УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель относится к устройствам преобразовательной техники, используется для питания трехфазных асинхронных двигателей переменного тока.
Известны преобразователи частоты с автономными инверторами, управляемыми током.
Известен преобразователь с инвертором тока (см. патент US 5155671, МПК Н02М 5/45, опубл. 13.10.1992), в котором выход выпрямительного блока через реактор в звене постоянного тока используется как вход для инвертора, который питает переменным током нагрузку. Импульсный ток звена постоянного тока сглаживается реактором, а ключи инвертора управляют величиной модуляции в режиме широтно-импульсного управления, и таким образом формируется синусоидальная форма выходного сигнала.
Известен также преобразователь (см. патент RU 2115218, МПК Н02Р 7/42, опубл. 10.07.1998 г.), в котором управление осуществляется путем формирования токов на выходах ПЧ с последовательно соединенными выпрямителем, выполненным на полностью управляемых вентилях, сглаживающим реактором и инвертором, выполненным на полностью управляемых вентилях, где переключение вентилей выпрямителя на полностью управляемых вентилях производят в зависимости от заданной амплитуды гладких составляющих токов в его проводах переменного тока и раздельно от выпрямленного тока. А переключение ключей инвертора происходит с использованием ШИМ и в соответствии с требуемым распределением фазных токов (пространственным положением изображающего вектора тока). Высокочастотные составляющие выходных токов инвертора замыкаются через трехфазную конденсаторную батарею, подключенную к обмоткам двигателя.
К недостаткам указанных известных решений относится то, что форма выходного напряжения и тока инвертора существенно отличается от синусоидальной.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является преобразователь (см. патент RU 2362264, МПК Н02Р 25/02; 27/06; 27/08, опубл. 20.07.2009 г.), выполненный с регулируемым выпрямителем и инвертором на полностью управляемых вентилях, соединенными между собой через сглаживающий реактор, при котором регулируют выпрямленный ток в зависимости от требуемой амплитуды гладких составляющих токов на выходе преобразователя частоты, а инвертором управляют с помощью гистерезисного регулятора тока, на входе которого сравнивают заданное и измеренное значения фазных токов на выходе преобразователя частоты. Коммутацию ключей инвертора осуществляют при разности этих значений, большей порогового уровня. Формирование гладкой составляющей тока на выходе преобразователя частоты осуществляют или переключая ключи инвертора, или путем регулирования момента включения ключей выпрямителя, в зависимости от величины мгновенных значений фазных токов статора. Это обеспечивает уменьшение количества коммутаций ключей инвертора и вследствие этого уменьшение потерь энергии в электроприводе.
К недостаткам указанного известного решения относится то, что уменьшение количества коммутаций ключей инвертора приводит к существенному ухудшению формы кривой выходного напряжения, что приводит к ухудшению динамических и статических характеристик привода.
Предложенное устройство решает задачу улучшения гармонического состава токов и напряжений в обмотках трехфазных двигателей переменного тока.
Указанная задача решается тем, что устройство для управления асинхронным электроприводом переменного тока содержащее регулируемый выпрямитель и инвертор на полностью управляемых вентилях, соединенные между собой через сглаживающий реактор, фильтрующую конденсаторную батарею, подключенную к выводам инвертора, релейный регулятор тока, инвертор содержит дополнительные отсекающие диоды по числу управляемых вентилей, включенные последовательно с управляемыми вентилями, и дополнительные демпфирующие конденсаторы по числу управляемых вентилей, подключенные к точкам соединения отсекающих диодов и управляемых вентилей.
В данном устройстве для управления асинхронным электроприводом переменного тока введение в инвертор буферных конденсаторов позволяет исключить провалы в гладких составляющих токов в фазах инвертора возникающих при одновременной работе двух релейных регуляторов в одном плече инвертора. В этом случае емкостный ток, потребляемый фильтрующей конденсаторной батареей соизмерим с током звена постоянного тока.
