СИЛОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
POWER INVERTER

Область техники
Настоящее изобретение относится к силовому преобразовательному устройству для приведения в действие синхронных машин, используемых для электрических транспортных средств, таких как железнодорожный подвижной состав и электротранспорт, и, в частности, относится к силовому преобразовательному устройству, которое может быть адаптировано к индуцированному напряжению синхронной машины при работе на высоких скоростях.
Предшествующий уровень техники
Обычно в силовом преобразовательном устройстве, используемом для электрических транспортных средств, мощность переменного тока, снимаемая с проводов воздушной линии через токосъемники, преобразуется преобразователем в мощность постоянного тока. В альтернативном варианте мощность постоянного тока снимается непосредственно с токосъемников. Мощность постоянного тока подается на вход инвертора через конденсатор, который используется для накопления энергии и который сглаживает пульсации напряжения источника питания. Мощность постоянного тока, поступающая на вход инвертора, преобразуется в мощность переменного тока с регулируемым напряжением и регулируемой частотой, и преобразованная мощность переменного тока подается на синхронную машину с постоянными магнитами.
Здесь, поскольку в синхронной машине вмонтирован постоянный магнит, в ней во время вращения постоянно индуцируется электродвижущая сила. Индуцированное напряжение увеличивается пропорционально скорости, и при работе электрического транспортного средства с высокой скоростью создается индуцированное напряжение, превышающее напряжение источника питания. Таким образом, во время работы в двигательном режиме вращающий момент синхронной машины управляется с использованием так называемого «управления ослаблением поля», то есть путем управления индуцированного напряжения, а также тока синхронной машины с помощью инвертора, а во время работы в режиме рекуперации управляется тормозной момент синхронной машины.
Между тем, в случае управления электрическими транспортными средствами с использованием синхронных машин с постоянными магнитами, инвертор во время движения по инерции обычно выключают. Однако при выключении инвертора синхронная машина работает как генератор, и энергия рекуперации поступает на сторону источника питания через диод, предусмотренный в инверторе, в результате чего электрическое транспортное средство вместо работы в режиме движения по инерции работает в режиме торможения.
Чтобы предотвратить указанное явление, в известных технических решениях используют нагрузочный контактор, который размещают между синхронной машиной и инвертором, и во время движения по инерции контакты нагрузочного контактора, расположенного между синхронной машиной и инвертором, разомкнуты (состояние ВЫКЛ), и шина источника питания блокируется таким образом, чтобы предотвратить поступление энергии рекуперации синхронной машины в инвертор. Кроме того, в момент повторной активации, то есть перехода из режима движения по инерции в двигательный режим для предотвращения ненужного поступления энергии рекуперации в инвертор с последующим выходом из строя переключающих элементов инвертора, управление преобразователем выполняется перед подключением нагрузочного контактора таким образом, чтобы поднять напряжение схемы инвертора на стороне постоянного тока до величины, большей или равной пиковому значению индуцированного напряжения между выводами синхронной машины, после чего включают нагрузочный контактор (см., например, патентный документ 1), публикация выложенной патентной заявки Японии № 2007-28852 (стр. 68, фиг. 63).
В известных силовых преобразовательных устройствах в момент перехода из двигательного режима или режима рекуперации в режим движения по инерции нагрузочный контактор, подключенный между синхронной машиной и инвертором, блокирует схему между ними. Кроме того, во время повторной активации, то есть перехода из режима движения по инерции в двигательный режим или режим рекуперации, нагрузочный контактор, подключенный между синхронной машиной и инвертором, включается. Таким образом, обычно, когда переход с одного режима на другой, то есть переход из двигательного режима или режима рекуперации в режим движения по инерции, и переключение из режима движения в двигательный режим или режим рекуперации происходит часто, соответственно возрастает количество операций размыкания/замыкания контактов нагрузочного контактора, что приводит к сокращению срока его службы.
Кроме того, нагрузочный контактор, расположенный между синхронной машиной и инвертором, имеет большие размеры, поскольку должен коммутировать большой ток. Это обстоятельство ограничивает возможности уменьшения размеров и массы устройства, а также его стоимость.
Кроме того, обычно в момент перехода из режима движения по инерции в двигательный режим для предотвращения протекания тока от синхронной машины к инвертору необходимо значительно повысить напряжение схемы инвертора на стороне постоянного тока перед активацией инвертора, что создает проблему увеличения временного интервала между моментом подачи инвертору команды на запуск и моментом действительной повторной активации инвертора.
Краткое изложение сущности изобретения
Настоящее изобретение предназначено для решения вышеуказанных проблем.
Задачей является обеспечение силового преобразовательного устройства, для которого не требуется нагрузочный контактор, обычно размещаемый между синхронной машиной и инвертором, что способствует уменьшению размеров, массы и стоимости даже при частом переходе с одного режима работы на другой.
Силовое преобразовательное устройство согласно настоящему изобретению включает в себя: первый силовой преобразователь, который получает напряжение постоянного тока от источника питания; конденсатор, который подключен к выходной стороне первого силового преобразователя; второй силовой преобразователь, который преобразует напряжение постоянного тока конденсатора в напряжение переменного тока и выводит напряжение переменного ток на синхронную машину; средство детектирования информации о вращении, которое детектирует информацию о вращении синхронной машины; и средство управления, которое управляет первым силовым преобразователем и вторым силовым преобразователем на основе информации о вращении, детектированной средством детектирования информации о вращении. На основе информации о вращении синхронной машины, детектированной средством детектирования информации о вращении, средство управления управляет вторым силовым преобразователем таким образом, чтобы напряжение сгенерированное синхронной машиной, было меньше или равно напряжению заряда конденсатора в момент активации второго силового преобразователя из режима движения по инерции, а также управляет первым силовым преобразователем таким образом, чтобы напряжение заряда конденсатора было больше или равно напряжению, сгенерированному синхронной машиной.
Силовое преобразовательное устройство согласно настоящему изобретению даже в случае частого перехода между режимами работы, например перехода из двигательного режима или режима рекуперации в режим движения по инерции и перехода из режима движения по инерции в двигательный режим или режим рекуперации, дает возможность заведомо предотвратить ненужное обратное поступление электрической мощности от синхронной машины на сторону источника питания, а также возможность предотвратить создание ненужного тормозного момента. Таким образом, нагрузочный контактор, который обычно размещали между синхронной машиной и вторым силовым преобразователем, можно исключить, а также можно обеспечить значительное уменьшение размеров, массы и стоимости силового преобразовательного устройства.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает блок-схему, иллюстрирующую силовое преобразовательное устройство согласно варианту 1 настоящего изобретения;
фиг. 2 изображает блок-схему, подробно иллюстрирующую средство вычисления команд напряжения силового преобразовательного устройства;
фиг. 3 изображает временную диаграмму, иллюстрирующую функционирование устройства согласно варианту 1 настоящего изобретения;
фиг. 4 изображает характеристическую схему, показывающую результаты имитационного моделирования с целью проверки функционирования силового преобразовательного устройства согласно варианту 1 настоящего изобретения;
фиг. 5 изображает блок-схему, иллюстрирующую силовое преобразовательное устройство согласно варианту 2 настоящего изобретения;
фиг. 6 изображает блок-схему, иллюстрирующую силовое преобразовательное устройство согласно варианту 3 настоящего изобретения;
фиг. 7 изображает диаграммы, показывающие взаимосвязь между командами трехфазного напряжения в синхронном трехимпульсном режиме, частотой несущей и линейным напряжением в варианте 3 настоящего изобретения;
фиг. 8 изображает блок-схему, иллюстрирующую силовое преобразовательное устройство, согласно варианту 4 настоящего изобретения;
фиг. 9 изображает блок-схему, иллюстрирующую силовое преобразовательное устройство согласно варианту 5 настоящего изобретения;
фиг. 10 изображает схему, показывающую взаимосвязь между координатной системой трехфазного переменного тока и координатной системой двухфазного переменного тока;
фиг. 11 изображает схему, подробно иллюстрирующую средство вычисления команд напряжения, согласно варианту 5 настоящего изобретения;
фиг. 12 изображает блок-схему, иллюстрирующую силовое преобразовательное устройство согласно варианту 6 настоящего изобретения;
фиг. 13 изображает временную диаграмму, иллюстрирующую функционирование устройства согласно варианту 6 настоящего изобретения;
фиг. 14 изображает временную диаграмму, иллюстрирующую функционирование устройства согласно варианту 6 настоящего изобретения.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
Вариант 1
На фиг. 1 изображена блок-схема, иллюстрирующая силовое преобразовательное устройство согласно варианту 1 настоящего изобретения.
