Способ и устройство управления электроснабжением трехфазного устройства от однофазного источника питания

Предложено устройство (32, 34) для питания устройства (30, 22), которое в штатном режиме работает от трехфазного источника энергии, обеспечивает работу от однофазного источника энергии. В раскрытом примере используется оценка синфазной составляющей на основе измеренного напряжения на выводах, подключенных к однофазному источнику энергии. Оценка квадратурной составляющей производится на основе численной производной синфазной составляющей. Синфазная составляющая также подается на регулятор тока в виде упреждающего входного сигнала, для сведения к минимуму ошибки. Технический результат - обеспечение возможности работы трехфазного устройства от однофазного источника питания. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение.

Настоящее изобретение относится к системам управления электроснабжением. В частности, настоящее изобретение относится к подключению однофазного источника энергии к устройству, предназначенному для работы от трехфазного источника.

Уровень техники

Электродвигатели хорошо известны и широко используются. Существует большое многообразие типов двигателей и их размеров. Примером использования электродвигателя может служить электродвигатель в механизме лифта, приводящий в движение тяговый шкив для передвижения кабины лифта вверх или вниз вдоль шахты лифта.

В последнее время в лифтовых установках начинают использовать регенеративные приводные механизмы. Регенеративные приводные механизмы содержат электродвигатель, получающий энергию от источника энергии для перемещения кабины и противовеса по шахте лифта в первом направлении и вырабатывающий энергию, возвращаемую обратно в источник энергии, когда кабина и противовес могут двигаться в противоположном направлении. В регенеративных приводах используется способность электродвигателя действовать как генератор, когда вес кабины и противовеса приводит к движению в нужном направлении, при условии, что приводной механизм допускает соответствующее движение тягового шкива.

Подобные регенеративные приводные механизмы работают от трехфазного источника энергии. Бывают случаи, когда трехфазного источника энергии нет в наличии. Например, при монтаже лифтовой установки трехфазный источник энергии на строительной площадке обычно еще отсутствует. В лучшем случае во время монтажа лифтовой установки в наличии может быть однофазный источник. Во многих случаях было бы желательно запустить кабину лифта при монтаже хотя бы в ограниченном режиме. Сложность состоит в том, что в отсутствие трехфазного источника энергии, трехфазный регенеративный приводной механизм работать не в состоянии и поэтому не может быть запущен при монтаже лифта.

Необходимо найти способ использования трехфазного регенеративного приводного механизма при установке лифта в отсутствие трехфазного питания. Существуют и другие случаи, когда даже в отсутствие трехфазного источника питания может понадобиться трехфазное устройство. В настоящем изобретении решается задача использования однофазного питания для работы трехфазного устройства.

Раскрытие изобретения

В приведенном примере раскрывается преобразовательное устройство, позволяющее использовать однофазную подводимую мощность для питания трехфазного устройства, включает схему фазовой автоподстройки, в которой используется оценка синфазной составляющей и оценка квадратурной составляющей, определенные на основе однофазного подводимого питания.

В приведенном примере оценка синфазной составляющей основана на использовании измеренного напряжения однофазного подводимого питания. Квадратурная составляющая оценивается на основе численной производной от оценки синфазной составляющей. В приведенном примере величина численной производной зависит от частоты подводимого напряжения питания.

В приведенном примере схема регулятора тока использует оценку синфазной составляющей однофазного подводимого питания как упреждающее входное воздействие для сведения к минимуму ошибки при подаче тока в трехфазное устройство.

В раскрытых примерах устройств обеспечивается использование трехфазного регенеративного устройства даже и в тех случаях, когда в наличии имеется для работы устройства только однофазное питание.

Различные признаки и преимущества настоящего изобретения будут очевидны специалистам из приведенного далее подробного описания предпочтительного варианта выполнения. Чертежи, приложенные к подробному описанию, могут быть вкратце описаны следующим образом.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 схематически показаны отдельные части лифтовой установки, включающие трехфазное устройство и схему питания, разработанную в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг.2 схематически показаны отдельные части приведенного в качестве примера сопрягающего преобразователя, используемого в варианте выполнения настоящего изобретения.

На Фиг.3 показана приведенная в качестве примера однофазная схема управления, используемая в варианте выполнения настоящего изобретения.

На Фиг.4 схематически показана приведенная в качестве примера модель регулятора тока, используемая в варианте выполнения настоящего изобретения.

