ИЗБИРАТЕЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ДВИГАТЕЛЕМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ИЛИ ДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА
SELECTIVE CONTROL OF AC ENGINE OR DC ENGINE

Изобретение относится к схемному устройству и к способу избирательного управления двигателем переменного тока или двигателем постоянного тока, а также к применению этого способа на подводной лодке.
На подводных лодках электрическое энергоснабжение осуществляется, как правило, через сеть постоянного тока. Поэтому вспомогательные приводы (например, для вентиляторов, насосов и т.д.) на подводных лодках чаще всего работают от двигателей постоянного тока, которые обычно запускаются через пусковые сопротивления (реостаты).
В ЕР 0 178 446 А1 раскрывается управляющее устройство для схемного устройства, при котором двигатель запитывается через два расположенных параллельно друг другу полупроводниковых исполнительных устройства от источника постоянного напряжения. Каждое из этих полупроводниковых исполнительных устройств содержит параллельное соединение двух управляемых полупроводниковых вентилей одинакового направления пропускания последовательно с отсасывающим трансформатором со средним отводом. Центральные отводы отсасывающих трансформаторов полупроводниковых исполнительных устройств соединены с концами третьего отсасывающего трансформатора со средним отводом, который подключен к полюсу двигателя. Управляющее устройство выполнено таким образом, что оно для полупроводниковых исполнительных устройств генерирует сигналы тактовой частоты, соответственно с одинаковой степенью модуляции, которые, однако, для обоих параллельных схемных устройств электрически смещены относительно друг друга на 90°, чтобы эксплуатировать двигатель в диапазоне числа оборотов, при котором достижим минимум пульсации тока.
В US 2006/0043922 A1 раскрывается управление двигателем для привода многофазных динамоэлектрических машин переменного тока посредством источника постоянного напряжения. Управление двигателем включает в себя два модуля преобразователя постоянного тока в переменный (инвертора) для генерации многофазного переменного тока, которые связаны с выходным модулем фильтра. Каждый модуль инвертора имеет для каждой фазы переменного тока полумостовую схему, которая образована из двух биполярных транзисторов с изолированным электродом затвора. Обе полумостовые схемы выходных модулей фильтра, относящиеся к той же самой фазе, включены вместе, соответственно, через отсасывающий (выравнивающий) дроссель выходного модуля фильтра. Для генерации переменного тока полумостовые схемы модуля инвертора модулируются посредством пространственной векторной модуляции.
В основе изобретения лежит задача - предложить улучшенное схемное устройство, посредством которого избирательным образом можно управлять двигателем переменного тока или двигателем постоянного тока. Кроме того, в основе изобретения лежит задача - предложить улучшенный способ для избирательного управления двигателем переменного тока или двигателем постоянного тока, который особенно подходит для применения на подводных лодках.
Указанная задача в соответствии с изобретением в отношении схемного устройства решается признаками п. 1 формулы изобретения, а в отношении способа - признаками пп. 5 и 10 формулы изобретения.
Предпочтительные выполнения изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
Соответствующее изобретению схемное устройство для избирательного управления двигателем переменного тока или двигателем постоянного тока содержит два преобразовательных модуля с одинаковым числом полумостовых схем, причем число полумостовых схем преобразовательного модуля по меньшей мере таково, каково число фаз двигателя переменного тока. Кроме того, схемное устройство содержит совпадающее с числом полумостовых схем в преобразовательном модуле число мостовых выравнивающих дросселей, управляющий блок для преобразовательных модулей, первый добавочный модуль для двигателя переменного тока и второй добавочный модуль для двигателя постоянного тока. При этом каждая полумостовая схема содержит пару управляемых управляющим блоком, зависимых от направления тока переключающих блоков с соответствующим входом и соответствующим выходом, причем выход первого переключающего блока каждой пары соединен с входом второго переключающего блока той же пары. Кроме того, соответствующая полумостовая схема первого преобразовательного модуля и сопряженная с ней полумостовая схема второго преобразовательного модуля посредством включенного между обеими полумостовыми схемами мостового выравнивающего дросселя соединены в полномостовую схему. Каждый мостовой выравнивающий дроссель имеет средний отвод, который избирательным образом посредством первого добавочного модуля может подключаться к двигателю переменного тока или посредством второго добавочного модуля может подключаться к двигателю постоянного тока. Первый добавочный модуль содержит фильтр переменного тока, через который средние отводы мостовых выравнивающих дросселей могут соединяться с фазой двигателя переменного тока. Второй добавочный модуль содержит по меньшей мере один дополнительный выравнивающий дроссель с подключаемым к двигателю постоянного тока средним отводом и двумя внешними выводами, подключаемыми, соответственно, к среднему отводу мостового выравнивающего дросселя.
