Aвтоматический регулятор для 3-фазного 6-пульсного выпрямителя

Аннотация

Sudeep Pyakuryal, Mohammad Matin. Aвтоматический регулятор для 3-фазного 6-пульсного выпрямителя. Во всех фазах тиристорного моста, выходное постоянное напряжение – это функция от линейного напряжения питания и угла фазы отпирания тиристора. В преобразователе переменного тока в постоянный это необходимо, чтобы получить постоянное выходное напряжение, несмотря на возмущения. Некоторые возмущения должны изменяться в зависимости от напряжения питания, частоты или тока нагрузки, и от гармоник, произведенных самим преобразователем. Параметры схемы находятся в пределах определенной допустимости. Таким образом, при больших объемах производства выпрямителей, выходное напряжение выпрямителя может быть разным. Это необходимо, чтобы иметь выходное напряжение в пределах диапазона. Однако это не практично, чтобы достигнуть выходного постоянного напряжения в пределах диапазона без использования обратной связи с регулятором. Таким образом, мы не можем просто установить фиксированный угол отпирания для тиристоров и получить желаемое постоянное выходное напряжение при всех условиях. Идея использования отрицательной обратной связи с регулятором заключается в разработке цепи, которая автоматически регулирует угол отпирания, чтобы получить желаемое постоянное выходное напряжение независимо от возмущений. В этой статье разработан 3-фазный 6 пульсный выпрямитель с независимым генератором импульсов, и затем интеграл отрицательной обратной связи прикладывается к выпрямителю. Альтернативная Программа Переходных процессов, АПП, использовалась, чтобы смоделировать выпрямитель и отрицательную обратную связь, и получить сигналы отпирания тиристора, входное напряжение, формы тока и формы выходного напряжения.

1. Вступление

Мощные выпрямители среднего напряжения используются на различных промышленных предприятиях. Их применяют на насосах трубопровода в нефтехимической промышленности, на стальных металлопрокатных заводах в металлургической промышленности, в насосах станции водоснабжения, для вентиляторов в цементной промышленности, для тяги в локомотивах, и во многих других отраслях [1-8].

Рис. 1.1 показывает общую блок-схему типичного электропривода большой мощности среднего напряжения [9].

Вход – 3-фазный источник питания, напряжение которого преобразуется в напряжение постоянного тока с помощью выпрямителя, показанным выше. Величина напряжения постоянного тока может быть фиксирована или изменяемая в зависимости от напряжения на электронных ключах, которые используются для переключения. Мультипульсный кремневый управляемый выпрямитель, КУР, мультипульсный диодный выпрямитель, или выпрямитель с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) являются часто используемыми выпрямителями.

В мультипульсном кремниевом управляемом выпрямителе, КУР или тиристором, выходное напряжение постоянного тока, Vd, является функцией входа линейного напряжения, VLL и угла отпирания тиристора, как показано ниже [10]

Импульс отпирания тиристора может быть получен от независимого генератора импульсов. На практике это невозможно достигнуть независимо от отпирающей цепи, которая точно поддерживает желаемую регулировку фазы. В течении времени угол управления увеличивается, или уменьшается, увеличивая, либо уменьшая выходное напряжения постоянного тока. Чтобы преодолеть эту проблему, система управления с отрицательной обратной связью может использоваться так, чтобы отрегулированное выходное напряжение могло быть достигнуто, и не изменялось во времени. В системе управления с отрицательной обратной связью сравнивается выходное напряжение с желаемым напряжением, т.е. эталонным напряжением и ошибкой сигнала, чтобы получить угол отпирания, соответствующий желаемому выходному напряжению. В системе управления с отрицательной обратной связью, функция генератора управляющих импульсов должна доставлять сигнал точно по времени, и отпирающий импульс должен быть надлежащей формы.

2. 3-фазный 6-пульсный выпрямитель

Рис. 2 показывает упрощенную принципиальную схему трехфазового тиристорного шестипульсного выпрямителя. Индуктивность Ls является полной индуктивностью, включающей индуктивность линии, реактивное сопротивление трансформатора и реактора. Для идеального выпрямителя Ls, как предполагается, является нулем. На стороне постоянного тока дроссельная катушка Ld используется для сглаживания тока [10-13]. RC фильтр [14] для тиристора не показан на Рис. 2, но его рассматривают в компьютерной модели, созданной в альтернативной программе переходных процессов (AПП) [1 5].

