CC BY
13Научный вестник НГТУ. - 2010. - № 3(40)
ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА, ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ
УДК 621.314.6: 621.314.25
Ротация фазосдвинутых систем напряжений в вентильных преобразователях*
С.А. ЕВДОКИМОВ
Рассмотрены первичные подходы к формализации синтеза многофазных схем преобразования, обеспечивающих многоуровневость выпрямленного напряжения на выходных зажимах преобразователя без снижения фазности преобразования. Принцип реализации многоуровневых преобразователей основан на естественной или принудительной ротации вторичных систем напряжений. Приведены схемные решения, служащие материалом для разработки процедур синтеза ротационных схем, основанных на методах временных и вращающихся векторных диаграмм.
Ключевые слова: преобразователь, вектор, ротация, выпрямитель, топология, синтез.
ВВЕДЕНИЕ
Многофазные вентильные преобразователи, для которых в качестве источников переменного тока используется несколько автономных фазосдвинутых трехфазных симметричных систем напряжений (далее - систем), обычно выполняются по мостовым схемам последовательного, параллельного или последовательно-параллельного типов.
На основе двух систем строятся 12-фазные схемы последовательного и параллельного типов. При трех системах также используются только схемы последовательного и параллельного типов: трехкаскадные 18-пульсные выпрямители последовательного типа и схемы с параллельным соединением преобразовательных секций. При четырех системах 24-фазное преобразование осуществляется преобразователями как с последовательным или параллельным соединением всех четырех секций, так и последовательно-параллельным с объединением в параллель двух 12-фазных секций, содержащих по два 6-пульсных выпрямителя, соединенных последовательно. При пяти системах возможно построение пятикаскадного 30-фазного выпрямителя последовательного типа и однокаскадного выпрямителя с параллельным соединением всех секций. Известны схемы трехкаскадных 30-фазных преобразователей, но они построены на основе трех пятифазных симметричных систем напряжений [1, 2].
Возникает вопрос, осуществимо ли 24-фазное преобразование при использовании суммы выпрямленных напряжений трех 6-пульсных каскадов в составе четырехкаскадного преобразователя или 18-фазное преобразование при использовании суммы выпрямленных напряжений двух 6-пульсных каскадов в составе трехкаскадного преобразователя? Совершенно очевидно, что при отборе мощности с выхода одного из каскадов 18- или 24-пульсных выпрямителей последовательного типа кривая выпрямленного напряжения будет содержать шесть пульсаций. При этом преобразовательные секции будут загружены резко неравномерно. При отборе мощности с общего выхода трех каскадов в 24-пульсном выпрямителе форма кривой выпрямленного напряжения будет неканонической (ни 18-пульсной, ни 24-пульсной), так как для 18-фазного преобразования не созданы требуемые углы сдвига между тремя системами (вместо 20 эл. град. - 15 или 30 эл. град.), а для осуществления 24-фазного преобразования не хватает одного источника. В этом случае секции загружаются неравномерно. При отборе мощности с выхода двух каскадов в 18-пульсном выпрямителе форма кривой выпрямленного напряжения
* Получена 24 мая 2010 г.
будет также неканонической (ни 12-пульсной, ни 18-пульсной), так как для 12-фазного преобразования не созданы требуемые углы сдвига между системами (вместо 30 эл. град. - 20 или 40 эл. град.), а для 18-фазного преобразования не хватает одного источника. Секции при этом также загружаются неравномерно.
При использовании преобразователей последовательного типа в многоканальном режиме с одновременным подключением нагрузок ко всем секциям возможна равномерная загрузка секций, но в кривой выпрямленного напряжения каждого канала будет только шесть пульсаций.
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Решение задачи о сохранении фазности преобразования, присущей исходной многокаскадной преобразовательной системе, при использовании любого числа её каскадов в преобразовательном цикле, вполне возможно. Для решения в качестве косвенного аналога требуется учитывать особые свойства геометрических фигур, которые определяют их название - фракталы (от лат. fractal - «расчлененный»). Одно из этих свойств - самоподобие. В реальных фрактальных построениях при постоянном увеличении структуры, созданной из исходной фигуры по определенному алгоритму, в структуре постоянно повторяется, все уменьшаясь (фиксируясь зрительно только при «оптическом» увеличение), одна и та же форма. Свойство сохранения формы присуще также ротационным схемам.
2. ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОСТРОЕНИЯ РОТАЦИОННЫХ СХЕМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Рассмотрим некоторые геометрические образы систем питания и выходного напряжения 24-фазного преобразователя (рис. 1). Трехфазные системы напряжений представлены треугольниками 1-4, сдвинутыми последовательно по фазе на 15 эл. град. (рис. 1, а). Собственно говоря, векторы фазных напряжений в каждой системе строго ориентированы на топографической плоскости, так как в одной из систем они, как правило (при наличии звезды или треугольника), совпадают с фазами сетевого напряжения, а в других системах жестко сдвинуты относительно фаз сетевого напряжения в соответствии с топологией вторичных фазосдвигаю-щих обмоток. Векторные диаграммы питающих систем напряжений представляют собой амплитудно-фазовые портреты (АФП) каждой из автономных систем напряжений, или, не сильно искажая сути, АФП вторичных обмоток. В процессе исследовательских работ с АФП учитывается то, что они не меняют своей ориентации, но могут свободно перемещаться на потенциальной плоскости. Векторные же диаграммы результирующих выпрямляемых напряжений связаны жестко с каким-либо определенным физическим центром (как, например, с нулевой точкой в звезде или с вершиной в треугольнике), а потому их обычно изображают круговыми, с условно обозначенным центром.
