Способ управления электроприводом переменного тока
CONTROL METHOD OF AC ELECTRIC DRIVE

Способ относится к области электротехники, в частности к системам управления электроприводами переменного тока, на базе асинхронного электродвигателя с преобразователем частоты.
Известен способ управления электроприводом переменного тока, осуществляемый путем формирования токов на выходах преобразователя частоты, выполненного 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, переключают вентили выпрямителя и инвертора в зависимости от задания для распределения токов в проводах переменного тока и фильтруют высокочастотные составляющие токов на выходе преобразователя частоты. Сигналы на переключение ключей инвертора подаются от релейного регулятора тока, на входе которого сравнивают заданное и измеренное значения фазных токов на выходе преобразователя частоты. Коммутацию ключей инвертора осуществляют при превышении разности этих значений порогового уровня при частоте тока двигателя меньшем 1/3 от частоты питающей сети. При токах статора меньших, чем  от заданного амплитудного значения, переключая ключи инвертора, формируют гладкую составляющею тока на выходе преобразователя частоты, а в области мгновенных значений фазных токов статора больших, чем  от заданного амплитудного значения, ключи инвертора в соответствующих фазах оставляют включенными до тех пор, пока мгновенное значение фазного тока на выходе преобразователя частоты не снизится до уровня  от заданного амплитудного значения, при этом формируют ток на выходе преобразователя частоты путем регулирования момента включения ключей выпрямителя [1].
Недостатками данного способа являются большое потребление реактивной мощности из сети и генерация в сеть высших гармоник регулируемым выпрямителем, а также сложность системы управления, из-за необходимости наличия контура регулирования скорости с датчиком скорости.
Наиболее близким к предлагаемому является способ управления электроприводом переменного тока, осуществляемый путем формирования напряжений на выходе преобразователя частоты, выполненного с выпрямителем и инвертором, на полностью управляемых вентилях, соединенными между собой через сглаживающий реактор, при котором регулируют выпрямленный ток в зависимости от требуемого напряжения на выходе преобразователя частоты, фильтруют высокочастотные составляющие токов и напряжений на выходе инвертора, измеряют мгновенные значения фазных напряжений и токов на выходе инвертора и мгновенные значения тока в звене постоянного тока, вычисляют амплитуду трехфазного тока двигателя и подают вычисленное значение на вход блока формирования задания выпрямленного тока, с выхода которого значение задания выпрямленного тока подают на первый вход регулятора тока звена постоянного тока, на второй вход которого подают измеренное значение тока звена постоянного тока, задают амплитуду и частоту трехфазного переменного напряжения двигателя, формируют три синусоидальных сигнала задания на фазные напряжения двигателя, смещенные друг относительно друга на π/3, подают сигналы задания на напряжения двигателя на первые входы релейных регуляторов напряжений двигателя соответствующих фаз, на вторые входы релейных регуляторов напряжений двигателя подают измеренные мгновенные значения напряжений двигателя соответствующих фаз, управляющие логические сигналы с выходов релейных регуляторов напряжений двигателя подают на управляющие входы тиристоров соответствующих фаз анодной группы инвертора, а также на входы логических элементов «НЕ» соответствующих фаз, управляющие логические сигналы с выходов логических элементов «НЕ» подают на управляющие входы тиристоров соответствующих фаз катодной группы инвертора.
Недостатками такого способа управления электроприводом переменного тока являются большой уровень высших гармоник напряжения и тока, вносимых регулируемым выпрямителем в питающую сеть, большое потребление регулируемым выпрямителем реактивной мощности из сети, невозможность повысить напряжение на выходе инвертора до уровня, компенсирующего падение напряжения в длинной кабельной линии.
Предложенный способ управления решает задачи снижения потребления из сети реактивной мощности и уменьшения высших гармонических составляющих напряжения и тока, вносимых электроприводом в сеть, повышение выходного напряжения инвертора, требуемое для обеспечения номинального значения напряжения на обмотках статора двигателя, в случае большого падения напряжения в длинной кабельной линии, связывающей двигатель с преобразователем частоты, а также при снижении напряжения в сети.
