УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель относится к устройствам частотного управления и торможения электропривода переменного тока.
Известен трехфазный Z-инвертор, содержащий мостовой инвертор напряжения с ШИМ и повышающее импедансное звено, состоящее их первой индуктивности, один конец которой является положительным входом Z-инвертора, а второй конец соединен с анодом диода, второй индуктивностью, подключенной одним концом к катоду диода, а вторым концом - к положительному входу мостового инвертора напряжения, первого конденсатора, подключенного положительным полюсом ко второму концу первой индуктивности и аноду диода, а отрицательным - ко второму концу второй индуктивности и к положительному входу мостового инвертора напряжения, второго конденсатора, подключенного положительным полюсом к катоду диода, коллектору силового транзистора и первому концу второй индуктивности, а отрицательным - к отрицательному входу трехфазного Z-инвертора, соединенного с отрицательным входом мостового инвертора напряжения, третьего конденсатора, подключенного параллельно входу трехфазного Z-инвертора, и третьей индуктивности, подключенной одним концом к аноду диода, а вторым - к эмиттеру силового транзистора [1].
Недостатком данного устройства является невозможность свободного обмена электрической энергией между конденсаторами инвертора и нагрузкой, которой является электродвигатель переменного тока, при его торможении и последующем пуске.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для управления асинхронным электроприводом переменного тока, содержащее 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, 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 релейный регулятор с гистерезисом [2].
Недостатками данного устройства являются сложность поддержания требуемого пускового момента двигателя, т.к. формируются мгновенные значения напряжения статора двигателя, а нелинейный функциональный блок в системе управления содержит уравнение связи между моментом и током статора. Также сложно получить требуемый гармонический сигнал обратной связи по напряжению, поступающий в релейные регуляторы, т.к. питающее напряжение имеет импульсный характер. Невозможность запасания электрической энергии, вырабатываемой электродвигателем переменного тока при его торможении, с отдачей этой энергии электродвигателю при его последующем пуске.
Целью полезной модели является повышение точности поддержания требуемого момента двигателя в пусковом режиме и запасание в емкостном накопителе электрической энергии, вырабатываемой электродвигателем переменного тока при его торможении, с последующей отдачей этой энергии электродвигателю при его последующем пуске.
Поставленная цель достигается тем, что устройство для управления электроприводом переменного тока, содержит диодный выпрямитель, к выходам которого подключен конденсаторный блок, трехфазный мостовой инвертор, выполненный на полностью управляемых транзисторных ключах с обратными диодами, анодный выход выпрямителя соединен с катодным входом инвертора через датчик выпрямленного тока, к катодному выходу выпрямителя подключен анодный вывод первого управляемого транзисторного ключа, катодный вывод которого подключен к первому выводу обмотки сглаживающего реактора, второй вывод которой подключен к катодному входу инвертора, к катодному выводу транзисторного ключа подключен катод дополнительного диода, анод которого подключен к анодному выходу выпрямителя, два фазных выхода инвертора соединены с двумя обмотками статора двигателя через датчики тока, система управления содержит блок управления ключами инвертора, соединенный с выходом трехфазного блока фазных релейно-гистерезисных регуляторов, положительные фазные входы которого соединены с фазными выходами блока задания мгновенных значений трехфазной переменной статора, частотный вход которого подключен к выходу сумматора, один вход которого подключен к блоку задания разности скорости вращения поля статора и скорости ротора, а второй вход сумматора подключен к выходу датчика скорости двигателя, вход блока вход блока вычисления заданной амплитуды тока статора соединен с выходом функционального преобразователя, вход которого соединен с выходом блока ограничения, вход которого соединен с выходом регулятора скорости, вход которого соединен с выходом первого узла сравнения, положительный вход которого соединен с блоком задания сигнала скорости, а отрицательный вход первого узла сравнения соединен с выходом датчика скорости