29.03.2019
219.016.f171

Способ управления работой силового преобразователя

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
№ охранного документа
0002396689
Дата охранного документа
10.08.2010
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: В заявке описана система управления работой преобразователя, содержащего множество электронных вентилей (4), которые во время работы преобразователя (3, 4) многократно включаются и выключаются для преобразования тока, в частности преобразования прямого тока в переменный ток и/или наоборот. Система содержит множество блоков (3) управления вентилями, каждый из которых выполнен с возможностью управления процессом переключения одного из электронных вентилей (4). Кроме того, система содержит устройство управления преобразователем, соединенное с каждым из множества блоков (3) управления вентилями и выполненное с возможностью управления работой множества блоков (3) управления вентилями и тем самым работой преобразователя. По меньшей мере один из блоков (3) управления вентилями содержит измеритель (14, 15, 16) напряжения, который способен измерять напряжение на вентиле (4), управляемом этим блоком (3) управления вентилем. Измеритель (14, 15, 16) напряжения соединен с устройством управления преобразователем посредством устройства (13) преобразования сигналов и сигнальной линии. Технический результат - обеспечение высокой надежности измерений. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к способу и системе управления работой преобразователя, которые во время работы преобразователя многократно включаются и выключаются для преобразования тока. Процессом переключения каждого из электронных вентилей управляет блок управления вентилем, который непосредственно соединен с электронным вентилем. В частности, преобразователем может являться преобразователь постоянного тока в переменный, который преобразует постоянный ток в переменный ток и/или наоборот. Точнее, изобретение относится к преобразователям высокой мощности для применения в таких областях, как снабжение электроэнергией приводных (тяговых) электродвигателей тягового железнодорожного подвижного состава.

Преобразователи указанного выше типа хорошо известны из практики. Например, преобразователем может являться преобразователь постоянного тока в переменный, у которого сторона постоянного тока (первый преобразователь) посредством промежуточной цепи постоянного тока соединена с преобразователем переменного тока в постоянный (вторым преобразователем), который соединен с сетью переменного тока. Сторона переменного тока первого преобразователя может быть соединена с нагрузкой трехфазным переменным током, такой как асинхронный электродвигатель. Предусмотрено устройство управления преобразователем, которое управляет работой электронных вентилей преобразователя и, таким образом, работой преобразователя. На каждый из вентилей предусмотрен блок управления вентилем, при этом каждый из блоков управления вентилями соединен с устройством управления преобразователем. Для обеспечения быстрой передачи управляющих сигналов из устройства управления преобразователем в блоки управления вентилями в качестве управляющих сигналов могут использоваться световые импульсные сигналы, передаваемые по линии передачи оптических сигналов, такой как стекловолоконный кабель. Устройство управления преобразователем и блоки управления вентилями имеют соответствующие устройства преобразования для преобразования аналоговых или цифровых сигналов в оптические сигналы или наоборот.

Для такого преобразователя обычно необходима информация о напряжении постоянного тока на стороне постоянного тока преобразователя. В прошлом для измерения напряжения постоянного тока использовали резистивные измерители напряжения. Недавно стали использовать измерители напряжения на эффекте Холла. Однако изготовление и монтаж таких измерительных устройств, а также соответствующей кабельной проводки является дорогостоящим и трудоемким. К тому же для измерительного устройства на эффекте Холла необходим источник питания. Кроме того, чтобы обеспечить работу преобразователя, могут потребоваться дублирующие измерительные устройства.

Задачей настоящего изобретения является создание системы описанного выше типа, изготовление и монтаж которой является менее трудоемким и дорогостоящим. Одновременно следует предпочтительно повысить надежность и точность измерения напряжения по сравнению с одним обычным измерителем напряжения.

Другой задачей изобретения является разработка соответствующего способа управления работой преобразователя.

Согласно основной идее настоящего изобретения существующие измерители напряжения, которые встроены в блоки управления вентилями, должны использоваться для обеспечения устройства управления преобразователем информацией о напряжении постоянного тока на соответствующем вентиле (т.е. вентиле, управляемом блоком управления вентилем). Понятие "напряжение на вентиле" означает разность потенциалов между двумя контактами или соединениями вентиля, между которыми устанавливается контакт, когда вентиль включен, и которые изолированы друг от друга, когда вентиль выключен.