На фиг.1 изображена схема предложенного устройства управления электроприводом переменного тока, на фиг.2 - блок управления, на фиг.3 - блок коррекции управления; на фиг.4 - диаграмма распределения мгновенных значений токов в ключах инвертора; на фиг.5 - временные диаграммы токов (фиг.5, а), и напряжений (фиг.5, 6) полученные на математической модели для варианта построения электропривода переменного тока на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
Устройство содержит управляемый выпрямитель 1 и инвертор 2, соединенные между собой через сглаживающий реактор 3 и подключенные проводами переменного тока к электродвигателю 4. Инвертор выполнен по мостовой схеме на полностью управляемых вентилях - IGBT-транзисторах 5. В анодную и катодную группы инвертора последовательно с управляемыми вентилями включены дополнительные отсекающие диоды 6 и 7 по числу управляемых вентилей, и дополнительные буферные блоки конденсаторов 8 и 9, подключенные к точкам соединения отсекающих диодов и управляемых вентилей между каждым диодным и IGBT полумостом. К выходам инвертора (к проводам переменного тока А, В, С) подключена фильтрующая конденсаторная батарея 10. В звене постоянного тока и на выводах ПЧ установлены датчики тока 11, 12. На валу двигателя установлен датчик скорости 13, выход которого подключен к блоку управления 14.
2
Блок управления 14 (фиг.2) содержит регулятор скорости 15, на вход которого подается сигнал ошибки регулирования скорости Δω, выход регулятора скорости 15 подключен ко входу блока ограничения 16, выход блока ограничения 16 подключен ко входу функционального преобразователя 17, выход функционального преобразователя 17 подключен ко входу блока вычисления квадратного корня 18, выход блока вычисления квадратного корня 18 подключен к первому входу блока задания мгновенных значений фазных токов 19, на второй вход блока задания мгновенных значений фазных токов 19 подается задание на частоту тока инвертора, три выхода блока задания мгновенных значений фазных токов 19 подключены к узлу сравнения 20 заданных и измеренных значений фазных токов, выходы узла сравнения 20 подключены к блоку релейных регуляторов тока 21, выходы блока релейных регуляторов тока 21 подключены к блоку коррекции управления ключами инвертора 22, выход блока вычисления квадратного корня 18 подключен к входу блока умножения 23, выход блока умножения 23 подключен к суммирующему входу блока сложения, к вычитающему входу блока сложения подключен сигнал с датчика тока 11, выход блока сложения подключен к входу регулятора тока 24, который выдает управляющий сигнал иу в блок выпрямителя 1.
а
а
*
*
*
Блок коррекции управления ключами инвертора 22 (фиг.3) содержит два блока логических операций «и» 25 и 26 на которые поступают прямые и инверсные сигналы , b, с и , ,  с релейного регулятора тока 21 соответственно, выходы блоков логических операций «и» 25 и 26 подключены к блоку логической операции «или» 27, выход блока логической операции «или» 27 подключен к первому входу блока выбора 28, на второй вход блока выбора 28 подается матрица прямых и инверсных сигналов с релейного регулятора тока 21, на третий вход блока выбора 28 подается матрица-столбец единиц 29, с выхода блока выбора 28 управляющие сигналы , , b, , с,  подаются на управляющие электроды ключей инвертора 5.
Устройство работает следующим образом.
2
2
2
2
*
Сигнал рассогласования Δω между заданной скоростью ω  и скоростью вращения ротора ω поступает на пропорционально-интегральный регулятор скорости 15, проходит через блок ограничения 16 на выходе которого формируется задание на момент двигателя М, который поддерживается на заданном уровне путем поддержания амплитуды тока статора \I\, согласно закономерности:
,
2
2
где F(Δω)можно считать постоянным коэффициентом при условии поддержания постоянной величины абсолютной разности между скоростями вращения поля статора и ротора Δω:
,
n
m
r
где p - число парполюсов; L - взаимная индуктивность обмотки статора и ротора; L - собственная индуктивность обмотки ротора ;  - приведенная индуктивность рассеяния ротора;  - приведенное сопротивление ротора.