двигателя, отрицательный вход второго узла сравнения соединен с выходом датчика выпрямленного тока, а выход второго узла сравнения соединен с входом релейно-гистерезисного регулятора выпрямленного тока, выход этого регулятора соединен с управляющим входом первого транзисторного ключа, амплитудный вход блока задания мгновенных значений трехфазной переменной статора, вырабатывающий сигнал задания фазных токов статора, соединен с выходом блока вычисления заданной амплитуды тока статора, который также соединен с входом пропорционального блока, выход которого соединен с положительным входом второго узла сравнения, третий фазный выход инвертора соединен с третьей обмоткой статора через датчик тока, выходы трех фазных датчиков тока соединены с отрицательными входами узлов сравнения блока фазных релейно-гистерезисных регуляторов, параллельно первому транзисторному ключу включен обратный диод, параллельно обмотке сглаживающего реактора включен другой обратный диод, анод которого подключен к анодному входу инвертора, а катод подключен к катодному выходу первого транзисторного ключа, конденсаторный блок содержит два конденсатора большей емкости и два конденсатора меньшей емкости, из которых составлены две группы конденсаторов, в первой группе последовательно соединены один конденсатор меньшей емкости и один конденсатор большей емкости, причем отрицательный вывод одного конденсатора меньшей емкости соединен с положительным выводом одного конденсатора большей емкости, положительный вывод конденсатора меньшей емкости соединен с катодным выходом диодного выпрямителя, а отрицательный вывод конденсатора большей емкости соединен с анодным выходом выпрямителя, во второй группе последовательно соединены другой конденсатор большей емкости и другой конденсатор меньшей емкости, причем отрицательный вывод конденсатора меньшей емкости соединен с другим конденсатором большей емкости, положительный вывод другого конденсатора большей емкости соединен с катодным выходом диодного выпрямителя, а отрицательный вывод другого конденсатора меньшей емкости соединен с анодным выходом выпрямителя, общая точка соединения двух конденсаторов первой группы соединена с катодом второго транзисторного ключа, а общая точка соединения двух конденсаторов второй группы соединена с анодом второго транзисторного ключа, управляющий вход второго транзисторного ключа соединен с блоком управления вторым транзисторным ключом.
На чертеже приведена функциональная схема устройства для управления электроприводом переменного тока.
Устройство содержит диодный выпрямитель 1 и инвертор 2, выполненный по мостовой схеме на полностью управляемых ключах - IGBT-транзисторах с обратными диодами, катодный выход выпрямителя соединен с анодным выходом инвертора через последовательно соединенные сглаживающий реактор 3, транзисторный ключ 4, анодный выход выпрямителя соединен с катодным выходом инвертора через датчик тока 5, параллельно индуктивности 3 включен обратный диод 6, параллельно транзисторному ключу 4 включен обратный диод 7, к точке соединения одного вывода индуктивности 3 и эмиттера транзисторного ключа 4 подключен катод диода 8, анод которого подключен к анодному выходу выпрямителя 1. К выходам выпрямителя 1 подключен конденсаторный блок 10, фильтрующий напряжение на выходе выпрямителя при работе электропривода в двигательном режиме, и накапливающий электроэнергию при торможении двигателя 9. Конденсаторный блок 10 содержит четыре конденсатора, соединенные по следующей схеме - последовательно соединены конденсаторы меньшей емкости 11 и большей емкости 12, а также последовательно соединены конденсаторы большей емкости 13 и меньшей емкости 14, причем отрицательный вывод конденсатора 11 соединен с положительным выводом конденсатора 12, положительный вывод конденсатора 11 соединен с положительным выходом выпрямителя 1, а отрицательный вывод конденсатора 12 соединен с отрицательным выходом выпрямителя 1, отрицательный вывод конденсатора 13 соединен с положительным выводом конденсатора 14, положительный вывод конденсатора 13 соединен с положительным выходом выпрямителя 1, а отрицательный вывод конденсатора 14 соединен с отрицательным выходом выпрямителя 1. К точке соединения конденсаторов И и 12 подключен эмиттер транзисторного ключа 15, а к точке соединения конденсаторов 13 и 14 подключен коллектор транзисторного ключа 15. Трехфазный выход инвертора 2 подключен к статору электродвигателя переменного тока 9 через датчики тока 16. На валу двигателя установлен датчик скорости 17.