Силовое преобразовательное устройство согласно этому варианту включает в себя: преобразователь 2 напряжения постоянного тока в постоянный (DC/DC преобразователь), который является первым силовым преобразователем для получения заранее определенного значения напряжения постоянного тока (DC напряжения) от источника питания 1 постоянного тока; конденсатор 3, который подключен к преобразователю 2 на его выходной стороне и который используется для накопления энергии; инвертор 4, который представляет собой второй силовой преобразователь для преобразования DC напряжения конденсатора 3 в напряжение переменного тока (АС напряжение) для вывода AC напряжения на синхронную машину 5; средство 6 детектирования информации о вращении, которое детектирует информацию о вращении (в данном случае это скорость ω вращения) синхронной машины 5; средство 8 детектирования DC напряжения, которое детектирует DC напряжение (Vdc) источника 1 питания постоянного тока; и средство 7 управления, которое управляет преобразователем 2 и инвертором 4 на основе скорости ω вращения синхронной машины 5, детектированной средством 6 детектирования информации о вращении, и на основе напряжения Vdc питания постоянного тока, детектированного средством 8 детектирования DC напряжения.
Вышеописанный преобразователь 2 представляет собой схему вольтодобавочного прерывателя и включает в себя: первое переключающее средство 21, которое состоит из встречно параллельного соединения переключающего элемента Q1, такого как транзистор с изолированным затвором (IGBT), и диода D1; и второе переключающее средство 22, которое состоит из встречно-параллельного соединения переключающего элемента Q2, такого как транзистор IGBT, и диода D2; и реактор 23. Кроме того, синхронная машина 5 представляет собой синхронную машину с постоянными магнитами (называемую далее просто синхронной машиной), которая создает магнитное поле с помощью постоянного магнита, закрепленного на ее роторе.
Вышеописанное средство 7 управления состоит, например, из микрокомпьютера и снабжено (после установки программы заранее определенных вычислений) средством 71 вычисления команд напряжения, средством 72 управления напряжением, средством 73 вычисления команд тока по оси d, средством 74 вычисления команд напряжения, по осям d и q, средством 75 интегрирования, средством 76 вычисления команд трехфазного напряжения, и средством 77 вычисления отпирающих импульсов.
2
Входящее в средство 7 управления средство 71 вычисления команд напряжения, вычисляет и выдает команду Vc* напряжения заряда, для управления напряжением заряда конденсатора 3 и команду (Vm*/ω) напряжения, для управления напряжением Vm (в данном случае это пиковое значение линейного напряжения), генерируемым синхронной машиной 5, на основе скорости ω вращения синхронной машины 5, детектированной средством 6 детектирования информации о вращении.
2
Средство 72 управления напряжением управляет преобразователем 2 на основе команды Vc* напряжения заряда, выдаваемой средством 71 вычисления команд напряжения и на основе напряжения Vdc источника питания постоянного тока, детектированного средством 8 детектирования DC напряжения. Средство 73 вычисления команды тока по оси d вычисляет и выдает команду id*, задающую ток по оси d на основе команды (Vm*/ω) напряжения, выдаваемой средством 71 вычисления команд напряжения, и на основе скорости ω вращения синхронной машины 5. Средство 74 вычисления команд напряжения по осям d и q вычисляет и выдает команду vd* напряжения по оси d, и команду vq* напряжения по оси q, на основе команды id* тока по оси d, выдаваемой средством 73 вычисления команды тока по оси d, и на основе команды iq* тока по оси q, соответственно.
Средство 75 интегрирования вычисляет и выдает фазу θ путем интегрирования скорости ω вращения, детектированной средством 6 детектирования информации о вращении. Средство 76 вычисления команд трехфазного напряжения вычисляет и выдает команды Vu*, Vv* и Vw* на основе команды vd* напряжения по оси d, и команды vq* напряжения по оси q, выдаваемых средством 74 вычисления команд напряжения по осям d и q, и на основе фазы θ. Средство 77 вычисления отпирающих импульсов вычисляет и выдает сигналы Gu, Gv, Gw, Gx, Gy, Gz отпирающих импульсов для управления переключающими элементами инвертора 4 на основе команд Vu*, Vv* и Vw*, выдаваемых средством 76 вычисления команд трехфазного напряжения.
На фиг. 2 представлена конфигурационная схема, подробно иллюстрирующая средство 71 вычисления команд напряжения.
Средство 71 вычисления команд напряжения включает в себя таблицу 711 для вычисления приращений напряжения конденсатора, таблицу 712 вычисления команд пикового значения линейного напряжения, сумматор 713, ограничитель 714, умножитель 715, средство 716 предотвращения деления на нуль и делитель 717.
Заметим, что конфигурация и функционирование средства 7 управления, содержащего средство 71 вычисления команд напряжения, будет подробно описано ниже.
Далее описываются принципы управления ослаблением поля для синхронной машины 5 в варианте 1. Напряжения, представленные в координатах d и q, в синхронной машине 5 и крутящий момент T вычисляют из выражений (1) и (2), приведенных ниже.
[Выражение 1]
[Выражение 2]
Здесь id и iq соответственно представляют составляющие тока статора по оси d и оси q; vd и vq соответственно представляют составляющие напряжения статора по оси d и оси q; ϕa=√{(3/2)ϕf}; ϕf представляет максимальное значение потокосцепления статора, генерируемого постоянным магнитом; R представляет сопротивление статора; Ld и Lq соответственно представляют индуктивности по оси d и оси q; p=d/dtf; Pn представляет количество пар полюсов; и ω представляет скорость вращения (угловая скорость). При работе в области высоких скоростей, когда необходима повторная активация инвертора 4 для перехода из режима движения по инерции в двигательный режим, управление ослаблением поля необходимо осуществлять немедленно после повторной активации инвертора 4. То есть индуцированное напряжение синхронной машины 5 является функцией скорости ω вращения и оно растет пропорционально ω. Следовательно, во время работы с высокой скоростью создается индуцированное напряжение, превышающее напряжение питания. Таким образом, когда инвертор 4 должен повторно активироваться (особенно в случае работы в области высоких скоростей), необходимо запустить управление ослаблением поля, которое использует размагничивание, обусловленное реакцией статора по оси d таким образом, чтобы предотвратить обратный поток рекуперированной энергии от синхронной машины 5 в инвертор 4.
