Устройство прямого управления моментом синхронного двигателя
DEVICE FOR DIRECT CONTROL OF THE MOMENT OF A SYNCHRONOUS ENGINE

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и может быть использовано для управления трехфазным трехуровневым инвертором напряжения, система управления которого использует метод прямого управления моментом двигателя.
th
Известно устройство прямого управления моментом двигателя для трехфазного трехуровневого инвертора напряжения, содержащее преобразователь Парка, вычислитель потокосцепления, электромагнитного момента двигателя и номера сектора, устройство сравнения потокосцепления, устройство сравнения электромагнитного момента, гистерезисный регулятор потокосцепления, гистерезисный регулятор электромагнитного момента, таблицу переключения (см. Performances of DTC system fed by a three-level NPC VSI. Iqbal , El Madjid BERKOUK, Nadia SAADIA // 4 International Conference on Power Engineering, Energy and Electrical Drives Istanbul, Turkey, 13-17 May 2013, p. 1471-1476).
Недостатком известного устройства является низкий коэффициент полезного действия трехфазного трехуровневого инвертора напряжения при смене базовых векторов напряжений, так как таблица переключений векторов составлена без учета минимизации количества переключений ключей инвертора. Кроме того, представленная таблица переключений векторов, даже в пределах одного сектора, содержит переключения, которые снижают быстродействие инвертора напряжения. Это обусловлено тем, что допускается смена положительного потенциала на выходе одной из стоек инвертора на отрицательный потенциал или наоборот. Как известно, такое переключение выполняется в два этапа. Вначале положительный потенциал меняют на нулевой, а затем с выдержкой во времени устанавливают отрицательный потенциал. Таким образом, быстродействие инвертора снижается. Выбор базового вектора напряжения без учета минимизации переключений ключей инвертора, также снижает коэффициент полезного действия инвертора и его быстродействие при балансировке напряжений на двух конденсаторах звена постоянного тока инвертора напряжения.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является устройство прямого управления моментом синхронного двигателя с помощью трехфазного трехуровневого инвертора напряжения, содержащее блок задания скорости вращения двигателя, выход которого соединен с первым входом блока формирования заданного потокосцепления статора и заданного электромагнитного момента двигателя, первый выход которого соединен с первым входом релейного регулятора потокосцепления статора, а второй выход с первым входом релейного регулятора электромагнитного момента двигателя, а выходы указанных релейных регуляторов соединены соответственно с первым и вторым входами блока предварительного выбора базового вектора напряжения, блок формирования сигналов управления ключами инвертора, выход которого соединен с управляющим входом трехфазного трехуровневого инвертора напряжения, силовой вход которого подключен к источнику постоянного напряжения, а силовой выход инвертора напряжения через датчик тока подключен к синхронному двигателю, причем первый информационный выход трехфазного трехуровневого инвертора напряжения подключен к датчику напряжения звена постоянного тока инвертора, а второй информационный выход к датчику выходного напряжения инвертора, а выходы вышеуказанных трех датчиков подключены соответственно к первому, второму и третьему входам блока вычисления, четвертый вход которого подключен к датчику углового положения ротора синхронного двигателя, двигатель также оснащен датчиком скорости, выход которого соединен со вторым входом блока формирования заданного потокосцепления статора и заданного электромагнитного момента двигателя, второй вход релейного регулятора потокосцепления статора и второй вход релейного регулятора электромагнитного момента двигателя подключены соответственно к первому и второму выходам блока вычисления, третий выход последнего соединен с третьим входом блока предварительного выбора базового вектора напряжения и с первым входом блока формирования сигналов управления ключами инвертора (см. An Improved Multilevel DTC Drive / A. Damiano; G. Gatto; I. Marongid; A. Perfetto. 2001, IEEE 32nd Annual Power Electronics Specialists Conference, vol. 3, p. 1452 - 1457).
Недостатком известного устройства является низкий коэффициент полезного действия трехфазного трехуровневого автономного инвертора напряжения при выборе базовых векторов напряжений. Это связано с тем, что таблица переключений векторов составлена без учета минимизации количества переключений ключей инвертора. При смене сектора отсутствует однозначный ответ, какой из коротких векторов следует выбирать. Нерационально выбранный короткий вектор напряжения сохранит работоспособность инвертора напряжения, но снизит его коэффициент полезного действия и быстродействие. Кроме того, балансировка напряжений на двух конденсаторах звена постоянного тока инвертора напряжения, осуществляется без учета минимизации переключений ключей, что также снижает коэффициент полезного действия инвертора и его быстродействие.
