Способ синхронизации синхронной реактивной электрической машины
METHOD FOR SYNCHRONISING SYNCHRONOUS RELUCTANCE ELECTRIC MACHINE

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение в целом находит применение в области устройств управления электрическими машинами и, в частности, относится к способу управления синхронной реактивной электрической машиной, вращающиеся массы которой подвержены воздействию быстрых переходных процессов.
[0002] Кроме того, изобретение относится к компьютерному программному продукту для реализации вышеупомянутого способа, а также к инвертору с загруженным в него компьютерным программным продуктом.
Уровень техники
[0003] Известны устройства, используемые для управления работой электрических вращающихся машин, применяемых в качестве электрогенераторов и/или электродвигателей.
[0004] Конкретно, эти устройства управления, обычно называемые инверторами, могут управлять работой электрической машины путем регулирования электрических параметров сигналов мощности, когда последние непрерывно подаются на электрическую машину.
[0005] Тем не менее, необходимость в таких устройствах особенно ощущается в области управления работой электрической машины, когда ее вращающиеся массы подвергаются воздействию быстрых переходных процессов.
[0006] Эти переходные процессы возникают после физического прерывания распределительной электрической сети или после временного снижения напряжения или, возможно, после нежелательного или ожидаемого отключения питания, подаваемого на инвертор.
[0007] Вследствие этих переходных процессов особенно трудно восстановить синхронизм между инвертором и вращающимися массами.
[0008] Конкретно, во время переходных процессов изменения скорости машины могут либо уменьшаться вследствие внутреннего трения или сопротивления нагрузки, либо поддерживаться или еще больше усиливаться вследствие наличия внешних устройств, способных передавать крутящий момент к валу электрической машины.
[0009] Управление машиной, как правило, восстанавливают за счет внешней стабилизации машины и/или отключающего воздействия, что требует относительно длительного времени.
[0010] Поэтому такие способы особенно неблагоприятно сказываются на стоимости работ по восстановлению в случае установок и устройств, использующих электрические машины, подверженные воздействию переходных процессов.
[0011] Чтобы устранить этот недостаток, были предложены оптимизированные способы управления для конкретного типа вращающейся электрической машины, управляемой инвертором.
[0012] Если машина представляет собой электрическую машину асинхронного типа, скорость вращения вращающихся масс можно определить, прикладывая подходящее напряжение с частотой, уменьшающейся в пределах рабочего диапазона электрической машины, и регистрируя затем знак результирующего индуцированного тока.
[0013] Однако если машина представляет собой электрическую машину синхронного типа, скорость вращения вращающихся масс можно определить по очень высоким наложенным напряжениям и токам, генерирующим высокий акустический шум при низких частотах. Это недостаток становится особенно серьезным, если в одном и том же производственном окружении установлено много электрических машин, которые могут подвергаться воздействию быстрых переходных процессов, вызывающих излучение акустического шума высокого уровня.
[0014] Кроме того, в бездатчиковых электрических машинах для синхронизации вращающихся масс требуются очень длительные периоды времени, как правило, продолжительностью несколько секунд.
[0015] Альтернативно, когда электрическая машина представляет собой машину с постоянными магнитами (магнитоэлектрическую машину) или синхронную реактивную электрическую машину, угловое положение или скорость вращения вращающихся масс определяют с помощью соответствующих внешних датчиков, закрепленных на приводном валу машины или встроенных в инвертор.
[0016] Первый недостаток этого решения состоит в том, что наличие внешних датчиков уменьшает надежность синхронных реактивных электрических машин.
[0017] В этих датчиках имеются изнашиваемые механические детали, вызывающие частые отказы или требующие периодической замены.
[0018] Еще один недостаток этого решения состоит в том, что использование датчиков повышает общие затраты на техническое обслуживание и ремонт электрической машины.
[0019] Кроме того, замена датчиков требует временного отключения электрической машины и тем самым значительно снижает ее общий к.п.д.
[0020] Использование датчиков может также привести к усложнению конструкции инвертора и увеличению габаритных размеров электрической машины.
