СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
METHOD OF CONTROLLING ALTERNATING CURRENT DRIVE

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам управления электроприводами переменного тока на базе асинхронных и синхронных двигателей с преобразователями частоты (ПЧ), и может быть использовано при работе на пониженных скоростях вращения двигателя.
Известен способ управления электроприводом переменного тока путем формирования токов на выходах ПЧ с последовательно соединенными первым выпрямителем, сглаживающим реактором и инвертором, выполненным на полностью управляемых вентилях, при котором регулируют выпрямленный ток на выходе выпрямителя, подключенного зажимами переменного напряжения к источнику (питающей сети), и производят переключение вентилей инвертора, подключенного зажимами переменного напряжения к обмоткам двигателя, с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и в соответствии с требуемым распределением фазных токов (пространственным положением изображающего вектора тока). Высокочастотные составляющие выходных токов инвертора замыкаются через трехфазную конденсаторную батарею, подключенную к обмоткам двигателя [1].
К недостаткам указанного известного решения относятся пониженный коэффициент мощности, повышенное содержание гармоник в токах и высокая частота коммутации ключей инвертора, тем самым повышенные потери в ПЧ. Наиболее близким к предложенному является способ управления электроприводом переменного тока путем формирования токов на выходах ПЧ с последовательно соединенными выпрямителем, выполненным на полностью управляемых вентилях, сглаживающим реактором и инвертором, выполненным на полностью управляемых вентилях, где переключение вентилей выпрямителя на полностью управляемых вентилях производят также в зависимости от заданной амплитуды гладких составляющих токов в его проводах переменного тока и раздельно от выпрямленного тока. А переключение ключей инвертора происходит с использованием ШИМ и в соответствии с требуемым распределением фазных токов (пространственным положением изображающего вектора тока). Высокочастотные составляющие выходных токов инвертора замыкаются через трехфазную конденсаторную батарею, подключенную к обмоткам двигателя [2].
К недостаткам указанного известного решения относятся высокая частота коммутации ключей инвертора и, вследствие этого, повышенные потери в электроприводе.
Предложенный способ управления решает задачи уменьшения частоты коммутации ключей инвертора, а также улучшения гармонического состава тока в обмотках синхронного двигателя переменного тока при пониженных скоростях.
Указанная задача решается тем, что способ управления электроприводом переменного тока осуществляется путем формирования токов на выходах преобразователя частоты, питающего электродвигатель и выполненного с регулируемым выпрямителем и инвертором, на полностью управляемых вентилях, соединенных между собой через сглаживающий реактор, при котором регулируют выпрямленный ток в зависимости от требуемой амплитуды гладких составляющих токов на выходе преобразователя частоты, переключают вентили выпрямителя и инвертора в зависимости от задания для распределения токов в проводах переменного тока и фильтруют высокочастотные составляющие токов на выходе преобразователя частоты, сигналы на переключение ключей инвертора подаются от релейного регулятора тока, на входе которого сравнивают заданное и измеренное значения фазных токов на выходе преобразователя частоты, коммутацию ключей инвертора осуществляют при разности этих значений больше порогового уровня, при частоте гладкой составляющей тока на выходе преобразователя частоты, меньшей 1/3 от частоты питающей сети, в области мгновенных значений фазных токов статора, меньших, чем  от заданного амплитудного значения, переключая ключи инвертора, формируют гладкую составляющею тока на выходе преобразователя частоты, а в области мгновенных значений фазных токов статора больших, чем  от заданного амплитудного значения, ключи инвертора в соответствующих фазах оставляют включенными до тех пор, пока мгновенное значение фазного тока на выходе преобразователя частоты не снизится до уровня  от заданного амплитудного значения, и формируют гладкую составляющую тока на выходе преобразователя частоты путем регулирования момента включения ключей выпрямителя.
В данном способе управления двигателем переменного тока в области малых частот вращения электродвигателя и в области малых частот тока на выходе инвертора гладкая составляющая тока статора формируется в области мгновенных значений токов меньших, чем  от заданного амплитудного значения, с помощью инвертора, а в области мгновенных значений токов больших, чем  от заданного амплитудного значения, - с помощью управляемого выпрямителя. Это позволяет уменьшить количество пульсаций тока в обмотках статора и уменьшить потери энергии в электроприводе.
На фиг.1 показана схема устройства, реализующего предложенный способ управления синхронным двигателем, на фиг.2 - временные диаграммы параметров, полученные на математической модели для варианта построения электропривода переменного тока на базе синхронного двигателя.
Устройство, реализующее предложенный способ, содержит электродвигатель 1, подключенный к выходам ПЧ с выпрямителем 2 и инвертором 3, соединенными между собой через сглаживающий реактор 4. Инвертор выполнен на полностью управляемых вентилях, например на GTO-тиристорах. К выходам инверторов (к проводам переменного тока А, В, С) подключена конденсаторная батарея 5. На выходе ПЧ установлены датчики тока 6. Блок управления инвертором 7 содержит релейный регулятор тока 8, на входе которого находится узел сравнения 9, на который поступают заданные и измеренные мгновенные значения фазных токов статора двигателя 1. Блок управления выпрямителем 10 содержит регулятор выпрямленного тока 11, на входе которого находится узел сравнения 12, соединенный с выходом блока задания выпрямленного тока 13 и датчиком выпрямленного тока 14. Выход регулятора 11 соединен со входом блока формирования импульсов 15, выход которого соединен с управляющими входами вентилей выпрямителя 2.