Вполне понятно, что каждый вектор таких диаграмм, как правило, в паре с обратным ему вектором привязан (образно говоря) к вполне определенной паре физических точек - фазам питающих систем, изображения которых (в составе АФП) перемещаются на потенциальной плоскости относительно друг друга по часовой стрелке, что приводит к изменению междуфазных напряжений. В процессе перемещения АФП систем разность потенциалов между двумя произвольно взятыми фазами один раз за период меняет свой знак на противоположный, а мгновенные значения напряжения между фазами описываются синусоидами. При этом возникает множество линейных напряжений между всей совокупностью фаз. Обычно (не во всех случаях) наибольшие из них, а самое главное (во всех случаях) равномерно распределенные в круговой диаграмме и одинаковые по амплитуде, выступают в качестве результирующих выпрямляемых напряжений.
Круговые векторные диаграммы таких напряжений, независимо от фазности преобразования, могут иметь только две ориентации в потенциальной плоскости: один из векторов диаграммы, назовем его первым (s1), имеет ориентацию максимума положительной полуволны синусоиды сетевой фазы А или отстает от этого максимума на половину длительности пульсации.
А А А 4 <3 <7 А 4 <3 4 <3 А 4 <
1а 2 Л 4,
V
1д ^ 4*1
б s1
^И 1
1 АЛ-
Рис. 1. Геометрические образы перемещаемых АФП и круговые векторные диаграммы результирующих выпрямляемых напряжений
Верхняя «строка» фигур на рис. 1, б в соответствии с методом вращающихся векторных диаграмм (МВВД) [3] раскрывает порядок формирования результирующих выпрямляемых напряжений при параллельном соединении в преобразовательном процессе четырех питающих систем 24-фазного преобразователя. Круговая векторная диаграмма содержит 24 вектора, причем первый из них (третий в строке треугольник) совпадает с максимумом фазы А. В данном случае векторы систем являются векторами результирующих выпрямляемых напряжений (рис. 1, в).
Для четырехсекционного 24-фазного преобразователя существует несколько широко известных способов равномерного использования всех четырех секций преобразования в двух-каскадном режиме [1] (без снижения фазности преобразования), поэтому их не приводим. На рис. 1, д показан новый способ. Для его реализации использована ротация систем. В любой момент времени для формирования выпрямленного напряжения используется две секции. Как видно из диаграмм, каждая секция принимает участие в формировании 12 из 24 пульсаций. На основе временных диаграмм здесь выбран порядок, когда входными (по направлению тока) являются системы 1, 2 и 3, а выходными - 2, 3, и 4, т. е. система 1 жестко привязана к входу, а система 4 - к выходу. Первый вектор круговой диаграммы результирующих выпрямляемых напряжений (рис. 1, е) отстает на половину пульсации от максимума сетевой фазы А. При конкретно выбранной топологической реализации систем синтезируется, например методом временных диаграмм (МВД) [4], конкретная по конфигурации вентильная схема. При других вариантах распределения функций систем по входу и выходу конфигурация вентильной схемы приобретет другие очертания.
Для реализации трехкаскадного 24-фазного преобразования также использован метод ротации секций (рис. 1, г). В результате получена подобная предыдущим новая круговая вектор-
г
е
ная диаграмма (рис. 1, ж). Таким образом, проявляется некая закономерность, напоминающая закон самоподобия фрактальных фигур. Какое бы количество одинаковых фигур (треугольников или звезд) мы ни взяли, задавая алгоритм их разворота по фазе, соответствующий фазно-сти преобразования при максимальном числе таких фигур, а затем, используя определенный алгоритм, например процедуры метода МВВД, получим подобные предыдущим круговые диаграммы независимо от выбранного числа соединяемых фигур. Как уже было отмечено выше, создание круговых диаграмм, в отличие от фрактальных фигур, требует виртуального соединения векторов результирующих выпрямляемых напряжений.
Четырехкаскадное построение 24-фазного преобразователя реализуется на мостовых и кольцевых схемах выпрямления и широко известно. Быстрое перемещение АФП (рис. 1, з), осуществляемое в соответствии с закономерностями и процедурами метода МВВД, а значит и получение всех данных для синтеза и анализа, легко выполнимо в программе Visio Drawing. Полученная круговая диаграмма (рис. 1, и) подобна рассмотренным выше фигурам, а по фазе совпадает со второй. Ротация систем в данном случае не применялась.
