СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДВУХФАЗНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ПОМОЩЬЮ ТРЕХФАЗНОГО МОСТОВОГО ИНВЕРТОРА
TWO-PHASE AC DRIVE CONTROLLING METHOD USING THE THREE-PHASE BRIDGE INVERTER

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к системам управления электроприводом переменного тока с двухфазным асинхронным двигателем, питающимся от преобразователя частоты с трехфазным мостовым инвертором.
Известен способ управления двухфазным конденсаторным двигателем, содержащим главную обмотку и вспомогательную обмотку с последовательно подключенным конденсатором, осуществляемый с помощью соединенного с обмотками двигателя трехфазного мостового инвертора с шестью ключевыми элементами, попарно соединенными между собой, в соответствие с которым к обмоткам двухфазного двигателя подводят переменные напряжения, сдвинутые по фазе друг относительно друга, причем один из пары соединенных между собой ключевых элементов удерживают в закрытом состоянии в течение изменения углового сдвига не менее 10°, предпочтительно от 35° до 100°, при этом открывают другой ключевой элемент из этой пары, а желаемый процесс изменения напряжения на обмотках двигателя выполняют посредством модуляции двух других пар ключевых элементов, при регулировании скорости вращения двигателя поддерживают угол сдвига фаз между токами в обмотках двигателя близкий к 90°, когда рабочие частоты превышают пороговое значение частоты, изменяют направление токов, протекающих через обмотки двигателя [1].
Недостатком данного способа управления двухфазным двигателем является сложность реализации большого диапазона регулирования угловой скорости двигателя, т.к. при изменении частоты необходимо регулировать не только напряжения, подводимые к обмоткам двигателя, но и напряжение на конденсаторе, а также сложный алгоритм управления ключевыми элементами, базирующийся на принципе широтно-импульсной модуляции (ШИМ). требующий большого количества вычислительных операций, выполняемых управляющим контроллером.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ управления трехфазным мостовым инвертором, питающим двухфазный асинхронный двигатель с постоянными магнитами, ключи инвертора модулируют постоянное напряжение на основе тактовых импульсов, имеющих заданный период тактового сигнала, переключение ключей инвертора осуществляют таким образом, что на каждую обмотку подают переменные напряжения, которые сдвинуты по фазе друг относительно друга на 90°, причем один ключ одной из пар удерживают непрерывно замкнутым в течение более одного такта для угла поворота не менее 25°, в то время как другой ключ этой пары оставляют непрерывно открытым, выполняют желаемое изменение мгновенных значений напряжений на каждой обмотке посредством модуляции двух других пар ключей [2].
Недостатком данного способа управления двухфазным двигателем является сложный алгоритм управления вентилями, базирующийся на принципе широтно-импульсной модуляции (ШИМ). требующий большого количества вычислительных операций, выполняемых управляющим контроллером.
Предложенный способ управления решает задачу обеспечения питания двухфазного асинхронного электродвигателя от преобразователя частоты, содержащего трехфазный мостовой инвертор, с использованием упрощенного алгоритма управления, что снижает требования к вычислительной мощности управляющего контроллера.
Для решения поставленной задачи применяется преобразователь частоты, который содержит мостовой выпрямитель, звено постоянного тока и инвертор напряжения, состоящий из шести полупроводниковых ключевых элементов (IGBT-транзисторов) и шести обратных диодов, разбитых на две группы (анодную и катодную) в трех плечах, то есть, применен типовой преобразователь частоты, обычно используемый для трехфазного электропривода. Средняя точка второго плеча инвертора подключена к объединенным первым выходам двух статорных обмоток асинхронного электродвигателя, а средние точки первого и третьего плеча - ко вторым отдельным выходам этих обмоток. Сигналы на переключение ключей инвертора подаются от релейного регулятора тока, на входе которого сравнивают заданное и измеренное значения токов на выходе преобразователя частоты. Коммутация ключей инвертора осуществляются в зависимости от текущего участка (одного из четырех) периода двух синусоид, определяемого по заданию, причем на каждом участке периода состояние части ключей определяется релейными регуляторами тока каждой фазы, часть ключей при этом остается на всем участке постоянно закрытыми, а часть - постоянно открытыми.