На Фиг.5 схематически показана модель приведенного в качестве примера регулятора напряжения, используемая в варианте выполнения настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

На Фиг.1 схематически показаны отдельные части лифтовой установки 20. Приводной механизм 22 включает электродвигатель, например, перемещающий тросы 24 для движения заданным образом кабины 26 лифта и противовеса 28 внутри шахты лифта, как это хорошо известно. В настоящем примере приводной механизм 22 включает регенеративную трехфазную электрическую машину таким образом, что электродвигатель может быть использован для вырабатывания энергии в режиме генерации согласно известным принципам работы электродвигателя. Приводной механизм 22 в настоящем примере включает электродвигатель, обычно работающий от трехфазного источника энергии.

Контроллер 30 вырабатывает сигналы управления для управления двигателем приводного механизма 22. Энергия на контроллер 30 подается от источника 32 энергии, который в конечном итоге является трехфазным источником. Сопрягающий преобразователь 34 обеспечивает, например, подачу нужной фазы на контроллер 30 для обеспечения требуемой работы приводного механизма.

В некоторых случаях, например при монтаже лифтовой установки, нет возможности использовать трехфазный источник энергии в качестве источника 32 энергии. В некоторых случаях на этапе строительства здания, а значит, и монтажа лифтовой установки, имеется только однофазный источник. Сопрягающий преобразователь 34, приведенный в этом примере, может быть использован вне зависимости от того, является источник 32 энергии однофазным источником энергии или трехфазным источником энергии. Работа сопрягающего преобразователя 34 восполняет различие между однофазным источником энергии и трехфазным источником энергии таким образом, что контроллер 30 и приводной механизм 22 могут функционировать по крайней мере в ограниченном режиме во время монтажа лифтовой установки. Преимущество описанного примера состоит в том, что для сопрягающего преобразователя 34 не требуется отдельного преобразователя или отдельных схем для работы при однофазном энергоснабжении. Напротив, сопрягающий преобразователь 34 подходит для обеспечения работы механизма как от трехфазного, так и от однофазного источника.

На Фиг.2 схематически показаны отдельные части приведенного в качестве примера сопрягающего преобразователя 34. Схема 36 фильтрации работает общеизвестным способом. Схема 38 регулирования тока содержит индуктивные и резистивные элементы, посредством которых известным образом производится регулировка тока, подаваемого на схему 40 фазовой автоподстройки (PLL). Схема 42 регулирования напряжения на шине выдает сигнал выходного тока на контроллер 30 для работы приводного механизма 22.

Приведенный в качестве примера на Фиг.2 сопрягающий преобразователь 34 работает в нормальном режиме, когда источник 32 энергии обеспечивает трехфазное питание (например, фазу R, фазу S и фазу Т). Пример выполнения, показанный на Фиг.2, находится в положении, приспособленном для работы с однофазным питанием. Т вход 44 (например, вход Т Н-образного моста на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT)) отключен, и на него не поступает никакой энергии. Это может быть осуществлено посредством механического коммутатора (не показан), например, внутри сопрягающего преобразователя 34. Соответственно, когда оператор собирается подсоединить однофазный источник энергии для питания контроллера 30 и приводного механизма 22, должен быть использован соответствующий коммутатор, чтобы Т вход 44 плеча IGBT моста не был подсоединен к источнику 32 энергии. Выходные сигналы схемы 40 фазовой автоподстройки и схемы 42 регулирования напряжения на шине определяются только сигналом на R входе 46 и S входе 48 плеч IGBT. Схема управления, выполняющая функцию коммутации Н-образного моста IGBT на R и S входах 46 и 48, обеспечивает работу приводного механизма 22 от однофазного источника энергии. В данном примере R вход 46 подсоединен к одному выводу однофазного источника, в то время как S вход 48 подключен к другому выводу.

На Фиг.3 представлен пример схемы управления, которая выполняет функции коммутации для работы с однофазным источником энергии. На сумматор 52 подается опорное напряжение 50. В приведенном примере опорное напряжение составляет 750 В. Опорное напряжение отчасти определяется имеющимся источником энергии. Выходной сигнал схемы 42 регулирования напряжения на шине выдается на выход 54, с которого ток подается на контроллер 30. Выход 54 подключен к отрицательному входу сумматора 52.

Выходной сигнал сумматора 52 подается на пропорциональный интегральный регулятор 56. Задача пропорционального интегрального регулятора 56 состоит в том, чтобы показать, какой величины ток необходим для сведения к нулю разницы между требуемым уровнем тока и уровнем 54 тока на выходе, который в конце концов выдается на контроллер 30.

Выходной сигнал пропорционального интегрального регулятора 56 подается на перемножитель 58. На другой вход перемножителя 58 поступает сигнал со схемы 40 фазовой автоподстройки (PLL). В данном примере схема 40 фазовой автоподстройки использует оценку квадратурной составляющей фазы подводимой входной энергии. Поскольку используется однофазное питание, а фазовая автоподстройка обычно работает с трехфазным питанием, для работы требуется эффективно преобразовать однофазное питание в трехфазную модель.