Техническая проблема, решаемая заявляемым устройством, заключается в повышении коэффициента полезного действия трехфазного трехуровневого инвертора напряжения и повышении его быстродействия.
Технический результат, заключается в создании условий, обеспечивающих снижение коммутационных потерь на ключах инвертора напряжения, путем рационального выбора базового вектора напряжения, а также модифицированной балансировки напряжений на конденсаторах звена постоянного тока инвертора напряжения.
Поставленная задача решается тем, что устройство прямого управления моментом синхронного двигателя, содержащее блок задания скорости вращения двигателя, выход которого соединен с первым входом блока формирования заданного потокосцепления статора и заданного электромагнитного момента двигателя, первый выход которого соединен с первым входом релейного регулятора потокосцепления статора, а второй выход с первым входом релейного регулятора электромагнитного момента двигателя, а выходы указанных релейных регуляторов соединены соответственно с первым и вторым входами блока предварительного выбора базового вектора напряжения, блок формирования сигналов управления ключами инвертора, выход которого соединен с управляющим входом трехфазного трехуровневого инвертора напряжения, силовой вход которого подключен к источнику постоянного напряжения, а силовой выход инвертора напряжения через датчик тока подключен к синхронному двигателю, причем первый информационный выход трехфазного трехуровневого инвертора напряжения подключен к датчику напряжения звена постоянного тока инвертора, а второй информационный выход к датчику выходного напряжения инвертора, а выходы вышеуказанных трех датчиков подключены соответственно к первому, второму и третьему входам блока вычисления, четвертый вход которого подключен к датчику углового положения ротора синхронного двигателя, двигатель также оснащен датчиком скорости, выход которого соединен со вторым входом блока формирования заданного потокосцепления статора и заданного электромагнитного момента двигателя, второй вход релейного регулятора потокосцепления статора и второй вход релейного регулятора электромагнитного момента двигателя подключены соответственно к первому и второму выходам блока вычисления, третий выход последнего соединен с третьим входом блока предварительного выбора базового вектора напряжения и с первым входом блока формирования сигналов управления ключами инвертора, согласно изобретению, оно снабжено блоком соответствия двух групп базовых векторов напряжений, вход которого соединен с выходом блока предварительного выбора базового вектора напряжения, а выход - с первым входом блока выбора базового вектора напряжения, выход последнего соединен со вторым входом блока формирования сигналов управления ключами инвертора, а также через блок запоминания предыдущего базового вектора напряжения со своим вторым входом, третий вход блока выбора базовых векторов напряжения через релейный регулятор балансировки напряжения соединен с четвертым выходом блока вычисления.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 изображена функциональная схема устройства прямого управления моментом синхронного двигателя с помощью трехфазного трехуровневого инвертора напряжения;
- на фиг. 2 изображена схема трехфазного трехуровневого инвертора напряжения;
р
n
р
n
- на фиг. 3 изображена плоскость, содержащая двадцать четыре ненулевых базовых вектора напряжения, определенным образом объединенные в семь групп - а, b, с, а, a, b и b;
- на фиг. 4 приведена таблица, в ячейках которой указано количество переключений в стойках трехфазного трехуровневого инвертора напряжения, которые необходимо совершить для смены одного базового вектора напряжения на другой;
р
n
р
n
- на фиг. 5 изображена схема связей между собой семи групп базовых векторов напряжений а, b, с, а, a, b и b;
- на фиг. 6 изображена плоскость, содержащая восемнадцать ненулевых базовых векторов напряжений, которые пронумерованы от 2.1 до 2.18;
- на фиг. 7 приведена таблица с предварительно выбранными базовыми векторами напряжения, которые обеспечивают вращение вектора потокосцепления против хода часовой стрелки. При этом частота вращения двигателя регулируется от 0,5 до 1,0 номинального значения;
- на фиг. 8 приведена таблица соответствия двух групп векторов;
- на фиг. 9 приведена таблица выбора базового вектора напряжения;
- на фиг. 10 приведена таблица, определяющая потенциалы на фазах инвертора напряжения для выбранного базового вектора напряжения с учетом номера сектора, где находится вектор потокосцепления статора;
- на фиг. 11 приведены осциллограммы изменения отдельных координат устройства прямого управления моментом синхронного двигателя для трехфазного трехуровневого инвертора напряжения за один его оборот, полученные на основании математической модели в программной среде Matlab Simulink.