Вернемся к «однокаскадной» строке на рис. 1, б. Сместив строку последовательно на 15 эл. град. три раза, получим матрицу (24 х 4), набранную из четырех треугольников, смещенных по фазе относительно друг друга на 15 эл. град. Каждый из треугольников в матрице (рис. 2) находится в шести электрических состояниях, определяемых векторами фазных напряжений, совмещенными с одной из сторон треугольников.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
А 4 <1 4? А 4 < 41 А 4 < 41 А 4 <1 47 А 4 <1 47 А 4 щ
47 А 4 Щ 47 А 4 щ 47 А 4 Щ 47 А 4 А 4 <3 47 А 4
<4 <1 А А 47 А А Щ 41 А 4 4 47 А 4 <| 47 А 4 < 47 А 4
4 щ 47 А 4 Щ <1 А А < 47 А 4 < 4/ А 4 щ 47 А А Щ А
Строки 1, 4
1
123 Строки 1, 2, 4
Рис. 2. Матрица треугольников и примеры использования её элементов
При выборке любого числа строк и при любой их комбинации, последовательное (от первого до 24 столбца) совмещение групп векторов треугольников, число которых равно выбранному числу строк, приведет к образованию круговой диаграммы векторов результирующих выпрямляемых напряжений, число которых (24) не зависит от числа строк (каскадов). На рис. 2 показана выборка 1- и 4-й строк для двухкаскадной схемы, в достаточной степени поясняющая принцип формирования круговой диаграммы на примере первых трех столбцов. Рядом приведен аналогичный пример при произвольной выборке трех строк (1, 2 и 4).
Если исходное число трехфазных систем питания четное (например, в 24-, 36-фазных преобразователях), физическая реализация ротации систем при выборе нечетного числа каскадов (за исключением однокаскадной схемы) возможна только при введении в соответствующие цепи вентильной схемы полностью управляемых вентилей. Так, в известных 24-фазных преобразователях естественная коммутация вентилей возможна при однокаскад-ном, двухкаскадном и четырехкаскадном исполнениях преобразователя без использования ротации систем, а при трехкаскадном, осуществимом только при ротации систем, потребуется применение управляемых вентилей.
На основе приведенной матрицы можно синтезировать (ориентировочно), три типа схемных решений двухкаскадных ротационных преобразователей (один тип схем при использовании смежных строк, второй - первой и четвертой строк, третий - при использовании пары несмежных строк), однако вектор результирующего выпрямляемого напряжения получится максимальным по модулю только при использовании смежных строк, а это определяет лучшие массогабаритные показатели преобразователя.
Построение схем с помощью данной матрицы обеспечивает не только равномерную загрузку систем при любом числе каскадов, но и равнодолевое участие систем, подключаемых к входным и выходным цепям протекания тока.
Отметим, что данная матрица не единственная. Показана она только для обоснования возможности применения в преобразователях «нестандартного» количества каскадов. Двух-каскадные преобразователи при данной компоновке матрицы выполняются только с применением управляемых вентилей.
При двухкаскадном исполнении 24-фазного преобразователя по новым ротационным схемам в ряде случаев (с другой матрицей) неуправляемая коммутация все же обеспечивается.
При нечетном исходном числе систем (например, в 18-, 30-фазных преобразователях) естественная ротация систем обеспечивается только при их нечетном числе. Так, реализация двухкаскадной 18-фазной схемы потребует применения управляемых вентилей.
Для реализации в одном многофазном выпрямительном устройстве нескольких каскадов преобразования с использованием ротации систем без управляемых вентилей не обойтись.
3. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕАЛИЗАЦИИ РОТАЦИОННЫХ СХЕМ ВЫПРЯМЛЕНИЯ
18-фазный двух-трехкаскадный мостовой преобразователь. В качестве объекта исследований выберем 18-пульсный мостовой выпрямитель последовательного типа. Три системы питания его преобразовательных секций представлены треугольниками 1 , 2 и 3, изображенными на рис. 3. Последовательный сдвиг одноименных фаз треугольников равен 20 эл. град.
Данный преобразователь построен методом последовательного агрегирования трех шес-тифазных преобразователей с трехфазными вентильными мостами, поэтому при использовании в качестве выходного напряжения суммы напряжений двух каскадов форма кривой выпрямленного напряжения искажается, так как указанные выше фазовые сдвиги между напряжениями трехфазных источников питания каскадов не позволяют получить даже 12-пульс-ной кривой выпрямленного напряжения. Таким образом, использование промежуточного выхода от двух каскадов преобразователя приводит к снижению качества выпрямленного напряжения, что сужает область его применения.
Построим на его основе схему, позволяющую провести двух- и трехкаскадные 18-фазные преобразования.