Указанные задачи решаются тем, что в предлагаемом управления электроприводом переменного тока с помощью преобразователя частоты, содержащего выпрямитель, автономный инвертор тока, выполненный на полностью управляемых вентилях, и реактор, включенный между вентилями катодной группы выпрямителя и анодной группы инвертора, при котором регулируют входной ток инвертора в зависимости от амплитуды тока двигателя, фильтруют высокочастотные составляющие токов на выходе преобразователя частоты, измеряют мгновенные значения фазных напряжений и фазных токов двигателя и входной ток инвертора, задают амплитуду и частоту трехфазного переменного напряжения двигателя, на основе заданной амплитуды и частоты трехфазного переменного напряжения двигателя, формируют три синусоидальных сигнала задания на фазные напряжения двигателя, смещенные друг относительно друга на 2π/3, подают синусоидальные сигналы задания на напряжения фаз двигателя на первые входы трех релейных регуляторов напряжений двигателя соответствующих фаз, на вторые входы релейных регуляторов напряжений двигателя подают измеренные мгновенные значения напряжений двигателя соответствующих фаз, управляющие логические сигналы с выходов трех релейных регуляторов напряжений двигателя подают на управляющие входы тиристоров соответствующих фаз анодной группы инвертора, а также на входы логических элементов «НЕ» соответствующих фаз, управляющие логические сигналы с выходов логических элементов «НЕ» подают на управляющие входы тиристоров соответствующих фаз катодной группы инвертора, вычисляют амплитуду трехфазного тока двигателя, преобразуют вычисленное значение амплитуды трехфазного тока двигателя в сигнал задания входного тока инвертора, который подают на первый вход четвертого регулятора входного тока инвертора, на второй вход которого подают измеренное значение входного тока инвертора, фильтруют с помощью конденсатора выпрямленное нерегулируемое напряжение на выходе выпрямителя, на выходе четвертого релейного регулятора входного тока инвертора формируют логический сигнал, который подают на первый вход логического элемента «ИЛИ», измеряют мгновенные значения напряжений на входе выпрямителя, определяют значение амплитуды напряжения на входе выпрямителя и подают его на первый вход пятого релейного регулятора, заданное значение амплитуды напряжения двигателя подают на второй вход пятого релейного регулятора и первый вход шестого релейного регулятора, логический сигнал с выходе пятого релейного регулятора подают на второй вход логического элемента «ИЛИ» и первый вход логического элемента «И», сигнал с выхода логического элемента «ИЛИ» подают на управляющий вход первого полностью управляемого вентиля, установленного последовательно между катодным выходом выпрямителя и первым выводом реактора, при выключенном состоянии первого полностью управляемого вентиля отключают первый вывод реактора от выпрямителя, при этом обеспечивают непрерывность тока в звене постоянного тока с помощью обратного диода, установленного между катодным выходом выпрямителя и первым выводом реактора, при выключенном состоянии первого полностью управляемого вентиля подключают первый вывод реактора к выпрямителю, измеряют мгновенные значения напряжений двигателя, определяют значение амплитуды напряжения двигателя и подают его на второй вход шестого релейного регулятора, логический сигнал с выхода шестого релейного регулятора подают на второй вход логического элемента «И», на первый вход седьмого релейного регулятора подают значение максимально допустимого тока через реактор, измеряют значение тока через реактор и подают это значение на второй вход седьмого релейного регулятора, логический сигнал с выхода седьмого релейного регулятора подают на третий вход логического элемента «И», логический сигнал с выхода которого подают на управляющий вход второго полностью управляемого вентиля, анод которого соединен с анодным входом инвертора, а его катод соединен с анодным выходом выпрямителя, включают и выключают второй полностью управляемый вентиль, при его включенном состоянии шунтируют входную цепь инвертора и увеличивают ток, проходящий через реактор, при его выключенном состоянии прибавляют к выпрямленному напряжению наведенную в реакторе ЭДС и подают суммарное напряжение на вход инвертора.
Данный способ позволяет реализовать скалярный закон частотного управления двигателем переменного тока с раздельным заданием частоты и амплитуды напряжения с обеспечением улучшенных коэффициента мощности и гармонического состава напряжения и тока потребляемого из сети и возможности повышения питающего двигатель напряжения.
На чертеже показана схема устройства, реализующего предложенный способ управления электроприводом переменного тока.
