СПОСОБ РАБОТЫ ТРЕХФАЗНОГО ИНВЕРТОРА ПИТАЕМОГО ВЕНТИЛЬНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ МАГНИТНОГО ПОДШИПНИКА
METHOD FOR OPERATION OF THREE-PHASE INVERTER POWERED BY VALVE INVERTER OF MAGNETIC BEARING

Изобретение относится к способу работы трехфазного инвертора питаемого вентильным преобразователем магнитного подшипника, в котором находящаяся на верхнем магнитном якоре катушка соединена с помощью первого контактного вывода с первым выходом трехфазного инвертора, находящаяся на нижнем магнитном якоре катушка соединена с помощью своего первого контактного вывода со вторым выходом инвертора, и обе катушки с помощью их соответствующего контактного вывода соединены с третьим выходом инвертора.
Такой питаемый вентильным преобразователем магнитный подшипник известен из DE 102007028229 В3. Такой питаемый вентильным преобразователем магнитный подшипник показан детально на фиг.1. На фиг.1 позицией 2 обозначен питаемый вентильным преобразователем магнитный подшипник, позицией 4 - вентильный преобразователь, позицией 6 - инвертор, позицией 8 - верхний магнитный якорь, позицией 10 - нижний магнитный якорь, позицией 12 - катушка верхнего магнитного якоря, позицией 14 - катушка нижнего магнитного якоря, позицией 16 - питающий блок вентильного преобразователя и позицией 18 - питающая сеть. При этом катушка 12 верхнего магнитного якоря 8 соединена с помощью первого контактного вывода 20 с выходом W инвертора 6, при этом первый контактный вывод 22 катушки 14 нижнего магнитного якоря 10 соединен с выходом V инвертора 6. Вторые контактные выводы 24 и 26 обеих катушек 12 и 14 соединены друг с другом и с третьим выходом U инвертора 6. Вентильный преобразователь 4 имеет наряду с инвертором 6 также еще питающий блок 16, который на стороне переменного тока соединен с питающей сетью 18. Питающий блок 16 на стороне постоянного тока соединен с расположенными на стороне постоянного тока контактными выводами DC+ и DC- инвертора 6. Инвертор 6 предлагается в торговле в виде моторного модуля для коммерческого вентильного преобразователя.
Такой вентильный преобразователь обычно применяется для управления трехфазным электродвигателем. Для обеспечения возможности регулирования трехфазного электродвигателя, в частности синхронного электродвигателя, относительно скорости вращения, соответственно, крутящего момента в соответствии с техническими данными, этот моторный модуль имеет ориентированное на поле регулирование. То есть это регулирование имеет два регулировочных канала, а именно, один канал для так называемой ориентированной на поле составляющей тока, которая обычно называется d-составляющей вращающегося вектора тока, и один канал для так называемой образующей крутящий момент составляющей тока, которая обычно называется q-составляющей вращающегося вектора тока. В соответствии с указанным национальным патентом эти обе создаваемые независимо друг от друга составляющие тока применяются для дифференциального управления магнитным подшипником. При этом d-составляющая выполняет функцию постоянного тока для предварительного намагничивания, при этом q-составляющая выполняет функцию тока управления магнитным подшипником, с помощью которой осуществляется управление силовым воздействием.
Из этого патента DE 102007028229 В3 известен способ работы питаемого вентильным преобразователем магнитного подшипника 2, согласно фиг.1, который поясняется со ссылками на фиг.2-4.
В соответствии с этим способом работы угол трансформации (угол положения ротора синхронного электродвигателя) ориентированного на поле регулирования инвертора 6 фиксируют так, что для инвертора 6 возникает состояние, как если бы магнитная ось приводимого в действие электродвигателя указывала постоянно и неизменно в определенном направлении статора, например, в направлении фазы на выходе U. С помощью этого угла трансформации (угла положения ротора) в ориентированном на поле регулировании моторного модуля ориентированная на статор прямоугольная система α/β трансформируется в ориентированную на ротор систему d/q, которая вращается с круговой частотой ротора. Этот угол трансформации (угол положения ротора) изменяется во время вращения ротора, из-за чего изменяющийся угол положения ротора называется также углом вращающегося поля.