Преобразовательный модуль при этом образуется посредством своей полумостовой схемы и не обязательно должен выполняться как отдельный конструктивный узел.
Под отсасывающим (выравнивающим) дросселем понимают сглаживающий дроссель с двумя частичными индуктивностями, которые магнитным образом связаны так, что два тока, протекающие в одном направлении между внешними выводами и средним выводом, по своему магнитному действию взаимно уничтожаются, и тем самым получается незначительная результирующая индуктивность, однако токи, протекающие в противоположных направлениях, по своему магнитному действию усиливаются, и тем самым получается большая результирующая индуктивность.
Соответствующее изобретению схемное устройство может переключаться путем замены только аппаратной компоненты, а именно добавочного модуля, с управления двигателем постоянного тока на управление двигателем переменного тока и наоборот. Это сокращает стоимость и затраты при переключении привода с постоянного на переменный ток (или наоборот) и, в частности, предпочтительно для применений, в которых подобное переключение требуется или полезно, например, в рамках модернизации приводов. Применение схем выравнивающих дросселей предпочтительным образом обеспечивает возможность ограничения пульсаций тока, с которым приводится в действие двигатель постоянного тока или переменного тока. Для работы двигателя постоянного тока схемное устройство, кроме того, может применяться как преобразователь постоянного тока, который, в том числе, заменяет пусковой реостат и при этом предпочтительным образом, в частности, экономит энергию, потребляемую таким пусковым сопротивлением, и который к тому же обеспечивает возможность в процессе работы регулировать число оборотов и/или мощность до значения, требуемого в технологическом процессе, за счет чего экономится дополнительная энергия, так как число оборотов и/или мощность устанавливаются не в зависимости от сильно колеблющегося при определенных обстоятельствах напряжения сети постоянного тока.
В предпочтительном выполнении изобретения переключающие блоки преобразовательных модулей содержат, соответственно, биполярный транзистор с изолированным электродом затвора, так называемый IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), коллектор которого определяет вход переключающего блока, а его эмиттер определяет выход переключающего блока.
Подобные переключающие блоки пригодны, в частности, особенно предпочтительно в качестве зависимых от направления тока переключающих блоков, ввиду хорошего поведения пропускания, высокого запирающего напряжения, устойчивости и управляемости IGBT практически без потерь мощности.
Другое предпочтительное выполнение изобретения предусматривает по меньшей мере один преобразователь тока для регистрации тока, протекающего между полумостовой схемой преобразовательного модуля и соединенного с ней мостового выравнивающего дросселя, причем преобразователь тока для передачи зарегистрированного тока на управляющий блок соединен с управляющим блоком.
Это позволяет предпочтительным образом при управлении по меньшей мере одной полумостовой схемой посредством управляющего блока учитывать ток, протекающий между полумостовой схемой и соответствующим мостовым выравнивающим дросселем.
Предпочтительным образом управляющий блок для управления переключающими блоками полумостовых схем представляет собой микропроцессор.
Это предпочтительным образом позволяет изменять управление переключающими блоками простым и разнообразным способом, например, путем загрузки нового программного обеспечения в микропроцессор, в частности, при замене двигателя постоянного тока двигателем переменного тока или наоборот.