Устройство, реализующее предложенный способ, содержит электродвигатель 1, подключенный к выходам преобразователя частоты, содержащий выпрямитель 2 и инвертор 3, реактор 4, расположенный между ними. Инвертор выполнен по мостовой схеме на полностью управляемых вентилях, например GTO-тиристорах. К выходам инвертора подключена фильтрующая конденсаторная батарея 5. На выводах преобразователя частоты установлены датчики датчик фазных напряжений 6 и фазных токов 7, в звене постоянного тока между анодным выводом выпрямителя 2 и катодным выводом инвертора 3 установлен первый датчик 8 входного тока инвертора 3. Выходы датчиков фазных токов 7 соединены с входом блока определения амплитуды тока статора 9, выход которого соединен с первым входом блока расчета сигнала задания выпрямленного тока 10. Выход блока расчета сигнала задания выпрямленного тока 10 соединен с первым положительным входом релейного регулятора входного тока инвертора 11, второй отрицательный вход которого соединен с выходом датчика выпрямленного тока 8. Три фазных выхода блока формирования задания мгновенных значений напряжения 12 соединены с первыми положительными входами трех соответствующих релейных регуляторов напряжения 13, вторые отрицательные входы которых соединены с соответствующими выходами датчиков фазных напряжений 6. Выходы трех релейных регуляторов напряжения 13 подключены к управляющим входам тиристоров соответствующих фаз анодной группы инвертора 3, а также к соответствующим входам логических элементов «НЕ» 14. Выходы логических элементов «НЕ» 14 подключены к управляющим входам тиристоров соответствующих фаз катодной группы инвертора 3.
К выходам нерегулируемого выпрямителя 2 подключен фильтрующий конденсатор 15. К катодному выходу выпрямителя 2, подключен анодный вывод первого полностью управляемого вентиля 16, выполненного например, на базе GTO - тиристора, катодный вывод которого подключен к первому выводу дросселя 4, второй вывод которого подключен к анодному входу инвертора 3. К точке соединения первого вывода реактора с катодным выводом первого управляемого вентиля 16 подключен анод диода 17, катод которого подключен к анодному выходу выпрямителя 2. К анодному входу инвертора 3 подключен анодный вывод второго полностью управляемого вентиля 18, выполненного например, на базе GTO - тиристора, катодный вывод которого подключен к анодному выходу выпрямителя 2. Выход релейного регулятора входного тока инвертора 11 соединен с управляющим входом первого управляемого силового вентиля 16.
ДОП
Первый вход блока формирования задания мгновенных значений напряжения 12 соединен с амплитудным выходом 20 блока задания напряжения 19 двигателя, второй вход блока формирования задания мгновенных значений напряжения 12 соединен с частотным выходом 21 блока задания напряжения 19. На входе выпрямителя 2 установлены датчики фазных напряжений 23, выходы которых соединены с входами блока определения амплитуды напряжения сети 24. Выход блока определения амплитуды напряжения 24 соединен с первым положительным входом пятого релейного регулятора 22. Амплитудный выход 20 блока задания напряжения двигателя 19 соединен также со вторым отрицательным входом пятого релейного регулятора 22 и первым положительным входом шестого релейного регулятора 25. Выходы датчиков фазных напряжений 6 соединены с соответствующими входами блока определения амплитуды напряжения 26, выход которого соединен со вторым отрицательным входом шестого релейного регулятора 25. Выход четвертого релейного регулятора 11 соединен с первым входом логического блока «ИЛИ» 27, выход пятого релейного регулятора 22 соединен со вторым входом логического блока «ИЛИ» 27, выход которого соединен с управляющим электродом полностью управляемого вентиля 16. Выход пятого релейного регулятора 22 соединен также с первым входом логического блока «И» 28, выход шестого релейного регулятора 25 соединен со вторым входом логического блока «И» 28. Первый положительный вход релейного регулятора 29 подключен к источнику сигнала задания предельно допустимой величины тока через реактор i. Между вторым выводом реактора 4 и анодным входом инвертора 3 установлен второй датчик постоянного тока 30, выход которого соединен со вторым отрицательным входом седьмого релейного регулятора 29. Выход релейного регулятора 29 соединен с третьим входом логического блока «И» 28, выход которого подключен к управляющему электроду второго полностью управляемого вентиля 18.
Способ управления электроприводом в данном устройстве осуществляется следующим образом. Блок формирования задания мгновенных значений напряжения 12 преобразует сигналы задания на амплитуду  и частоту  напряжения двигателя в три синусоидальных сигнала задания на фазные напряжения двигателя  по формуле:
где t - текущее время.
1A
1B
1C
Синусоидальные сигналы задания на фазные напряжения двигателя  поступают на входы релейных регуляторов напряжения 13, в которых вычисляются разницы между заданными и фактическими значениями мгновенных фазных напряжений двигателя Δu, Δu, Δu по формуле:
A
B
C
Состояние выходов релейных регуляторов Q, Q, Q определяется по следующему алгоритму:
где h - модуль гистерезиса, который принимается равным 5…10% от амплитуды номинального напряжения двигателя.
На основании установки в релейных регуляторах модуля гистерезиса h определяются граничные значения напряжения - верхнее и нижнее, в пределах которых должно находиться напряжение соответствующей фазы двигателя в любой момент времени.
