РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
ALTERNATE CURRENT VARIABLE SPEED DRIVE

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании электроприводов с двигателями переменного тока, регулируемыми изменением частоты фазных токов, при минимальных искажениях фазных токов высшими гармониками.
Известны регулируемые электроприводы с двигателями переменного тока при питании от трехфазных инверторов напряжения, преобразующих постоянный ток в переменный. В таких инверторах применяются полностью управляемые полупроводниковые приборы (УПП) (транзисторы или запираемые тиристоры), шунтированные «обратными» диодами. Инверторы могут быть двухуровневые или многоуровневые (см. патент US №6014323 от 08.08.1997 г., патент US №6166513 от 09.04.1999 г. и патент RU №2204880 от 03.05.2001 г.). Соответствующее управление обеспечивает работу УПП в ключевом режиме, а регулирование выходного напряжения таких инверторов осуществляется методом широтно-импульсной модуляции напряжений (метод ШИМ-Н), описанном, например, в разделе 4.2 книги Г.Г. Соколовского «Электроприводы переменного тока с частотным регулированием», Москва, ACADEMA, 2006. Импульсы управления УПП в указанных инверторах формируются в результате сравнения пилообразного напряжения единичной амплитуды и достаточно высокой частоты (несущей частоты) с тремя синусоидальными напряжениями управления. В результате многократных включений и выключений УПП обеспечиваются требуемые параметры основной волны (1-й гармоники) выходного напряжения. При работе двигателя переменного тока в составе электропривода с питанием от инвертора напряжения, формирующего методом ШИМ-Н синусоиды напряжений на входе электродвигателя, фазные токи искажаются также высшими гармониками противо-ЭДС двигателя. Частоты этих гармоник кратны основной частоте, поэтому при регулировании частоты вращения двигателя в широких пределах пассивные фильтры неэффективны. Уменьшить искажение фазных токов двигателя с помощью отрицательных обратных связей в регуляторе, формирующим на выходе инвертора систему синусоидальных напряжений и обеспечивающим заданные требования по частоте вращения и моменту нагрузки двигателя, очень сложно.
Прототипом предлагаемого решения является известный электропривод, в котором для управления УПП инвертора используется метод прямого формирования фазных токов двигателя. Схема такого электропривода приведена на рис. 4.12 в книге Г.Г. Соколовского «Электроприводы переменного тока с частотным регулированием». Москва, ACADEMA, 2006. В состав этого электропривода входят трехфазный двигатель, фазы статора которого соединены в звезду, трехфазный инвертор с УПП, три датчика фазных токов и устройство управления, формирующее трехфазную систему синусоидальных токов (заданных токов с помощью трех «гистерезисных элемента», на входы которых поступают сигналы, пропорциональные разностям между заданными и измеренными токами фаз. Выходные сигналы гистерезисных элементов используются для формирования сигналов управления УПП инвертора. При повышениях разностей между мгновенными значениями заданных токов фаз и измеренными токами фаз до значений уставок гистерезисных элементов происходят переключения УПП, в результате которых изменяются полярности напряжений на фазах двигателя. Такое устройство формирования выходного напряжения инвертора позволяет выполнять широтно-импульсную модуляцию тока (ШИМ-Т).