Передаточная функция для реализации двукратно-интегрирующей системы с ПИ-регулятором скорости:
,
µ
где T - некомпенсированная постоянная времени релейного регулятора тока;
c
р - оператор Лапласа; J - момент инерции машины; k - коэффициент обратной связи по скорости.
*
Таким образом на выходе функционального преобразователя 17 формируется квадрат амплитуды фазного тока статора. На выходе блока извлечения квадратного корня 18 формируется задание на ток статора , которое поступает вместе с заданием на частоту тока статора в блок задания мгновенных значений фазных токов 19. Задание на частоту формируется путем сложения сигнала сдатчика скорости ротора 13 и задания постоянной величины абсолютной разности между скоростями вращения поля статора и ротора Δω. Узел сравнения заданных и измеренных значений фазных токов 20 и блок релейных регуляторов тока 21 формируют логические сигналы управления ключами инвертора 2, и реализуют следующий алгоритм управления:
- при достижении разницы заданного значения фазного тока и измеренного значения фазного тока верхней границы порогового уровня включают вентиль верхнего плеча, выключают вентиль нижнего плеча соответствующей фазы;
- при достижении разницы заданного значения фазного тока и измеренного значения фазного тока нижней границы порогового уровня выключают вентиль верхнего плеча и включают вентиль нижнего плеча соответствующей фазы.
Эти сигналы проходят через блок коррекции управления ключами инвертора 25, который включает блоки логических операций и исключает режим разрыва цепи тока, когда одновременно открыты три ключа анодной или катодной групп инвертора, в этом случае инвертор переводится в режим «короткого замыкания», когда открыты все шесть ключей.
d
*
Управление выпрямителем 1 осуществляется контуром регулирования постоянного тока. Задание на ток I звена постоянного тока формируется путем умножения в блоке 23 заданного значения амплитуды фазного тока  на постоянный коэффициент k, который выбирается на основании требований к качеству формируемых трехфазных токов. После чего сигнал сравнивается с сигналом обратной связи от датчика тока и разница поступает через регулятор 24 в систему управления выпрямителем 1.
d
a
b
а
b
a
d
b
Как следует из фиг.4, а - диаграмма распределения мгновенных значений токов в ключах инвертора соответствует одному открытому верхнему ключу в фазе Ь, и двум открытому нижним в фазе а и с.При переключении регулятора тока в фазе а нижний ключ этой фазы размыкается и замыкается верхний, что отражено на фиг.4, б. В этом случае емкостный ток фазы а, потребляемый фильтрующей конденсаторной батареей, соизмерим с током звена постоянного тока. Поэтому, когда токи в двух рассматриваемых фазах имеют одну полярность, на участке формируемой кривой тока в фазе b нарушаются условия для протекания тока, так как I=i+i, где i - ток в фазе а инвертора, i - ток в фазе b инвертора, и как отмечено выше i≅I, тогда i→0. В результате возникают провалы гладких составляющих токов в фазах инвертора. При использовании предлагаемого устройства с буферными конденсаторами по фиг.4, б конденсаторные батарей 8 и 9 выступают как дополнительный источник подпитки той фазы, у которой пропадают условия для поддержания требуемой кривой тока. При этом блоки буферных конденсаторов 8 и 9 создают подпитку фазных токов, что улучшает форму гладкой составляющей выходных токов инвертора 2 питающего двигатель 1. Конденсаторная батарея 10 фильтрует высокочастотные составляющие токов на выходе преобразователя частоты. Таким образом, после открытия очередного ключа инвертора заряжаются буферные конденсаторы и одновременно поддерживают протекание тока во всех включенных фазах инвертора.
Дополнительные отсекающие диоды 6 и 7 служат для предотвращения разряда буферных конденсаторов на соседние фазы инвертора.
В данном устройстве для управления асинхронным электроприводом переменного тока введение в инвертор буферных конденсаторов позволяет исключить провалы в гладких составляющих токов в фазах инвертора чем и достигается технический результат, заключающийся в улучшении формы напряжения питающего обмотку статора двигателя.