Результаты измерений от множества блоков управления вентилями предпочтительно поступают в устройство управления преобразователем. За счет этого получают избыточную информацию и/или информацию для различных состояний коммутационных состояний преобразователя (коммутационное состояние преобразователя определяется соответствующими коммутационными состояниями вентилей). Например, преобразователь содержит три ветви, каждая из которых представляет собой последовательное соединение двух вентилей и подключена к напряжению постоянного тока, при этом контакт каждой из ветвей между двумя вентилями соединен со стороной переменного тока преобразователя. В этом случае каждый из блоков управления вентилями способен измерять напряжение постоянного тока, если соответствующий управляемый им вентиль находится в выключенном состоянии, а другой вентиль той же ветви находится во включенном состоянии. Таким образом, напряжение постоянного тока предпочтительно измеряют, когда соответствующий вентиль находится в выключенном состоянии, в частности непосредственно перед включением вентиля. Например, измерение может инициироваться в зависимости от фазы и частоты периодического цикла переключения вентиля, при этом учитывается, что длительность периодов выключенного состояния меняется. В качестве альтернативы, измерение может осуществляться непрерывно или квазинепрерывно (т.е. многократно через короткие интервалы), при этом исключена передача недостоверных измеренных значений напряжения устройству управления преобразователем или их использование устройством управления преобразователем. Например, устройство управления преобразователем может обрабатывать измеренные значения в цифровой форме, чтобы программное обеспечение могло легко осуществлять проверку их достоверности.

На практике вентилями могут являться биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ). Вместе с тем, в настоящем изобретении также может использоваться любой вентиль, которым может управлять блок управления вентилем.

Изобретение имеет следующие преимущества.

- Поскольку блок управления вентилем измеряет напряжение с высокой точностью, а согласно предпочтительному варианту осуществления устройство управления преобразователем использует значения измерений различных блоков управления вентилями, процесс включения и выключения вентилей может осуществляться с более высокой уверенностью в правильности результата изменения. Таким образом, может быть оптимизирован выбор времени переключения и тем самым уменьшены потери при переключении и повышена безопасность.

- Можно обходиться без дополнительных измерительных приборов, таких как измерительный прибор на эффекте Холла. Также может быть исключена соответствующая кабельная проводка и монтажные работы. Система электроснабжения устройства управления преобразователем может быть упрощена и уменьшена в размерах. Также может быть уменьшен ее вес.

- Если используются результаты измерений различных блоков управления вентилями, обеспечивается высокая надежность измерений.

По сравнению с обычными системами могут потребоваться незначительные изменения аппаратного обеспечения. В частности, измеренный сигнал должен поступать из блока управления вентилем в устройство управления преобразователем. Однако поскольку обычно предусмотрены сигнальные линии для передачи сигналов из блоков управления вентилями в устройство управления преобразователем, дополнительные затраты являются незначительными. Выполнение соответствующих требований, касающихся электрической изоляции между измерительным прибором в блоке управления вентилем, с одной стороны, и сигнальной линией, с другой стороны, обеспечивается за счет существующих решений. Так, дополнительные затраты, связанные с измерением напряжения в блоках управления вентилями, являются низкими по сравнению с использованием дополнительного измерителя.

Кроме того, предложен способ управления работой преобразователя, содержащего множество электронных вентилей, которые многократно включаются и выключаются во время работы преобразователя для преобразования тока. Например, преобразованием может являться преобразование постоянного тока в переменный ток и/или наоборот. Процессом переключения каждого из электронных вентилей управляют посредством блока управления вентилем, непосредственно соединенного с электронным вентилем. Работой множества блоков управления вентилями управляют посредством устройства управления преобразователем. При осуществлении способа:

- выполняют измерение напряжения посредством по меньшей мере одного из множества блоков управления вентилями, причем напряжение на вентиле измеряют, когда вентиль выключен,

- передают по меньшей мере одно измеренное значение, полученное при измерении напряжения, из блока управления вентилем в устройство управления преобразователем,

- посредством устройства обработки в составе устройства управления преобразователем осуществляют обработку измеренных значений и вычисляют время включения и выключения вентилей.

Устройство управления преобразователем предпочтительно обрабатывает по меньшей мере одно измеренное значение в процессе управления работой множества блоков управления вентилями. Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения посредством устройства управления преобразователем обрабатывают измеренные значения, полученные и переданные различными блоками управления вентилями (в частности, всеми блоками управления вентилями преобразователя). Измеренное значение(-я) может использоваться для расчета времени включения и выключения вентилей преобразователя. Например, для расчета может использоваться модель, описывающая работу нагрузки, соединенной с преобразователем. Напряжение на вентиле в выключенном состоянии является важной переменной входной величиной модели помимо других входных величин, таких как измеренные величины тока в соединениях между преобразователем и нагрузкой.