2
2
Напряжение |Vm| на зажимах, подаваемое на синхронную машину 5, выражается как |Vm|=√(vd+vq). В этом случае |Vm| соответствует пиковому значению линейного напряжения. Когда напряжение заряда конденсатора 3 на входной стороне инвертора 4 равно Vc, для предотвращения протекания тока от синхронной машины 5 в инвертор 4 в момент повторной активации инвертора 4 пиковое Vm значение линейного напряжения ограничивают таким образом, чтобы удовлетворялось выражение (3), приведенное ниже, где напряжение заряда конденсатора 3 составляет Vc.
[Выражение 3]
Соответственно, значение тока id по оси d для удовлетворения условия ограничения напряжения согласно выражению (3), описанному выше, вычисляют следующим образом. Во-первых, если упростить выражение (3), то можно получить выражение (4), представленное ниже.
[Выражение 4]
Здесь vd0 и vq0 - значения, которые не учитывают дифференциальные члены.
Далее, при выполнении управления ослаблением поля во время повторной активации инвертора 4 синхронная машина 5 работает в области высоких скоростей, и тогда можно считать, что величина ωL достаточно велика. Если пренебречь величиной потерь в сопротивлении статора, то выражение (1) можно упростить, получив выражение (5), представленное ниже
[Выражение 5]
Исходя из выражений (4) и (5), описанных выше, условие для тока id по оси d при управлении ослаблением поля может быть представлено выражением (6), приведенным ниже.
[Выражение 6]
Чтобы предотвратить возникновение крутящего момента, а значит, нежелательного ударного воздействия на транспортное средство или т.п. в момент повторной активации инвертора 4 (момент T = 0), необходимо, чтобы удовлетворялось выражение (2). В этом случае необходимо, чтобы iq = 0, и тогда в выражении (6) iq присваивают значение, равное 0. Полученное выражение (7) представлено ниже:
[выражение 7]
Если ток id по оси d для управления ослаблением поля определен таким образом, что удовлетворяется выражение (7), то можно обеспечить условие ограничения напряжения по пиковому значению Vm линейного напряжения, указанному в выражении (3), а также можно предотвратить возникновение крутящего момента (T=0) в момент повторной активации инвертора 4.
Как ясно следует из выражения (7), Ld представляет индуктивность по оси d, ϕf представляет максимальное значение потокосцепления якоря, обусловленного постоянным магнитом, причем обе эти величины являются константами, определяемыми в зависимости от характеристик синхронной машины. Таким образом, ток id по оси d в выражении (7) является функцией напряжения Vc заряда конденсатора 3 и скорости ω вращения синхронной машины 5. Соответственно, когда напряжение Vc заряда конденсатора 3 и скорость ω вращения синхронной машины 5 заданы выражением (7), можно получить ток id по оси d, который может управлять пиковым значением Vm линейного напряжения, установив его меньшим или равным напряжению Vc заряда конденсатора 3 (Vm≤Vc), что необходимо для предотвращения возникновения крутящего момента.
Между тем, в случае осуществления управления ослаблением поля синхронной машиной 5 в момент повторной активации инвертора 4 необходимо выполнение граничного условия, предотвращающего протекание тока от синхронной машины 5 в инвертор 4, заключающегося в том, что пиковое значение Vm линейного напряжения должно быть равно действующему значению напряжения заряда (Vc/√2) конденсатора 3. Таким образом, в выражении (7), если вместо действующего значения напряжения (Vc/√2) заряда конденсатора 3 использовать команду Vm* пикового значения линейного напряжения (здесь и далее добавление символа «*» указывает на то, что это команда), и если задана информация о скорости ω вращения, то можно вычислить команду id* тока по оси d, которая сможет предотвратить протекание тока от синхронной машины 5 в инвертор 4, и которая удовлетворяет условию, необходимому для предотвращения возникновения крутящего момента (T=0). Соответственно, когда команда Vc* напряжения заряда для конденсатора 3, установлена со значением, превышающем на постоянное приращение ΔVс* команду Vm* пикового значения линейного напряжения в критическом состоянии, удовлетворяющем выражению (7) (Vc*=Vm*+ΔV*), то постоянно удовлетворяется неравенство Vm*≤Vc*, и, следовательно, можно надежно предотвратить протекание тока от синхронной машины 5 в инвертор 4 во время повторной активации инвертора 4.
Таким образом, в рассматриваемом варианте 1 скорость ω вращения, команду Vm* пикового значения линейного напряжения, и команду Vc* напряжения заряда, получают следующим образом.
Сначала находят скорость ω вращения синхронной машины 5 с помощью средства 6 детектирования информации о вращении. Детектированную скорость ω вращения вводят в средство 71 вычисления команд напряжения, и средство 75 интегрирования в средстве 7 управления.
Как показано на фиг. 2, в таблице 711 вычисления приращения напряжения конденсатора, содержащейся в средстве 71 вычисления команд напряжения, представлена взаимосвязь между приращением ΔVc* напряжения (по вертикальной оси) и скоростью ω вращения (по горизонтальной оси). В этом случае, когда скорость ω вращения детектируется в диапазоне от нуля до ω1, приращение напряжения устанавливают равным нулю, а когда скорость ω вращения равна ω1, то приращение напряжения устанавливают равным ΔV1. Приращение ΔV1 устанавливают с учетом напряжения включения на основе сопротивления включения каждого из переключающих элементов, входящих в состав инвертора 4, таким образом, чтобы напряжение Vc заряда конденсатор 3 было всегда выше пикового значения Vm линейного напряжения синхронной машины 6 для предотвращения обратного поступления рекуперированной энергии.
То есть обычно каждый переключающий элемент, входящий в инвертор 4, выбирают и рассчитывают на основе напряжения Vdc источника питания постоянного тока, причем авторы настоящего изобретения обнаружили, что напряжение включения, основанное на сопротивлении включения каждого переключающего элемента инвертора 4, составляет от 1% до 5% от напряжения Vdc источника питания постоянного тока. Следовательно, величину ΔV1 устанавливают равной от 1% до 5% от напряжения Vdc источника питания постоянного тока. Кроме того, ΔV2 устанавливают таким образом, чтобы градиент между значениями ω1 и ω2 был таким же, как градиент между значениями ω1 и ω2 в таблице 712 вычисления команд, задающих пиковое значение линейного напряжения. Если скорость ω больше или равна ω2, то ΔV2 устанавливают равным постоянному значению, поскольку для скорости, превышающей ω2, настройка на основе рабочих характеристик синхронной машины 5 не понадобится.
Кроме того, в таблице 712 вычисления команд пикового значения линейного напряжения, представлена взаимосвязь между командой Vm* пикового значения линейного напряжения (по вертикальной оси) для синхронной машины 5 и скоростью ω вращения (по горизонтальной оси). В этом случае, когда скорость ω вращения детектируется в диапазоне от нуля до ω1, команду пикового значения линейного напряжения устанавливают равной Vm1. Здесь Vm1 имеет то же значение, что и напряжение Vdc источника питания постоянного тока. Кроме того, когда скорость ω вращения больше или равна ω2, команду пикового значения линейного напряжения устанавливают равной Vm2. Значение Vm2 устанавливают равным значению индуцированного напряжения в момент, когда синхронная машина 5 вращается с максимальной скоростью. Градиент между значениями ω1 и ω2 устанавливают таким образом, чтобы изменение от ΔVm1 до ΔVm2 подчинялось линейному закону. Следовательно, когда скорость вращения больше или равна ω1, индуцированное напряжение, генерируемое синхронной машиной 5, будет больше или равно напряжению Vdc источника питания постоянного тока. Если скорость вращения больше или равна ω2, то Vm2 устанавливают равным постоянному значению, поскольку нет необходимости в настройке на основе рабочих характеристик синхронной машины 5.