При нарушении верхней границы автономный инвертор тока формирует отрицательный импульс тока, который разряжает конденсатор соответствующей фазы батареи конденсаторов, тем самым понижая напряжение на нем. В случае нарушения нижней границы формируется положительный импульс тока, конденсатор фазы заряжается, повышая напряжение соответствующей фазы двигателя.
1
Амплитуда тока двигателя I вычисляется в блоке 9 по формуле:
1A
1B
где i, i - мгновенные значения токов фаз А и В двигателя.
1
1
d
d
1
*
Вычисленный сигнал амплитуды тока двигателя I поступает на блок формирования заданного значения выпрямленного тока 10, который устанавливает начальное выходное значение амплитуды тока двигателя I на уровне 10% от номинального. Таким образом, в момент начала работы инвертора значение сигнала задания тока звена постоянного тока i не равно нулю. Это позволяет сформировать требуемое первоначальное значение напряжения на двигателе. В дальнейшем ток звена постоянного тока i поддерживается пропорциональным амплитуде тока двигателя путем умножения в блоке 10 вычисленного значения тока I на коэффициент k, который выбирается на основании требований к уровню формируемых трехфазных напряжений двигателя.
d
Управление первым полностью управляемым вентилем 16 осуществляется следующим образом. Полученный с выхода блока 10 сигнал задания выпрямленного тока  поступает на первый положительный вход четвертого релейного регулятора входного тока инвертора 11, на второй отрицательный вход которого поступает сигнал обратной связи от первого датчика входного тока 8 инвертора i. На входе релейного регулятора входного тока инвертора 11 определяется разность этих сигналов
PT1
Состояние выхода релейного регулятора тока 11 Q определяется по следующему алгоритму:
где δ - модуль гистерезиса, который принимается равным 5…10% от амплитуды номинального тока двигателя.
d
PT1
C
T
Если разность сигналов Δi на входе релейного регулятора тока 11 меньше установленного порогового уровня δ/2 или отрицательна, то на выходе релейного регулятора тока 11 формируется логический сигнал Q=0, этот сигнал поступает на первый вход логического элемента 27 «ИЛИ». На второй вход логического элемента 27 «ИЛИ» с пятого релейного регулятора 22 поступает логический сигнал «ноль», пока сигнал задания амплитуды напряжения двигателя  не превысит сигнал измеренной амплитуды напряжения U на входе выпрямителя. На выходе логического элемента 27 будет сигнал Q=0, поэтому полностью управляемый вентиль 16 будет выключен. При выключенном состоянии управляемого вентиля 16, ток протекает через реактор 4 анодную группу вентилей инвертора 3, обмотки статора двигателя 1, катодную группу вентилей инвертора 3, датчик тока 8, обратный диод 16.
PT1
T
Если разность сигналов на входе релейного регулятора тока 11 положительна и больше установленного порогового уровня, то на его выходе сигнал Q=1, сигнал на выходе логического элемента 27 «ИЛИ» Q=1, полностью управляемый вентиль 16 включен, через него протекает выпрямленный ток.
Таким образом, первый полностью управляемый вентиль 16 в звене постоянного тока, работающий в режиме периодического включения и выключения со скважностью, задаваемой релейным регулятором тока 11, регулирует ток, поступающий на вход инвертора 3, при этом энергия от нерегулируемого выпрямителя передается через реактор и инвертор к двигателю дозировано в необходимом количестве.
1
C
На входе пятого релейного регулятора 22 определяется разность ΔU между амплитудным значением напряжения сети U, поступающим на его первый положительный вход, и амплитудным значением заданного напряжения двигателя  поступающим на его второй отрицательный вход
Состояние выхода релейного регулятора 22 определяется по следующему алгоритму:
1
PU1
T
PT
PU1
T
Если ΔU≥0, то Q=0 и значение логического сигнала Q на выходе логического элемента 27 «ИЛИ» зависит от значения логического сигнала Q на выходе четвертого релейного регулятора 11. Когда  на выходе релейного регулятора 22 формируется единичный логический сигнал Q=1, который поступает на второй вход логического элемента 27 «ИЛИ», на выходе которого формируется единичный логический сигнал Q=1. При этом полностью управляемый вентиль 16 будет включен, и он не влияет на процесс формирования мгновенных значений напряжений двигателя, который выполняют релейные регуляторы напряжения 13.
Управление вторым полностью управляемым вентилем 18 осуществляется следующим образом.
PU1
Когда  на выходе релейного регулятора 22 формируется единичный логический сигнал Q=1, который также поступает на первый вход логического блока «И» 28.