Заявляемое устройство прямого управления моментом синхронного двигателя (фиг. 1) содержит блок задания скорости вращения двигателя 1, выход которого соединен с первым входом блока формирования заданного потокосцепления статора и заданного электромагнитного момента двигателя 2. Первый выход последнего соединен с первым входом релейного регулятора потокосцепления статора 3, а второй выход - с первым входом релейного регулятора электромагнитного момента двигателя 4. Выходы указанных релейных регуляторов 3 и 4 соединены соответственно с первым и вторым входами блока предварительного выбора базового вектора напряжения 5. Заявляемое устройство также содержит блок формирования сигналов управления ключами инвертора 6, выход которого соединен с управляющим входом трехфазного трехуровневого инвертора напряжения 7, силовой вход которого подключен к источнику постоянного напряжения 8, а силовой выход инвертора напряжения 7 через датчик тока 9 подключен к синхронному двигателю 10. При этом первый информационный выход трехфазного трехуровневого инвертора напряжения 7 подключен к датчику напряжения звена постоянного тока инвертора 11, а второй информационный выход - к датчику выходного напряжения инвертора 12. Выходы вышеуказанных трех датчиков 9, 11 и 12 подключены соответственно к первому, второму и третьему входам блока вычисления 13, четвертый вход которого подключен к датчику углового положения ротора синхронного двигателя 14. Синхронный двигатель также оснащен датчиком скорости 15, выход которого соединен со вторым входом блока формирования заданного потокосцепления статора и заданного электромагнитного момента двигателя 2. Второй вход релейного регулятора потокосцепления статора 3 и второй вход релейного регулятора электромагнитного момента двигателя 4 подключены соответственно к первому и второму выходам блока вычисления 13. Третий выход последнего соединен с третьим входом блока предварительного выбора базового вектора напряжения 5 и с первым входом блока формирования сигналов управления ключами инвертора 6. Устройство управления (фиг. 1) дополнительно снабжено блоком соответствия двух групп базовых векторов напряжений 16, вход которого соединен с выходом блока предварительного выбора базового вектора напряжения 5, а выход - с первым входом блока выбора базового вектора напряжения 17. Выход последнего соединен со вторым входом блока формирования сигналов управления ключами инвертора 6, а также через блок запоминания предыдущего базового вектора напряжения 18 со своим вторым входом. Третий вход блока выбора базовых векторов напряжения 17 через релейный регулятор балансировки напряжения 19 соединен с четвертым выходом блока вычисления 13.
Трехфазный трехуровневый инвертор напряжения 7 (фиг. 2), также как и в прототипе, содержит звено постоянного тока 20 и три фазные стойки 21, 22 и 23, которые соединены параллельно и подключены к источнику постоянного напряжения 8. При этом звено постоянного тока 20 содержит два последовательно соединенных конденсатора 24 и 25, первый конденсатор 24 создает положительный потенциал (Р) на фазах инвертора, а второй конденсатор 25 - отрицательный потенциал (N). Общая точка конденсаторов 26 является нейтральной точкой трехфазного трехуровневого инвертора напряжения 7 и создает нулевой потенциал (0) на фазах инвертора. Каждая из фазных стоек 21, 22 и 23 содержит четыре последовательно соединенных управляемых ключа 27, 28, 29 и 30. К точке соединения первого 27 и второго 28 управляемых ключей в каждой фазной стойке подключен катод первого диода 31, анод которого подключен к нейтральной точке 26 инвертора напряжения. Точка соединения второго 28 и третьего 29 управляемых ключей является силовым выходов инвертора напряжения 7 в каждой фазной стойке. К точке соединения третьего 29 и четвертого 30 управляемых ключей в каждой фазной стойке подключен анод второго диода 32, катод которого подключен к нейтральной точке 26 инвертора напряжения. К трем силовым выходам инвертора напряжения подключен синхронный двигатель 10.