В соответствующем изобретению способе избирательного управления двигателем переменного тока или двигателем постоянного тока применяется соответствующее изобретению схемное устройство. При этом двигатель переменного тока или двигатель постоянного тока через схемное устройство запитывается от источника постоянного напряжения, первый полюс которого соединен с входами первых переключающих блоков всех полумостовых схем и второй полюс которого соединен с выходами вторых переключающих блоков всех полумостовых схем. Кроме того, либо каждая фаза двигателя переменного тока через первый добавочный модуль связывается со средним отводом мостового выравнивающего дросселя, и преобразовательные модули посредством управляющего блока приводятся в действие как инвертор для преобразования постоянного напряжения источника постоянного напряжения в переменное напряжение для двигателя переменного тока, либо двигатель постоянного тока через второй добавочный модуль связывается со средними отводами мостовых выравнивающих дросселей, и преобразовательные модули посредством управляющего блока приводятся в действие как преобразователь постоянного напряжения для преобразования постоянного напряжения источника постоянного напряжения в постоянное напряжение для двигателя постоянного тока.
В соответствующем изобретению способе соответствующее изобретению схемное устройство также подключается к источнику постоянного напряжения и приводится в действие в качестве инвертора или преобразователя постоянного напряжения в зависимости от того, является ли подключенный двигатель двигателем переменного тока или двигателем постоянного тока. Это предпочтительным образом обеспечивает возможность согласования типа функционирования схемного устройства с соответствующим двигателем.
При этом при управлении преобразовательными модулями как инвертором полумостовые схемы с помощью управляющего блока, предпочтительно согласно пространственной векторной модуляции, управляются таким образом, что вырабатываемое переменное напряжение регулируется соответственно пространственному вектору номинального напряжения для номинального переменного напряжения.
Управление полумостовыми схемами согласно пространственной векторной модуляции предпочтительным образом обеспечивает возможность очень точной установки номинального переменного напряжения и при этом минимизации пульсации тока выработанного переменного тока, как будет более конкретно пояснено на описываемом ниже примере выполнения.
Кроме того, при этом предпочтительным образом поперечные токи, которые протекают через мостовые выравнивающие дроссели между преобразовательными модулями, снижаются за счет того, что применяемые при пространственной векторной модуляции пространственные векторы напряжения вырабатываемых переменных напряжений, которые могут быть реализованы посредством различных состояний переключения полумостовых схем, устанавливаются чередованием по этим различным состояниям переключения.
Снижение поперечных токов, которые протекают через мостовые выравнивающие дроссели между преобразовательными модулями, предпочтительным образом снижает потери и помехи при формировании переменного тока. Применение, в отношении пространственных векторов напряжения, избыточных состояний переключения полумостовых схем при пространственной векторной модуляции является простым и эффективным средством для подавления таких поперечных токов и поэтому особенно хорошо подходит для их снижения.
При подключении двигателя постоянного тока к средним отводам мостовых выравнивающих дросселей предпочтительным образом дополнительный выравнивающий дроссель второго добавочного модуля через его средний отвод соединяется с якорем двигателя постоянного тока, через первый внешний вывод - со средним отводом первого мостового выравнивающего дросселя, и через второй внешний вывод - со средним отводом второго мостового выравнивающего дросселя. Кроме того, при этом средний отвод третьего мостового выравнивающего дросселя соединен с обмоткой возбуждения двигателя постоянного тока.
Таким способом посредством соединения двух мостовых выравнивающих дросселей с дополнительным выравнивающим дросселем предпочтительным образом дополнительно снижается пульсация тока, протекающего через двигатель постоянного тока.
При работе преобразовательных модулей в качестве преобразователя постоянного напряжения первые переключающие блоки и/или вторые переключающие блоки сопряженных друг с другом полумостовых схем преобразовательных модулей размыкаются и замыкаются с временным смещением относительно друг друга таким образом, что пульсация тока, протекающего через якорь двигателя постоянного тока, минимизируется за счет того, что для номинального числа оборотов двигателя постоянного тока посредством управляющего блока определяется и устанавливается минимизирующий эту пульсацию тока коэффициент модуляции переключающих блоков, соединенных с первым мостовым выравнивающим дросселем и вторым мостовым выравнивающим дросселем, и соединенные с третьим мостовым выравнивающим дросселем переключающие блоки управляются таким образом, что посредством соответствующей установки тока возбуждения достигается номинальное число оборотов.