2
1
На входе шестого релейного регулятора 25 определяется разность ΔU между амплитудным значением заданного напряжения двигателя  поступающим на его первый положительный вход, и амплитудным значением напряжения двигателя U, поступающим на его второй отрицательный вход
Состояние выхода релейного регулятора 25 определяется по следующему алгоритму:
где τ - модуль гистерезиса, который принимается равным 5…10% от амплитуды номинального напряжения двигателя.
2
PU2
P
Выходной логический сигнал релейного регулятора 25 поступает на второй вход логического блока «И» 28. Если ΔU≥τ/2, то Q=1, и на второй вход логического блока «И» 28 поступает логический сигнал «единица», позволяющий этому блоку формировать выходной логический сигнал Q в зависимости от состояния двух других входных сигналов.
ДОП
P
На входе седьмого релейного регулятора тока 29 определяется разность между заданным предельно допустимым током через реактор i и измеренным с помощью второго датчика тока 30 протекающим через реактор током i,
PT2
Состояние логического выходного сигнала седьмого релейного регулятора 29 Q определяется по следующему алгоритму:
где δ - модуль гистерезиса, который принимается равным 8…10% от амплитуды номинального тока двигателя.
P
PT2
P
PT2
Если разность сигналов Δi на входе релейного регулятора 29 меньше установленного порогового уровня δ/2 или отрицательна, то на выходе релейного регулятора 29 формируется логический сигнал Q=0, а если Δi≥δ/2, то Q=1.
Выходной логический сигнал релейного регулятора 29 поступает на третий вход логического блока «И» 28.
P
Второй полностью управляемый вентиль 18 будет включен, если все три логических сигнала на входе логического блока 28 «И» равны «единице», тогда на его выходе формируется единичный логический сигнал Q=1.
Таким образом, второй полностью управляемые вентиль 18 включается при условии выполнения трех условий:
1) амплитуда задания напряжения  становится больше амплитуды напряжения сети UC, что возможно на конечной стадии пуска или в процессе регулирования скорости двигателя;
1
2) амплитуда задания напряжения  больше амплитуды напряжения двигателя U;
ДОП
3) ток, протекающий через реактор 4 меньше предельно допустимого значения i.
P
Если одно из трех условий не выполняется, и хотя бы один из трех логических сигналов на входе логического блока 28 «И» равен «нулю», то на его выходе формируется единичный логический сигнал Q=0. При этом второй полностью управляемый вентиль 18 будет выключен.
ДОП
При кратковременном включенном состоянии второго полностью управляемого вентиля 18 происходит быстрое увеличение тока, проходящего через реактор 4. Когда ток, протекающий через реактор 4, достигает предельно допустимого значения i, второй полностью управляемый вентиль 18 выключается. При выключении второго полностью управляемого вентиля 18 выпрямленный ток вновь протекает через инвертор. За счет наведенной при изменении тока в реакторе 4 ЭДС самоиндукции, которая суммируется с напряжением на выходе выпрямителя 2, увеличивается результирующее напряжение, подводимое к входу инвертора 3. В результате возрастает результирующее напряжение на выходе инвертора 3, подаваемое на статор двигателя 1. При снижении тока, протекающего через реактор 4, до нижнего порогового значения, снова включается второй полностью управляемый вентиль 18. Процесс включения и выключения второго полностью управляемого вентиля 18 имеет циклический характер.
Предложенный способ управления электроприводом переменного тока, с автономным инвертором тока, реализующий скалярный принцип частотного управления, с использованием трех релейных регуляторов напряжения, четвертого релейного регулятора входного тока инвертора, еще трех релейных регуляторов, двух логических элементов, управляющих коммутацией двух дополнительных полностью управляемых вентилей в звене постоянного тока преобразователя частоты, характеризуется простотой, малой чувствительностью к изменениям параметров двигателя и высоким быстродействием в контуре управления. За счет использования нерегулируемого выпрямителя и конденсаторного фильтра обеспечивается снижение потребления из сети реактивной мощности и уменьшение высших гармонических составляющих напряжения и тока, вносимых электроприводом в сеть, а за счет включения и отключения первого управляемого вентиля в цепи постоянного тока регулируется входной ток инвертора. За счет периодического включения и отключения второго управляемого вентиля, установленного согласно-параллельно входу инвертора достигается возможность небольшого повышения питающего двигатель напряжения при стандартном напряжении питающей сети.
Список литературы.
1. Патент RU №2362264. МПК Н02Р 25/02. Способ управления электроприводом переменного тока. Опубл 20.07.2009. Бюл №20.
2. Патент RU №2456742. МПК Н02Р 25/02. Способ управления электроприводом переменного тока. Опубл 20.07.2012. Бюл №20.