В заявляемом устройстве трехфазный трехуровневый инвертор напряжения 7 выполнен на полностью управляемых ключах 27 - 30 (фиг. 2) с системой прямого управления моментом двигателя. Применение трехуровневого напряжения в мощных регулируемых электроприводах, например, для прокатных станов, способствует улучшению формы выходного напряжения инвертора при относительно невысокой частоте коммутации. Система прямого управления моментом обеспечивает высокое быстродействие электропривода и его устойчивость к возмущениям со стороны питающей сети. При этом большое значение имеет структура таблицы переключений ключей инвертора, обеспечивающая минимальное число переключений и удовлетворительное качество переходных процессов. Регулируемыми величинами в системе прямого управления моментом являются потокосцепление статора и электромагнитный момент двигателя. В заявляемом устройстве их регулирование осуществляется путем рационального выбора базового вектора напряжения инвертора.
р
n
р
n
На фиг. 3 изображена плоскость, содержащая двадцать четыре ненулевых базовых вектора напряжения, определенным образом объединенные в семь групп - а, b, с, а, a, b и b. Указанные вектора расположены на границах двенадцати тридцатиградусных секторов, которые пронумерованы от 1.1 до 1.12. Эти вектора обеспечивают регулирование выходного напряжения инвертора в пределах от 0,5 до 1,0 его номинального значения. Возле каждого из двадцати четырех векторов (см. фиг. 3) расположены три большие буквы, которые указывают, каким образом при выборе этого вектора осуществляется подключение синхронный двигатель к звену постоянного тока инвертора напряжения. Например, обозначение P0N указывает, что фаза А подключена к положительному потенциалу (Р), В - к нейтральной точке (0), а фаза С - к отрицательному потенциалу (N).
n
На фиг. 4 приведена таблица, которая показывает количество переключений в стойках трехфазного трехуровневого инвертора напряжения, которые необходимо совершить, чтобы осуществить смену одного базового вектора напряжения на другой. Например, смена вектора «а» на вектор «а» осуществляется за одно переключение. При этом ключи инвертора переключают соответствующую фазу синхронного двигателя с положительного потенциала (Р) на нулевой потенциал (0) звена постоянного тока инвертора, потенциалы двух других фаз остаются неизменными.
Различают два вида переключения ключей в стойке инвертора.
(1)
(1)
(1)
(1)
(1)
Первый вид переключений осуществляет смену положительного потенциала (Р) на нулевой потенциал (0) или наоборот, а также отрицательного потенциала (N) на нулевой потенциал (0) или наоборот. Если таких переключений в инверторе одно (в одной стойке), два (в двух стойках одновременно) или три (в трех стойках одновременно), то эти переключения будем обозначать соответствующим образом 1, 2, 3. К достоинству переключений первого вида следует отнести - быстрая смена базовых векторов напряжений. Заметим, что переключения первого вида 2 и 3 по сравнению с - увеличивают коммутационные потери инвертора соответственно в два и три раза.
В заявляемом устройстве обеспечиваются вышеуказанные переключения ключей, что позволяет при смене вектора выбрать вектор напряжения с минимальным количеством переключений ключей в инверторе, а, следовательно, повысить его коэффициент полезного действия.
(1)
n
р
n
р
n
р
Таблица на фиг. 4 содержит четыре переключения первого вида 3, которые снижают коэффициент полезного действия трехфазного трехуровневого инвертора напряжения. Особенно это ощутимо в электроприводах прокатных станов при прокатке труднодеформируемых марок сталей, когда токи инвертора напряжения 7 и коммутационные потери на ключах существенно возрастают. Такими переключениями являются смена вектора «а» на «а» или наоборот, вектора «b» на «b» или наоборот. Заметим, что указанные пары векторов занимают одинаковое местоположение на плоскости векторов (фиг. 3), поэтому смена, например, вектора «а» на «а» не окажет влияния на работу синхронного двигателя. Однако указанные пары векторов по-разному влияют не заряд и разряд конденсаторов 24 и 25 (фиг. 2). В заявляемом устройстве прямого управления моментом синхронного двигателя, указанные четыре переключения первого вида 3 не используются, что повышает коэффициент полезного действия трехфазного трехуровневого инвертора напряжения.