Способ управления двигателем переменного тока в данном устройстве осуществляется следующим образом.
A
B
C
Регулятор тока 11 вырабатывает задание для блока управления 15, который управляет ключами выпрямителя 2. Величина тока Id выпрямленной цепи устанавливается уровнем сигнала задания Idзад. Сигнал задания выпрямленного тока Idзад определяется на основании сигналов задания мгновенных значений фазных токов статора двигателя 1 I, I, I, подаваемых на вход релейного регулятора тока статора. Сигнал Idзад рассчитывается согласно алгоритму:
a
b
а
c
d
а
если |I|>|I| и |I|>|I|, то I=|I|;
b
а
b
c
d
b
если |I|>|I| и |I|>|I|, то I=|I|;
с
а
с
b
d
c
если |I|>|I| и |I|>|I|, то I=|I|.
Таким образом, уровень сигнала Idзад равен максимальному заданию мгновенного фазного тока двигателя 1 по модулю одной из фаз блока 13. Если мгновенное значение задания тока фазы «А» по модулю больше мгновенных значений задания токов фаз «В» и «С» по модулю, тогда мгновенное задание выпрямленного тока равно мгновенному заданию тока фазы «А», если мгновенное значение задания тока фазы «В» по модулю больше мгновенных значений задания токов фаз «А» и «С» по модулю, тогда мгновенное задание выпрямленного тока равно мгновенному заданию тока фазы «В», если мгновенное значение задания тока фазы «С» по модулю больше мгновенных значений задания токов фаз «А» и «В» по модулю, тогда мгновенное задание выпрямленного тока равно мгновенному заданию тока фазы С.
Параметры регулятора тока 11 определяются следующим образом. Баланс напряжений в выпрямленной сети имеет вид:
d
1
dΣ
dΣ
d
U=2E+(R+pL)I,
1
dΣ
dΣ
где E - ЭДС одной фазы обмотки статора; R - суммарное активное сопротивление; L - суммарная индуктивность, приведенная к цепи постоянного тока.
,
dΣ
dΣ
где Т= L/R.
Передаточная функция объекта регулирования для регулятора тока будет
n
µ
где k - коэффициент передачи выпрямителя, Т - постоянная времени выпрямителя.
Тогда передаточная функция ПИ регулятора тока будет:
,
где  - постоянная интегрирования ПИ-регулятора.
Релейный регулятор тока инвертора 8 получает сигналы от узла сравнения 9 мгновенных значений заданного и измеренного фазных токов статора. Управляющие сигналы поступают от релейного регулятора тока на ключи инвертора 3, реализуют следующий алгоритм управления:
- при превышении разницы заданного значения фазного тока и измеренного значения фазного тока зоны нечувствительности включают вентиль верхнего плеча, выключают вентиль нижнего плеча соответствующей фазы;
- при понижении разницы заданного значения фазного тока и измеренного значения фазного тока ниже зоны нечувствительности выключают вентиль верхнего плеча и включают вентиль нижнего плеча соответствующей фазы.
Указанный алгоритм обеспечивает соответствие амплитуд гладких составляющих токов в проводах переменного тока заданным значениям этого тока с погрешностью, устанавливаемой пределами зоны нечувствительности релейного регулятора тока 8.
A
B
C
упр A
Графики переходных процессов характеристик электропривода по фиг.1 представлены на фиг.2, где приведены заданные (гладкие) и текущие значения фазного тока I, I и I; задания управляющего напряжения ключей фазы «А, В и С», U,
упр B
упр C
U, U, где «1» соответствует открытому состоянию верхнего плеча фазы и закрытому состоянию нижнего плеча фазы, а «0» соответствует закрытому состоянию верхнего плеча фазы и открытому состоянию нижнего плеча фазы; текущего значения выпрямленного тока Id. Из графиков фиг.2 видно, что при фазном токе большем, чем  от заданного амплитудного значения, ключи инвертора в соответствующих фазах оставляют включенными, что соответствует промежутку от «а» до «б», и формируют гладкую составляющую тока на выходе преобразователя частоты путем регулирования момента включения ключей выпрямителя. При фазном токе меньшем, чем  от заданного амплитудного значения, гладкую составляющую тока на выходе преобразователя частоты формируют переключением ключей инвертора по законам релейного регулятора. В результате имеем систему с минимальным количеством коммутации ключей инвертора
Предложенный способ управления двигателем переменного тока позволяет уменьшить количество коммутаций ключей инвертора при регулировании частоты на выходе инвертора и, соответственно, скорости вращения двигателя, в диапазоне больше, чем 1:3, за счет управления мгновенными значениями тока в выпрямленной цепи. Снижение количества коммутаций ключей инвертора снижает потери энергии в электроприводе, позволяет увеличить срок службы изоляции обмотки статора двигателя.
Литература
1. Патент РФ №2074394, МКИ G01P 3/46, 1995.
2. Патент РФ №2115218, МКИ Н02Р 7/42, Вейнгер A.M. Способ управления электроприводом переменного тока, 10.07.1998.