Сумматор 713 складывает приращение ΔVc* напряжения, извлекаемое из таблицы 711 вычисления приращения напряжения конденсатора, и пиковое значение Vm* линейного напряжения, извлекаемое из таблицы 712 вычисления команд для пикового значения линейного напряжения, которые основаны на скорости вращения ω синхронной машины 5, детектированной средством 6 детектирования информации о вращении, и выдает суммарное значение Vc1*. То есть Vc1*=Vm*+ΔVc*.
Далее ограничитель 714 выполняет функцию предотвращения неожиданного уменьшения или увеличения значения Vc1*, вычисленного сумматором 713. То есть ограничитель 714 обрабатывает сигнал Vc1* и выдает команду Vc* напряжения заряда.
[Уравнение 8]
Заметим, что значение Vmin устанавливают равным минимальному значению напряжения постоянного тока, которое позволяет приводить в действие инвертор 4, а значение Vmax устанавливают равным значению, установленному в целях защиты инвертора 4 от перенапряжения. Таким путем ограничитель 714 выдает на конденсатор 3 команду Vc* напряжения заряда.
2
2
2
2
2
Кроме того, скорость ω вращения синхронной машины 5, детектированная средством 6 детектирования информации о вращении, возводится в квадрат умножителем 715, и выводится ω. Делитель 717 делит на ω команду Vm* пикового значения линейного напряжения, извлеченного из таблицы 712 вычисления команд, задающих пиковое значение линейного напряжения. В это время средство 716 предотвращения деления на нуль на этапе, предшествующем активации делителя 717, с целью предотвращения деления на нуль, выполняет следующую обработку. А именно, когда ωравно нулю, средство 716 предотвращения деления на нуль выдает вместо нуля небольшое значение, например, 0,0001. Соответственно, так можно предотвратить деление на нуль. Делитель 717 выдает значение (Vm*/ω), которое на следующем этапе поступает в средство 73 вычисления команды тока по оси d. Значение (Vm*/ω) используют для вычисления команды id* тока по оси d на основе выражения (9), приведенного ниже.
Средство 72 управления напряжением получает команду Vс* напряжения заряда от средства 71 вычисления команд напряжения, и также получает напряжение Vdc источника питания постоянного тока, детектированное средством 8 детектирования напряжения постоянного тока. Средство 72 управления напряжением сравнивает значения Vc* и Vdc и на основе результата сравнения выдает переключающие сигналы S1 и S2 соответственно на первое и второе переключающие средства 21 и 22 преобразователя 2, обеспечивая тем самым управление операцией переключения. Эта операция для данного случая будет подробно описана ниже со ссылками на временную диаграмму, показанную на фиг. 3.
2
Между тем, средство 73 вычисления команды тока по оси d получает от средства 71 вычисления команд напряжения значение (Vm*/ω) и вычисляет команду id* тока по оси d, используя выражение (9), приведенное ниже.
[Выражение 9]
Здесь Ld представляет индуктивность по оси d, ϕa=√{(3/2) ϕf}, а ϕf представляет максимальное значение потокосцепления якоря, обусловленного постоянным магнитом.
Как было описано со ссылками на выражение (7), в выражении (9) вместо действующего значения (Vc/√2) напряжения заряда конденсатора 3 используется команда Vm* пикового значения линейного напряжения, и в результате вычисляется команда id* тока по оси d, которая предотвращает протекание тока от синхронной машины 5 в инвертор 4, и которая удовлетворяет условию, необходимому для предотвращения возникновения крутящего момента (T = 0).
Далее средство 74 вычисления команд напряжения по оси d и q вычисляет команду vd* напряжения по оси d, и команду vq* напряжения по оси q, на основе выражения (10), приведенного ниже, с использованием команды id* тока по оси d, которая вычислена средством 73 вычисления команды тока по оси d, и команды iq*=0 тока по оси q.
[Выражение 10]
В указанном выражении (10), поскольку команда iq* тока по оси q, установлена в нуль, как это ясно следует из выражения (2), описанного выше, можно предотвратить появление нежелательного крутящего момента во время повторной активации инвертора 4. Команда vd* напряжения по оси d, и команда vq* напряжения по оси q, которые вычисляются средством 74 вычисления команд напряжения по осям d и q, поступают на следующем этапе в средство 76 вычисления команд трехфазного напряжения.
Как хорошо известно специалистам в данной области техники, когда необходимо преобразовать трехфазные напряжения и трехфазные токи во вращающуюся систему координат с двумя ортогональными осями, потребуется фаза θ для координатных осей управления. Таким образом, средство 75 интегрирования вычисляет фазу θ координатных осей управления по координатам вращающихся двух осей на основе скорости ω вращения с использованием выражения (11), приведенного ниже.
[Выражение 11]
Далее средство 76 вычисления команд трехфазного напряжения вычисляет фазу θv команд, задающих трехфазное напряжение, на основе команды vd* напряжения по оси d, и команды vq* напряжения по оси q, которые выдаются средством 74 вычисления команд, задающих напряжение по осям d и q, и на основе фазы θ, выданной средством 75 интегрирования с использованием выражения (12), приведенного ниже.
[Выражение 12]
Кроме того, средство 76 вычисления команд трехфазного напряжения вычисляет коэффициент модуляции, используя приведенное ниже выражение (13).
[Выражение 13]
Далее средство 76 вычисления команд трехфазного напряжения вычисляет команды Vu*, Vv* и Vw*, используя описанные выше выражения (11), (12) и (13), а также выражение (14), приведенное ниже.
[Выражение 14]
Команды Vu*, Vv* и Vw* трехфазного напряжения, вычисленные средством 76 вычисления команд трехфазного напряжения, вводятся в средство 77 вычисления отпирающих импульсов. Средство 77 вычисления отпирающих импульсов создает отпирающие импульсы Gu-Gz на основе команд Vu*, Vv* и Vw* трехфазного напряжения, для управления переключающими элементами инвертора 4 на основе широтно-импульсной модуляции (PWM).
Далее, что касается общего процесса управления силовым преобразовательным устройством с вышеописанной конфигурацией, то случай переключения из двигательного режима в режим движения по инерции с последующим переключением из режима движения по инерции в двигательный режим будет описан со ссылками на временную диаграмму, показанную на фиг.3.
Во время работы в двигательном режиме, например в ходе ускорения транспортного средства, средство 7 управления устанавливает команду Vc* напряжения заряда для конденсатора 3, по существу равную напряжению Vdc источника питания постоянного тока. Таким образом, переключающий сигнал S1 с выхода средства 72 управления не поступает на преобразователь 2, и первое переключающее средство 21 переключается в состояние ВЫКЛ. С другой стороны, выводится переключающий сигнал S2, и второе переключающее средство 22 переключается в состояние ВКЛ. Соответственно, от источника 1 питания постоянного тока на инвертор 4 через преобразователь 2 подается мощность постоянного тока, и инвертор 4 преобразует мощность постоянного тока в мощность переменного тока с заранее определенной частотой для подачи мощности переменного тока на синхронную машину 5.