Под коэффициентом модуляции переключающего блока при этом понимается отношение интервала времени, в течение которого переключающий блок в пределах тактового периода замкнут, ко всему тактовому периоду.
Минимизация пульсации тока предпочтительным образом снижает генерацию шумов двигателя.
Соответствующий изобретению способ особенно предпочтительным образом пригоден для применения на подводных лодках, так как на подводных лодках требуется режим работы двигателей с особенно низким уровнем шумов, который обеспечивается посредством соответствующего изобретению применения выравнивающих дроссельных схем, чтобы, в частности, избегать шумов на тактовой частоте. Кроме того, при модернизации подводных лодок при обстоятельствах бывает целесообразно заменять двигатели постоянного тока двигателями трехфазного тока, особенно асинхронными двигателями, что очень просто может быть реализовано с помощью соответствующего изобретению схемного устройства.
Вышеописанные свойства, признаки и преимущества изобретения, а также то, каким образом они достигаются, поясняется в последующем подробном описании примера выполнения со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:
фиг. 1 - схемное устройство для избирательного управления трехфазным двигателем переменного тока или двигателем постоянного тока при работе с двигателем постоянного тока,
фиг. 2 - схемное устройство для избирательного управления трехфазным двигателем переменного тока или двигателем постоянного тока при работе с двигателем переменного тока,
фиг. 3 - пространственная векторная диаграмма для прикладываемых к двигателю переменного тока пространственных векторов напряжения и вектора номинального напряжения с помощью показанного на фиг. 1 и 2 схемного устройства.
Соответствующие друг другу элементы обозначены на чертежах одинаковыми ссылочными позициями.
Фиг. 1 и 2 показывают соответствующее изобретению схемное устройство 1 для избирательного управления двигателем 2 постоянного тока или трехфазным двигателем 3 переменного тока, причем схемное устройство 1 показано на фиг. 1 в режиме работы с двигателем 2 постоянного тока, а на фиг. 2 - в режиме работы с двигателем 3 переменного тока. Как двигатель 2 постоянного тока, так и двигатель 3 переменного тока запитываются через схемное устройство 1 от источника 4 постоянного напряжения.
Схемное устройство 1 включает в себя два одинаково выполненных преобразовательных модуля 5, 6, которые соответственно имеют три полумостовые схемы 7, причем каждая полумостовая схема 7 включает в себя пару IGBT 8.1 и 8.2. При этом эмиттер 9.1 первого IGBT 8.1 каждой пары соединен с коллектором 9.2 второго IGBT 8.2 соответствующей пары. Коллекторы 9.2 всех первых IGBT 8.1 соединены с плюсовым полюсом источника 4 постоянного напряжения, а эмиттеры 9.2 всех вторых IGBT 8.2 соединены с минусовым полюсом источника 4 постоянного напряжения.
Каждый IGBT 8.1, 8.2 связан с IGBT-возбудителем 10, который через источник 11 питающего напряжения соответствующего преобразовательного модуля 5, 6 снабжается питающим напряжением, причем на фиг. 1 и 2 для наглядности только для одного IGBT-возбудителя 10 представлено соединение соответствующим источником 11 питающего напряжения, а другие соединения только намечены. IGBT 8.1, 8.2 и его IGBT-возбудитель 10 совместно образуют зависимый от направления тока переключающий блок согласно изобретению.
IGBT 8.1, 8.2 посредством выполненного как микропроцессор управляющего блока 12 через их соответствующий IGBT-возбудитель 10 могут отдельно управляться, причем на фиг. 1 и 2 для наглядности представлены только некоторые управляющие линии 13 между управляющим блоком 12 и IGBT-возбудителями 10, а другие только намечены.