В соответствии с теорией структурного синтеза, приведенной в [3], схема может быть построена с помощью вращающихся векторных или временных диаграмм. В принципе, не получив ещё изображения вентильной схемы, являющейся конечным продуктом, следуя процедурам методов синтеза МВВД и МВД, можно получить все исходные данные для схемотехнического анализа. Поэтому, нарушая традиционную последовательность описания схем с дальнейшим их анализом, на первом плане (см. рис. 3) приводим элементы синтеза, т. е. вращающиеся векторные и временные диаграммы. В конфигурациях данных диаграмм уже заложен образ вентильной схемы, которая получится или кольцевой или лестнично-кольцевой. Диаграмма с тремя фигурами треугольников, без каких-либо поправок, соответствует также диаграмме агрегированной трехкаскадной мостовой схемы. По диаграммам, поэтапно, от одного вектора результирующего напряжения к другому, определяются точки подключения вентилей к системам питания и к нагрузке (для кольцевых и лестничных схем), а также порядок работы вентилей как для агрегированных мостовых, так и для лестничных и кольцевых вентильных схем. Соответственно определяется и режим работы вторичных обмоток.
Принцип формирования результирующих напряжений, а одновременно и вентильной схемы, показан с помощью элементарных процедур метода МВВД, а также временных диаграмм. Для компактности временных диаграмм отрицательные полупериоды синусоид изображены зеркально (пунктиром), что, во-первых, соответствует логике выпрямительного процесса, во-вторых, упрощает работы, связанные с синтезом и анализом схемы, в-третьих, соответствует известному определению выпрямителей: конвертеры (обратим внимание на «шестиконвертное» изображение трехфазной системы питания).
а а й
л
/ \ ' , ; 1
/.____л с ^ ^ V I
350
ю « сО Ь- \ 00 Л ; и см со СП со ьо Щ (Л ш и) Р*. т оо ; <л \ £Т> : ■ ; о 1 ф СО и ; ^ (Я
7 14 . { 13 7 т 13 7 12 | '; 7 : 1 /
15 4 16 \ л 15 4 15 4 : 15 | 4 15 4
«15 «1 «14
Ud 500
450
400
350
300
250
200
150
100
_ л 15 л1 л 13 _
0.005 0 0 1
О.С
^ с
0.015 0.02
t, c
б
Рис. 3. Векторные и временные диаграммы для синтеза вентильных схем и анализа 18-фазных
преобразователей: а - двухкаскадного и б - трехкаскадного
а
Скругленные прямоугольники на временных диаграммах охватывают участки кривых пар фазных напряжений систем ЭДС, которые участвуют в формировании текущей пульсации.
Для построения двух-трехкаскадного выпрямителя базовый трехмостовой преобразователь снабдим, руководствуясь при этом только логикой, пятью полностью управляемыми вентилями (рис. 4), два из которых (13 и 7) развязывают смежные мосты, один (12) обеспечивает непосредственную связь крайних мостов, минуя средний, а два (4 и 15) позволяют подключать анодную и катодную группы вентилей среднего моста к выходным выводам устройства.
Принцип работы преобразователя, показанного на рис. 4, иллюстрируется векторными диаграммами напряжений, представленными в виде амплитудно-фазовых портретов напряжений вторичных фазных обмоток (на рис. 3, б для трехкаскадного, а на рис. 3, а для двухкас-кадного соединений систем), составляющих три симметричные трехфазные системы 1, 2 и 3,
1
а Ь с
2
а Ь с
3
а Ь с
Рис. 4. 18-фазный двух-трехкаскадный мостовой преобразователь
сдвинутые последовательно по фазе на 20 эл. град. Работа преобразователя поясняется развернутыми на потенциальной плоскости векторными диаграммами результирующих напряжений.
Из векторных диаграмм видно, что при двухкаскадном соединении каждая из трех систем используется для формирования двенадцати результирующих напряжений, так как системы циклично сменяют друг друга.
Для получения в преобразовательном цикле двух- или трехкаскадного соединения систем пять вентилей, не входящих в состав вентильных мостов, должны быть выполнены только управляемыми. Последовательность управляемого и естественного включения всех вентилей при формировании выпрямленного напряжения, соответствующего трем каскадам, приведена в табл. 1. Нумерация вентилей, начиная с вентиля 4, соответствует порядку их включения в работу при двухуровневом включении преобразователя.
Номера управляемых вентилей в табл. 1 и последующих таблицах отмечены жирным шрифтом. В режиме формирования суммарного выпрямленного напряжения от трех каскадов в работе участвуют только два из управляемых вентилей - 13 и 7, которые должны быть включены в течение всего периода сетевого напряжения. На рис. 3, б приведена кривая выпрямленного напряжения при трехкаскадном включении.
Временные диаграммы фазных напряжений источников питания, приведенные на рис. 3, б, поясняют последовательность работы отдельных фаз источников напряжений.
Продолжительность включения вентилей мостов, при исполнении их неуправляемыми, составляет 120 эл. град.