Система управления содержит блок задания 18 скорости ротора , выход которого соединен с положительным входом первого узла сравнения 19, второй отрицательный вход которого соединен с выходом датчика скорости 17, выход узла сравнения 19 соединен с входом регулятора скорости 20, выход которого соединен с входом блока ограничения 21, выходом которого соединен с входом функционального преобразователя 22, выход функционального преобразователя 22 подключен к входу блока вычисления заданной амплитуды тока статора путем извлечения квадратного корня 23, выход которого подключен к первому входу блока задания мгновенных значений трехфазных токов 24, формирующего задание на мгновенные значения выходного тока инвертора. Выход блок задания 25 отклонения скорости вращения ротора от скорости вращения поля подключен к одному входу сумматора 26, второй вход которого соединен с выходом датчика скорости 17. Выход сумматора 26 подключен к частотному входу блока задания мгновенных значений фазных токов статора 24.
Три выхода блока задания мгновенных значений трехфазных токов 24 соединены с положительными входами узлов сравнения 27 заданных и измеренных значений фазных токов, установленных на входе блока фазных релейно-гистерезисных регуляторов, отрицательные входы узлов сравнения 27 соединены с датчиками тока 16 и Выходы узла сравнения 27 подключены к блоку релейных регуляторов тока 28. Три выхода блока релейных регуляторов тока 28 подключены напрямую к первым входам блока управления 29 ключами инвертора 2, три выхода блока релейных регуляторов тока 28 подключены через инверсные блоки 29 к другим входам блока управления 30 ключами инвертора 2.
Выход блока вычисления заданной амплитуды тока статора 23 также подключен ко второму входу пропорционального блока 31, устанавливающего коэффициент связи между амплитудой тока статора и током на входе инвертора, выход блока 31 подключен к положительному входу второго блока сравнения 32, к отрицательному входу блока сравнения 32 подключен выход датчика тока 5, выход блока сравнения 32 подключен к входу релейно-гистерезисного регулятора тока 33, который соединен с управляющим входом транзисторного ключа 4.
Управляющий вход транзистора 15 соединен с выходом блока включения и выключения 34.
Устройство работает следующим образом.
2
2
1
На выходе узла сравнения 19 вырабатывается сигнал рассогласования Δω между заданной скоростью ротора  и скоростью вращения ротора ω, который поступает на пропорционально-интегральный регулятор скорости 20, проходит через блок ограничения 21 на выходе которого формируется задание на момент двигателя М, который поддерживается на заданном уровне путем поддержания амплитуды тока статора |I|, согласно закономерности:
2
2
где F(Δω) можно считать постоянной величиной при условии задания и поддержания постоянной величины абсолютной 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.
Таким образом, на выходе функционального преобразователя 22 формируется квадрат амплитуды фазного тока статора. На выходе блока вычисления заданной амплитуды тока статора, путем извлечения квадратного корня 23, формируется задание на амплитуду тока статора, которое поступает вместе с заданием на частоту тока статора от сумматора 26 в блок задания мгновенных значений трехфазных токов 24.
Передаточная функция ПИ-регулятора скорости 20 для реализации двукратно-интегрирующей системы имеет вид:
c
где Т - некомпенсированная постоянная времени релейного регулятора тока; р - оператор Лапласа; J - момент инерции машины; k - коэффициент обратной связи по скорости.
*
Задание на круговую частоту тока на выходе инвертора формируется путем сложения сигнала с датчика скорости ротора двигателя 17 и заданной блоком 18 постоянной величины абсолютной разности между скоростями вращения поля статора и ротора Δω.