(2)
Второй вид переключений осуществляет смену положительного потенциала (Р) на отрицательный потенциал (N) или наоборот. Такой вид переключения снижает быстродействие трехфазного трехуровневого инвертором напряжения, так как для сохранения его работоспособности необходимо выполнить два переключения, которые осуществляются поочередно, т.е. с задержкой во времени. Например, смена вектора «а» на «b», т.е. состояние PNN сменить на - PPN предусматривает, что в фазе В необходимо первоначально выключить ключи 29, 30, а затем с задержкой во времени включить ключи 27, 28. Обозначим второй вид переключения, совершаемый в одной стойке инвертора как 1. Заметим, что одновременная подача команд на выключение одних ключей и включение других ключей запрещена, так как возможен режим короткого замыкание звена постоянного тока через данную стойку инвертора напряжения. Это приведет к аварийной остановке электропривода, что недопустимо.
(2)
(2)
(2)
р
n
р
р
n
n
В таблице на фиг. 4 имеют место восемь переключений, которые содержат второй вид переключений 1. Такими переключениями являются смены: вектора «а» на «b» или «b»; вектора «а» на «b» или «b»; вектора «b» на «а» или «а»; вектора «b» на «а» или «а». В заявляемом устройстве прямого управления моментом синхронного двигателя переключения второго вида 1 запрещены. Для смены векторов вместо переключений второго вида 1 предложено техническое решение, которое сохраняет быстродействие инвертора напряжения. Это решение будет описано ниже.
р
n
р
n
n
n
р
р
На основании таблицы (фиг. 4) составлена схема связей (фиг. 5) между собой семи групп базовых векторов напряжений (а, b, с, а, a, b и b). Указанные вектора разделены на первую и вторую подгруппы векторов соответственно a, a, b, с и с, b, а, b, связанные между собой через общий вектор с. При этом количество линий на схеме (фиг. 5) показывает, сколько переключений первого вида необходимо совершить, что бы сменить один вектор на другой.
n
n
р
p
Отметим, что когда работает первая подгруппа векторов (a, a, b, с) синхронный двигатель 10 подключается к нулевой точке звена постоянного тока (0) и отрицательному потенциалу (N). При этом первый конденсатор 24 заряжается, а второй 25 разряжается. Когда работает вторая подгруппа векторов (с, b, а, b) синхронный двигатель 10 подключается к нулевой точке (0) и положительному потенциалу (Р). При этом первый конденсатор 24 разряжается, а второй 25 заряжается. В процессе вращении вектора потокосцепления происходит циклическое чередование указанных подгрупп. За счет этого нагрузка попеременно подключается к положительному и отрицательному потенциалам и нейтральной точке, что способствует естественному выравниванию напряжений на двух конденсаторах 23 и 24 звена постоянного тока.
На фиг. 6 изображена плоскость, содержащая восемнадцать ненулевых базовых вектора напряжения, т.е. на шесть меньше, чем на фиг. 3 из них шесть длинных векторов 2.1, 2.3, 2.5, 2.7, 2.9, 2.11, шесть средних векторов 2.2, 2.4, 2.6, 2.8, 2.10, 2.12 и шесть коротких векторов 2.13, 2.14, 2.15, 2.16, 2.17, 2.18. Приведенная плоскость базовых векторов напряжений аналогична плоскости векторов, представленной в прототипе, она позволяет понять способ прямого управления моментом двигателя.
На фиг. 7 приведена классическая таблица переключений векторов напряжений, которая по известному местоположению потокосцеплению статора, т.е. номеру сектора, где он находится и сформированным командам релейных регуляторов потокосцепления статора и электромагнитного момента двигателя выбирает один из восемнадцати базовых векторов напряжений.
Подобная таблица выбора базовых векторов напряжений приведена в прототипе и поясняет способ прямого управления моментом двигателя.
рn
pn
рn
р
n
pn
р
Заявляемое устройство дополнительно снабжено блоком 16, который содержит таблицу соответствия двух групп векторов (фиг. 8). В основе работы блока 16 лежит логическая функция, которая для каждого из восемнадцати базовых векторов напряжений однозначно определяет один из векторов следующей группы а, а, с, b и b. При этом вектора а, с, и b это те же вектора, что и на фиг. 3. Вектор а преобразуется в вектор а или а (см. фиг. 3), вектор b преобразуется в вектор b или b. Как эти преобразования осуществляются, будет показано ниже.