Таблица 1
Алгоритм работы и включения вентилей при трех каскадах
51 10 11 13 5 6 7 8 9 57 20 17 13 14 18 7 16 19 513 26 23 13 21 24 7 22 25
s2 10 11 13 14 6 7 8 9 58 20 17 13 21 18 7 16 19 514 26 23 13 5 24 7 22 25
53 10 11 13 14 6 7 16 9 59 20 17 13 21 18 7 22 19 515 26 23 13 5 24 7 8 25
54 10 17 13 14 6 7 16 9 510 20 23 13 21 18 7 22 19 516 26 11 13 5 24 7 8 25
55 10 17 13 14 18 7 16 9 511 20 23 13 21 24 7 22 19 517 26 11 13 5 6 7 8 25
56 10 17 13 14 18 7 16 19 512 20 23 13 21 24 7 22 25 518 26 11 13 5 6 7 8 9
Последовательность управляемого и естественного включения вентилей устройства при формировании выпрямленного напряжения, соответствующего двум каскадам, приведена в табл. 2.
Таблица 2
Алгоритм работы и включения вентилей при двух каскадах
s1 4 5 6 7 8 9 s7 4 14 18 7 16 19 s13 4 21 24 7 22 25
s2 10 11 12 - 8 9 s8 20 17 12 - 16 19 s14 26 23 12 - 22 25
s3 10 11 13 14 6 15 s9 20 17 13 21 18 15 s15 26 23 13 5 24 15
s4 4 14 6 7 16 9 s10 4 21 18 7 22 19 s16 4 5 24 7 8 25
s5 10 17 12 - 16 9 s11 20 23 12 - 22 19 s17 26 11 12 - 8 25
s6 10 17 13 14 18 15 s12 20 23 13 21 24 15 s18 26 11 13 5 6 15
Моменты включения управляемых вентилей соответствуют началу формирования определенной пульсации s. Продолжительность включения управляемых вентилей равна длительности пульсации, т. е. 20 эл. град. Частота повторения импульсов управления 300 Гц. На рис.3,а приведена кривая выпрямленного напряжения при двухкаскадном включении. Там же в виде встроенной таблички алгоритм включения управляемых вентилей сопоставлен с временными диаграммами фазных напряжений источников питания.
В качестве временной привязки во всех случаях выбраны моменты формирования пульсаций при двухкаскадном преобразовании, так как начало пульсации s15 при этом совпадает с нулевой фазой напряжения фазы a первой трехфазной системы напряжений, в случае представления её звездой.
Данный преобразователь позволяет дискретно изменять уровень выпрямленного напряжения, не прибегая к известным методам фазового или амплитудного регулирования. Заданное чередование применяемых алгоритмов включения на два или три каскада дает возможность регулирования выпрямленного напряжения между его уровнями, формируемыми при двух и трех каскадах.
В режиме двухкаскадного преобразования ток нагрузки последовательно обтекает пять или шесть вентильных плеч, а в режиме трехкаскадного преобразования - восемь вентильных плеч. Используя те же временные диаграммы, можно построить кольцевую схему вентильной части с меньшим числом вентильных плеч, включенных последовательно в цепи тока нагрузки.
18-фазный двух-трехкаскадный кольцевой преобразователь. Рассмотренный выше преобразователь имеет повышенную мощность потерь в вентилях. Например, в режиме трех-каскадного преобразования ток нагрузки последовательно обтекает восемь вентильных плеч. С учетом резервирования, обязательного в тяговых преобразователях электрического транспорта [5], число вентилей в цепи тока составит не менее 16.
Заменив мостовую вентильную схему на кольцевую (рис. 5, а), можно существенно снизить мощность потерь. Кольцевой преобразователь, при последовательной схеме соединения трехфазных источников, в любой фазе преобразования имеет не более 4 вентильных плеч, последовательно обтекаемых током нагрузки. За счет этого существенно снижается мощность потерь электроэнергии относительно мостовых схем, имеющих 6 вентильных плеч в цепи тока, и, тем более, относительно схемы на рис. 4, содержащей 8 плеч в цепи тока.
Для организации двух- или трехкаскадного соединения систем вентили шестивентиль-ных колец выполнены управляемыми. На рис. 5, б приведена кривая выпрямленного напряжения при трехкаскадном включении, а на рис. 5, в при двухкаскадном. Последовательности управляемого и естественного включения вентилей при формировании выпрямленного напряжения, соответствующего трем или двум каскадам, приведены соответственно в табл. 3 и 4. Сопоставление алгоритмов включения управляемых вентилей с временными диаграммами фазных напряжений источников питания для трех- и двухкаскадных режимов дано в табличках под временными диаграммами (рис. 5).