Рис. 3 показывает типичное выходное постоянное напряжение 3-фазового 6 пульсного выпрямителя, представленного на Рис. 2. Уравнение (1) в разделе I показывает, что выходное напряжение, Vd положительно тогда, когда угол меньше 90 градусов и становится отрицательным тогда, когда угол больше 90 градусов. Метод управления выходным напряжением, заключающийся в управлении фазой отпирающего импульса, a, назван методом регулировки фазы [11].

Питание протекает от источника к нагрузке, когда выпрямитель дает положительное напряжение постоянного тока. С отрицательным напряжением, выпрямитель действует в качестве инвертора, и энергия передается от нагрузки к источнику. Это часто имеет место во время быстрого торможения, когда кинетическая энергия ротора и его механической нагрузки преобразуется в электроэнергию преобразователем, работающим как инвертор, и используется для динамического торможения. Но независимо от полярности выходного напряжения, ток Id всегда положительный.

3. Регулирование с помощью отрицательной обратной связи

Есть два главных типа системы управления с обратной связью: система с положительной обратной связью и отрицательной обратной связью. В системе с положительной обратной связью выходная переменная прибавляется к заданной. В системе с отрицательной обратной связью, выходная переменная вычитается из заданной. Система с отрицательной обратной связью более стабильна, чем система с положительной обратной связью [16]. Система с отрицательной обратной связью и ПИД регулятором – наиболее широко используемая система управления в промышленности. Пропорциональная часть отвечает за перерегулирование в системе. В интегральной части, сигнал ошибки интегрируется. Так же она отвечает за регулирование ошибки в статике. В дифференциальной части, ошибка дифференцируется, она отвечает за время отклика. Отрицательная обратная связь в составном регуляторе представлена в этой статье, чтобы управлять устойчивым состоянием выходного напряжении 3-фазного 6-пульсного выпрямителя, управляющего углом отпирания тиристора. Форму выходного напряжения выпрямителя и форму напряжения интегратора показывает Рис. 4. Основной принцип составного метода управления может быть объяснен на Рис. 4.

Пульсации выходного напряжения видны между любыми двумя удачными точками отпирания. Другими словами, область A, выше Vref и область Б, ниже Vref равны. Если пульсации применены ко входу интегратора, форма выходного напряжения интегратора будет такая же, как на Рис. 4. Форма выходного напряжения интегратора показывает то, что ее значение – ноль в каждой точке отпирания. Так как среднее выходное напряжение равно заданному напряжению, форма пульсации может быть получена, вычитая заданное напряжение из фактической выпрямленной выходной формы. Эта схема гарантирует, что у каждого полуволны напряжения пульсации есть нулевое среднее значение, и поэтому между каждыми двумя точками отпирания среднее значение выходного напряжения равно заданному напряжению. Таким образом импульсное управление является близким к управлению с использованием отрицательной обратной связи.

У импульсного управления есть два важных преимущества. Во-первых, это нечувствительность к изменениям частоты питания, потому что отпирающий импульс произведен в нулевых значениях интеграла пульсаций напряжения. Это означает, что амплитуда интеграла ошибки изменяется с частотой питания. Во-вторых, любой пик, который появляется на выходном напряжении выпрямителя, не имеет никакого значимого эффекта на выбор времени импульса отпирания, так как интегральное значение пульсирующего выходного напряжения сильно влияет на эти пики. Функциональная диаграмма 3-фазного 6-пульсного отпирающего генератора импульсов, использующий принцип импульсного управления показан на Рис. 5. Различие между заданным напряжением и выпрямленным напряжением выпрямителя является входным напряжением интегратора. Импульсы синхронизации подают в качестве входного триггера в 6 этапов к схеме генератора импульсов. Каждый такт генератора производит отпирающий импульс с регулярной частотой.

4. Результаты

Рис. 6 показывает форму волны выпрямителя, представленного на Рис. 2 с управлением по отрицательной обратной связи, где va, vb, и vc – входные напряжения фазы питания, P1 через P6 – импульсы отпирания для тиристоров T1 через T6 соответственно и a – угол отпирания тиристоров. Нужно отметить что номера тиристоров и управляющих электродов совпадают с последовательностью их отпирания. Значения линейного напряжения, VLL, составляет 460 В, угол отпирания 30 градусов, и заданное напряжение уравнения (1) устанавливает напряжение постоянного тока равным 538 В.

Во время интервала I, тиристоры T1 и T6 – в проводящем состоянии, необходимо, чтобы T6 проводил для включения T1. Положительное напряжение постоянного тока – vp относительно земли, va и отрицательное напряжение на шине vn равны vb. Выходное напряжение может быть найдено по формуле vd=vp-vn=vab. Ток может быть представлен как ia=Id, ib =-Id, и ic=0. Во время интервала II, выключен тиристор T6 после того, как T2 включается, и ток Id протекает от T6 до T2. Таким образом, T1 и T2 проводят. Положительное напряжение постоянного тока vp является все еще тем же самым, т.е. vp=va, но отрицательное напряжение на шине vn равно vc. Выходное напряжение может быть найдено по формуле vd=vp-vn=vac. Ток может быть найден как ia=Id, ib=0, и ic =-Id.