Блок 24 формирует сигналы задания на мгновенные значения тока статора по формулам
Узел сравнения заданных и измеренных значений фазных токов 27, установленный на входе блока релейно-гистерезисных регуляторов тока 28, передает сигналы на входы релейн0-гистерезисных элементов, которые формируют логические сигналы управления ключами в блоке 30, поступающие на транзисторы 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.
d
2
y
*
Управление транзисторным ключом 4 осуществляется контуром регулирования постоянного тока. Задание на ток I звена постоянного тока формируется путем умножения в блоке 31 заданного значения амплитуды фазного тока |I| на постоянный коэффициент k, который выбирается на основании требований к качеству формируемых трехфазных токов. После чего сигнал сравнивается с сигналом обратной связи от датчика тока 5, и разница поступает на релейно-гистерезисный регулятор 33, а от него на управляющий вход транзисторного ключа 4 в виде сигнала u. Если сигнал на входе регулятора 33 меньше порогового уровня, транзисторный ключ 4 выключен, при отрицательном значении сигнала на входе регулятора транзисторный ключ 4 выключен, при превышении положительного сигнала на входе регулятора 33 порогового уровня транзисторный ключ 4 включен.
При торможении электродвигателя управление процессом отдачи энергии, имеющейся в обмотках статора электродвигателя, блоку конденсаторов 10 осуществляется с помощью блока включения и выключения 35 транзисторного ключа 15. Ток протекает от обмоток статора через обратные диоды ключей инвертора 2, диоды 6 и 7, блок конденсаторов 10. При включенном состоянии транзисторного ключа 15 в блоке конденсаторов образуется общая цепь, содержащая параллельно включенные конденсаторы меньшей емкости 11 и большей емкости 13, последовательно к которой подключена цепь, содержащая параллельно включенные конденсаторы большей емкости 12 и меньшей емкости 14. При отключенном состоянии транзисторного ключа 15 в блоке конденсаторов образуется общая цепь, содержащая две параллельные цепи, составленные из: последовательно включенных конденсаторов меньшей емкости 11 и большей емкости 12, и последовательно включенных конденсаторов большей емкости 13 и меньшей емкости 14.
При включенном состоянии транзисторного ключа 15 результирующая емкость блока конденсаторов 10 больше, чем результирующая емкость этого блока, формирующаяся при отключенном состоянии транзисторного ключа 15. Включением и выключением транзисторный ключ 15 осуществляется регулирование результирующей емкости блока конденсаторов 10, и соответственно величина тока заряда и темп заряда конденсаторов блока 10, обеспечиваемого энергией, имеющейся при торможении в обмотках статора электродвигателя 9.
При последующем пуске электродвигателя 9 накопленная в блоке конденсаторов 10 энергия передается при открытом состоянии транзисторного ключа 4 через инвертор 2 обмоткам статора электродвигателя 9.
В данном устройстве для управления электроприводом переменного тока в двигательном режиме за счет коммутации транзисторного ключа в звене постоянного тока осуществляется регулирование входного тока инвертора, выполняется дозированная подача энергии на вход инвертора, что позволяет уменьшить количество коммутаций ключей инвертора при глубоком регулировании скорости электропривода и снизить потери в транзисторных ключах инвертора.
В режиме торможения за счет накопленной кинетической энергии во вращающихся частях электропривода в обмотках статора электродвигателя наводится ЭДС, и электрическая энергия отдается через инвертор блоку конденсаторов, а коммутация дополнительного транзисторного ключа в блоке конденсаторов обеспечивает регулирование величины тока, поступающего от инвертора к конденсаторам, и темпа заряда конденсаторов.
При последующем пуске двигателя электрическая энергия, накопленная в конденсаторах, отдается через инвертор электродвигателю, за счет коммутации транзисторного ключа в звене постоянного тока осуществляется регулирование входного тока инвертора, что позволяет уменьшить количество коммутаций ключей инвертора при глубоком регулировании скорости электропривода и снизить потери в транзисторных ключах инвертора.
Список источников.
1. Патент РФ №2578042. МПК Н02М 7/42. Трехфазный Z-инвертор. Баховцев И.А., Панфилов Д.В. Опубл. 20.03.2016. Бюл. №8.
2. Патент на полезную модель РФ №166655. МПК Н02 27/06. Устройство для управления электроприводом переменного тока. В.Н. Мещеряков, В.Н. Воеков. Опубл. 10.12.2016. Бюл. №34.