A
B
C
Недостаток указанного прототипа состоит в том, что для формирования двух независимых переменных (при соединении фазных обмоток в звезду без нулевого провода I+I+I=0) используются 3 регулятора тока и это может привести к возникновению автоколебаний и к увеличениям отклонений мгновенных значений фазных токов от заданных. Этот недостаток отмечается также в статье J. Holtz "Pulse width Modulation for Electronic Power Conversion" (Proceedings of the IEEE, Vol. 82, No. 8, Aug / 1994, pp 1194-1214). Кроме того, при такой схеме электропривода частота переключений УПП в интервалах с малыми значениями противо-ЭДС (зоны переходов фазных противо-ЭДС двигателя через нулевые значения) может быть недопустимо высокой. Для снижения частоты переключений УПП до приемлемого уровня необходимы дополнительные реакторы.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является исключение возможности возникновения автоколебаний и возможности увеличения отклонений мгновенных значений фазных токов от заданных, а также снижение частоты переключений УПП инвертора до приемлемого уровня, не используя дополнительные реакторы.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в регулируемом электроприводе переменного тока, в состав которого входят трехфазный двигатель, обмотка статора которого соединена в звезду, три датчика фазных токов двигателя и трехфазный многоуровневый инвертор на управляемых полупроводниковых приборах с устройством управления, содержащим три одинаковых модулятора фазных токов и логический блок управления, соединенный с драйверами управляемых полупроводниковых приборов многоуровневого инвертора, предусмотрены следующие отличия:
трехфазный многоуровневый инвертор на управляемых полупроводниковых приборах оснащен выводом точки нулевого потенциала и что вывод нулевой точки обмотки статора электродвигателя соединен с выводом точки нулевого потенциала инвертора, а также логический блок управления содержит три управляющих выхода для управления драйверами многоуровневого инвертора, три информационных выхода для выдачи мгновенных значений заданных фазных токов электродвигателя, один информационный выход для выдачи величины допустимого отклонения мгновенных значений фазных токов от заданных значений, один информационный выход для выдачи сигнала начальной установки выходных сигналов модуляторов фазных токов и три информационных входа для приема выходных сигналов модуляторов фазных токов, а также в состав каждого модулятора входит два суммирующих компаратора, один из которых инвертирующий, а другой неинвертирующий, и реверсивный счетчик режимов с числом возможных состояний, равным числу уровней выходного напряжения инвертора, выход неинвертирующего компаратора соединен с суммирующим входом реверсивного счетчика режимов, а выход инвертирующего компаратора соединен с вычитающим входом реверсивного счетчика, каждый модулятор имеет четыре информационных входа, один из которых предназначен для приема сигнала начальной установки реверсивного счетчика, а три других предназначены для приема информации о токах так, что один из входов соединен с выходом одного датчика тока фазы, другой вход соединен с одним информационным выходом логического блока управления, предназначенным для выдачи величины заданных мгновенных значений тока фазы электродвигателя, а третьи входы модуляторов соединены вместе и соединены с информационным выходом логического блока управления, предназначенным для выдачи допустимого отклонения мгновенных значений фазных токов от заданных значений, а в каждом модуляторе вход для получения допустимого отклонения мгновенных значений фазных токов через соответствующие резисторы подключен к инвертирующим входам обоих компараторов, а в каждом модуляторе вход, предназначенный для приема величины мгновенных значений заданного тока фазы электродвигателя, через соответствующие резисторы соединен с инвертирующим входом неинвертирующего компаратора и с неинвертирующим входом инвертирующего компаратора, и в каждом модуляторе вход, предназначенный для приема измеренных мгновенных значений тока фазы электродвигателя, через соответствующие резисторы соединен с неинвертирующим входом неинвертирующего компаратора и с инвертирующим входом инвертирующего компаратора.
Техническая сущность предложенного технического решения поясняется чертежами фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3.
На фиг. 1 представлена схема предлагаемого регулируемого электропривода переменного тока. В состав этого электропривода входит трехфазный многоуровневый инвертор 5 с выводом точки нулевого потенциала инвертора 0u, три датчика фазных токов 7.1, 7.2 и 7.3, трехфазный электродвигатель 6, фазы статора которого соединены в звезду, а нулевая точка звезды 0 соединена с выводом точки нулевого потенциала инвертора 5, логический блок управления 4, формирующий трехфазную систему заданных синусоидальных токов и величину допустимого отклонения фазных токов двигателя от заданных, и три модулятора фазных токов 1, 2 и 3.