Сущность изобретения
[0021] Целью настоящего изобретения является устранение указанных выше недостатков путем предложения высокоэффективного и относительно низкозатратного способа управления синхронной реактивной электрической машиной после переходных процессов, связанных с отключением питания.
[0022] Одной из конкретных целей настоящего изобретения является предложение способа управления синхронной реактивной электрической машиной после переходных процессов, позволяющего повысить надежность машины при одновременном уменьшении шумового излучения в звуковом диапазоне.
[0023] Еще одной целью настоящего изобретения является предложение способа управления синхронной реактивной электрической машиной после переходных процессов, позволяющего уменьшить стоимость изготовления и затраты на техническое обслуживание и ремонт электрической машины.
[0024] Еще одной целью настоящего изобретения является предложение способа управления синхронной реактивной электрической машиной после переходных процессов, позволяющего повысить общий к.п.д. электрической машины.
[0025] Другой важной целью настоящего изобретения является предложение способа управления синхронной реактивной электрической машиной после переходных процессов, позволяющего обеспечить изготовление относительно компактных машин и уменьшить сложность инверторов.
[0026] Эти и другие цели, как подробнее объясняется ниже, реализуются при помощи способа управления синхронной реактивной электрической машиной по п. 1.
[0027] Этот конкретный способ обеспечивает бездатчиковое управление синхронной реактивной электрической машиной, т.е. управление без применения датчиков, в условиях нормальной подачи питания и во время переходных процессов.
[0028] Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения определены в соответствии с зависимыми пунктами формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
[0029] Другие признаки и преимущества изобретения станут понятнее после прочтения подробного описания предпочтительного неисключительного варианта осуществления способа согласно настоящему изобретению, описанного в виде не ограничивающего примера с помощью прилагаемых чертежей, где
на фиг. 1 представлена блок-схема способа управления синхронной реактивной электрической машиной, подверженной воздействию быстрых переходных процессов.
на фиг. 2 показана схема последовательности операций способа, представленного на фиг. 1.
на фиг. 3 показана схема электрических соединений синхронной реактивной электрической машиной, управляемой инвертором.
Подробное раскрытие предпочтительного варианта изобретения
[0030] На фиг. 1 представлена блок-схема управления синхронной реактивной электрической машиной, схематически показанной на фиг. 3 и обозначенной в целом позицией Е, содержащей клеммы Т питания и вращающиеся массы М, подключенные к нагрузке или внешнему приводу, не показанным на чертежах.
[0031] В частности, синхронная реактивная электрическая машина может представлять собой электрогенератор для вырабатывания электроэнергии, подаваемой в удаленную и/или локальную распределительную электрическую сеть, или электродвигатель с возможностью обеспечения крутящего момента для приводного вала и/или внешней точки использования.
[0032] Как правило, вращающиеся массы М синхронной реактивной электрической машины могут подвергаться воздействию быстрых переходных процессов, вызываемых временным пропаданием питающего напряжения и порождаемых, например, отключением питания в распределительной электрической сети.
[0033] Кроме того, вращающиеся массы М могут также подвергаться воздействию быстрых переходных процессов, вызываемых внешними динамическими напряжениями на нагрузке, связанной с приводным валом, когда электрическая машина выключена.
[0034] Например, эти переходные процессы могут быть вызваны крутящим моментом, генерируемым вследствие порыва ветра на лопастях ветровых турбин или вследствие воздушного потока на вентиляторе вентиляционного канала.
[0035] Кроме того, электрическая машина Е и/или подключенный к ней инвертор С, если таковой имеется, относятся к бездатчиковому типу, обычно применяемому для определения скорости мгновенного вращения вращающихся масс или для измерения напряжения от остаточного намагничивания на обмотках машины.
C
C
С
i
C
C
M
[0036] Согласно отличительному признаку настоящего изобретения способ, в своей основе, содержит шаг а) подачи управляющего напряжения V с заданными амплитудой (v) и продолжительностью (Т) на клеммы после переходных процессов, причем напряжение индуцирует в машине Е электрический ток I, имеющий гармонический спектр S, который изменяется в соответствии с разностью частот между частотой f управляющего напряжения V и частотой f механического вращения вращающихся масс М.
i
[0037] За этим шагом следует шаг b) определения индуцированного тока I для восстановления управления мощностью и синхронным вращением машины Е.
