se vzájemným fázovým posuvem a elektrické ventily (TON až TUM) usměrňovače (2) se komutují pro regulaci výstupního proudu usměrňovače (2) řídicími signály generovanými jako funkce komutační funkce KFj/t), která je rovna:

nl

KFjj(t) = m_t(t) + (2/π). Σ {sin (η . π . m,(t)) .. cos (n . k . (ω . t - (8j + φ; + ψ,)))}/η n=l kde t = čas, mj(t) = modulační funkce, n = regulační proměnná s hodnotou 1 < η < η 1, nl = součinitel přesnosti, i = regulační proměnná pro charakterizování fáze (R, S, T; a, b, c ...) střídavého proudu s 1 < i < Αφ . AG, Αφ = počet ventilových řetězců s posunutými základními vlnami, AG = počet ventilových řetězců majících stejnou fázi základních vln, j = regulační proměnná pro označení impulzového obrazce v rozsahu 1 Αε . Αφ, Αε = počet nezávislých ventilových řetězců s posunutým impulzovým obrazcem, k = násobnost taktování, ω = úhlová frekvence střídavého napětí, φ_; = nastavitelný fázový úhel, ψί = regulačně korekční úhel aεj = výchozí hodnota polohy impulzového obrazce j-tého ventilového řetězce (13, 14) se stejným indexem i.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se vytvoří modulační funkce (m,(t)) podle vzorce:

m,(t) = (PZ - 1). {AC + mOi. cos (AC . (ω . t - (φ_; + ψ,)))}/(Α0 + 1),

- 11 CZ 282055 B6 kde t = čas, index i = proměnná pro vyznačení fáze (R, S, T, a, b, c, ...) střídavého proudu, PZ = počet ovladatelných ventilů jednoho ventilového řetězce, AC = parametr provozního proudu s významem: AC = 1 pro provoz na střídavý proud/střídavé napětí, AC = 0 pro provoz na stejnosměrný proud/stejnosměmé napětí, mOj = předem daný parametr hloubky modulace, ω = úhlová frekvence střídavého napětí, ψί = zadaný fázový úhel, popřípadě regulačně korekční úhel a φί = výchozí úhlová poloha pro i-fázi střídavého proudu.
3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že modulační funkce (rrii(t)) se vytvoří podle:

a) n2 mj(t) = mOj + (2/π) . Σ [sin (n . mO,. π). cos (η . (ω . t. - φ, - ψί))}/η n=l nebo b) m,(t) = mO, pro cos (ω . t - ψ,) > 0, jinak m,(t) = 0, nebo c) n2 mi(t) = mO,. [0,5 + (4/π²). Σ [cos ((2 . n - 1). (ω . t - φ! - ψ<))}/(2 . η - l)²} n=l nebo d) pro lichoběžníkovou modulaci n2 mj(t) = 0,5 + (4 . ΓηΟ,/(π . α)) . Σ [sin (2 . n -1) . a/(2 . η - 1 )²] . sin ((2 . n - 1) . (ω . t - φί - ψ;)), n=l kde t = čas, index i = regulační proměnná pro vyznačení fáze (R, S, T, a, b, c ...) střídavého proudu, mOj = parametr hloubky modulace, n2 = součinitel přesnosti, ω = úhlová frekvence střídavého proudu, φί = předem zadaný fázový úhel, ψ; = regulačně korekční úhel a a = poloviční rozdíl mezi delší a kratší stranou z dvojice vzájemně rovnoběžných stran lichoběžníka.
4. Způsob podle nejméně jednoho z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že se vytvoří komutační funkce KF_y(t) pro každý ventilový řetězec (13, 14) usměrňovače (2) svíce ventilovými řetězci samostatně ve stejně vytvořeném impulzovém generátoru (8) a nadřazeným nastavovačem (5) se inicializuje parametr komutační funkce KF,j(t).
5. Způsob podle nejméně jednoho z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že se vytvoří modulační funkce (m^t)) pro každý ventilový řetězec usměrňovače (2) s několika ventilovými řetězci samostatně ve stejně vytvořeném modulátoru (9) a inicializuje se parametr modulační funkce (ni(t)) pomocí nadřazeného nastavovače (5).
6. Způsob podle nejméně jednoho z nároků laž5, vyznačující se tím, že v závislosti na komutační funkci KF_u(t) se vytvoří řídicí signály (11, LTOnj, LTUn,) pro ovladatelné ventily (TON až TUM) podle vzorce