При работе инвертора 6 в качестве питающего блока для магнитного подшипника угол трансформации фиксирован так, что образующая поток ось указывает постоянно и неизменно в направлении фазы выхода U трехфазного инвертора. То есть угол трансформации задан постоянным и равным 0°.
d
u
d
q
d
q
При этой фиксации угла трансформации d-составляющая тока i проходит равными частями в фазовом проводнике на выходах V и W. Таким образом, фазовый ток i в фазе на выходе U трехфазного инвертора (см. фиг.2) вдвое больше тока i. Обозначенные стрелками на фиг.2 направления показывают, в каком направлении ток считается положительным. В противоположность этому, q-составляющая тока i выходит из фазы W непосредственно в фазу на выходе U трехфазного инвертора, при этом фаза на выходе U этого трехфазного инвертора не затрагивается (см. фиг.3). На фиг.4 показано суммирование d-составляющей тока i и q-составляющей тока i при полном отклонении питаемого вентильным преобразователем магнитным подшипником.
d
u
v
w
eff
Для тепловой нагрузки инвертора решающее значение имеет эффективный ток. Под эффективным током понимается тот постоянный ток, который создает эквивалентную тепловую мощность в воображаемом сопротивлении 1 Ом. Поскольку трехфазный инвертор 6 выдает три фазы, то соответствующий эквивалентный постоянный ток действует каждый в трех сопротивлениях 1 Ом. При работе с i=10А, с выхода U инвертора 6 выходит ток i=-20А, а в выходы V и W инвертора 6, соответственно, входит ток i=10A и i=10A. Получается эффективный ток 14,14A.
eff
В магнитных подшипниках обычно полное отклонение задано так, что магнитодвижущая сила (ток в А, умноженный на число витков), например, в катушке 12 верхнего магнитного якоря магнитного подшипника 2 как раз исчезает, в то время как в катушке 14 нижнего магнитного якоря этого магнитного подшипника она увеличивается вдвое по сравнению с исходной магнитодвижущей силой (см. фиг.4). При полной нагрузке магнитным подшипником эффективный ток при уже указанных значениях тока имеет значение 16,33A. То есть эффективное значение изменяется лишь минимально между состояниями предварительного намагничивания и полной нагрузки (см. фиг.11). В соответствии с этим известным режимом работы ток предварительного намагничивания (d-составляющая тока) подается, согласно известному способу работы (см. DE 102007028229 В3), в фазу на выходе U инвертора 6.
После нагрузки инвертора 6 эффективным током, скорость изменения тока является важным признаком управления магнитным подшипником. Чем быстрее может изменяться управляющий ток в магнитном подшипнике и тем самым сила, тем лучше он может реагировать на динамичную потребность в силе, например, при дисбалансе, или на неожиданно действующие внешние нагрузки.
ZK
ZK
ZK
q
ZK
Скорость изменения тока пропорциональна разнице напряжения, которая может быть приложена к обоим контактным выводам 22 и 20 обеих катушек 14 и 12 питаемого вентильным преобразователем магнитного подшипника 2. Инвертор 6 может создавать в качестве максимальной разницы напряжения имеющееся на контактных выводах DC+ и DC- на стороне постоянного напряжения напряжение U промежуточного звена на своих выходах U, V и W. Напряжение U промежуточного звена снимается с конденсатора 28 промежуточного звена вентильного преобразователя 4, который называется поэтому двухзвенным вентильным преобразователем напряжения. Напряжение U промежуточного звена является выпрямленным напряжением сети, которое генерируется с помощью питающего блока 16. При управлении магнитным подшипником в соответствии с DE 102007028229 В3, управляющий ток (i - составляющая тока инвертора) проходит между выходами V и W трехфазного инвертора 6. Наиболее быстрое изменение этого управляющего тока достигается, когда управление инвертором 6 осуществляется так, что его выход W соединен с опорным потенциалом промежуточного звена напряжения, а его выход V соединен с положительным потенциалом промежуточного звена постоянного напряжения вентильного преобразователя 4. В соответствии с этим управлением, напряжение U промежуточного звена приложено к выходам V и W трехфазного инвертора 6, и тем самым прикладывается к обеим последовательно включенным катушкам 12 и 14 питаемого вентильным преобразователем магнитного подшипника 2 (см. фиг.5). Если принять, что обе катушки 12 и 14 этого магнитного подшипника 2 имеют каждая индуктивность L, то получается скорость нарастания тока в соответствии с уравнением:
<mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>I</mi></mrow><mrow><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Z</mi><mi>K</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>L</mi></mrow></mfrac></mrow>
.
ZK
Таким образом, изменение тока, создаваемого напряжением U, обратно пропорционально обеим индуктивностям L обеих катушек 12 и 14 магнитного подшипника 2.
В основу изобретения положена задача усовершенствования способа работы питаемого вентильным преобразователем магнитного подшипника так, что значительно уменьшается эффективный ток и достигается возможно высокая скорость нарастания тока.
Эта задача решена, согласно изобретению, с помощью отличительных признаков способа работы трехфазного инвертора питаемого вентильным преобразователем магнитного подшипника согласно п. 1 формулы изобретения.
