ОГРАНИЧЕНИЕ ПЕРЕГРУЗКИ ПРИ РАБОТЕ С ПИКОВОЙ МОЩНОСТЬЮ
LIMITATION OF OVERLOAD WHEN OPERATING AT PEAK POWER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к преобразователям электрической энергии, в частности - к способам эксплуатации преобразователей электрической энергии в форсированном режиме.
Уровень техники
Преобразователи мощности используются для привода всех видов силовых электрических устройств, таких как электродвигатели или т.п. Такие преобразователи электрической энергии специфицируют согласно техническим условиям по их номинальной мощности, указывающей величину мощности, которая должна подаваться на постоянной основе без риска перегрева или другого повреждения используемых в них полупроводниковых приборов, таких как МОП-транзисторы («металл-оксид-полупроводник»-транзисторы - MOSFET), тиристоры, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и т.п. Номинальная мощность полупроводникового прибора обычно определяется как мощность, которая при ее подаче приводит к тому, что температура внутри полупроводникового прибора не превышает предельной величины температуры, которая определяется максимально допустимой температурой для полупроводникового перехода полупроводникового прибора.
Из документа Мюрдока Д.А. (Murdock D. А.) и соавт. «Активное тепловое управление силовыми электронными модулями», Труды Американского общества инженеров по электротехнике и радиоэлектронике по промышленным применениям (IEEE Transactions on industry applications), Том 42, №2, стр. 562-558, март-апрель 2006 г., известно, как осуществляется управление силовыми электронными модулями в установившемся режиме с помощью теплового управления для достижения максимально допустимого непрерывного режима работы.
В патентном документе WO 2009/033999 А2 описан способ, в котором определяется фактическая величина температуры полупроводникового компонента, и на основании фактической величины температуры и заданной величины температуры привод устройства регулирования температуры, такого как система охлаждения электродвигателя, активируется для регулирования фактической величины температуры. Фактическая величина температуры определяется на основании температурной модели.
В документе JP 2011223678 А описано устройство, имеющее защитный блок. Вычислительный блок рассчитывает температуру полупроводникового перехода переключающего элемента и температуру бесконтактного датчика присутствия объекта на основании его клеммного сопротивления и тепловой временной константы. Корректирующий блок корректирует температуру перехода переключающего элемента на основании разницы между этими температурами. Схема управления управляющим электродом или управляющий блок управляется таким образом, чтобы температура полупроводникового перехода скорректированного переключающего элемента не превышала величину ограничения температуры.
В документе WO 2006/087618 A1 описан регулятор, имеющий блок измерения температуры, предназначенный для измерения температуры инвертора. Блок установки ограничения температуры устанавливает ограничение температуры для сглаживания температуры, полученной путем выполнения процесса сглаживания в отношении измеренной температуры, когда величина изменения измеренной температуры находится ниже заранее установленного значения. Рабочий (операционный) блок ограничивает работу инвертора, когда измеренная температура возрастает.
В документе SU 1410179 А описан способ управления преобразователем, в котором сигнал, пропорциональный температуре р-n-перехода тиристора сравнивается с фиксированной уставкой, пропорциональной максимально допустимой температуре. Если температура р-n-перехода превышает максимально допустимую температуру, исполнительное устройство выключит преобразователь или ограничит ток, протекающий через тиристор.
В документе US 5,373,205 предложен способ управления, определяющий предельную величину тока, которая по умолчанию устанавливается равной пиковому току, и в ответ на измеренную температуру, которая превышает максимально допустимую температуру, устанавливается предельная величина номинального тока. Величина сброса предельной величины тока сбрасывается до пикового тока после того, как будет обнаружено, что температура находится ниже максимально допустимой температуры на заранее заданную величину.
В документе ЕР 0971573 В1 описан регулятор для тяговых приводов, который охлаждается с помощью охлаждающей среды, причем количество охлаждающей среды для охлаждения регулятора регулируется согласно требуемой температуре.