LTOn,j = H(KFjj(t) - LUO - n + 1), 1 < η < N

- 12CZ 282055 B6 pro ovladatelné ventily (TO1 - TON) mezi nulovou svorkou (UO) a kladnou vodičovou lištou (SO) s výchozím bodem na nulové svorce (UO), a podle vzorce

LTUn„ = Η(-ΚΡ_ϋ(0 + LUO - n + 1), 1 < η < M pro ovladatelné ventily (TU1 až TUM) mezi nulovou svorkou (UO) a zápornou proudovou kolejnicí (SU), počínaje od nulové svorky (UO), přičemž i je proměnná pro označení fáze (R, S, T, a, b, c ...) střídavého proudu, j je proměnná pro označení impulzového obrazce, H(x) je funkce Heaviside a LUO = 0,5 + ent ((PZ-2)/2) označuje referenční potenciál nulové svorky (UO) a PZ = N + M = počet ovladatelných ventilů ventilového řetězce (13, 14).
7. Způsob podle nejméně jednoho z nároků laž6, vyznačující se tím, že nejméně jeden modulátor (9) a/nebo nejméně jeden z impulzových generátorů (8) se řídí v závislosti na nejméně jednom výstupním signálu (S12, SYN, i, SYN, _a, _b, c) předřazeného regulátoru (12).
8. Způsob podle nejméně jednoho z nároků 4 až 7, vyznačující se tím, že data nebo parametry (AC, PZ, k, φκ, φ₅, φτ, Φα až φ’ο, s_R, ε₅, ε_τ, ε₃ až e’_c) uložené/nebo vytvořené v nastavovači (5) se periodicky přivádějí na nejméně jeden modulátor (9) a na nejméně jeden impulzový generátor (8).
9. Způsob podle nejméně jednoho z nároků laž8, vyznačující se tím, že vypočítá vzájemný fázový posuv fází (R, S, T, a, b, c, ...) střídavého proudu, popřípadě výchozí úhlové signály (φ„ φ_κ, φ₅, φ_τ, φ_Α, φ’_Α, φ_Β, φ’_Β, φ_ε, φ’ς) podle následující rovnice, do které se dosadí výchozí hodnota úhlu φ₀ a úhlového rozdílu φ = 2 . π/Αφ:

φι = φο + φ . (i - 1), φ’) . DS = φι + π, kde platí 1 < i < Αφ, Αφ = počet ventilových řetězců s posunem základních kmitočtů, a/nebo se výchozí hodnoty úhlové polohy (Sj, e_r, Ss, ε_τ, ε₃, ε’_α, 8_b, s’_b, e_c, s’_c) impulzových obrazců vytvoří podle následující rovnice:

ε₃ = ε₀ + Δε. (j - 1),

8’j. DS = 8j + (PZ - 2). π/k + (1 - AC). π/k, kde 1 < j < Αε, Αε = je počet nezávislých ventilových řetězců s posunutým impulzovým obrazcem,

Δε = 2.π/((ϋ$ + 1)Λ.Αε)α ε₀ = π/řk . DS + 1)) pro (k + PZ - 1)/(4 - 2 . DS) - ent {(k + PZ - 1)/(4 - 2 . DS)} = 0, jinakje ε₀ = 0-, ent(x) = největší celé číslo < x, DS = 1 pro dvojstranné napájení, DS = O, PZ = počet ovladatelných ventilů (TON až TUM) každého ventilového řetězce (13, 14).
10. Způsob podle nejméně jednoho z nároků laž9, vyznačující se tím, že výchozí hodnota úhlové polohy (ε₄, ε_β, ε₅, ε_τ, ε₃, ε’_α, ε^ ε\, ε₀, ε’_€;) impulzového obrazce je rovna nule a/nebo počet (PZ) ovladatelných ventilů jednoho ventilového řetězce usměrňovače (2) je roven 1.