В это время, поскольку первое переключающее средство 21 не выполняет операцию переключения, напряжение Vc заряда
конденсатора фактически совпадает с напряжением Vdc источника питания постоянного тока. Кроме того, благодаря управлению ослаблением поля на основе вышеописанного выражения (10), выполняемого средством 7 управления, пиковое значение Vm линейного напряжения синхронной машины 5 оказывается меньше напряжения Vc заряда конденсатора 3.
Затем, когда в момент времени t1 происходит переход из двигательного режима в режим движения по инерции, команда приведения в действие отключается. В это время команда Vc* напряжения заряда для конденсатора 3, поступающая из схемы 7 управления, выше, чем напряжение Vdc источника питания постоянного тока. В этом случае напряжение Vc заряда конденсатора 3 необходимо увеличить. Тогда средство 72 управления напряжением прекращает выдачу переключающего сигнала S2 на преобразователь 2, и второе переключающее средство 22 выключается. С другой стороны, средство 72 управления напряжением выдает переключающий сигнал S1, и выполняется операция переключения первым переключающим средством 21. Благодаря операции переключения первого переключающего средства 21 конденсатор 3 заряжается, и в момент времени t2 напряжение конденсатора 3 возрастает до заранее определенного значения, соответствующего команде Vc* напряжения заряда. В течение периода Та между моментом tl и моментом t2 обеспечивается непрерывное управление ослаблением поля синхронной машины 5 со стороны средства 7 управления на основе выражения (10), и, следовательно, пиковое значение Vm линейного напряжения не изменяется и сохраняет то же самое значение, как и во время работы в двигательном режиме.
В момент времени t2 напряжение заряда конденсатора 3 повышается до значения, соответствующего команде Vc* напряжения заряда, и поэтому работа инвентора 4 прекращается. Соответственно, больше не поддерживается управление ослаблением поля синхронной машины 5, и пиковое значение Vm линейного напряжения оказывается равным индуцированному напряжению, определяемому в зависимости от скорости ω вращения синхронной машины 5. Кроме того, в течение периода Тv между моментами времени t2 и t3 средство 72 управления напряжением прекращает вывод переключающего сигнала S2 на преобразователь 2, но выводит переключающий сигнал S1. Соответственно, в преобразователе 2 первое переключающее средство 21 продолжает выполнять операцию переключения, в то время как второе переключающее средство 22 находится в выключенном состоянии. Таким образом, в течение периода Тb напряжение Vc заряда конденсатора 3 поддерживается на уровне, большем или равном индуцированному напряжению Vm, сгенерированному синхронной машиной 5. То есть напряжение Vc заряда конденсатора 3 установлено на уровне, превышающем индуцированное напряжение Vm, генерируемое синхронной машиной 5, на величину, соответствующую приращению ΔVc* напряжения, вычисленному средством 71 вычисления команд, задающих напряжение, которое детектируется в средстве 7 управления. Соответственно, появляется возможность предотвратить протекание тока от синхронной машины 5 в инвертор 4 во время движения по инерции, и в результате можно предотвратить появление нежелательного тормозного момента в режиме движения по инерции.
При переходе в момент времени t3 из режима движения по инерции в двигательный режим средство 7 управления вновь активирует инвертор 4. Затем средство 7 управления обеспечивает управление ослаблением поля на основе выражения (10) , описанного выше для инвертора 4, и тогда пиковое значение Vm линейного напряжения синхронной машины 5 снижается до уровня, который был до момента времени t2. С другой стороны, в течение периода Тс между моментами времени t3 и t4 благодаря управлению, осуществляемому средством 72 управления, первое переключающее средство 21 продолжает выполнять операцию переключения, в то время как второе переключающее средство 22 находится в выключенном состоянии в преобразователе 2. Таким образом, напряжение Vc заряда конденсатора 3 поддерживается равным значению, имевшему место в течение периода Тb работы в режиме движения по инерции.
В момент времени t4 по истечении заранее определенного времени Тс, поскольку поступила команда приведения в действие, команда Vc* напряжения заряда для конденсатора 3 устанавливается фактически равной напряжению Vdc источника питания постоянного тока. В это время средство 72 управления напряжением не должно заряжать конденсатор 3 для повышения напряжения Vc заряда, и тогда первое переключающее средство в преобразователе 2 будет выключено, а второе переключающее средство 22 включено. Соответственно, прекращается заряд конденсатора 3, и напряжение Vc заряда постепенно уменьшается.
Затем в момент времени t5 напряжение Vc заряда конденсатора 3 становится практически равным напряжению Vdc источника питания постоянного тока. Однако пиковое значение Vm линейного напряжения синхронной машины 5 остается меньшим напряжения Vc заряда конденсатора 3 благодаря управлению ослаблением поля, обеспечиваемому средством 7 управления.
Следовательно, если даже происходит переход в двигательный режим из режима движения по инерции благодаря рабочей команде, выданной в момент времени t3, можно предотвратить протекание тока от синхронной машины 5 в инвертор 4, а также можно надежно предотвратить появление отказов, таких как выход из строя переключающих элементов инвертора 4.
Кроме того, во время повторной активации инвертора 4 нет необходимости повторного повышения напряжения Vc заряда конденсатора 3 в отличие от известных способов. Таким образом, не возникает временная задержка между моментом выдачи команды на инвертор 4 и моментом его действительной повторной активации, что свидетельствует о высоком быстродействии системы.
Как было описано выше, в варианте 1 средство 7 управления управляет преобразователем 2 во время работы в режиме движения по инерции, так что напряжение Vc заряда конденсатор 3 остается большим или равным напряжению Vm, генерируемому синхронной машиной 5. Кроме того, средство 7 управления также управляет преобразователем 2 и инвертором 4 при повторной активации инвертора 4 из режима движения по инерции, так что напряжение Vc заряда конденсатора 3 постоянно поддерживается на уровне, большем или равном пиковому значению Vm линейного напряжения синхронной машины 5. Соответственно, даже в случае частого перехода с одного рабочего режима на другой, например перехода из двигательного режима или режима рекуперации в режим движения по инерции и переключение из режима движения по инерции в двигательный режим или режим рекуперации, можно надежно предотвратить нежелательный обратный поток электрической энергии от синхронной машины в сторону источника питания, а также можно предотвратить возникновение нежелательного тормозного момента. Следовательно, можно будет обойтись без нагрузочного контактора, который обычно устанавливают между синхронной машиной 5 и инвертором 4, а значит, уменьшить размеры, массу и стоимость.
На фиг. 4 показаны результаты имитационного моделирования повторной активации в силовом преобразовательном устройстве, имеющем конфигурацию, описанную в варианте 1, из состояния, в котором частота вращения двигателя составляет 270 Гц, на основе постоянной электродвигателя для рельсового электрического подвижного состава. Здесь вертикальная ось на фиг. 4(а) представляет напряжение [В] конденсатора, вертикальная ось на фиг. 4(b) представляет линейное напряжение [В], вертикальная ось на фиг. 4(с) представляет ток фазы U [А], вертикальная ось на фиг. 4(d) представляет развиваемый крутящий момент [Нм], вертикальная ось на фиг 4(е) представляет токи d и q [А], а вертикальная ось на фиг. 4(f) представляет коэффициент модуляции [%]. Горизонтальные оси на фигурах 4(а)-4(f) представляют время [с].
Согласно результатам имитационного моделирования, показанным на фиг. 4, инвертор 4 был активирован в момент 0,1 с по горизонтальной оси (соответствует моменту времени t3 на фиг. 3).