В документе ЕР 1816733 А2 раскрыт способ управления частотным преобразователем с периодически изменяющейся нагрузочной характеристикой. В начале нового периода прогнозируется температура критических компонентов, таких как силовые полупроводники, частотного преобразователя. В том случае, если прогнозируется перегрев критических (наиболее важных) компонентов, для частотного преобразователя разрешается только уменьшенная нагрузка, так чтобы перегрев мог быть предотвращен во время цикла нагрузки.
Задача настоящего изобретения - обеспечить защищенную от перегрузки работу для электрических аппаратов, которые имеют потребление мощности, превышающее номинальную мощность преобразователя электрической энергии.
Раскрытие изобретения
Указанная задача достигнута с помощью способа эксплуатации преобразователя электрической мощности, предназначенного для подачи электрической энергии к электрическому аппарату, соответствующего п. 1 формулы изобретения, и аппарата и системы, выполненных согласно последующим независимым пунктам формулы изобретения.
Дополнительные варианты осуществления изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно первому аспекту изобретения, предложен способ эксплуатации преобразователя, предназначенного для подачи электрической мощности на нагрузку, содержащий следующие этапы:
- управление преобразователем в течение предусмотренного периода перегрузки, так чтобы мощность перегрузки подавалась на нагрузку; и
- управление преобразователем в течение предусмотренного периода покоя, так чтобы мощность покоя подавалась на нагрузку;
- причем мощность перегрузки является более высокой, чем номинальная мощность, которая соответствует предельной величине при работе в установившемся режиме, причем мощность покоя является более низкой, чем номинальная мощность,
- преобразователь (3) управляется в ответ на обеспечиваемую извне информацию, причем мощность, подаваемая на нагрузку (2), ограничивается, как только обеспечиваемая извне информация вызывает подачу преобразователем (3) мощности перегрузки в течение периода, большего, чем заданный максимальный период перегрузки,
- по истечении максимального периода перегрузки мощность, которая должна подаваться на нагрузку (2), ограничивается согласно функции ограничения, обеспечивающей величину ограничения, которая снижает допустимую мощность с мощности перегрузки до номинальной мощности согласно заданной временной характеристике.
Одна идея настоящего изобретения - позволить эксплуатировать преобразователь электрической мощности таким образом, чтобы мощность перегрузки, превышающая номинальную мощность, могла обеспечиваться в течение конкретного периода перегрузки при условии, что преобразователь электрической мощности затем эксплуатируется для подачи мощности покоя, которая ниже или равна номинальной мощности, в течение конкретного периода покоя. Эта схема эксплуатации обеспечивает возможность использования электрических аппаратов с преобразователем электрической мощности, даже если эти электрические аппараты имеют кратковременное потребление мощности, которое превышает номинальную мощность преобразователя электрической мощности, присоединенного к ним. Следовательно, позволяется форсировать преобразователь электрической мощности выше его номинальной рабочей точки, и допускается работа с перегрузкой в течение конкретного периода перегрузки при условии, что имеется последующий период покоя для всей системы, например, для охлаждения или стабилизации. Работа с мощностью перегрузки может быть предназначена для периода перегрузки, следующего профилю допустимой перегрузочной способности в функции времени и мощности перегрузки.
Согласно настоящему изобретению, преобразователь управляется в ответ на обеспечиваемую извне информацию, причем мощность, подаваемая на нагрузку, ограничивается, как только поступающая извне информация вызывает подачу преобразователем мощности перегрузки в течение времени, превышающего заданный максимальный период перегрузки, и после истечения максимального периода перегрузки мощность, которая должна подаваться на нагрузку, может быть ограничена согласно функции ограничения, обеспечивающей величину ограничения, которая снижает допустимую мощность от мощности перегрузки до номинальной мощности согласно заданной временной характеристике.
Этот способ эксплуатации преобразователя имеет преимущество, заключающееся в том, что преобразователь можно эксплуатировать в любых условиях мощности перегрузки, которые не должны быть заранее известны. Преобразователь может, в частности, реагировать на предварительно не известное условие по мощности перегрузки.
Кроме того, мощность покоя и период покоя могут быть установлены таким образом, чтобы по меньшей мере один параметр, в частности температура преобразователя, возвращался в его исходное значение в начале периода перегрузки.