В данном примере для фазовой автоподстройки используется оценка синфазной составляющей фазы и квадратурной составляющей фазы подводимой на вход энергии. В одном примере напряжение на входах 46 и 48 определяется посредством обычных средств. Это измеренное напряжение используется как оценка фазы синфазной составляющей.

В данном примере фаза квадратурной составляющей оценивается как численная производная фазы синфазной составляющей. Масштаб квадратурной составляющей в приведенном примере устанавливается после численного дифференцирования фазы синфазной составляющей линейного напряжения.

В приведенном примере V_d=V_acsin(θ) и, следовательно, d/dtV_d=V_acω_linecos(θ). В общем случае частота в линии не известна, но она может быть либо 50, либо 60 Гц. В данном примере оценивание квадратурной составляющей фазы включает масштабирование численной производной с учетом оценки частоты в линии, которое выполняется схемой 40 фазовой автоподстройки. В приведенном примере, если частота превышает 55 Гц, используется усиление 1/ω_line=1/(2π60). Если частота ниже 55 Гц, то используется усиление 1/ω_line=1/(2π50). Оценка фазы квадратурной составляющей (т.е. ортогонального напряжения) для схемы 40 фазовой автоподстройки составляет .

Когда получена оценка квадратурной составляющей, схема 40 фазовой автоподстройки работает как трехфазный эквивалент.

На Фиг.3 выходной сигнал схемы фазовой автоподстройки, подаваемый на перемножитель 58, представляет собой синусоидальный опорный выходной сигнал схемы фазовой автоподстройки, находящийся в фазе с линейным напряжением, который объединяется с выходным сигналом пропорционального интегрального регулятора 56 для получения опорного тока для схемы 38 регулировки тока.

Входной сигнал схемы 38 регулирования тока подается на прямой вход сумматора 60. С выхода сумматора 60 сигнал подается на пропорциональный регулятор 62. Выходной сигнал пропорционального регулятора 62 подается на сумматор 64, где он суммируется с упреждающим входным сигналом 66. В данном примере упреждающий входной сигнал 66 обозначен VR_VS. Это напряжение представляет собой линейное напряжение, измеренное между R и S входами 46 и 48. Упреждающий входной сигнал 66 регулятора 38 тока дает ему возможность свести к минимуму ошибку регулирования тока. В приведенном примере упреждающий входной сигнал 66 совпадает с синфазной составляющей входного сигнала схемы 40 фазовой автоподстройки.

Выходной сигнал сумматора 64, обработанный обычным путем в элементах 68 регулятора тока, дает линейный ток l_ine.

Поскольку работа однофазного регулятора тока отличается от работы синхронного регулятора тока тем, что возмущающий сигнал однофазного регулятора тока непостоянен, в примере на Фиг.3 вместо пропорционального интегрального регулятора используется пропорциональный регулятор. Известно, что пропорциональные интегральные регуляторы хорошо отфильтровывают постоянные возмущения, однако возмущающий сигнал для однофазного регулятора тока не является постоянным. В данном примере ключевым является использование пропорционального регулятора с упреждающим входным сигналом 66, который действует как возмущающий сигнал и соответствует синусоидальному линейному напряжению, например, на R и S входах 46 и 48. В случае если упреждающий входной сигнал 66 компенсирует возмущающее напряжение, регулятор 38 тока может быть представлен моделью, показанной на Фиг.4.

В приведенном примере полоса пропорционального регулятора 62 зависит от конструкции пропорционального интегрального регулятора. Как показано на Фиг.4, регулятор 62' моделируется функциональным узлом с усилением K_р. Если требуется запас по фазе, составляющий ⊘_m=60°, то пропорциональное усиление может быть найдено из выражения: K_р=Lω_c, K_i=ω_cR, где требуемая полоса ω_c может быть определена из ограничений на задержку Т_d и требуемый запас по фазе с помощью выражения: ω_c=[π/2-⊘_m)/T_d. Задержка Т_d включает задержку выборки и половину периода широтно-импульсной модуляции. При использовании ω_c в качестве полосы пропорционального регулятора 62' пропорциональное усиление K_р может быть определено следующим образом.

Передаточная функция замкнутого контура определяется как .

В этом случае K_р=Lω_c-R≈Lω_c. В данном примере L вдвое превышает индуктивность в трехфазном эквиваленте. Получившийся запас по фазе в случае пропорционального регулятора превышает 60°. Если необходима более широкая полоса, специалист с помощью настоящего описания сможет определить, каким образом использовать меньший запас по фазе для получения более широкой полосы.