Способ, согласно изобретению, работы трехфазного инвертора питаемого вентильным преобразователем магнитного подшипника характеризуется тем, что изменяемый управляющий ток создается на одном выходе, а неизменный ток предварительного намагничивания магнитного подшипника создается в виде разницы токов в двух других выходах. За счет такой работы трехфазного инвертора направление d-составляющей тока в фазах выходов V и W инвертора отличается друг от друга. Одновременно создается q-составляющая тока в фазе выхода U инвертора, откуда она равными частями разделяется на фазы выходов V и W трехфазного инвертора. За счет этого q-составляющая тока возникает в этих обеих фазах выходов V и W трехфазного инвертора с одинаковым знаком.
За счет этого распределения тока, d-составляющая тока и q-составляющая тока суммируются в фазе выхода V трехфазного инвертора, в то время как в фазе выхода W трехфазного инвертора они взаимно уничтожаются. Поскольку по сравнению с обычным управлением током направление d-составляющей тока в фазе выхода W трехфазного инвертора инвертируется за счет распределения тока, согласно изобретению, и в фазе выхода U трехфазного инвертора больше не проходит d-составляющая тока, значительно уменьшается эффективный ток и тем самым эффективная токовая нагрузка трехфазного инвертора. За счет подачи q-составляющей тока в фазе выхода U инвертора она разделяется на обе другие фазы выходов V и W трехфазного инвертора равными частями. Во взаимодействии с d-составляющими тока усиливается магнитодвижущая сила в фазе выхода V трехфазного инвертора, в то время как в фазе W трехфазного инвертора она уменьшается. При полном отклонении магнитного подшипника по сравнению с известным распределением тока трехфазного инвертора питаемого вентильным преобразователем магнитного подшипника различия нет.
Таким образом, не происходит изменения в желаемом силовом действии магнитного подшипника, но достигается разгрузка инвертора этого вентильного преобразователя, который питает магнитный подшипник, в преобладающей части рабочего диапазона.
За счет направления, согласно изобретению, d-тока (тока предварительного намагничивания магнитного подшипника) и q-тока (тока управления магнитным подшипником), угол трансформации ориентированного на поле регулирования инвертора питаемого вентильным преобразователем магнитного подшипника фиксирован так, что для этого инвертора возникает состояние, как будто магнитная ось указывает постоянно и неизменно в определенном направлении ориентированной на статор системы координат. По сравнению с известным распределением тока, магнитная ось повернута на 90°. По сравнению с известным способом работы трехфазного инвертора питаемого вентильным преобразователем магнитного подшипника, угол трансформации задан равным вместо постоянно 0° постоянно 90°.
Для дальнейшего пояснения изобретения ниже приводится описание способа, согласно изобретению, работы трехфазного инвертора питаемого вентильным преобразователем магнитного подшипника со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых схематично изображено:
фиг.1 - схема замещения питаемого вентильным преобразователем магнитного подшипника, согласно уровню техники;
фиг.2 - распределение d-составляющей тока на две катушки магнитного подшипника, согласно фиг.1;
фиг.3 - распределение q-составляющей тока дополнительно к распределению d-составляющей тока, согласно фиг.2;
фиг.4 - результирующееся распределение составляющих тока, которое получается из распределений d-составляющей и q-составляющей тока, согласно фиг.3;
фиг.5 - включение промежуточного звена вентильного преобразователя магнитного подшипника для максимальной скорости нарастания управляющего тока;
фиг.6 - распределение d-составляющей тока на две катушки магнитного подшипника, согласно фиг.1, в соответствии со способом, согласно изобретению;
фиг.7 - распределение q-составляющей тока, которое получается в соответствии со способом, согласно изобретению;
фиг.8 - результирующееся распределение q-составляющей и d-составляющей тока, согласно фиг.6 и 7;
фиг.9 - результирующееся распределение составляющих тока, которое получается из распределений q-составляющей и d-составляющей тока, согласно фиг.6 и 7, соответственно, фиг.8;
фиг.10 - включение промежуточного звена вентильного преобразователя магнитного подшипника для максимальной скорости нарастания тока за счет способа, согласно изобретению; и
фиг.11 - график хода изменения эффективного тока в зависимости от степени нагрузки, который получается при известной подаче и подаче, согласно изобретению, d-составляющей и q-составляющей тока в катушки питаемого вентильным преобразователем магнитного подшипника, согласно фиг.1.