В частности, для обеспечения непрерывной работы устройство управления преобразователем может многократно принимать измеренные значения по меньшей мере от одного блока управления вентилем и может использовать по меньшей мере некоторые из принятых значений для управления работой множества блоков управления вентилями.

Например, посредством устройства управления преобразователем можно обрабатывать значения, измеренные различными блоками управления вентилями, следующим образом.

После начала работы устройства управления преобразователя оно передает команды, например, первому и второму вентилю, которые последовательно соединены друг с другом для обеспечения тока с одинаковой фазой, за счет чего эти два вентиля никогда одновременно не находятся во включенном состоянии. Данный способ является обычным способом управления силовым преобразователем на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Это означает, что на протяжении большей части времени за исключением коротких периодов, когда оба вентиля выключены, только один вентиль находится в выключенном состоянии. Эти периоды предусмотрены в целях безопасности, поскольку в случае включения обоих вентилей произойдет короткое замыкание. Эти короткие периоды называют "бестоковой паузой".

В результате измеренные значения почти непрерывно (или многократно в зависимости от частоты измерений и/или передачи сигнала из блока управления вентилем в устройство управления преобразователем) могут поступать в устройство управления преобразователем на протяжении всей работы. За исключением бестоковых пауз один из вентилей каждой ветви передает устройству управления преобразователем измеренные значения напряжения на ветви. Бестоковые паузы могут быть необязательно продлены за счет коротких фаз, во время которых включается соответствующий другой вентиль той же ветви, за счет чего устройство управления преобразователем принимает, и/или передает, и/или отбирает значения, измеренные только вне этих продленных бестоковых пауз.

Частота выборки при измерении напряжения на вентиле блоком управления вентилем является высокой относительно переходного периода установления измеряемого напряжения (т.е. того, насколько быстро способно меняться напряжение постоянного тока с течением времени). За счет этого может быть получено достоверное среднее значение значений, измеренных на протяжении одного цикла переключения (т.е. включения первого вентиля - выключения первого вентиля - включения второго вентиля - выключения второго вентиля).

В системах, которые содержат три фазы (и, следовательно, три ветви), сигналы имеют фазовый сдвиг на 120 градусов. Это означает, что устройство управления преобразователем может генерировать среднее значение напряжения на вентилях на основании значений, получаемых от всех шести вентилей, и/или путем сравнения средних значений на основании измерений напряжений для каждой фазы. Например, устройство управления преобразователем может быть настроено на исключение среднего значения от ветви, которое отличается и/или колеблется наибольшим образом относительно средних значений всех ветвей.

Полученное среднее значение или другое измеренное значение может использоваться каким-либо образом устройством управления преобразователем для управления системой. Способы использования и обработки информации о напряжении известны из уровня техники.

По меньшей мере один блок управления вентилем может генерировать аналоговый сигнал, отображающий измеренное значение, причем аналоговый сигнал можно преобразовывать в цифровой сигнал и/или импульсный сигнал (например, световой импульсный сигнал), который передают в устройство управления преобразователем. Измеритель, т.е. измерительный прибор существующего типа, который используется в блоке управления вентилем, содержит резистивный делитель напряжения, а также емкостный делитель напряжения (делительное устройство). Измеритель данного типа также может использоваться для измерения значений, передаваемых устройству управления преобразователем. Аналоговым сигналом, генерируемым делительным устройством, может являться сигнал напряжения, который соответствует измеряемому напряжению. Этот сигнал напряжения можно сравнивать с эталонным сигналом. Одним из способов генерирования эталонного сигнала и измерения напряжение в цепи коллектор-эмиттер является линейное повышение эталонного напряжения и измерение времени, необходимого для того, чтобы эталонное напряжение стало равным измеряемому напряжению. С этой целью может использоваться генератор синхронизирующих импульсов блока управления вентилем.

Кроме того, объектом изобретения является система, или схема, управления работой преобразователя, содержащего множество электронных вентилей, которые многократно включаются и выключаются во время работы преобразователя для преобразования тока. Например, преобразованием может являться преобразование постоянного тока в переменный ток и/или наоборот.