Каждый модулятор (на фиг. 1 показана структура модулятора фазы А) содержит два суммирующих компаратора 1.1 и 1.2, один из которых инвертирующий (1.2), а другой неинвертирующий (1.1), и реверсивный счетчик режимов 1.3 с числом возможных состояний, равным числу уровней выходного напряжения инвертора. Каждый модулятор соединен с датчиком фазных токов (датчик 7.1 соединен с модулятором 1, датчик 7.2 соединен с модулятором 2, датчик 7.3 соединен с модулятором 3) и с логическим блоком управления 4, с которого на каждый модулятор подается заданный ток одной фазы и сигнал допустимого отклонения токов dI.
Выход неинвертирующего компаратора 1.1 соединен с суммирующим входом («+1») реверсивного счетчика режимов 1.3, а выход инвертирующего компаратора 1.2 соединен с вычитающим входом («-1») реверсивного счетчика режимов 1.3. Входы начальной установки реверсивного счетчика режимов 1.3 (D0, D2…Dn) соединены с установочным выходом D логического блока управления 4, а выходы счетчика (Q0, Q2, Q4…Qn), являющиеся выходом модулятора 1, соединены с одним из управляющих входов логического блока управления 4 (входом Qa).
Аналогично устроены модуляторы 2 и 3, на входы модулятора 2 подается сигнал с датчика фазного тока 7.2 (Iфв) и с логического блока управления 4 сигнал заданного тока фазы В (ток Iзв), а на входы модулятора 3 подаются сигналы с датчика фазного тока 7.3 (Iфс) и с логического блока управления 4 (заданный ток Iзс). Выходы модуляторов 2 и 3 соединены с управляющими входами Qв и Qc логического блока управления 4.
В логический блок управления 4, помимо указанных, по входу 8 должны подаваться сигналы задания параметров режима работы электропривода переменного тока. С управляющих выходов логического блока управления 4 (Ра, Pb и Рс) сигналы управления подаются на драйверы, управляющие УПП многоуровневого трехфазного инвертора 5.
Предлагаемое техническое решение работает следующим образом:
В исходном состоянии с выхода D логического блока управления 4 на входы начальной установки реверсивных счетчиков режимов (входы D модуляторов) должен быть подан установочный сигнал, обеспечивающий включение фаз многоуровневого трехфазного инвертора 5 с низкими уровнями выходных напряжений. Кроме того, на входы установки допустимого отклонения (входы dI) всех модуляторов с выхода dI логического блока управления 4 должен подаваться сигнал, соответствующий заданной величине допустимого отклонения тока. После подачи команды на запуск переключения УПП многоуровневого трехфазного инвертора 5 осуществляются исходя из достигнутых значений фазных токов. При этом компараторы, входящие в состав каждого модулятора фазных токов, выявляют следующие условия:
где:
- Iф - мгновенное значение тока фазы;
- Iз - мгновенное значение заданного тока фазы;
- dI - допустимое отклонение тока фазы от заданного.
При повышении тока фазы до уровня, определяемого уравнением (1) (Iф - Iз - dI > 0) на выходе инвертирующего компаратора 1.2, появляется сигнал уровня «1». Этот сигнал попадает на вычитающий вход реверсивного счетчика режимов 1.3 и информация, записанная в счетчике, уменьшается на 1. При снижении тока фазы до уровня, определяемого уравнением (2) (Iф - Iз + dI < 0) на выходе неинвертирующего компаратора 1.1, появляется сигнал уровня «1». Этот сигнал попадает на суммирующий вход реверсивного счетчика режимов 1.3 и информация, записанная в счетчике, увеличивается на 1. Информации реверсивных счетчиков режимов отрабатываются логическим блоком управления 4, который с выхода Ра управляет работой УПП многоуровневого трехфазного инвертора 5. В первом случае напряжение фазы уменьшится, а во втором увеличится. Аналогично работают модуляторы фазных токов 2 и 3. Выходные сигналы этих модуляторов поступают на входы Qb и Qc логического блока управления 4, с выходов Pb и Рс которого управляются УПП фаз многоуровневого трехфазного инвертора 5.