5. Вывод

Рассмотрена система управления с отрицательной обратной связью и применена в 3-фазном 6-пульсном выпрямителе. Система управления, а также выпрямитель смоделированы в AПП. Разработан регулятор для управления выходным напряжением, регулирующий угол отпирания тиристоров. Таким образом, сделано успешное внедрение системы управления с отрицательной обратной связью для управления установившейся ошибкой 3-фазного 6-пульсного выпрямителя.

Список использованной литературы

[1] R. Menz and F. Opprecht, “Replacement of a Wound Rotor Motor with an Adjustable Speed Drive for a 1400 kW Kiln Exhaust Gas Fan”, The 44th IEEE IAS Cement Industry Technical Conference, pp. 85-93, 2002
[2] W.C. Rossmann and R.G. Ellis, “Retrofit of 22 Pipeline Pumping Stations with 3000-hp Motors and Variable-Frequency Drives”, IEEE Trans. on Industry Application, Vol. 34, Issue: 1, pp. 178-186, 1998.
[3] N. Akagi, Large Static Converters for Industry and Utility Application, IEEE Proceedings, Vol. 89, No. 6, pp. 976-983, 2001.
[4] N. Zargari and S. Rizzo, “Medium Voltage Drives in Industrial Applications, Technical Seminar”, IEEE Toronto Section, 37 pages, November 2004
[5] R.A. Hanna and S. Randall, “Medium Voltage Adjustable Speed Drive Retrofit of an Existing Eddy Current Clutch Extruder Application”, IEEE Trans on Industry Applications, Vol. 33, No. 6, pp. 1750-1755.
[6] S. Bernert, “Recent Development of High Power Converters for Industry and Traction Applications”, IEEE Trans on Power Electronics, Vol. 15, No. 6, pp. 1102-1117, 2000
[7] H. Okayama, M. Koyana, et al., “Large Capacity High Performance 3 -level GTO Inverter System for Steel Main Rolling Mill Drives”, IEEE Industry Application Society (IAS) Conference, pp. 174-179, 1996
[8] B.P. Schmitt and R. Sommer, “Retrofit of Fixed Speed Induction Motors with Medium Voltage Drive Converters Using NPC Three-Level Inverter High-Voltage IGVT Based Topology”, IEEE International Symposium on Industrial Electronics, pp. 746-751, 2001
[9] B. Wu, High-Power Converters and AC Drives. IEEE Press 2006
[10] S. Pyakuryal and M. Matin, “Harmonic Analysis for a 6-pulse Rectifier”, IOSR Journal of Engineering, Vol. 3, Issue 3, pp. 57-60, March 2013.
[11] S. Pyakuryal and M. Matin, “Implementation of AC to DC converter using Thyristor in ATP”, IOSR Journal of Engineering, Vol. 2, Issue 11, pp. 6-11, Nov 2012.
[12] S. Pyakuryal and M. Matin, “Ripple Control in AC to DC Converter”, IOSR Journal of Engineering, Vol. 3, Issue 1, pp. 26-30, Feb 2013.
[13] S. Pyakuryal and M. Matin, “Filter Design for AC to DC Converter”, International Refereed Journal of Engineering and Science, Vol. 2, Issue 6, pp. 42-49, June 2013
[14] A. M. Trzynadlowski, Introduction to Modern Power Electronics. New Jersey: John Wiley & Sons, Inc, 2010, Chap. 1.
[15] ATP Rule Book at www. emtp.org accessed July 2013
[16] I J Nagrath and M. Gopal, Control Systems Engineering, Anshan Ltd, 2008
[17] B. R. Pelly, Thyristor Phase-Controlled Converters and Cycloconverters, Wiley-Interscience, 1971
[18] N. Mohan, T. M. Undeland, and W. P. Robbins, Power Electronics-Converters, Applications, and Design. USA: John Wiley & Sons Inc, 1995
[19] T. H. Barton, Rectifiers, Cycloconverters, and AC Controllers. New York: Oxford University Press, 1994
[20] B. K. Bose, Power Electronics and Variable Frequency Drives-Technology and Application. New Jersey: IEEE Press, 1997
[21] R.W. Erickson and D. Maksimovic, Fundamental of Power Electronics, Springer, 2001