На фиг. 4а показано напряжение Vc конденсатора. На интервале от 0 до 0,3 с первое переключающее средство 21 преобразователя 2 выполняло операцию переключения для поддержания напряжения Vc заряда конденсатора 3 на уровне 3900 В. В момент 0,3 с (соответствует моменту времени t4 на фиг.3) первое переключающее средство 21 было выключено, и второе переключающее средство 22 включено, после чего напряжение Vc заряда конденсатора 3 постепенно снизилось до 3000 В, фактически сравнявшись с напряжением Vdc источника 1 питания постоянного тока.
На фиг.4b показано пиковое значение Vm линейного напряжения синхронной машины 5. На интервале от 0 до 0,1 с пиковое значение Vm линейного напряжения соответствовало индуцированному напряжению, сгенерированному в результате индуцирования электродвижущей силы синхронной машины 5, причем пиковое значение напряжения составило порядка 3850 В. В момент 0,1 с (соответствует моменту времени t3 на фиг.3) был активирован инвертор 4, и сразу после этого началось управление ослаблением поля со стороны средства 7 управления. Соответственно, пиковое значение Vm линейного напряжения было отрегулировано на заранее определенное напряжение, то есть 3000 В. Кроме того, на фиг. 4 (d) показан момент, возникший непосредственно после активации инвертора 4. Было подтверждено, что, хотя в течение переходного периода и наблюдалось кратковременное возникновение крутящего момента, его значение фактически было близким к нулю.
Дополнительно, временной интервал (соответствующий времени Тc на фиг.3) после активации инвертора 4 до тех пор, пока не прекращена операция переключения первого переключающего средства 21 преобразователя 2, предпочтительно детектируется в диапазоне от 5 мс до 500 мс. Этот вывод основан на данных, полученных авторами настоящего изобретения. А именно, значение 5 мс вытекает из анализа процесса управления напряжением постоянного тока, реализованного преобразователем 2. Другими словами, потребуется, по меньшей мере, 5 мс для того, чтобы преобразователь 2 снизил напряжение на стороне постоянного тока. Кроме того, обоснование максимального значения 500 мс состоит в том, что с учетом рабочих характеристик и срока службы переключающих элементов, входящих в состав инвертора 4, длительность операции переключения после повышения напряжения постоянного тока не должна превышать 500 мс.
Вариант 2
На фиг. 5 изображена блок-схема, иллюстрирующая силовое преобразовательное устройство согласно варианту 2 настоящего изобретения, где для компонентов, соответствующих компонентам варианта 1, показанным на фиг. 1, использованы общие ссылочные позиции.
В варианте 2 в качестве входного устройства используют источник 1 питания переменного тока, и соответственно преобразователем 9 является преобразователь переменного тока в постоянный (AC/DC), который обеспечивает управление на основе широтно-импульсной модуляции (PWM) для преобразования напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока. Этот преобразователь 9 выполняет управление с обратной связью на основе разности ΔVc между напряжением Vc заряда конденсатора 3 и командой Vc* напряжения заряда, а средство 10 детектирования напряжения заряда предусмотрено для детектирования напряжения Vc заряда конденсатора. Кроме того, средство 7 управления включает в себя вычитатель 78, который вычитает напряжение Vc заряда, детектированное средством 10 детектирования напряжения конденсатора, из команды Vc* напряжения заряда для конденсатора 3, вычисленной средством 71 вычисления команд напряжения.
Дополнительно, в варианте 2 средство 74 вычисления команд напряжения по осям d и q, находящееся в средстве 7 управления, вычисляет команду vd* напряжения по оси d, и команду vq* напряжения по оси q, на основе разности между командой id* тока по оси d, и детектированным значением id тока по оси d и на основе разности между командой iq* тока по оси q, и детектированным значением iq тока по оси q. Таким образом, средства 11а, 11b и 11с детектирования тока предусмотрены для детектирования токов, протекающих в синхронной машине 5. Кроме того, средство 7 управления включает в себя средство 79 преобразования трехфазного тока в двухфазный (dq), которое выполняет координатное преобразование фазных токов iu, iv и iw, детектированных соответствующими средствами 11а, 11b и 11с детектирования тока, в детектированное значение id тока по оси d и детектированное значение iq тока по оси q по двум вращающимся ортогональным осям (оси d-q), имеющим фазу θ.
Заметим, что в варианте 2 в качестве средств 11а - 11с детектирования тока на стороне переменного тока используют трансформатор тока или т.п. для детектирования токов, протекающих через соединительные шины между инвертором 4 и синхронной машиной 5. Однако способ детектирования токов этим не ограничивается, а фазные токи можно детектировать, исходя из других токов, например, тока в шине, протекающего внутри инвертора 4, известным в данной области техники способом. Заметим, что, поскольку удовлетворяется соотношение iu+iv+iw=0, можно найти токи двух фаз, а затем ток оставшейся одной фазы можно вычислить на основе детектированных токов указанных двух фаз.
Поскольку остальные конфигурации аналогичны конфигурациям в варианте 1, показанном на фиг. 1, их подробное описание далее опущено.
В силовом преобразовательном устройстве, имеющем вышеописанную конфигурацию, команда Vc* напряжения заряда, вычисленная средством 71 вычисления команд напряжения тем же способом, как в варианте 1, и значение напряжения Vc заряда конденсатора 3, детектированное средством 10 детектирования напряжения конденсатора, вводят в вычитатель 78. Соответственно, вычитатель 78 получает разность между Vc* и Vc и вводит значение ΔVc, полученное посредством вычитания, в средство 72 управления напряжением. Средство 72 управления напряжением управляет преобразователем 9, так чтобы напряжение Vc заряда конденсатора 3 соответствовало команде Vc* напряжения заряда. Соответственно, напряжение Vc заряда конденсатора 3 становится равным команде Vc* напряжения заряда.
Между тем, средства 11а-11с детектирования токов на стороне синхронной машины 5 находят соответствующие фазные токи iu, iv и iw, сгенерированные синхронной машиной 5, после чего эти фазные токи вводят в средство 7 управления. Затем средство 79 преобразования трехфазного тока в двухфазный (dq) выполняет координатное преобразование трехфазных токов в токи по двум вращающимся ортогональным осям. Тогда потребуются оси координат управления, и соответственно вводят фазу θ осей координат управления, полученную путем интегрирования, выполненного средством 75 интегрирования на основе выражения (11). Средство 79 преобразования трехфазного тока в двухфазный (dq) выполняет координатное преобразование фазных токов iu, iv, iw, полученных средствами 11а-11с детектирования токов, в детектированное значение id тока по оси d и детектированное значение iq тока по оси q по координатам на двух вращающихся ортогональных осях (оси d-q), имеющих фазу θ, и на следующем этапе выводит результаты преобразования в средство 74 вычисления команд напряжения по осям d и q.
Средство 74 вычисления команд напряжения по осям d и q, вычисляет команду vd* напряжения по оси d, и команду vq* напряжения по оси q, на основе команды id* тока по оси d, вычисленной средством 73 вычисления команды тока по оси d, команды iq*=0 тока по оси q, детектированного значения id тока по оси d и детектированного значения iq тока по оси q, которые выдаются средством 79 преобразования трехфазного тока в двухфазный (dq), с использованием выражений (15) и (16), представленных ниже. Заметим, что в случае iq*=0, как было описано выше, преимущество состоит в том, что можно предотвратить возникновение крутящего момента на основе соотношения, представленного в выражении (2).
[Выражение 15]
[Выражение 16]
Заметим, что на основе выражения (17), представленного ниже, можно задать коэффициенты пропорциональности kcpd, kcpq, wcpi путем установки контрольного значения wcc на характеристике тока. Кроме того, контрольное значение wcc на характеристике тока необходимо установить на уровне, заметно превышающем максимальную скорость при повторной активации.