[0038] Этот способ позволит восстановить управление работой электрической машины Е, когда, вследствие быстрых переходных процессов, мгновенные параметры вращения вращающихся масс М неизвестны.
C
С
С
C
[0039] Удобно, чтобы управляющее напряжение V имело очень короткую продолжительность Т. Предпочтительно, чтобы продолжительность периода Т управляющего напряжения V могла находиться в пределах диапазона меньше 2 с, а также могла быть меньше одной секунды.
C
C
[0040] Управляющее напряжение V может представлять собой напряжение постоянного тока или переменного тока с заданной частотой f.
C
C
C
[0041] Кроме того, амплитуда v и частота f управляющего напряжения V могут быть постоянными или регулируемыми в процессе приложения напряжения.
C
C
C
С
[0042] Предпочтительно, чтобы как частота f, так и амплитуда v управляющего напряжения V могли регулироваться в течение периода Т приложения напряжения.
C
C
C
[0043] Амплитуда v и/или частота f управляющего напряжения V могут автоматически регулироваться инвертором электрической машины Е.
C
[0044] В качестве альтернативного варианта, управляющее напряжение V может вручную регулироваться оператором.
eq
C
C
[0045] Конкретно, эквивалентный импеданс X электрической машины Е будет изменяться в соответствии с частотой f управляющего напряжения V.
C
C
eq
i
[0046] Согласно предпочтительному не ограничивающему примеру осуществления настоящего изобретения, управляющее напряжение V может представлять собой синусоидальное напряжение с амплитудой v, изменяющейся в соответствии с эквивалентным импедансом X электрической машины Е и значением требуемого индуцированного тока I.
C
[0047] Удобно, чтобы управляющее напряжение V могло создавать заданный дополнительный крутящий момент на вращающихся массах М для поддержания скорости инерционного вращения вращающихся масс М практически неизменной.
C
[0048] В частности, управляющее напряжение V может иметь такую амплитуду, чтобы создавать дополнительный крутящий момент, составляющий меньше 5% номинального крутящего момента электрической машины Е.
C
[0049] Кроме того, дополнительный крутящий момент может представлять собой тормозящий или ускоряющий момент в соответствии с мгновенными характеристиками магнитного потока, генерируемого в электрической машине Е вследствие приложения управляющего напряжения V.
i
[0050] Предпочтительно, чтобы управляющее напряжение имело возможность формирования индуцированного тока I, гармонический спектр которого содержит по существу нулевые гармонические составляющие в частотном диапазоне человеческого слуха.
[0051] Конкретно, индуцированный ток может иметь гармонический спектр S, содержащий по существу нулевое или очень низкое среднее значение в области высокой чувствительности диапазона звуковых частот.
C
M
[0052] Например, гармонический спектр S может иметь по существу нулевое или очень низкое среднее значение в частотном диапазоне от 400 Гц до 2 кГц и зависеть от разностного значения (f-f).
C
[0053] Таким образом, при приложении управляющего напряжения V электрическая машина Е будет излучать нулевой или очень слабый акустический шум.
[0054] Это позволит управлять множеством синхронных реактивных электрических машин, установленных в одном и том же производственном окружении и подвергающихся воздействию быстрых переходных процессов, без излучения акустического шума высокого уровня.
i
d
q
[0055] Удобно, как лучше всего показано на фиг. 2, чтобы способ содержал шаг с) разложения индуцированного электрического тока I на пару токов I, I в комплексной (векторной) форме, смещенных, по существу, на 90°.
i
VC
C
[0056] В частности, это разложение индуцированного электрического тока I может начинаться с угла ϕ, связанного с управляющим напряжением V, подаваемым на клеммы электрической машины Е.
i
d
q
C
[0057] Кроме того, при разложении индуцированного тока I на пару составляющих I, I вектора, основная гармоника тока, генерируемая вследствие приложения управляющего напряжения V к клеммам, может быть удалена.
d
q
d
q
[0058] Удобно, чтобы способ содержал шаг d) фильтрации пары комплексных токов I, I с помощью фильтра верхних частот (HPF) для исключения постоянного тока и получения отфильтрованных составляющих I', I' комплексного тока с электрическими параметрами Р, изменяющимися в соответствии с мгновенной скоростью вращения вращающихся масс М.
d
q
[0059] Фильтр верхних частот (HPF) может иметь заданный математический вес с возможностью устранения любого постоянного дифференциального тока в комплексных токах I, I.