d
d
q
q
d
q
effA
effN
За счет задания, согласно изобретению, угла трансформации ориентированного на поле регулирования трехфазного инвертора 6 вентильного преобразователя 4, который питает магнитный подшипник 2, равным 90°, получается распределение d-составляющей тока (тока предварительного намагничивания магнитного подшипника) в соответствии с фиг.6. За счет угла трансформации, согласно изобретению, d-составляющая тока i подается в качестве неизменного тока предпочтительного намагничивания в фазы выходов V и W трехфазного инвертора 6. За счет этого направления тока в фазах выходов V и W трехфазного инвертора 6 d-составляющие тока i противоположны друг другу. За счет задания, согласно изобретению, угла трансформации ориентированного на поле регулирования трехфазного инвертора 6 равным 90°, одновременно создается q-составляющая тока i в качестве управляющего тока в фазе выхода U трехфазного инвертора 6, откуда эта q-составляющая тока i разделяется равными частями на обе фазы выходов V и W трехфазного инвертора (см. фиг.7). На фиг.8 показаны совместно распределения d-составляющей тока i и q-составляющая тока i, при этом результирующееся распределение тока при полной нагрузке показано на фиг.9. Сравнение фиг.4 и 9 показывает, что при полном отклонении питаемого вентильным преобразователем магнитного подшипника 2 получается одинаковая разница распределения тока между обеими катушками 12 и 14 магнитного подшипника 2. То есть при полной нагрузке нет различия при нагрузке эффективным током трехфазного инвертора 6. Это показано также на графике на фиг.11, на котором изображен эффективный ток i, согласно известному способу, и эффективный ток i, согласно способу в соответствии с изобретением, в зависимости от степени отклонения магнитного подшипника 2. Если степень отклонения равна нулю, то достигается приблизительно разделение пополам эффективного тока нагрузки трехфазного инвертора 6.
q
ZK
ZK
Относительно управляющего тока (i-составляющей тока ориентированного на поле регулирования трехфазного инвертора 6) магнитного подшипника 2, обе катушки 12 и 14 питаемого вентильным преобразователем магнитного подшипника 2 лежат параллельно фазе выхода U трехфазного инвертора 6. Для достижения быстрого изменения создающей крутящий момент q-составляющей тока (тока управления магнитным подшипником), выход U инвертора 6 соединен с опорным потенциалом вентильного преобразователя 4, а напряжение U промежуточного звена подается на оба выхода V и W трехфазного инвертора 6 (см. фиг.10). Скорость изменения тока определяется в данном случае, поскольку напряжение U промежуточного звена прикладывается не к последовательно включенным обеим катушкам 12 и 14 магнитного подшипника 2, а к каждой из обеих катушек 12 и 14 питаемого вентильным преобразователем магнитного подшипника 2, следующим уравнением:
.
Таким образом, изменение тока в способе, согласно изобретению, работы трехфазного инвертора 6 питаемого вентильным преобразователем магнитного подшипника 2 определяется лишь одной индуктивностью L. Таким образом, по сравнению с известным способом удваивается скорость нарастания тока при работе, согласно изобретению, трехфазного инвертора 6 питаемого вентильным преобразователем магнитного подшипника 2.
q
d
d
q
За счет фиксации, согласно изобретению, угла трансформации ориентированного на поле регулирования трехфазного инвертора 6 на неизменные 90°, в направлении q-составляющей тока i (управляющего тока магнитного подшипника) действует небольшая индуктивность, в то время как в направлении d-составляющей тока i (тока предварительного намагничивания магнитного подшипника) действует большая индуктивность. То есть конфигурация катушек питаемого вентильным преобразователем магнитного подшипника 2 является несимметричной трехфазной обмоткой. Это приводит к тому, что индуктивность, на которую работает инвертор 6 питающего магнитный подшипник 2 вентильного преобразователя 4, зависит от угла вращающегося поля. Несимметричность оказывает отрицательное влияние на рабочие характеристики. Для решения этой проблемы, согласно уровню техники, для d-составляющей тока и q-составляющей тока в каналах регулирования тока задаются различные усиления тока. В отличие от уровня техники, пропорциональное усиление канала регулирования тока d-составляющей тока i устанавливается больше, чем в канале регулирования тока q-составляющей тока i. В качестве предпочтительного соотношения между обоими пропорциональными усилениями можно выбирать соотношение между 2:1 и 4:1.
За счет распределения, согласно изобретению, d-составляющей и q-составляющей тока, которое обеспечивается за счет задания угла трансформации (угла положения ротора синхронного электродвигателя) ориентированного на поле регулирования трехфазного инвертора 6, равного неизменно 90°, по сравнению с равным неизменно 0°, согласно известному способу, достигается значительно более благоприятная нагрузка эффективным током инвертора 6 питающего магнитный подшипник 2 вентильного преобразователя 4. При нагрузке 0% эффективный ток инвертора 6 уменьшается почти вдвое. Кроме того, достигается, что скорость нарастания управляющего тока питаемого вентильным преобразователем магнитного подшипника 2 удваивается, за счет чего питаемый вентильным преобразователем магнитный подшипник 2, который работает с помощью способа, согласно изобретению, может значительно более динамично реагировать на изменения положения.