[Выражение 17]
Далее таким же образом, как в варианте 1, средство 76 вычисления команд трехфазного напряжения вычисляет фазу θv команд трехфазного напряжения, на основе команды vd* напряжения по оси d, и команды vq* напряжения по оси q, введенных средством 74 вычисления команд напряжения по осям d и q, с использованием вышеописанного выражения (12). Кроме того, средство 76 вычисления команд трехфазного напряжения вычисляет коэффициент PMF модуляции на основе напряжения Vc заряда, детектированного средством 10 детектирования напряжения конденсатора, с использованием выражения (18), приведенного ниже.
[Выражение 18]
Дополнительно, средство 76 вычисления команд трехфазного напряжения вычисляет команды напряжения vu*, vv* и vw* с использованием выражений (15), (16) и (17), описанных выше, на основе выражения (14), также описанного выше.
Таким образом, в средство 77 вычисления отпирающих импульсов подаются команды vu*, vv* и vw* трехфазного напряжения, вычисленные средством 76 вычисления команд трехфазного напряжения. Средство 77 вычисления отпирающих импульсов создает отпирающие импульсы Gu - Gz на основе команд vu*, vv* и vw* трехфазного напряжения, чтобы управлять переключающими элементами инвертора 4, используя управление с широтно-импульсной модуляцией.
Как было описано выше, в варианте 2 преобразователь переменного тока в постоянный используется в качестве преобразователя 9, в результате чего получают такой же эффект, как в варианте 1. Кроме того, при использовании средств 11а - 11с детектирования тока упрощается вычисление команды vd* напряжения по оси d, и команды vq* напряжения по оси q, средством 74 вычисления команд напряжения по осям d и q, а также уменьшается вычислительная нагрузка по сравнению с вариантом 1. Таким образом, преимущество этого варианта заключается в том, что для реализации средства 7 управления можно использовать недорогой микрокомпьютер.
Вариант 3
На фиг. 6 представлена блок-схема, иллюстрирующая силовое преобразовательное устройство согласно варианту 9 настоящего изобретения, причем для компонентов, соответствующих компонентам варианта 2, показанным на фиг. 5, используют общие ссылочные позиции.
Отличительная особенность варианта 3 состоит в том, что конфигурации средства 74 вычисления команд напряжения по осям d и q, и средства 77 вычисления отпирающих импульсов отличаются от аналогичных средств по варианту 2.
То есть в варианте 3 средство 74 вычисления команд напряжения по осям d и q, получает команду id* тока по оси d, вычисленную средством 73 вычисления команды тока по оси d, команду iq* тока по оси q равного 0, а также детектированное значение id тока по оси d и детектированное значение iq тока по оси q, которые выдаются средством 79 преобразования трехфазного тока в двухфазный (dq), а затем вычисляет команду vd* напряжения по оси d, и команду vq* напряжения по оси q, используя приведенное ниже выражение (19).
[Выражение 19]
Выражение (19) представляет собой комбинацию первого члена и второго члена, соответствующих выражению (10), описанному в варианте 1, и третьего члена, который соответствует выражениям (15) и (16), описанным в варианте 2. Соответственно, можно реализовать высокоэффективное управление, а также можно предотвратить возникновение крутящего момента в переходном процессе во время повторной активации.
Команда vd* напряжения по оси d, и команда vq* напряжения по оси q, которые вычисляются средством 74 вычисления команд напряжения по осям d и q, вводятся на следующем этапе в средство 76 вычисления команд трехфазного напряжения. Соответственно, средство 76 вычисления команд трехфазного напряжения вычисляет команды Vu*, Vv* и Vw* трехфазного напряжения, и вычисленные команды Vu*, Vv* и Vw* трехфазного напряжения, вводятся в средство 77 вычисления отпирающих импульсов. Этот процесс аналогичен процессу в вариантах 1 и 2.
Средство 77 вычисления отпирающих импульсов выдает отпирающие импульсы Gu-Gz в виде трех синхронных импульсов на основе команд Vu*, Vv* и Vw* трехфазного напряжения, чтобы управлять переключающими элементами, входящими в состав инвертора 4, с использованием управления на основе PWM. То есть, как показано на фиг. 7(а), когда для управления на основе PWM необходимо генерировать отпирающие импульсы Gu-Gz, в том случае, если частоту команд трехфазного напряжения (синусоидальная волна), соответствующих скорости вращения синхронной машины 5, представить как fsin, а частоту несущей треугольной формы представить как fc, то удовлетворяется равенство 3fsin=fc. Таким образом, как показано на фиг. 7(b), для каждого из отпирающих импульсов Gu-Gz на один полупериод частоты вращения естественно выделяется три импульса.
В случае, если необходима повторная активация инвертора при работе в области высоких скоростей, то поскольку переключающие элементы, входящие в состав инвертора 4, не могут в достаточной мере увеличить частоту несущей из-за перегрева, то для каждого отпирающего импульса инвертора 4 невозможно предусмотреть достаточное количество импульсов, обеспечивающих требуемые характеристики управления. Например, если инвертор 4 повторно активируют, когда частота несущей составляет 600 Гц, а синхронная машина 5 имеет скорость (частоту) вращения 300 Гц, то количество импульсов, которое можно предусмотреть для каждого переключающего элемента инвертора 4, составит два импульса на полупериод частоты вращения, составляющий 300 Гц, что может оказаться недостаточным для обеспечения достаточного качества управления.
С другой стороны, поскольку в данном варианте 3 используется синхронный трехимпульсный режим, на один полупериод частоты вращения синхронной машины 5 предусмотрено три импульса. Соответственно, даже в случае повторной активации из области высоких скоростей можно предусмотреть указанное количество импульсов, а значит, повысить эффективность управления. Кроме того, использование синхронного импульсного режима повышает показатель использования напряжения. Следовательно, можно уменьшить ток, протекающий в синхронной машине 5, а также уменьшить размеры и энергопотребление инвертора 4.
Заметим, что в варианте 3 был описан синхронный трехимпульсный режим. Однако очевидно, что аналогичный эффект даст синхронный пятиимпульсный режим или синхронный девятиимпульсный режим. Поскольку другие конфигурации и рабочие процессы в данном варианте аналогичны варианту 2, их подробное описание опущено.
Вариант 4
На фиг. 8 представлена блок-схема, иллюстрирующая силовое преобразовательное устройство согласно варианту 4 настоящего изобретения, где для компонентов, соответствующих компонентам варианта 3, показанным на фиг. 6, используют общие ссылочные позиции.
Отличительной особенностью варианта 4 является то, что конфигурация средства 77 вычисления отпирающих импульсов отличается от аналогичной конфигурации варианта 3.
Иными словами, в варианте 4 средство 77 вычисления отпирающих импульсов выдает отпирающие импульсы Gu-Gz, в синхронном одноимпульсном режиме на основе команд Vu*, Vv* и Vw* трехфазного напряжения, чтобы управлять переключающими элементами, входящими в состав инвертора 4, с использованием управления с широтно-импульсной модуляцией. То есть, когда для управления с широтно-импульсной модуляцией необходимо генерировать отпирающие импульсы Gu-Gz, в том случае, если частоту команд, задающих трехфазное напряжение (синусоидальная волна), соответствующих скорости вращения синхронной машины 5, представить как fsin, а частоту несущей треугольной формы представить как fc, то удовлетворяется равенство fsin=fc.