Может быть обеспечено, чтобы мощность перегрузки и период перегрузки устанавливались таким образом, чтобы по меньшей мере один параметр, в частности температура преобразователя, не превышал предельного значения в течение времени перегрузки.
Кроме того, период покоя может следовать непосредственно после периода перегрузки.
Кроме того, период перегрузки и период покоя могут периодически повторяться.
Максимальный период перегрузки может представлять собой период, в котором температура в преобразователе достигает заданного максимального предельного значения температуры.
Кроме того, заданная временная характеристика может образовывать линейный или экспоненциальный наклонный участок от мощности перегрузки до номинальной мощности.
Согласно еще одному аспекту изобретения, предложен аппарат для управления преобразователем, предназначенным для подачи электрической мощности на нагрузку, содержащий блок управления, который предназначен для:
- управления преобразователем в течение предусмотренного времени перегрузки таким образом, чтобы мощность перегрузки подавалась на нагрузку; и
- управления преобразователем в течение предусмотренного времени покоя таким образом, чтобы мощность покоя подавалась на нагрузку;
- причем мощность перегрузки является более высокой, чем номинальная мощность, которая соответствует предельному значению работы в установившемся режиме, а мощность покоя является более низкой, чем номинальная мощность.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, предложена система, содержащая нагрузку, преобразователь для подачи электрической мощности на нагрузку и указанный аппарат.
Краткое описание чертежей
Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения описаны более подробно в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг. 1 - система, содержащая преобразователь электрической энергии, предназначенный для подачи электрической энергии к электрическому аппарату;
фиг. 2 - график, иллюстрирующий выходную мощность преобразователя электрической энергии системы, изображенной на фиг. 1, и полученную в результате температуру перехода полупроводникового переключателя в преобразователе электрической энергии.
фиг. 3 - график, иллюстрирующий выходную мощность преобразователя электрической энергии системы, изображенной на фиг. 1, величины ограничения мощности, а также полученную в результате температуру перехода полупроводникового переключательного прибора преобразователя электрической энергии.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показана система 1 для подачи электрической энергии к нагрузке 2 (блоку с электрическим приводом). Нагрузка 2 может представлять собой часть производственной установки и использоваться для приведения в движение инструмента периодически. К примеру, нагрузка 2 может представлять собой силовой привод или аналогичную нагрузку.
Электрическая энергия подводится к нагрузке 2 с помощью преобразователя 3, который включает в себя переключающие устройства 31 для подачи заранее заданной величины электрической мощности к нагрузке 2. Переключающие устройства 31 могут быть выполнены в виде силовых полупроводниковых приборов, таких как силовые МОП-транзисторы, тиристоры, запираемые тиристоры с интегрированным управлением (IGCT) и т.п. Переключающие устройства могут быть выполнены в конфигурации привода, такой как силовой инвертор, полумостовая конфигурация, полномостовая конфигурация или т.п.
Из-за тепловой чувствительности переключательных приборов преобразователь электрической энергии 3 имеет ограниченный рабочий диапазон температур, верхний предел которого определяется максимальной температурой р-n-перехода используемых в нем полупроводниковых приборов. Поскольку превышение максимально допустимой температуры полупроводникового перехода может негативно влиять на работоспособность и/или срок службы полупроводникового переключательного прибора, эту максимально допустимую температуру нельзя превышать.
Для преобразователя 3 электрической энергии, таким образом, определяется номинальная мощность, которая представляет собой выходную мощность преобразователя 3 электрической энергии на основе непрерывной работы, причем номинальная мощность указывает максимальную выходную мощность силового преобразователя 3 электрической энергии, при которой температура р-n-перехода полупроводниковых приборов приближается к максимально допустимой температуре или достигает максимально допустимую температуру при обычных заранее заданных условиях окружающей среды.
Нагрузка 2 может быть выполнена с возможностью потреблять мощность, превышающую номинальную выходную мощность, выводимую из силового преобразователя 3 электрической энергии, с перерывами, то есть периодически или с перерывами.