Предлагаемая в изобретении система включает в себя:

- множество блоков управления вентилями, каждый из которых выполнен с возможностью управления процессом переключения одного из электронных вентилей,

- устройство управления преобразователем, соединенное с каждым из множества блоков управления вентилями и выполненное с возможностью управления работой множества блоков управления вентилями и тем самым работой преобразователя,

причем по меньшей мере один из блоков управления вентилями содержит измеритель напряжения, выполненный с возможностью измерения напряжения на вентиле, управляемом этим блоком управления вентилем, и соединенный с устройством управления преобразователем, а устройство управления преобразователем содержит устройство обработки, соединенное с блоками управления вентилями и выполненное с возможностью обработки измеренных значений напряжения и вычисления времени включения и выключения вентилей.

В наилучшем варианте выполнения системы каждый из блоков управления вентилями содержит один экземпляр измерителя напряжения.

По меньшей мере один блок управления вентилем может содержать устройство преобразования сигналов, выполненное с возможностью преобразования аналогового сигнала измерителя в цифровой сигнал и/или импульсный сигнал, подлежащий передаче в устройство управления преобразователем.

Устройство управления преобразователем предпочтительно содержит устройство обработки, соединенное с по меньшей мере одним блоком управления вентилем и выполненное с возможностью обработки измеренных значений, принятых от по меньшей мере одного блока управления вентилем в процессе управления работой множества блоков управления вентилями.

Преимущества и другие варианты выполнения системы описаны ниже на примере осуществления предлагаемого в изобретении способа.

Далее описан пример осуществления настоящего изобретения (который соответствует наилучшему варианту осуществления изобретения), поясняемый чертежами, на которых показано:

на фиг.1 - схема системы 1, включающей в себя преобразователь постоянного тока в переменный и устройство управления преобразователем,

на фиг.2 - схема одного из электронных вентилей, проиллюстрированных на фиг.1, и подробности выполнения соответствующего блока управления вентилем и

на фиг.3 - подробности выполнения устройства для измерения напряжения.

Показанный на фиг.1 преобразователь постоянного тока в переменный содержит шесть электронных вентилей 4a-4f, которыми в данном примере являются БТИЗ. Каждый из вентилей 4a-4f объединен с одним блоком 3a-3f управления вентилем, который соединен с затвором соответствующего вентиля 4a-4f. Шесть вентилей 4a-4f расположены в виде трех ветвей, при этом каждая из ветвей содержит по два вентиля 4а, 4b; 4c, 4d; 4e, 4f, которые последовательно соединены друг с другом, за счет чего каждая из ветвей соединяет электрические линии 2а, 2b промежуточной цепи постоянного тока. Контакт (обозначенный кружком) между двумя вентилями каждой ветви соединен с одной из трех линий 6а, 6b, 6с переменного тока.

Устройство управления преобразователем для управления работой блоков 3a-3f управления вентилями соединено с блоками 3a-3f управления вентилями сигнальными линиями 7a-7f. Во время работы преобразователя устройство 5 управления преобразователем передает импульсные сигналы блокам 3a-3f управления вентилями, в частности световые импульсные сигналы. Например, соответствующий блок 3 управления вентилем срабатывает на выключение связанного с ним вентиля 4, если этот блок 3 управления вентилем принял начало светового импульса. Если световой импульс завершается, блок 3 управления вентилями срабатывает на выключение связанного с ним вентиля 4.

Согласно настоящему изобретению каждая из сигнальных линий 7a-7f также используется для передачи сигналов обратной связи блока 3 управления вентилем в устройство 5 управления преобразователем, включая сигналы, которые отображают значения измеренного напряжения на соответствующем вентиле. Каждая из сигнальных линий 7a-7f содержит множество сигнальных соединений, например множество стекловолоконных кабелей.

Устройство 5 управления преобразователем содержит устройство 8 обработки, которое посредством сигнальных линий 7a-7f соединено с блоками 3a-3f управления вентилями. Для упрощения на фиг.1 и 2 показано только соединение сигнальной линии 7b с устройством 8 обработки. Устройство 8 обработки осуществляет обработку значений измеренного напряжения и рассчитывает время включения и выключения вентилей 4.

На фиг.2 показан предпочтительный вариант выполнения блока 3a-3f управления вентилем, например блока 3b управления вентилем. Для ясности на фиг.2 показаны только компоненты блока 3b управления вентилем, которые используются для измерения напряжения. Другие компоненты, такие как компоненты для формирования тока в затвор или из затвора БТИЗ 4b, опущены.

Блок 3b управления вентилем содержит резистивный делитель напряжения, который состоит из последовательного соединения двух резисторов 15, 16. Последовательное соединение с одного конца соединено с точкой на ветви БТИЗ 4а, 4b, а именно точкой между БТИЗ 4а, 4b. Другой конец последовательного соединения соединен со стороной ветви, соединенной с линией 2а постоянного тока.