р
n
р
n
В заявляемом устройстве дополнительно введен блок 17, содержащий таблицу выбора вектора (фиг. 9), которая по команде «выбрать вектор» позволяет выбрать один из базовых векторов напряжений а, b, с, а, a, b или b(см. фиг. 3). В основе работы блока 17 лежит логическая функция, которая при выборе вектора учитывает: задание на смену вектора, сформированное по таблице на фиг. 8; разрешенные переключения векторов, приведенные в таблице на фиг. 4; выбранный базовый вектор напряжения на предыдущем интервале времени, который хранится в блоке 18.
Например, поступила команда выбрать базовый вектор «а».
Если на предыдущем интервале времени был выбран вектор «а», то он сохраняется без изменений. Переключение ключей в инверторе отсутствует.
n
(1)
Если на предыдущем интервале времени был выбран вектор «а», то смена его на «а» будет выполнена одним переключением первого вида 1(см. фиг. 4 и фиг. 5).
n
(1)
Если на предыдущем интервале времени был выбран вектор «b», то смена его на «а» будет выполнена двумя переключениями первого вида 2(см. фиг. 4 и фиг. 5).
(1)
Если на предыдущем интервале времени был выбран вектор «с», то смена его на «а» будет выполнена одним переключением первого вида 1(см. фиг. 4 и фиг. 5).
р
(1)
Если на предыдущем интервале времени был выбран вектор «а», то смена его на «а» будет выполнена двумя переключениями первого вида 2(см. фиг. 4 и фиг. 5).
р
(2)
(2)
(1)
Если на предыдущем интервале времени был выбран вектор «b», то смена его на «а» требует выполнить одно переключение первого вида и одно переключение второго вида, т.е. 1. Ранее было отмечено, что в заявляемом устройстве переключение второго вида 1 запрещено (см. фиг. 4), так как оно снижает быстродействие трехфазного трехуровневого инвертором напряжения. Поэтому в заявляемом устройстве выбираем вектор «с». Такая смена векторов будет выполнена переключением первого вида 2 (см. фиг. 5). Подмена вектора «а» вектором «с» обеспечивает удовлетворительную динамику электропривода, не снижая его быстродействие.
(2)
Если на предыдущем интервале времени был выбран вектор «b», то смена его на «а» требует выполнить переключение второго вида, т.е. 1. Однако, как в предыдущем случае выбираем вектор «с» по выше описанным причинам.
р
р
n
n
n
р
(1)
Отметим, что последние два случая смены векторов имеют место тогда, когда работа второй подгруппы векторов b, а, b (см. фиг. 5) меняется на работу первой подгруппы векторов a, a, b или наоборот. Заметим, что смены указанных двух подгрупп могут происходить также через вектора b, «с» или а, при этом осуществляются переключения первого вида или 2 с сохранением быстродействия инвертора напряжения.
По описанному алгоритму в таблице, представленной на фиг. 9 осуществляется смена остальных предыдущих базовых векторов напряжений на вновь выбранные базовые вектора напряжений. В указанной таблице есть еще шесть переключений, в которых осуществляется подмена векторов, как для ранее описанных двух случаев. В заявляемом устройстве эти подмены векторов, как ранее было отмечено, обеспечивают повышение коэффициента полезного действия инвертора, не снижая его быстродействие.
р
n
n
p
В таблице на фиг. 9 выделены две ячейки, содержащие по два вектора а, а, и b, b пояснения этому будет дано ниже.
s тек
На фиг. 10 приведена таблица, согласно которой формируются сигналы управления ключами инвертора для каждой его стойке с учетом выбранного базового вектора по таблице на фиг. 9 и текущего номера сектора, где находится вектор потокосцепления статора ψ.
Устройство прямого управления моментом синхронного двигателя с помощью трехфазного трехуровневого инвертора напряжения (фиг. 1) работает следующим образом.
Блок вычисления 13 по сигналам с датчика токов 9, датчика углового положения ротора двигателя 14, датчика напряжения звена постоянного тока инвертора 11 и датчика выходного напряжения инвертора 12 формирует четыре выходных сигнала.
s тек
s зад
ψ
s тек
s зад
s зад
зад
На первом выходе блока вычисления 13 формируется сигнал текущего значения потокосцепления статора ψ, который подается на второй вход релейного регулятора потокосцепления статора 3. На выходе регулятора 3 после сравнения текущего и заданного значений потокосцепления статора ψ формируется команда d на увеличение или уменьшения текущего значения потокосцепления статора ψ Указанная команда подается на первый вход блока предварительного выбора базового вектора напряжения 5. При этом заданное значение потокосцепления статора ψ на первый вход регулятора 3 подается с первого выхода блока формирования 2. Указанный блок 2 формирует сигналы задания потокосцепления статора ψ и электромагнитного момента двигателя М по результатам сравнения заданной скорости вращения синхронного двигателя с блока 1 и текущей скорости двигателя с датчика 15.