Как показано в схеме на фиг. 2, электрический аппарат 2 может потреблять избыточную мощность в определенный период перегрузки. Мощность перегрузки может быть, например, до 40% выше номинальной мощности, которая определяет предел работы в установившемся режиме, в то время как для периода перегрузки установлена заданная длительность, которая может быть фиксированной или которая может зависеть от величины мощности перегрузки, запрашиваемой нагрузкой.
После периода перегрузки, во время которого избыточную мощность подают в нагрузку 2, выходная мощность уменьшается до уровня мощности, который ниже, чем номинальная мощность, в течение определенного периода покоя. Мощность покоя и период покоя могут быть адаптированы так, чтобы полупроводниковые устройства могли остыть до заданной температуры, которая ниже максимальной допустимой температуры. В случае периодической работы с подачей мощности перегрузки и мощности покоя период покоя и мощность покоя определяются таким образом, чтобы в конце периода покоя температура достигала исходной температуры, от значения которой температура может увеличиться при подаче мощности перегрузки в течение следующего (последующего) периода перегрузки.
Блок 4 управления управляет силовым преобразователем 3 электрической энергии в зависимости от сигналов CS управления. Сигналы CS управления генерируются в соответствии с заданной схемой после внешнего сигнала Е, который может быть подан из блока управления процессом и т.п. Внешний сигнал Ε обозначает мощность, при которой фактически должна работать нагрузка 2.
Кроме того, установлен контролирующий блок 5, который постоянно, периодически или циклически получает от силового преобразователя 3 электрической энергии или блока управлении 4 соответственно фактическую величину мощности, подаваемой к нагрузке 2. В основном контролирующий блок 5 накладывает ограничение мощности путем соответствующей выдачи команды преобразовательному блоку 3 в том случае, если мощность перегрузки подается к нагрузке 2 в течение периода перегрузки, который превышает заранее заданное пороговое значение периода перегрузки. Это ограничение осуществляется путем подачи величины L ограничения к силовому преобразователю 3 электрической энергии таким образом, чтобы силовой преобразователь 3 ограничивал его выходную мощность согласно величине L ограничения.
Как показано на графике на фиг. 3, это ограничение будет оказывать свое влияние, если мощность перегрузки потребуется в течение более длительного времени, чем заранее заданный максимальный период TP перегрузки, как показано кривой К1 (требуемая мощность) на графике фиг. 3. Максимальный период TP перегрузки определяется периодом, по истечении которого температура полупроводникового перехода достигает предельной величины температуры, начиная от исходной температуры в начале периода перегрузки, в течение которого должна подаваться мощность перегрузки.
Это ограничение выполняется в соответствии с кривой К2 ограничения (функция ограничения), которая может обеспечить снижение мощности от мощности перегрузки до номинальной мощности за максимальный период TP перегрузки, так чтобы температура полупроводникового перехода могла поддерживаться при предельном значении температуры и больше не увеличивалась. Переход между подачей мощности перегрузки к подаче номинальной мощности может быть реализован в виде линейного наклонного участка или с экспоненциальной характеристикой для ограничения подачи мощности нагрузки 2 обратно до номинальной мощности. Градиент наклона от уровня мощности перегрузки вниз до номинальной мощности может иметь величину в зависимости от вида присоединенной нагрузки 2, величины мощности перегрузки, длительности периода перегрузки или т.п. По существу, ступенчатого (внезапного) уменьшения мощности, прикладываемой к нагрузке 2, следует избегать из-за нежелательных эффектов, таких как отражения в соединительных линиях, электромагнитные помехи и т.п.
Ограничение мощности может быть осуществлено путем ограничения выходного тока преобразователя 3 электрической энергии, путем ограничения выходного напряжения преобразователя 3 электрической энергии, путем ограничения (или снижения) частоты коммутации преобразователя 3 электрической энергии или т.п.
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 - Система
2 - Нагрузка
3 - Преобразователь электрической энергии
4 - Блок управления
5 - Контролирующий блок
31 - Полупроводниковый прибор