Соответствующая полумостовая схема 7 первого преобразовательного модуля 5 и сопряженная с ней полумостовая схема 7 второго преобразовательного модуля 6 посредством включенного между этими обеими полумостовыми схемами 7 мостового выравнивающего дросселя 14.1, 14.2, 14.3 соединены в полномостовую схему.
В каждом соединении полумостовой схемы 7 с мостовым выравнивающим дросселем 14.1, 14.2, 14.3 размещен преобразователь 15 тока, посредством которого регистрируется ток, протекающий между полумостовой схемой 7 и мостовым выравнивающим дросселем 14.1, 14.2, 14.3. Преобразователи 15 тока для передачи зарегистрированного ими тока на управляющий блок 12 соединены с управляющим блоком 12, причем соединение между управляющим блоком 12 и преобразователями 15 тока для наглядности чертежа не показаны на фиг. 1 и 2.
Каждый мостовой выравнивающий дроссель 14.1, 14.2, 14.3 имеет средний отвод 16, который избирательным образом посредством первого добавочного модуля 17 может подключаться к двигателю 3 переменного тока или посредством второго добавочного модуля 18 может подключаться к двигателю 2 постоянного тока. Схемное устройство 1 отличается при работе с двигателем 2 постоянного тока или двигателем 3 переменного тока только посредством соответствующего добавочного модуля 17, 18. В частности, схемное устройство 1 может, таким образом, простым способом путем замены добавочного модуля 17, 18 переоснащаться с работы с двигателем 2 постоянного тока на работу с двигателем 3 переменного тока и наоборот.
Первый добавочный модуль 17 включает в себя фильтр 19 переменного тока, через который средние отводы 16 мостовых выравнивающих дросселей 14.1, 14.2, 14.3 могут соединяться с соответствующей фазой двигателя 3 переменного тока и соединяются в случае работы схемного устройства 1 с двигателем 3 переменного тока.
Второй добавочный модуль 18 имеет дополнительный выравнивающий дроссель 20, который через средний отвод 16 может соединяться с двигателем 2 постоянного тока и имеет два внешних вывода 21.1, 21.2, через которые соответствующий конец дополнительного выравнивающего дросселя 20 может соединяться со средним отводом 16 мостового выравнивающего дросселя 14.1, 14.2, 14.3.
При работе схемного устройства 1 с двигателем 2 постоянного тока в соответствии с этим первый внешний вывод 21.1 дополнительного выравнивающего дросселя 20 соединяется со средним отводом 16 первого мостового выравнивающего дросселя 14.1, второй внешний вывод 21.2 дополнительного выравнивающего дросселя 20 соединяется со средним отводом 16 второго мостового выравнивающего дросселя 14.2, и средний отвод 16 дополнительного выравнивающего дросселя 20 соединяется с якорем двигателя 2 постоянного тока. Средний отвод 16 третьего мостового выравнивающего дросселя 14.3 соединяется с обмоткой 22 возбуждения двигателя 2 постоянного тока.
При работе схемного устройства 1 с двигателем 2 постоянного тока преобразовательные модули 5, 6 посредством управляющего блока 12 управляются как преобразователь постоянного напряжения для преобразования постоянного напряжения источника 4 постоянного напряжения в постоянное напряжение для двигателя 2 постоянного тока соответственно способу, известному из ЕР 0 178 446 А1.
При этом первый IGBT 8.1 и/или второй IGBT 8.2 таким образом со смещением по времени относительно друг друга отпираются и запираются, что пульсация тока, протекающего через якорь двигателя 2 постоянного тока, минимизируется. Для этого для номинального числа оборотов двигателя 2 постоянного тока посредством управляющего блока 12 определяется и устанавливается минимизирующий эту пульсацию тока коэффициент модуляции соответствующих первого и/или второго IGBT 8.1, 8.2, соединенных с первым мостовым выравнивающим дросселем 14.1 и вторым мостовым выравнивающим дросселем 14.2, и соединенные с третьим мостовым выравнивающим дросселем 14.3 IGBT 8.1, 8.2 управляются таким образом, и, тем самым, ток возбуждения устанавливается таким образом, что достигается номинальное число оборотов.