[0060] Отфильтрованные комплексные токи, полученные на шаге d) фильтрации, могут представлять собой, по существу, синусоидальные токи равной амплитуды, смещенные на 90°.
in
[0061] Удобно, как лучше всего показано на фиг. 2, чтобы способ содержал шаг е) установки угла мгновенного вращения вращающихся масс электрической машины на начальное значение θ.
ist
sinc
М
[0062] Кроме того, за шагом е) установки значения угла может следовать шаг f) регулирования угла θ мгновенного вращения для определения угла θ синхронного вращения (синхронизации), по существу, совпадающего по фазе с углом θ механического вращения вращающихся масс М.
al
al
sinc
al_torque
[0063] Способ может также содержать шаг g) подачи на электрическую машину Е комплексного тока I, имеющего угол θ вращения, вычисляемый как функция угла θ синхронизации, и составляющую I момента, возрастающую от нуля до номинального значения в течение заданного интервала времени.
al_torque
al
[0064] Постепенное возрастание составляющей I момента питающего напряжения I от нуля до номинального значения обеспечит возможность восстановления управления электрической машиной Е без необходимости заставлять ее вращающиеся массы подвергаться резким изменениям скорости.
sinc
θ
θ
М
[0065] В особенно предпочтительном аспекте настоящего изобретения угол θ синхронного вращения, получаемый на шаге f) регулирования, может иметь угловую погрешность ε, не превышающую заданный порог ε', относительно угла θ механического вращения вращающихся масс М.
[0066] В частности, пороговое значение угловой погрешности ее может быть нулевым.
ist
θ
in
[0067] Удобно, как лучше всего показано на фиг. 2, чтобы шаг f) регулирования угла θ мгновенного вращения содержал дополнительный шаг h) итеративной минимизации угловой погрешности ε относительно первоначально установленного угла θ вращения.
in
[0068] В частности, итерационный шаг может выполняться таким образом, чтобы угол вращения, равный нулевому θ, использовался только на первом цикле.
ist
ist
[0069] На итерационный процесс минимизации угловой погрешности ее можно воздействовать, сравнивая на каждом цикле угол θ мгновенного вращения, сформированный в предыдущем цикле, с углом θ' мгновенного вращения, вычисляемым в текущем цикле.
ist
d
q
ist
[0070] Угол θ' мгновенного вращения можно определить в соответствии с мгновенным смещением пары отфильтрованных комплексных токов I', I' относительно угла θ мгновенного вращения, сформированного в предыдущем цикле.
ist
ist
θ
[0071] Процесс итерации заканчивается, когда разность между двумя углами (θ'-θ) такова, что угловая погрешность становится равной или меньшей порогового значения ε'.
sinc
ist
[0072] Выполнение этого условия позволяет установить значение угла θ синхронного вращения равным углу θ' мгновенного вращения, вычисленному в последнем цикле итерации.
1
sinc
[0073] Удобно, чтобы шаг h) итерационного процесса минимизации был реализован с помощью первого алгоритма PLL фазовой автоподстройки частоты с целью формирования угла θ синхронного вращения в качестве результата его работы.