Параллельно резистивному делителю напряжения включен емкостный делитель напряжения. Емкостный делитель напряжения содержит первый конденсатор 18 и второй конденсатор 19. Первый конденсатор 18 включен параллельно резистору 15. Второй конденсатор 19 включен параллельно резистору 16. Резистивный делитель напряжения и емкостный делитель напряжения образуют делительное устройство (делительную схему).

Делительное устройство делит напряжение на БТИЗ 4b, т.е. напряжение на коллекторе С с одной стороны и на эмиттере Е - с другой стороны, за счет чего напряжение значительно снижается по сравнению с напряжением на БТИЗ 4b.

Например, коэффициент ослабления делителя напряжения может составлять от 500:1 до 4000:1, например 2000:1.

В примере, проиллюстрированном на фиг.2, поделенное напряжение на резисторе 16 и на конденсаторе 19, т.е. между контактами А, В, подают в компаратор 14. Этот компаратор сравнивает сигнал напряжения на линии 12 (которая соединяет контакт А с одним входом компаратора 14) с эталонным сигналом на линии 17, соединенной со вторым входом компаратора 14. Эталонным сигналом может являться, например, сигнал напряжения в диапазоне от 0 до 10 вольт, в частности от 0 до 5 вольт, в зависимости от измеряемого напряжения. На выходе компаратора 14 получают соответствующий опорный сигнал, который передают преобразователю сигналов, который может являться частью устройства 13 цифровой обработки блока 3b управления вентилем. Выход преобразователя сигналов соединен с сигнальной линией 7b.

На фиг.3 показаны подробности предпочтительного варианта осуществления изобретения для измерения напряжения. Элементы или устройства, описанные со ссылкой на фиг.2, обозначены теми же позициями. Компаратор 14 посредством резистора 23 соединен с первым электродом (стока) транзистора 21, например полевого МОП-транзистора. Соединение компаратора 14 с резистором 23 выполнено в виде линии 17. Электрод стока транзистора 21 также соединен с источником 24 постоянного тока. Вход источника 24 постоянного тока соединен с источником питания (например, положительным полюсом источника питания). Второй электрод (истока) транзистора 21 соединен с контактом В (который может быть соединен с отрицательным полюсом источника питания или с потенциалом земли). Кроме того, управляющий электрод (затвора) транзистора 21 соединен с устройством 13 цифровой обработки. Кроме того, линия 17 посредством конденсатора 22 соединена с контактом В.

Измерение напряжения осуществляют, когда транзистор 4b находится в выключенном состоянии. Например, измерения могут осуществляться многократно на протяжении выключенного состояния. В одном из предпочтительных вариантов осуществления устройство 13 цифровой обработки обнаруживает или определяет, что транзистор 4b находится в выключенном состоянии, а счетное устройство (счетчик) 20 устройства 13 цифровой обработки передает сигнал управляющему электроду транзистора 21, в результате чего транзистор 21 выключается. В результате источник 24 постоянного тока начинает зарядку конденсатора 22 через резистор 23, а не подает ток через электрод стока-истока транзистора 21. В то же время счетное устройство 20 начинает отсчет периодических синхронизирующих сигналов генератора (не показан).

За счет постоянного тока, генерируемого источником 24 постоянного тока, эталонное напряжение на конденсаторе 22 линейно возрастает с течением времени. Следовательно, время, измеряемое путем отсчета синхронизирующих сигналов, пропорционально эталонному напряжению. Когда эталонное напряжение достигает уровня измеряемого напряжения, компаратор 14 передает сигнал счетному устройству 20, и процесс отсчета останавливается. Отсчитанное время является показателем напряжения в цепи коллектор-эмиттер. Для калибровки на контакт А (фиг.2) может быть подан калибровочный сигнал (напряжение).

В устройстве 13 цифровой обработки может быть необязательно реализован цифровой фильтр, позволяющий фильтровать результаты многократных измерений и передавать устройству управления преобразователем по линии 7b соответствующее отфильтрованное значение.

Поскольку каждый из шести блоков 3a-3f управления вентилями передает значения измерений в устройство 5 управления преобразователем, устройство 5 управления преобразователем может использовать множество избыточных значений измерений для управления работой преобразователя. Таким образом, обеспечивается высокая надежность измерений при низких затратах на получение и передачу значений измерений в устройство 5 управления преобразователем.

Источник поступления информации: Роспатент

Всего документов: 49

Похожие РИД в системе

Защитите авторские права с едрид