УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель относится к устройствам частотного управления электроприводом переменного тока.
Известно устройство для управления асинхронным двигателем с фазным ротором, содержащее выпрямитель, соединенный через сглаживающий реактор с инвертором на полностью управляемых вентилях, имеющим 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, фильтрующую конденсаторную батарею, подключенную к выходам инвертора, система управления содержит релейный регулятор напряжения, управляющий инвертором на основании сравнения заданных и измеренных напряжений статора, блок коррекции задания амплитуды напряжения, вырабатывающий сигнал коррекции в функции частоты тока ротора [1].
К недостаткам указанного известного решения относятся высокий уровень гармоник, поступающих в сеть, и низкий коэффициент мощности при глубоком регулировании скорости двигателя, т.к. ток в выпрямленной цепи регулируется за счет изменения угла управления тиристорами выпрямителя.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для управления 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, отличающееся тем, что 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 [2].
Недостатком данного устройства является высокий уровень гармоник, поступающих в сеть, и низкий коэффициент мощности при глубоком регулировании скорости двигателя, т.к. ток в выпрямленной цепи регулируется за счет изменения угла управления тиристорами выпрямителя.
Предложенное устройство решает задачу снижения уровня гармоник, поступающих в питающую сеть, и повышения коэффициента мощности электропривода.
Указанная задача решается тем, что устройство для управления электроприводом переменного тока содержит нерегулируемый диодный выпрямитель, к выходам которого подключен конденсатор, 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, к выходам нерегулируемого выпрямителя подключен фильтрующий конденсатор, в звено постоянного тока включен запираемый транзисторный ключ, дополнительно включен обратный диод, создающий цепь протекания для тока статора при отключенном транзисторном ключе, система управления транзисторным ключом содержит замкнутый контур с узлом сравнения рассчитываемого и измеренного выпрямленного тока и релейно-гистерезисный регулятор выпрямленного тока, система управления инвертором содержит замкнутый контур с узлом сравнения рассчитываемого и измеренного фазных напряжений статора и релейно-гистерезисные регуляторы фазных напряжений, а также внешний замкнутый контур с узлом сравнения и регулятором скорости.
На чертеже приведена функциональная схема устройства для управления электроприводом переменного тока.
Устройство содержит неуправляемый диодный выпрямитель 1 и инвертор 2, соединенные между собой через сглаживающий реактор 3. 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 подключена фильтрующая конденсаторная батарея 10 и обмотки статора двигателя 4. Датчики тока установлены в звене постоянного тока 11 и на выводах инвертора 12. На выходе инвертора установлены датчики напряжения 13. На валу двигателя установлен датчик скорости 14. Выходы датчиков подсоединены к системе управления 15. К положительному выходу диодного выпрямителя 1 подключен анодный вывод управляемого транзисторного ключа 16, катодный вывод которого подключен к первому выводу одной из обмоток сглаживающего реактора 3, второй вывод которой подключен к положительному входу инвертора 2, к катодному выводу транзисторного ключа 16 подключен катод дополнительного диода 17, анод которого подключен к отрицательному выходу выпрямителя 1. К выходам выпрямителя 1 подключен фильтрующий конденсатор 18.
*
2
Система управления содержит регулятор скорости 19, вход которого соединен с выходом первого узла сравнения на выходе, положительный вход которого соединен с блоком задания скорости , отрицательный вход первого узла сравнения соединен с датчиком скорости, выход регулятора скорости 19 подключен к входу блока ограничения 20, выход которого подключен к входу функционального преобразователя 21, выход которого подключен к входу блока вычисления модуля тока статора 22, вычисляющего квадратный корень из входного сигнала, выход блока 22 подключен к положительному входу второго узла сравнения, выход которого подключен ко входу регулятора тока 23, выход которого подключен к входу блока ограничения 24, выход которого подключен к первому входу блока задания мгновенных значений фазных напряжений 25, формирующего задание на амплитуду выходного напряжения инвертора, второй вход блока задания мгновенных значений фазных напряжений 25, формирующего также задание на круговую частоту тока инвертора, соединен с выходом сумматора, первый вход которого соединен с блоком задания разности скоростей вращения поля статора Δω и ротора ω, а второй вход сумматора соединен с выходом датчика скорости 14. Три выхода блока задания мгновенных значений фазных напряжений 25 соединены с блоком сравнения 26 заданных и измеренных значений фазных напряжений, выходы блока сравнения 26 подключены к блоку релейно-гистерезисных регуляторов напряжения 27, выходы блока релейно-гистерезисных регуляторов напряжения 27 подключены к блоку БУ управления ключами инвертора 28, отрицательный вход второго узла сравнения соединен с выходом блока измерения модуля тока статора 29, вход которого соединен с датчиками тока статора 12, выход блока вычисления модуля тока статора 22 подключен также к входу блока умножения 30, выход блока умножения 30 подключен к положительному входу третьего блока сравнения, к отрицательному входу которого подключен выход датчика выпрямленного тока 11, выход третьего блока сравнения подключен к входу релейно-гистерезисного регулятора выпрямленного тока 31, который соединен с управляющим входом транзисторного ключа 16.