1
d
q
[0074] Алгоритм PLL может быть рассчитан на прием в качестве входных данных пары отфильтрованных комплексных токов I', I', получаемых с помощью шага d) фильтрации.
sinc
1
[0075] Кроме того, шаг g) подачи питания на электрическую машину Е может содержать шаг i) модификации угла θ синхронного вращения, формируемого с помощью первого алгоритма PLL фазовой автоподстройки частоты, в зависимости от числа полюсов электрической машины Е.
sinc
[0076] Например, если синхронная электрическая машина Е имеет четыре или шесть полюсов, на шаге i) модификации происходит деление угла θ синхронного вращения на два или три соответственно.
sinc
2
[0077] Удобно, чтобы шаг g) подачи питания содержал дополнительный шаг k) точной регулировки угла θ синхронного вращения по углу вращения вращающихся масс М, реализуемый с помощью второго алгоритма PLL фазовой автоподстройки частоты.
2
[0078] В качестве результата работы этого алгоритма PLL формируется угол точно синхронного вращения, начальное значение которого выражается следующей формулой:
,
sinc
sinc
1
c
C
[0079] где Δθ представляет собой инкремент угла θ синхронного вращения, полученного в качестве результата работы первого алгоритма PLL, n - число пар полюсов электрической машины Е, a Δθv - инкремент угла управляющего напряжения V в единицу времени.
al
al_torque
al_flux
[0080] Конкретно, этот шаг k) регулировки содержит начальный переходный процесс, в котором комплексный ток I питания имеет по существу нулевую составляющую I момента и составляющую I потока, имеющую заданное значение, с целью генерирования магнитного потока, меньшего, чем номинальный поток электрической машины Е.
sinc
М
[0081] Таким образом, шаг k) точной регулировки угла θ синхронизации для синхронизации с углом θ механического вращения вращающихся масс М можно выполнить при работе электрической машины в условиях уменьшенного магнитного потока.
sinc
М
[0082] В этих условиях значение магнитного потока можно успешно регулировать так, чтобы оно никогда не превышало пределов шкалы, обусловленных конкретным методом управления, используемым для синхронной реактивной электрической машины Е, что обеспечит исключительно точную регулировку угла θ синхронизации для синхронизации с углом θ механического вращения вращающихся масс М.
С
C
[0083] Следует также отметить, что шаги с) - k) можно выполнить в течение времени Т приложения управляющего напряжения V.
C
al
[0084] Таким образом, по окончании времени приложения управляющего напряжения V, на электрическую машину Е может подаваться комплексный ток I питания для восстановления номинальных скоростей вращающихся масс.
[0085] Таким образом, инвертор V, подключенный к машине Е, может управлять работой вращающихся масс, используя известные методы управления.
[0086] Удобно, чтобы описанный выше способ был преобразован в компьютерный программный продукт, содержащий рабочие команды для управления электрической машиной Е с помощью шагов раскрытого выше способа.
[0087] Этот компьютерный программный продукт может храниться на носителе информации программируемого блока U управления инвертора V, связанного с электрической машиной Е, для управления одним или несколькими электронными устройствами цифровой обработки данных (не показаны), выполненными с возможностью исполнения программы, и управляющей электроаппаратурой для генерирования и обработки электрических сигналов.
[0088] Таким образом, управление синхронной реактивной электрической машиной Е можно осуществлять с помощью инвертора V как при нормальной скорости, так и после неожиданных событий, допускающих возникновение быстрых переходных процессов, связанных с вращающимися массами М машины.
[0089] Приведенное выше описание ясно показывает, что способ согласно настоящему изобретению реализует намеченные цели и, в частности, отвечает требованию об обеспечении возможности управления синхронной реактивной электрической машиной, когда вращающиеся массы подвержены воздействию быстрых переходных процессов, без установки датчиков на машине или ее инверторе.
[0090] Способ настоящего изобретения может подвергаться различным изменениям и модификациям в рамках идеи изобретения, раскрытой в прилагаемой формуле изобретения. Все его детали могут быть заменены другими, технически эквивалентными частями, при этом материалы можно изменять в зависимости от различных потребностей без отступления от объема настоящего изобретения.
[0091] Хотя способ был раскрыт с конкретными ссылками на прилагаемые чертежи, позиционные обозначения, на которые имеются ссылки в описании и формуле изобретения, используются лишь в целях лучшего понимания изобретения и не ограничивают заявленный объем каким-либо образом.