тек
зад
M
На втором выходе блока вычисления 13 формируется сигнал текущего значения электромагнитного момента двигателя М, который подается на второй вход релейного регулятора электромагнитного момента двигателя 4. При этом заданное значение электромагнитного момента двигателя М на первый вход регулятора 4 подается со второго выхода блока формирования 2. На выходе регулятора 4 после сравнения текущего и заданного значений электромагнитного момента двигателя формируется команда d на увеличение или уменьшения текущего значения электромагнитного момента двигателя.
ceк
s тек
ψ
М
На третьем выходе блока вычисления 13 формируется сигнал, указывающий номер сектора N, текущего положения вектора потокосцепления статора ψ Указанный сигнал подается на третий вход блока предварительного выбора базового вектора напряжения 5, который согласно сформированным командам d и d на его первом и втором входам предварительно выбирает базовый вектор напряжения в соответствии с таблицей на фиг. 7.
n
р
n
р
Ранее было отмечено, что предварительно выбранный вектор по фиг. 7 относится к группе векторов, количество которых равно восемнадцати. Эти вектора изображены на фиг. 6. Двенадцать векторов с номерами от 2.1 до 2.12 имеют однозначное соответствие векторам «а», «b» и «с» на фиг. 3. Для шести векторов с номерами от 2.13 до 2.18 на фиг. 6 требуется дополнительное определение, к какой группе векторов a, а, b или b на фиг. 3 они относятся.
n
р
n
р
pn
рn
р
n
р
n
В заявляемом устройстве дополнительные блоки 16, 17 и 18 позволяют определить, какой из базовых векторов a, а, b или b следует выбрать. Блок 16 по номеру (от 2.1 до 2.18) предварительно выбранного вектора в блоке 5 определяет, какой вектор следует выбрать из следующей группы векторов а, a, c, b и b. Таблица выбора вектора показана на фиг. 8. Блоки 17 и 18 однозначно устанавливают, какой базовый вектор напряжения а, b, с, а, a, b или b (см. фиг. 9) следует выбрать, чтобы обеспечить заданную динамику синхронного двигателя.
В заявляемом устройстве дополнительные блоки 16, 17 и 18 обеспечивают повышение коэффициента полезного действия инвертора, благодаря рациональному выбору базового вектора напряжения, при этом быстродействие инвертора не снижается, а при выборе отдельных векторов даже повышается. Блок 19 обеспечивает модифицированную балансировку напряжения на двух последовательно соединенных конденсатора 24 и 25 звена постоянного тока инвертора напряжения 7. При этом также обеспечивается повышение коэффициента полезного действия инвертора и его быстродействие.
Блок 6 согласно таблице на фиг. 10 осуществляет формирование сигналов управления ключами инвертора напряжения 7. На его первый вход подается сигнал с третьего выхода блока вычисления 13, указывающий текущий номер сектора, где находится вектор потокосцепления статора, а на второй вход - сигнал с выхода блока выбора базового вектора напряжения 17.
Ранее было отмечено, что в заявляемом устройств, кроме повышения коэффициента полезного действия инвертора, увеличения его быстродействии, также осуществляется модифицированная балансировка напряжений на двух последовательно соединенных конденсаторах 24 и 25 звена постоянного тока инвертора напряжения 7 (см. фиг. 2). Предложенная балансировка напряжений на конденсаторах 24 и 25 повышает коэффициент полезного действия инвертора и увеличивает его быстродействие.
s тек
(1)
(1)
(2)
Отличительной особенностью балансировки напряжений на конденсаторах 24 и 25 в заявляемом устройстве является то, что она осуществляется лишь тогда, когда угловое положение вектора потокосцепления статора ψотличается от углового положения вектора «с» (см. фиг. 3) не более чем на пятнадцать градусов до или после местоположения вектора «с». Справедливость такого решения подтверждена результатами моделирования в программной среде Matlab Simulink. В прототипе балансировка осуществляется непрерывно, что снижает коэффициент полезного действия инвертора напряжения и его быстродействие, так как при смене векторов имеют место переключения первого вида 2 и 3, а также второго вида 1, последнее переключение как ранее отмечалось, снижает быстродействие инвертора.