В данном изобретении используется типовая конструкция силовой части преобразователя частоты трехфазного электропривода, которая не требует дополнительных экономических затрат. Кроме того, использование такой конструкции позволяет уменьшить габариты данного устройства по сравнению с другими преобразователями частоты для двухфазного привода за счет уменьшения количества полупроводниковых элементов и как следствие, охлаждающих радиаторов для них. За счет уменьшения количества управляемых полупроводниковых элементов увеличивается и надежность стабильной работы устройства. Использование релейного регулятора тока позволит избежать сложностей при разработке алгоритма управления ШИМ или написания нового закона для ее формирования.
На фиг. 1 приведена схема устройства, реализующего предложенный способ управления двухфазным электроприводом, на фиг. 2 показан идеальный график токов в обмотках двухфазного двигателя, на фиг. 3 показаны контуры токов, протекающих через инвертор и обмотки статора при различных комбинациях ключей, на фиг. 4 - таблица всех возможных состояний ключей инвертора, на фиг. 5.-система управления, использованная при моделировании, на фиг. 6 - графики текущих значений токов статора на выходе преобразователя частоты, полученные при моделировании.
Преобразователь частоты, предназначенный для управления двухфазным асинхронным электродвигателем 1, состоит из нерегулируемого диодного трехфазного выпрямителя 2. звена постоянного тока с конденсатором 3 и инвертора напряжения 4, выполненного на IGВТ-транзисторах с обратными диодами. На выходе преобразователя частоты установлены датчики тока 5. Система управления инвертором 6 содержит блок релейных регуляторов тока каждой фазы 7. на входе которого установлен блок сравнения 8, на который поступают заданные и измеренные значения токов. Сигналы, формируемые блоком релейных регуляторов и им обратные, а также логические «0» и «1» поступают на драйвер инвертора 9, который по сигналам задания определяет текущий участок периода синусоид тока и формирует для каждого из четырех участков свою комбинацию состояний ключей инвертора 4 на основе заведенных логических сигналов.
Способ управления инвертором в данном устройстве осуществляется следующим способом.
1
2
1
2
1
2
1
2
График токов в обмотках двухфазного электродвигателя представляет собой две синусоиды, сдвинутые относительно друг друга на 90 электрических градусов (фиг. 2). В одном периоде графика выделяют четыре участка: I>0, I<0; I≥0, I≥0; I<0, I≥ 0; I<0. I<0. Данная форма служит заданием для системы управления.
На фиг. 3 сплошными линиями со стрелками показаны направления протекания токов статора от инвертора к обмоткам двигателя, а пунктирными линиями со стрелками-контуры протекания остаточных токов в обмотках при их отключении от сети.
На первом участке для сохранения знака, то есть направления, ток первой обмотки должен протекать от начала катушки к ее концу, то есть от первого плеча инвертора ко второму. Напротив, ток второй обмотки должен протекать от конца катушки к ее началу, то есть от третьего плеча ко второму. Таким образом, в начальный момент времени на первом участке периода должны быть открыты ключи VT1, VT4 и VT5, противофазные им ключи VT2. VT3 и VT6 должны быть закрыты. Токи в инверторе при этом протекают по замкнутым контурам «+»-VT1-L1-VT4-«-» и «+»-VT5-L2-VT4-«-» (фиг. 3 (а)). Когда на первой обмотке значение фактического тока оказывается выше верхней границы «коридора» задания, определяемого гистерезисным блоком, на этой обмотке ток должен начать уменьшаться до достижения им нижней границы. Для этого отключают ключ VT1.
При этом контуры токов «+»-VT5-L2-VT4-«-» и L1-VT4-VD2 (фиг. 3 (б)). Аналогично в подобном случае для второй обмотки происходит отключение VT5 с наведением контура рассеяния L2-VT4-VD6 (фиг. 3 (в)). Возможен вариант с одновременным отключением VT1 и VT5 (фиг.3 (г)). При достижении нижней границы «коридора» задания происходит обратная коммутация.