Уровень выходного напряжения на фазе многоуровневого инвертора 5 изменяется при изменении числа открытых УПП, подключающих фазу к положительному или к отрицательному полюсу источника питания. Для пояснения алгоритма работы предлагаемого электропривода на фиг. 2 приведен возможный вариант схемы трехфазного пятиуровневого инвертора, выполненного по многоячейковой схеме (фиг. 2а - структурная схема инвертора, фиг. 2б - схема одной фазы инвертора). В данном инверторе выходное напряжение фазы, в зависимости от комбинации состояний транзисторов (VT1…VT8), может иметь следующие уровни: уровень Ud (включены VT1…VT4), уровень Ud/2 (включены VT1, VT2, VT4 и VT6), уровень «0» (включены VT2, VT4, VT6 и VT8), уровень - Ud/2 (включены VT3, VT5, VT7 и VT8) и уровень - Ud (включены VT5…VT8). Изменения комбинации состояний транзисторов обеспечивают изменения напряжений фаз по сигналам модуляторов, подаваемым на логический блок управления 4.
Для иллюстрации алгоритма переключений на фиг.3 приведены диаграммы фазного тока и фазного напряжения пятиуровневого инвертора. При поочередных срабатываниях компараторов и соответствующих изменениях выходных сигналов реверсивного счетчика режимов ток фазы поддерживается в пределах «токового коридора» при размахе пульсаций тока в 2dI до тех пор, пока суммирующие компараторы 1.1, 1.2 модуляторов фазных токов 1, 2, 3 выдают на реверсивные счетчики режимов сигналы о превышениях поочередно. Если выдаваемое напряжение недостаточно для повышения тока до верхней границы «токового коридора», то неинвертирующий компаратор 1.1 выдаст на суммирующий вход реверсивного счетчика режимов 1.3 подряд два сигнала «1» (фиг. 3б, зона 1). По новому состоянию реверсивного счетчика режимов 1.3 работа инвертора 5 будет продолжаться до тех пор, пока минимальное значение напряжения в этом режиме достаточно для снижения тока до нижней границы «токового коридора». При невыполнении этого условия инвертирующий компаратор 1.2 выдаст на вычитающий вход реверсивного счетчика режимов 1.3 два сигнала «1» подряд (фиг. 3б, зона 2). По новому состоянию реверсивного счетчика режимов 1.3 работа многоуровневого трехфазного инвертора 5 будет продолжаться до тех пор, пока выдаваемое многоуровневым трехфазным инвертором 5 напряжение достаточно для поочередного срабатывания суммирующих компараторов 1.1 и 1.2.
Аналогично работают модуляторы фазных токов и при формировании отрицательных полуволн фазных токов. Устойчивая работа трех модуляторов фазных токов обеспечивается тем, что нулевая точка трехфазной обмотки статора трехфазного электродвигателя 6 соединена со средней точкой нулевого потенциала многоуровневого трехфазного инвертора 5. При этом амплитуда тока нулевого провода не более 3dI, потому что в отношении заданных токов фаз выполняется условие
Iза+Iзв+Iзс=0, где:
Iза - мгновенное значение заданного тока фазы А;
Iзв - мгновенное значение заданного тока фазы В;
Iзс - мгновенное значение заданного тока фазы С.
Длительности интервалов нарастания и спадания токов, и, следовательно, частота переключений УПП определяются заданной величиной допустимого отклонения фазных токов dI и скоростью изменения тока в каждом текущем интервале
dI/dt=uф/Lф, где:
dI/dt - производная тока по времени (скорость изменения тока);
uф - мгновенное значение напряжения фазы;
Lф - величина индуктивности фазы.
Исходя из величины индуктивности фазы Lф и допустимого значения производной тока, определяющего частоту переключений УПП, можно установить требование к числу уровней инвертора 5 по величине ступени, на которою изменяется выходное напряжение (величину uф при Еф=0).
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет достичь указанный технический результат - исключить возможность возникновения автоколебаний и возможность увеличения отклонений мгновенных значений фазных токов от заданных, а также снижения частоты переключений УПП инвертора до приемлемого уровня, не используя дополнительные реакторы.