Таким образом, в варианте 4 средство 77 вычисления отпирающих импульсов выдает отпирающие импульсы Gu-Gz в синхронном одноимпульсном режиме. Соответственно, в данном варианте, хотя качество управления хуже, чем в варианте 3, коэффициент использования напряжения инвертора 4 может быть улучшен. Кроме того, по сравнению с вариантом 3 можно дополнительно уменьшить ток, протекающий в синхронной машине 5, а значит, можно уменьшить размеры инвертора 4 и обеспечить энергосбережение.
Поскольку другие конфигурации и рабочие процессы аналогичны варианту 3, их подробное описание здесь опущено.
Вариант 5
На фиг. 9 представлена конфигурационная схема, иллюстрирующая силовое преобразовательное устройство согласно варианту 5 настоящего изобретения, где для компонентов, соответствующих компонентам варианта 1, показанным на фиг. 1, используют общие ссылочные позиции.
Отличительной особенностью варианта 5 является то, что в дополнении к конфигурации варианта 1 (фиг. 1) предусмотрены средства 12а и 12b детектирования линейного напряжения. Кроме того, изменены конфигурации средства 71 вычисления команд напряжения, и средства 73 вычисления команды тока по оси d, включенного в состав средства 7 управления. Кроме того, в средстве 7 управления предусмотрено средство 80 преобразования трехфазного тока в двухфазный (αβ) и средство 81 вычисления действующего значения напряжения.
То есть средства 12а и 12b детектирования линейного напряжения соответственно находят линейное напряжение Vuv между фазами U и V и линейное напряжение Vvw между фазами V и W синхронной машины 5. Детектированные линейные напряжения Vuv и Vvw вводятся в средство 80 преобразования трехфазного тока в двухфазный (αβ). Средство 80 преобразования трехфазного напряжения в двухфазное (αβ) вычисляет двухфазные переменные напряжения Vα и Vβ на основе введенных значений Vuv и Vvw, используя выражение (20), приведенное ниже.
[Выражение 20]
Заметим, что когда необходимо преобразовать трехфазные переменные напряжения Vuv и Vvw (или Vu, Vv и Vw) в двухфазные переменные напряжения Vα и Vβ путем использования выражения (20), такое преобразование выполняется с использованием соотношения между трехфазной координатной системой (u-v-w) переменного тока и двухфазной координатной системой (α-β) переменного тока, показанных на фиг. 10.
Последующее средство 81 вычисления действующего значения напряжения вычисляет пиковое значение Vm линейного напряжения синхронной машины 5 на основе двухфазных переменных напряжений Vα и Vβ, которые преобразуются средством 80 преобразования трехфазного тока в двухфазный (αβ) с использованием выражения (21), приведенного ниже.
[Выражение 21]
Затем пиковое значение Vm линейного напряжения синхронной машины 5, вычисленное средством 81 вычисления действующего значения напряжения, подается в средство 73 вычисления команды тока по оси d.
Между тем, конфигурация средства 71 вычисления команд напряжения отличается от конфигурации средства 71 вычисления команд напряжения, предусмотренного в варианте 1 (фиг. 2), тем, что в данном варианте обеспечивается вывод команды Vc* напряжения заряда для конденсатора 3, а также вывод команды Vm* пикового значения линейного напряжения, как показано на фиг. 11.
Таким образом, средство 73 вычисления команды тока по оси d, вычисляет команду id* тока по оси d, на основное пикового значения Vm линейного напряжения синхронной машины 5 и команды Vm* пикового значения линейного напряжения, так что пиковое значение Vm линейного напряжения, подаваемое на синхронную машину 5 во время повторной активации инвертора 4, не превышает напряжение Vc заряда конденсатора 3. То есть команда id* тока по оси d вычисляется путем использования выражения (22), приведенного ниже.
[Выражение 22]
Здесь kp и wp представлены в виде выражения (23), приведенного ниже, где максимальная скорость вращения синхронной машины 5 представлена как ωmax.
[Выражение 23]
Как было описано выше, в варианте 5, дополнительно к эффекту, описанному в варианте 1, поскольку здесь предусмотрены средства 12а и 12b детектирования линейных напряжений, можно исключить сложные вычисления квадратных корней. В результате имеет место преимущество, заключающееся в том, что для реализации средства 7 управления можно использовать недорогой микрокомпьютер.
Поскольку другие конфигурации и рабочие операции аналогичны варианту 1, их подробное описание далее опущено.
Вариант 6
На фиг. 12 представлена блок-схема, иллюстрирующая силовое преобразовательное устройство согласно варианту 6 настоящего изобретения, где для компонентов, соответствующих компонентам варианта 2, показанным на фиг. 5, используют общие ссылочные позиции.
Отличительная особенность варианта 6 состоит в том, что с момента выключения рабочей команды команда iq* тока по оси q, подаваемая в средство 74 вычисления команд напряжения по осям d и q, постепенно уменьшается, и вместе с этим возрастает команда Vc* напряжения заряда, выдаваемая средством 71 вычисления команды напряжения, таким образом, чтобы постепенно снижать напряжение Vc заряда конденсатор 3. Соответственно, можно дополнительно уменьшить ток, протекающий в синхронной машине 5, когда должна быть приостановлена работа инвертора 4.
То есть благодаря уменьшению тока можно обеспечить энергосбережение. На фиг. 13 представлена временная диаграмма, иллюстрирующая работу силового преобразовательного устройства по варианту 6.
Как показано на диаграмме, в течение периода с момента времени t1, когда отключена команда приведения в действие, до момента времени t2 команда iq* тока по оси q постепенно снижается до нуля, и вместе с этой операцией постепенно увеличивается команда Vc* напряжения заряда, пока напряжение Vc заряда конденсатора 3 не достигнет заранее заданной величины. Соответственно, можно эффективно уменьшить ток, протекающий в синхронной машине 5, по сравнению со случаем, когда команду iq* тока по оси q устанавливают в нуль немедленно, то есть в тот момент, когда отключается команда приведения в действие, после чего напряжение Vc заряда конденсатора 3 увеличивается до заранее определенного значения.
Кроме того, как показано на фиг. 14, с момента времени t1, когда команда приведения в действие отключена, до момента времени t2 напряжение Vc заряда конденсатора 3 может сначала возрастать до заранее определенной величины, а затем команда iq* тока по оси q может постепенно уменьшаться до нуля. В этом случае напряжение Vc заряда конденсатора может возрастать быстро (или шаг за шагом), как показано на диаграмме, либо может увеличиваться умеренно подобно запаздыванию первого порядка. Это эффективно с точки зрения предотвращения бросков тока, перенапряжения (в отношении напряжения Vc заряда конденсатора 3) или т.п.
Как было описано выше, в варианте 6 дополнительно к эффектам по вышеописанному варианту 2, команда iq* тока по оси q и напряжение Vc заряда конденсатора при выключении команды приведения в действие действуют параллельно. В результате имеет место преимущество, заключающееся в том, что ток, протекающий в синхронной машине 5, может быть уменьшен, а значит, может быть обеспечено энергосбережение.
Поскольку другие конфигурации и рабочие операции в этом варианте аналогичны варианту 2, их подробное описание здесь опущено.
Промышленная применимость
Настоящее изобретение может найти широкое применение в качестве силового преобразовательного устройства, монтируемого, например, на транспортных средствах рельсового подвижного состава и электрического транспорта, где имеет место управление синхронной машиной, приводимой в действие от источника питания.