Устройство работает следующим образом.
2
2
Скорость электропривода задается блоком задания БЗС. Сигнал рассогласования Δω между заданной скоростью ротора  и измеренной скоростью вращения ротора ω поступает на пропорционально-интегральный регулятор скорости 19, выходной сигнал которого проходит через блок ограничения 20, на выходе которого формируется задание на момент двигателя М, который связан с амплитудой тока статора , согласно закономерности:
2
2
где F(Δω) можно считать постоянной величиной при условии задания и поддержания постоянной величины разности между скоростями вращения поля статора и ротора Δω:
n
m
где p - число пар полюсов; L - взаимная индуктивность обмотки статора и ротора;  - приведенная индуктивность рассеяния ротора;  - приведенное сопротивление ротора.
Передаточная функция для реализации двукратно-интегрирующей системы с ПИ-регулятором скорости имеет вид:
µ
c
где T - некомпенсированная постоянная времени релейного регулятора тока; p - оператор Лапласа; J - момент инерции машины; k - коэффициент обратной связи по скорости.
1
Таким образом, на выходе функционального преобразователя 21 формируется квадрат амплитуды фазного тока статора. На выходе блока извлечения квадратного корня 22 формируется сигнал задания на ток статора , который поступает на положительный вход второго узла сравнения, на отрицательный вход которого поступает сигнал обратной связи по току статора, получаемый с блока 29 (БРТ), сигнал с выхода второго блока сравнения поступает на вход регулятора тока 23. Регулятор тока выполняется пропорционально-интегрального типа, на его выходе формируется задание на амплитуду напряжения статора. Выходной сигнал регулятора тока ограничивается блоком ограничения 24 и затем поступает на амплитудный вход блока задания мгновенных значений фазных напряжений 25, на частотный вход которого поступает сигнал задания на круговую частоту напряжения статора ω.
*
Задание на круговую частоту тока на выходе инвертора формируется путем сложения сигнала с блока задания величины разности между скоростями вращения поля статора и ротора Δω и сигнала с датчика скорости ротора двигателя 14. Блок 25 формирует три синусоидальных сигнала задания фазных напряжений, поступающих на блок узла сравнения заданных и измеренных значений фазных напряжений 27, затем с блока релейно-гистерезисных регуляторов напряжения 28 сигнал поступает на блок управления 28, который формирует логические сигналы управления ключами транзисторов 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.
Блок управления ключами инвертора 28, выполняет логические операции 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
y
*
Управление транзисторным ключом 16 осуществляется контуром регулирования постоянного тока. Задание на ток I звена постоянного тока формируется путем умножения в блоке 30 заданного значения амплитуды фазного тока  на коэффициент k, который выбирается на основании требований к уровню формируемых трехфазных напряжений статора. Полученный сигнал задания выпрямленного тока сравнивается с сигналом обратной связи от датчика тока 11, и разница поступает на релейно-гистерезисный регулятор 31, а от него на управляющий вход транзисторного ключа 16 в виде сигнала u. Если сигнал на входе регулятора 31 меньше порогового уровня, транзисторный ключ 16 выключен, при отрицательном значении сигнала на входе регулятора 31 транзисторный ключ 16 выключен, при превышении положительного сигнала на входе регулятора 31 порогового уровня транзисторный ключ 16 включен.
В данном устройстве для управления электроприводом переменного тока повышено качество выходного напряжения и тока инвертора их форма близка к синусоидальной кривой за счет использования релейных регуляторов фазных напряжений, задающих высокую частоту переключений ключей инвертора. Использование нерегулируемого выпрямителя с фильтрующим конденсатором на выходе позволяет снизить уровень гармоник, поступающих в питающую сеть, и повысить коэффициент мощности электропривода и улучшить электромагнитную совместимость электропривода с питающей сетью. При этом введение в звено постоянного тока транзисторного ключа и обратного диода позволяет регулировать выпрямленный ток и мощность, подаваемую на вход инвертора, и с помощью системы управления регулировать напряжение и частоту статора и скорость двигателя.
Список источников.
1. Патент на полезную модель РФ №132282. Н02 27/05. Устройство для управления асинхронным двигателем с фазным ротором. В.Н. Мещеряков, Т.В. Синюкова, О.В. Мещерякова. Опубл. 10.09.2013. Бюл. №25.
2. Патент на полезную модель РФ №112554. Н02 27/06. Устройство для управления асинхронным электроприводом. В.Н. Мещеряков, A.M. Башлыков, Д.В. Безденежных. Опубл. 10.01.2012. Бюл. №1.