1
а Ь с
13,
2
а Ь с
3
а Ь с
17
ш
28±
Ж
14
*г
16
*Г
_20
*г
«г
-«Г
21
*г
Л5_
11
12*
18 к
24к
22_[:
27ь
25 к
_26±
гн
: 0 0- - 0 0 . |
__
чГ | Ю 1 ; со \ гч Iсо ■чг 1 I <о | | со | го О | ч- | СМ | ! у> ! ! Та И
17; й 1 ! в ! 9 г 11 \ 1 & ; 17
1Л « ей Й со й • (М (Л ю гг ! ип ю : ю <0 (П Й СО ! ОТ сл : (о О ] й ! й СМ И СО Й 2 Й
¿0 21 5 6 в 5 1 10 11 [ 14 15: м 16 17
500
ш
450 400 350 ЗОО 250 200 1 50 1 ОО 50
'Г
"Ж
0,01
Г, с
0,01 д
Рис. 5. 18-фазный кольцевой двух-трехкаскадный преобразователь
Продолжительность включения управляемых вентилей при двухкаскадном режиме соответствует одной длительности пульсации, т. е. 20 эл. град.
При трехкаскадном режиме продолжительность включения вентилей 8, 9, 14, 15, 20, 21 соответствует двум длительностям пульсации, т. е. 40 эл. град., а вентилей 5, 6, 10, 11, 16, 17 -четырем длительностям пульсации, т. е. 80 эл. град. На рис. 5, г, д приведены кривые выпрямленного напряжения.
7
4
а
и
2
3
б
в
г, с
г
Таблица 3
Алгоритм работы и включения вентилей при трех каскадах
л1 4 5 6 7 л7 13 10 11 12 л13 19 16 17 18
л2 4 8 6 7 л8 13 14 11 12 л14 19 20 17 18
л3 4 8 9 7 л9 13 14 15 12 л15 19 20 21 18
л4 4 10 9 7 л10 13 16 15 12 л16 19 5 21 18
л5 4 10 11 7 л11 13 16 17 12 л17 19 5 6 18
л6 4 10 11 12 л12 13 16 17 18 л18 19 5 6 7
Таблица 4
Алгоритм работы и включения вентилей при двух каскадах
л1 22 6 7 л7 25 11 12 л13 28 17 18
л2 4 23 7 л8 13 26 12 л14 19 29 18
л3 4 8 24 л9 13 14 27 л15 19 20 30
л4 25 9 7 л10 28 15 12 л16 22 21 18
л5 4 26 7 л11 13 29 12 л17 18 23 18
л6 4 10 27 л12 13 16 30 л18 19 5 24
В качестве временной привязки выбраны моменты формирования пульсаций при двух-каскадном преобразовании, так как начало пульсации л15 при этом совпадает с нулевой фазой напряжения фазы а первой трехфазной системы напряжений, представленной условно звездой.
24-фазный двух-четырехкаскадный кольцевой преобразователь. Полнооборотная ротация систем напряжений, когда за период каждая из систем исполняет функцию как входной, так и выходной систем 24-фазного преобразователя, реализуется только по матрице, приведенной на рис. 2. При использовании матрицы для синтеза двухкаскадной вентильной схемы получена конфигурация вентилей, часть которой, содержащая 24 вентиля, соответствует схеме 24-фазного преобразователя с последовательным соединением систем питания, выполненного по кольцевой схеме, обеспечивающей работу на неуправляемых вентилях. В описываемом далее преобразователе (рис. 6) расположение аналогичной части вентильной схемы показано над пунктирной линией. Однако вторая часть синтезированной конфигурации содержит 21 вентиль, т. е. общее число вентилей схемы 45. Считая такое количество вентилей неприемлемым для реализации двух и четырех каскадов, анализ работы и саму схему не приводим. В дальнейшем будет показано, что такая схема достаточно рациональна только в случае реализации в одном преобразователе одно-, двух-, трех- и четырехкаскадных режимов.
На рис. 6 приведена схема 24-фазного преобразователя, реализующего двухкаскадное преобразование с ротацией систем, обеспечиваемой за счет применения управляемых вентилей колец. Для синтеза его вентильной схемы выбран принцип, согласно которому четырех-каскадное преобразование осуществляется по классической схеме, когда положение систем в преобразовательной структуре не изменяется (безротационное построение), а для реализации двухкаскадного преобразования определенному набору трех систем из четырех придан статус входных, в то время как другому набору трех систем их четырех придан статус выходных. Это видно из приведенных на рис. 7 векторных диаграмм, построенных для реализации метода МВВД. При двухкаскадном соединении системы 1, 2 и 3 периодически выполняют роль входных, а системы 2, 3 и 4 периодически функционируют на выходе. Полная схема преобразователя получена при синтезе двухкаскадной структуры.
Выборка из соответствующей матрицы не нарушила главного принципа ротации, так как системы используются равномерно, участвуя в формировании 12 результирующих напряжений каждая.
12 3 4
а Ь с а Ь с а Ь с а Ь с
17 10 22 12 9
25 V 13 27 20
18 11 23 24
5 ■ 21 7 15
26 19 8 16
6 14 28
_____________________Ч___________
40, ______________________________ ____________________________________ 33 Ч
30 31
39
34 43
35
32 36
29 38
41
37 42
Zн
Рис. 6. Двух-четырехкаскадный 24-фазный преобразователь
1 ■ ,-./2 3
<"■, 1 сг , , 4
б
Рис. 7. Диаграммы для формирования вентильных схем
а
Принцип работы устройства преобразователя иллюстрируется векторными диаграммами напряжений, представленными (на рис. 7, а для четырехкаскадного соединения систем; на рис. 7, б для двухкаскадного соединения систем) в виде амплитудно-фазовых портретов напряжений вторичных фазных обмоток, составляющих четыре симметричные трехфазные системы 1, 2, 3 и 4, сдвинутые последовательно по фазе на 15 эл. град.