Для второго участка характерны основные контуры «+»-VT1-L1-L2-VT6-«-» и «+»-VT3-L2-VT6-«-» (фиг. 3 (д)). При релейном регулировании происходят отключения VT1 (контуры «+»-VT3-L2-VT6-«-» и L1-L2- VT6-VD2) (фиг.3 (е)) и синхронные отключения VT3 и VT6 с включением VT4 (контуры «+»-VT1-L1-VT4-«-» и L2-VD5-VT1-L1) (фиг. 3 (ж)). При этом алгоритм коммутации обеспечивает блокировку одновременного срабатывания ключей VT3 и VT4. При одновременном отключении обоих обмоток все ключи открыты (фиг. 3 (з)). При достижении нижней границы «коридора» задания происходит обратная коммутация.
Алгоритм коммутации на третьем участке аналогичен алгоритму на первом, а на четвертом алгоритму на втором. На третьем участке в первый момент времени открыты ключи VT2, VT3 и VT6, при выходе из зоны могут замыкаться VT2 и VT6.
На четвертом участке характерны основные контуры «+»-VT5-L2-L1-VT2-«-» и «+»-VT3-L1-VT2-«-». При релейном регулировании происходят отключения VT5 (контуры «+»-VT3-L1-VT2-«-» и L2-L1-VT2-VD6) и синхронные отключения VT2 и VT3 с включением VT4 (контуры «+»-VT5-L2-VT4-«-» и L1-VD1-VT5-L2). При одновременном отключении обоих обмоток все ключи открыты. Следующие четверть периода вновь действуют законы для первого участка, цикл алгоритма коммутации ключей инвертора повторяется, обеспечивая круговое вращение поля статора двигателя.
На фиг. 4. «1» означает включенный транзистор, а «0» - отключенный. Система управления (фиг.5) состоит из двух сумматоров, двух гистерезисных блоков, двух однопозиционных и четырех двухпозиционных компараторов, пяти логических элементов «И» и четырех логических «НЕ».
На однопозиционных компараторах сигналы задания, соответствующие идеальному графику токов в обмотках двухфазного двигателя (фиг. 2), сравниваются с нулем, а затем с помощью логических «НЕ» и «И» определяется номер текущего участка периода. Разницы заданных и измеренных токов подаются на релейные регуляторы, на выходе которых получают логические сигналы по функции гистерезиса. Эти сигналы, им обратные, а также логические «0» и «1» подаются на четыре блока регистров. Четыре двухпозиционных компаратора в зависимости от номера участка определяют, какой из регистров подается на ключи инвертора. Блокировка ключа VT4 для второго и четвертого участков реализована функцией «И» прямого гистерезиса первой обмотки и обратного второй. «0» и «1» подаются на ключи, которые должны быть постоянно разомкнутыми или замкнутыми на всем протяжении участка соответственно.
Графики текущих значений токов статора на выходе преобразователя частоты представлены на фиг. 6. Можно отметить, что при работе системы управления по представленному алгоритму графики токов статора близки к идеальной форме.
Таким образом, с помощью трехфазного преобразователя частоты двухфазный асинхронный двигатель получает энергию от трехфазной сети с возможностью регулирования скорости вращения в широких пределах при использовании известной типовой конструкции силовой части устройства. Сама типовая конструкция позволяет проводить взаимозаменяемость деталей при ремонте. Предложенный способ управления может применяться как при скалярном, так и при векторном управлении электроприводом переменного тока.
Литература.
1. Патент WO 2004008623 А1. кл. Н02Р 1/44, 25/04. DANFOSS DRIVES A/S. Converter for rotational speed variable operation of a capacitor motor and method for controlling a capacitor motor, 22.01.2004.
2. Патент US 2008143284 A1. кл. H02P 6/08, 1/42. Henrik Kragh, Bjarne Henriksen. Two-phase permanent magnet motor, 19.06.2008.