При работе схемного устройства 1 с двигателем 3 переменного тока преобразовательные модули 5, 6 управляются посредством управляющего блока 12 как инвертор для преобразования постоянного напряжения источника 4 постоянного напряжения в переменное напряжение для двигателя 3 переменного тока.
При этом IGBT 8.1, 8.2 посредством управляющего блока 12 посредством пространственной векторной модуляции для приложенных к двигателю 3 переменного тока напряжений отпираются и запираются с временным смещением по отношению друг к другу таким образом, что приложенное к двигателю 3 переменного тока напряжение регулируется до номинального переменного напряжения, причем пульсация вырабатываемого переменного тока, а также поперечных токов, которые протекают через мостовые выравнивающие дроссели 14.1, 14.2, 14.3 между преобразовательными модулями 5, 6, минимизируются. Это поясняется далее со ссылкой на фиг. 3 более подробно.
6
IGBT 8.1, 8.2 полумостовой схемы 7 попеременно отпираются и запираются, так что всегда точно один из этих IGBT 8.1, 8.2 открыт, а другой IGBT 8.1, 8.2 заперт. Каждая полумостовая схема 7 имеет, таким образом, два схемных состояния (первый IGBT 8.1 открыт, а второй IGBT 8.2 заперт или наоборот). Так как схемное устройство 1 в примере выполнения, представленном на фиг. 1 и 2, всего имеет шесть полумостовых схем 7, то получается всего 2°=°64 различных возможных схемных состояний всех полумостовых схем 7. Однако, что касается сопряженных фазных напряжений для выработанных тем самым переменных напряжений, многие из этих схемных состояний являются избыточными, то есть имеются различные схемные состояния полумостовых схем 7, которые предоставляют те же самые сопряженные фазные напряжения. В целом получается девятнадцать различных пространственных векторов напряжения, которые соответствуют различным сопряженным фазным напряжениям соответственно.
Фиг. 3 показывает получающуюся в результате пространственную векторную диаграмму D этих девятнадцати различных пространственных векторов напряжения, вырабатываемых полумостовыми схемами 7, причем три фазы переменного тока обозначены как R, S, T, и каждый узел представленной на фиг. 3 пространственной векторной диаграммы D указывает конечную точку возможного пространственного вектора напряжения D, проходящего от средней точки пространственной векторной диаграммы D к узлам.
Пространственный вектор 23 номинального напряжения для подлежащего установке номинального переменного напряжения лежит в общем случае внутри треугольника из трех вмещающих его узлов 24, 25, 26, которые соответствуют возможным пространственным векторам напряжения, которые лежат ближе всего к пространственному вектору 23 номинального напряжения. Посредством управляющего блока 12 с помощью пространственной векторной модуляции попеременно устанавливаются схемные состояния полумостовых схем 7, которые, соответственно, реализуют пространственный вектор напряжения, соответствующий одному из трех узлов 24, 25, 26, так что временное среднее значение этих реализованных пространственных векторов напряжения дает пространственный вектор 23 номинального напряжения. Тем самым предпочтительным образом минимизируется пульсация тока с тактовой частотой выработанного переменного тока и за счет этого также величина требуемого фильтра 19 переменного тока.
Как уже описано выше, различные схемные состояния полумостовых схем 7 в отношении вырабатываемых ими пространственных векторов напряжения являются избыточными. Это используется для того, чтобы минимизировать поперечные токи, которые протекают через мостовые выравнивающие дроссели 14.1, 14.2, 14.3 между преобразовательными модулями 5, 6. Для этого при пространственной векторной модуляции пространственные вектора напряжения, которые относятся к избыточным схемным состояниям, попеременно реализуются посредством различных из этих схемных состояний.
Хотя изобретение было подробно проиллюстрировано и описано посредством предпочтительного примера выполнения, оно не ограничивается этим раскрытым примером, и специалистом в данной области техники на этой основе могут быть выведены другие варианты без отклонения от объема защиты изобретения.