Из векторных диаграмм видно, что каждая из четырех систем при двухкаскадном соединении систем участвует в формировании двенадцати результирующих напряжений, так как системы циклично сменяют друг друга.
Последовательность управляемой и естественной коммутации вентилей при формировании выпрямленного напряжения, соответствующего четырем каскадам, приведена в табл. 5. Сопоставление алгоритма включения управляемых вентилей с временными диаграммами фазных напряжений источников питания дано на рис. 8, в под диаграммами.
Таблица 5
Алгоритм работы и включения вентилей при четырех каскадах
s1 5 6 7 8 9 s7 5 13 14 15 9 s13 17 21 19 20 16 s19 25 26 27 23 24
s2 5 10 7 8 9 s8 5 13 14 15 16 s14 17 21 22 20 16 s20 25 26 27 28 24
s3 5 10 11 8 9 s9 17 13 14 15 16 s15 17 21 22 23 16 s21 25 6 27 28 24
s4 5 10 11 12 9 s10 17 18 14 15 16 s16 17 21 22 23 24 s22 25 6 7 28 24
s5 5 13 11 12 9 s11 17 18 19 15 16 s17 25 21 22 23 24 s23 25 6 7 8 24
s6 5 13 14 12 9 s12 17 18 19 20 16 s18 25 26 22 23 24 s24 25 6 7 8 9
д
Рис. 8. Диаграммы работы преобразователя
Продолжительность включения половины управляемых вентилей при четырехкаскадном режиме работы равна пяти длительностям пульсации: 75 эл. град., а другой половины - трем: 45 эл. град. На рис. 8, а приведена кривая выпрямленного напряжения при четырехкаскадном включении.
Последовательность управляемой и естественной коммутации вентилей устройства при формировании выпрямленного напряжения, соответствующего двум уровням, приведена в табл. 6. Моменты включения вентилей соответствуют началу формирования соответствующей пульсации s, а продолжительность включения - длительности пульсации. Сопоставление алгоритма включения управляемых вентилей с временными диаграммами фазных напряжений источников питания приведено на рис. 8, г.
На рис. 8, б приведена кривая выпрямленного напряжения при двухкаскадном включении. На рис. 8, д показан один из вариантов управляемого перехода с двухкаскадного на четы-рехкаскадный режим работы в одном из периодов сетевого напряжения. Порядок включения управляемых вентилей для этого случая приведен в табл. 7.
Таблица 6
Алгоритм работы и включения вентилей при двух каскадах
29 8 9 57 5 13 36 513 40 20 16 519 25 26 42
s2 5 30 9 58 37 14 38 514 17 41 16 520 32 27 43
53 5 10 31 59 34 15 16 515 17 21 42 521 29 28 24
54 37 11 33 510 17 35 16 516 39 22 43 522 25 30 24
55 34 12 9 511 17 18 36 517 40 23 24 523 25 6 31
56 5 35 9 512 39 19 38 518 25 41 24 524 32 7 33
Таблица 7
Алгоритм работы и включения вентилей при смене уровней
51 8 57 13 14 15 513 21 19 20 519 26
52 - - - 58 14 514 21 22 20 520 27
53 10 11 8 59 13 14 15 515 21 22 23 521 28
54 11 510 - - - 516 21 22 23 522 - - -
55 18 11 12 511 18 19 15 517 21 22 23 523 6
56 - - - 512 18 19 20 518 26 22 23 524 7
Преобразователь позволяет изменять уровень выпрямленного напряжения, не прибегая к известным методам фазового или амплитудного регулирования. Заданное чередование применяемых алгоритмов включения на два или четыре каскада дает возможность релейного регулирования выпрямленного напряжения между уровнями, соответствующими двух- и четырех-каскадному преобразованию, с определенным снижением качества преобразования.
24-фазный трех-четырехкаскадный кольцевой преобразователь. Полная конфигурация вентильной части данного преобразователя (рис. 9) получена при синтезе трехкаскадной структуры. Схема содержит 36 вентилей, управляемыми выполнены только вентили шести-вентильных колец. Закономерность получения многокаскадных структур при синтезе структур с меньшим числом каскадов распространяется на все, рассмотренные здесь ротационные схемы, кроме мостовой. Из векторных диаграмм на рис. 10 видно, что входными при синтезе выбраны системы 1 и 2, а выходными - 3 и 4.