n
р
n
р
s
n
n
р
р
Поясним, как осуществляется балансировка напряжений на двух последовательно соединенных конденсаторах 24 и 25 звена постоянного тока в трехфазном трехуровневом инверторе напряжения 7. Ранее отмечалось, что базовые вектора а и а (b и b) оказывают одинаковое воздействие на потокосцепление статора ψ и электромагнитный момент двигателя М, так как занимают одинаковое местоположение на плоскости базовых векторов (см. фиг. 3). Однако, указанные вектора по разному влияют на процесс заряда или разряда конденсаторов 24 и 25. Например, если выбраны базовые вектора аили b (левая подгруппа векторов на фиг. 5), то при работе инвертора напряжения конденсатор 24 будет заряжаться, а конденсатор 25 разряжаться. Если выбраны базовые вектора а или b (правая подгруппа векторов на фиг. 5), то при этом конденсатор 24 будет разряжаться, а конденсатор 25 заряжаться. Таким образом, выбор одного или другого базового вектора напряжения позволяет осуществлять балансировку напряжений на конденсаторах 24 и 25.
n
n
р
р
В нормальном режиме работы трехфазного трехуровневого инвертора напряжения 7 процесс балансировки осуществляется автоматически, как ранее отмечалось, благодаря поочередной смене одной подгруппы векторов (а, a, b,) другой подгруппой (b, а, b) или наоборот фиг. 5. Если в процессе работы синхронный двигатель 10 испытывает резкопеременную нагрузку, что является нормой для электроприводов прокатных станов, то балансировка напряжений на конденсаторах 24 и 25 нарушается.
р
n
(1)
В заявляемом устройстве (фиг. 1) на четвертом выходе блока вычисления 13 формируется сигнал, который указывает насколько отличаются напряжения на двух последовательно соединенных конденсаторах 24 и 25. Если разница напряжений на конденсаторах не превышает допустимого значения, то релейный регулятор 19 выдает команду блоку 17 выбрать базовый вектор напряжения в таблице на фиг. 9, который расположен в числителе двух выделенных ячеек. Такими векторами являются вектор а или b. При этом инвертор напряжения 7 будет иметь высокий коэффициент полезного действия и удовлетворительное быстродействие, так как смена вектора выполняется за одно переключение первого вида 1 (см. фиг. 5).
n
p
Если разница напряжений на конденсаторах 24 и 25 превышает допустимое значения, то релейный регулятор 19 выдает команду блоку 17 выбрать базовый вектор напряжения в таблице на фиг. 9, который расположен в знаменателе двух выделенных ячеек. Такими векторами являются вектор а или b.При этом коэффициент полезного действия инвертора напряжения 7 снижается, так как смена вектора выполняется переключением первого вида г, однако его работоспособность сохраняется на удовлетворительном уровне.
Таким образом, предложенная модифицированная балансировка напряжений на двух последовательно соединенных конденсаторах 24 и 25 звена постоянного тока инвертора напряжения повышает коэффициент полезного действия инвертора 7 и увеличивает его быстродействие.
s
ψ
M
s
s
На фиг. 11 приведены осциллограммы, полученные в результате моделирования в программной среде Matlab Simulink, которые дают наглядное представление о работе заявляемого устройства прямого управления моментом синхронного двигателя для трехфазного трехуровневого инвертора напряжения. Здесь α - двенадцать секторов (фиг. 3), в которых может находиться вектор потокосцепления статора ψ; b и с - сигналы на выходах регуляторов 3 и 4 (фиг. 1), которые формируют команды d и d для увеличение или уменьшения значения потокосцепления статора ψ и электромагнитного момента двигателя М; d - выбранный базовый вектор напряжения, который сформирован на выходе блока 17; e и ƒ- текущие значения электромагнитного момента двигателя М и потокосцепления статора ψ.
На основании вышеизложенного следует, что рациональный выбор базового вектора напряжения и модифицированная балансировка напряжений на двух последовательно соединенных конденсаторах звена постоянного тока инвертора напряжения в заявляемом устройстве повышает коэффициент полезного действия инвертора и увеличивает его быстродействие.