СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
DEVICE FOR CONTROL OF AC ELECTRIC DRIVE

Способ относится к области электротехники, в частности к системам управления электроприводами переменного тока на базе асинхронных и синхронных двигателей с преобразователями частоты (ПЧ). Техническим результатом является упрощение системы управления электроприводом переменного тока на основе автономного инвертора тока с полностью управляемыми силовыми ключами за счет введения релейных регуляторов напряжений фаз двигателя.
Известен способ управления электроприводом переменного тока путем формирования токов на выходах ПЧ с последовательно соединенными первым выпрямителем, сглаживающим реактором и инвертором, выполненным на полностью управляемых вентилях, при котором регулируют выпрямленный ток на выходе выпрямителя, подключенного зажимами переменного напряжения к источнику (питающей сети), и производят переключение вентилей инвертора, подключенного зажимами переменного напряжения к обмоткам двигателя, с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и в соответствии с требуемым распределением фазных токов (пространственным положением изображающего вектора тока). Высокочастотные составляющие выходных токов инвертора замыкаются через трехфазную конденсаторную батарею, подключенную к обмоткам двигателя [1].
Недостатком данного способа является сложность формирования алгоритмов ШИМ-модуляции выходного тока, а также необходимость в применении замкнутой по скорости системы управления.
Наиболее близким к предлагаемому является способ управления электроприводом переменного тока, который осуществляется путем формирования токов на выходах преобразователя частоты, питающего электродвигатель и выполненного с регулируемым выпрямителем и инвертором, на полностью управляемых вентилях, соединенных 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 разности этих значений больше порогового уровня, при частоте гладкой составляющей тока на выходе преобразователя частоты, меньшей 1/3 от частоты питающей сети, в области мгновенных значений фазных токов статора, меньших, чем  от заданного амплитудного значения, переключая ключи инвертора, формируют гладкую составляющую 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, и формируют гладкую составляющую тока на выходе преобразователя частоты путем регулирования момента включения ключей выпрямителя [2].
Данный способ позволяет не использовать в системе управления алгоритмы ШИМ-модуляции тока за счет применения релейных регуляторов фазных токов двигателя. Недостатками такого способа является неудовлетворительный гармонический состав кривой напряжения на выходе инвертора, а также необходимость в применении замкнутой по скорости системы управления.
Предложенный способ управления решает задачи улучшения гармонического состава напряжения на выходе инвертора и упрощения системы управления электроприводом переменного тока на базе автономного инвертора тока.
Указанные задачи решаются тем, что в предлагаемом способе управления формируют токи на выходах преобразователя частоты, питающего электродвигатель и выполненного с регулируемым выпрямителем и инвертором на полностью управляемых вентилях, соединенными между собой через сглаживающий реактор, регулируют выпрямленный ток в зависимости от амплитуды тока электродвигателя, переключают вентили инвертора в зависимости от задания для распределения токов в проводах переменного тока и фильтруют высокочастотные составляющие токов на выходе преобразователя частоты, измеряют мгновенные значения фазных напряжений двигателя, измеряют мгновенные значения фазных токов двигателя, измеряют мгновенное значение тока в звене постоянного тока, задают амплитуду и частоту трехфазного переменного напряжения двигателя, вычисляют амплитуду трехфазного тока двигателя, вычисленное значение амплитуды трехфазного тока двигателя подают на вход блока формирования заданного значения выпрямленного тока, значение с выхода блока формирования заданного значения выпрямленного тока подают на первый вход пропорционально-интегрального регулятора тока звена постоянного тока, на второй вход пропорционально-интегрального регулятора тока звена постоянного тока подают измеренное мгновенное значение тока звена постоянного тока, на основе заданной амплитуды и частоты трехфазного переменного напряжения двигателя формируют три синусоидальных сигнала задания на фазные напряжения двигателя, смещенных друг относительно друга на 2π/3, подают синусоидальные сигналы задания на напряжения фаз 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 фазных 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.
Данный способ позволяет реализовать детально разработанные и проверенные на практике скалярные законы частотного управления асинхронным двигателем с раздельным заданием амплитуды и частоты напряжения двигателя без необходимости использования замкнутой по скорости системы управления.
На фиг.1 показана схема устройства, реализующего предложенный способ управления асинхронным двигателем, на фиг.2, 3 - временные диаграммы параметров, полученные на математической модели для варианта построения электропривода переменного тока на базе асинхронного двигателя.
Устройство, реализующее предложенный способ, содержит электродвигатель 1, подключенный к выходам ПЧ с выпрямителем 2 и инвертором 3, соединенными между собой через сглаживающий реактор 4. Инвертор выполнен на полностью управляемых вентилях, например на GTO-тиристорах. К выходам инвертора (к проводам переменного тока А, В, С) подключена конденсаторная батарея 5. Управление инвертором осуществляется путем подачи сигналов задания амплитуды и частоты напряжения двигателя на входы блока преобразования 12, выходы блока преобразования 12 подключены к первым входам релейных регуляторов напряжений фаз двигателя 13, вторые входы релейных регуляторов напряжений фаз двигателя 13 подключены к соответствующим выходам датчиков напряжений фаз двигателя 6. Выходы релейных регуляторов напряжений фаз двигателя 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. Выходы датчиков фазных токов двигателя 7 подключены к входам блока вычисления амплитуды тока двигателя 9. Выход блока вычисления амплитуды тока двигателя 9 подключен к входу блока формирования заданного значения выпрямленного тока 10. Выход блока формирования заданного значения выпрямленного тока 10 подключен к первому входу пропорционально-интегрального регулятора тока звена постоянного тока 11, второй вход пропорционально-интегрального регулятора тока звена постоянного тока 11 подключен к выходу датчика тока звена постоянного тока 8.
1
1
Способ управления электроприводом в данном устройстве осуществляется следующим образом. Блок преобразования 12 преобразует сигналы задания на амплитуду U и частоту f 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 13, которые работают следующим образом. В релейных регуляторах 13 вычисляются разницы между заданными и фактическими значениями мгновенных фазных напряжений двигателя Δu, Δu, Δu по формуле:
1A
1B
1C
где u, u, u - фактические значения мгновенных фазных напряжений двигателя.
A
B,
C
Состояние выходов релейных регуляторов 13 Q, Q Q определяется по следующему алгоритму:
где h - модуль гистерезиса, который принимается равным 5…10% от амплитуды номинального напряжения двигателя.
На основании 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 5, 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 B двигателя.
1
d
d
d
1
Сигнал амплитуды тока двигателя I поступает на блок формирования заданного значения выпрямленного тока 10, который ограничивает минимальное значение тока i в звене постоянного тока на уровне 10% от амплитуды номинального тока двигателя. Таким образом, в момент начала работы инвертора значение 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 I с помощью пропорционально-интегрального регулятора 11.
Предложенный способ управления позволяет упростить систему управления электроприводом на базе автономного инвертора тока за счет введения релейных регуляторов фазных напряжений двигателя. Упрощение заключается в отсутствии необходимости использования алгоритмов ШИМ-модуляции выходных токов инвертора, а также в возможности построения скалярной системы управления электроприводом с раздельным заданием амплитуды и частоты напряжения двигателя.
Литература
1. Патент RU №2074394 C1, кл. G01P 3/46; G01L 5/00, G01R 33/02, H02P 5/402 от 27.04.1994.
2. Патент RU №2362264 C1, кл. H02P 25/02; H02P 27/06; H02P 27/08 от 17.12.2007.