Принцип работы преобразователя в четырехкаскадном режиме не отличается от принципа работы рассмотренного выше преобразователя. Из векторных диаграмм видно, что при трехкаскадном соединении каждая из четырех систем участвует в формировании восемнадцати результирующих напряжений, так как системы циклично сменяют друг друга. Продолжительность включения одной половины управляемых вентилей равна пяти длительностям пульсации: 75 эл. град., а другой половины - трем: 45 эл. град.
1 2 3 4
а Ь с а Ь с а Ь с а Ь с
17 ^ 10 м 22 12 9
25 13 V 27 20
18 11 23 24
5 21 7 15
26 . + 19 8 16
37 6 С|1 14 28
38 32
31 36
30
29 35
34 40
33 39
2п
Рис. 9. Трех-четырехкаскадный 24-фазный преобразователь
На рис. 11, а приведена кривая выпрямленного напряжения при четырехкаскадном включении. Последовательность управляемого и естественного включений вентилей устройства при формировании выпрямленного напряжения, соответствующего трем каскадам, приведена в табл. 8.
0.02
Г, с
1Л т- ¡сч ■ГО Ю ¡Ф ■г*-
й Ф ¡Г" ¡Г" ;
V). :<П <Л : Ю : » <Р : « ; у>;
Рис. 11. Диаграммы работы преобразователя
ГП
т
На рис. 11, б приведена кривая выпрямленного напряжения при трехкаскадном включении. На рис. 12 показан один из вариантов перехода с трехкаскадного на четырехкаскад-ный режим работы в одном из периодов сетевого напряжения. В качестве временной привязки выбраны моменты формирования пульсаций при четырехкаскадном преобразовании, так как начало пульсации s19 при этом совпадает с нулевой фазой напряжения фазы а трехфазной системы напряжений 1.
Преобразователь позволяет изменять уровень выпрямленного напряжения, не прибегая к известным методам фазового или амплитудного регулирования. Заданное чередование применяемых алгоритмов включения на разные по числу каскадов режимы работы дает возможность регулирования выпрямленно-0005 001 0015 002 го напряжения между двумя уровнями с определен-Рис. 12. Вариант смены уровней ным снижением качества преобразования.
Таблица 8
Алгоритм работы и включения вентилей при трех каскадах
si 29 7 8 9 s7 5 13 35 9 s13 37 20 19 16 s19 25 26 39 24
s2 5 30 8 9 s8 5 13 14 36 s14 17 20 38 16 s20 25 26 27 40
s3 5 10 31 9 s9 33 15 14 16 s15 17 21 39 16 s21 29 28 27 24
s4 5 10 11 32 s10 17 15 34 16 s16 17 21 22 40 s22 25 28 30 24
s5 33 12 11 9 sii 17 18 35 16 s17 37 23 22 24 s23 25 6 31 24
s6 5 12 34 9 s12 17 18 19 36 s18 25 23 38 24 s24 25 6 7 32
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Исследование выявило некоторые из направлений генерации вентильных преобразователей с использованием в преобразовательном процессе ротации трехфазных систем питания, позволяющей при любом числе каскадов получить наибольшую (исходную) фазность преобразования. Ряд синтезированные схем представляет материал для дальнейшего исследования ротационных структур.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1] Бадер М.П. Электромагнитная совместимость: учебник для вузов ж.-д. транспорта. - М.: УМК МПС, 2002.
[2] А.с. СССР. Преобразователь переменного напряжения в постоянное / Б.П. Краснова, А.В. Поссе, М.А. Степанова. - № 124801. 1986. Бюл. № 28.
[3] Евдокимов С.А. Анализ и синтез схемных решений вентильных преобразователей для электрического транспорта: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Новосибирск: НГТУ, 2008.
[4] Евдокимов С.А. Синтез схем выпрямителей с последовательно-параллельной работой систем переменных напряжений // Мат-лы VIII Междунар. конф. «Актуальные проблемы электронного приборостроения»: в 7 т. - Новосибирск: НГТУ, 2006. - Т. 7. - С. 64-69.
[5] Соколов С.Д., Бей Ю.М., Гуральник Я.Д. и др. Полупроводниковые преобразовательные агрегаты тяговых подстанций. - М.: Транспорт, 1979.
Евдокимов Сергей Александрович, кандидат технических наук, инженер кафедры электротехнических комплексов Новосибирского государственного технического университета. Основное направление научных исследований - разработка методов схемотехнического анализа и структурного синтеза преобразовательных устройств для электротехнических систем и комплексов. Имеет 107 публикаций.
E-mail: eltransport@etm.power.nstu.ru Тел. 8(383) 342-17-91
S.A. Evdokimov
Rotation of phase-shifted voltage vector diagrams for valve converters
The paper considers primary approaches to formalization of multi-phase converters synthesis. These converters provide many levels of rectified voltage at their output terminals. The developed synthesis method is similar to the method of fractal figures building. The principle of multi-level converters implementation is based on natural and forced rotation of secondary systems voltages vector diagrams. The stated circuit solutions serve for development of the synthesis procedure of multiphase converters with respect to rotated vector diagrams.
Key words: converter, vector, rotation, rectifier, topology, synthesis