В схеме 42 регулирования напряжения на шине выходной сигнал регулятора 38 тока подается на перемножитель 80. На другой вход 82 перемножителя 80 поступает фактическое линейное напряжение. С выхода перемножителя 80 сигнал поступает на сумматор 84, на инверсный вход которого поступает сигнал 86 мощности в нагрузке. Показан регулирующий блок 88, который известным способом обеспечивает регулировку постоянного напряжения на шине. В этом примере контроллер 30 управляется однофазным входным сигналом, а регулятор напряжения на шине выдает подходящий для этого сигнал. В данном случае справедливо следующее соотношение:

Напряжение на входе, подаваемое от однофазного источника энергии, является синусоидальным, и поэтому в этом примере для напряжения на шине используются средние значения. В приведенном примере среднее значение равно 0,5(V_acI), где V_ac представляет амплитудное напряжение, а I - амплитуда тока в линии. Соответственно, схема регулятора напряжения Pl на шине может быть основана на следующем соотношении:

В приведенном примере регулятор 42 постоянного напряжения на шине схематически может быть представлен моделью, показанной на Фиг.5. Соотношение, показанное на Фиг.5, включает пропорциональное усиление K_р и интегральное усиление K_i. Эти параметры могут быть определены на основе следующих соотношений.

В приведенном примере полоса регулятора тока больше полосы регулятора постоянного напряжения на шине, поэтому переходная функция незамкнутой цепи на переходной частоте удовлетворяет следующему соотношению:

Из уравнения амплитуд следует: , а из уравнения фаз следует: . Из этих двух уравнений K_p и K_i могут быть определены следующим образом:

где

В приведенном примере широтно-импульсная модуляция используется для подачи тока в контроллер 30 способом, обеспечивающим управление приводным механизмом 22 при питании от однофазного источника энергии. В приведенном примере коммутация широтно-импульсной модуляции R входа 46 и S входа 48 выполняется взаимодополняющим образом. Когда R вход 46 подключен к положительной шине, S вход 48 подключен к отрицательной шине. Таким образом может быть полностью использован имеющийся в шине диапазон напряжения.

В приведенном примере в схеме широтно-импульсной модуляции используется коэффициент заполнения d, который может составлять от 0 до 1. В этом примере значение 0 означает, что соответствующая фаза подсоединена к отрицательной шине в течение всего периода широтно-импульсной модуляции. Значение 1 в этом случае означает, что соответствующая фаза соединена с положительной шиной в течение всего периода широтно-импульсной модуляции. В этом примере используется следующее соотношение: d_r=V*/2V_bus+0,5, представляющее собой коэффициент заполнения для R входа 46. d_r представляет время, в течение которого R вход 46 подключен за период несущей частоты. V* представляет опорное напряжение, содержащее член упреждающего входного сигнала, описанный выше, подаваемое на генератор широтно-импульсной модуляции. d_s, представляющий собой коэффициент заполнения для S входа 48, может быть представлен как 1-d_r. В предпочтительном варианте выполнения коэффициент заполнения d_t, равный 0,5, используется в данном примере для Т входа 44 с тем, чтобы на Т входе 44 было нулевое напряжение.

Путем использования оценки квадратурной и синфазной составляющих фазы с использованием однофазного напряжения в раскрытом примере возможно использовать конфигурацию, предназначенную для трехфазного питания, также и для однофазного питания. Подача прямой или синфазной составляющей фазы на регулятор тока в виде упреждающего входного сигнала снижает ошибку и дает возможность раскрытому в примере устройству работать с однофазным питанием.

Несмотря на то, что приведенное раскрытие было основано на примере питания приводного механизма лифтовой установки, изобретение вовсе не сводится к лифтовым установкам.

Приведенное описание имеет иллюстративный, а не ограничивающий характер. Специалисты могут предложить изменения и модификации раскрытых примеров, которые могут соответствовать существу настоящего изобретения. Область патентной защиты для данного изобретения может быть определена только на основе приведенной ниже формулы.

1. Устройство управления электроснабжением трехфазного устройства от однофазного источника, отличающееся тем, что оно содержит схему регулирования тока, связанную с однофазным источником, схему фазовой автоподстройки с оценкой синфазной составляющей фазы и оценкой квадратурной составляющей фазы однофазного входного питающего напряжения и преобразования напряжения на выходе в трехфазное напряжение, соединенную с выходом схемы регулирования тока, и схему регулирования напряжения, соединенную с выходом схемы фазовой автоподстройки.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что схема регулирования тока выполнена с возможностью оценки синфазной составляющей в качестве упреждающего входного сигнала.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что схема фазовой автоподстройки имеет вход R-фазы, вход S-фазы и вход Т-фазы, причем вход Т-фазы установлен на нулевое напряжение, а входы R и S фаз подключены к выводам однофазного источника питания.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно снабжено коммутатором, являющимся средством отключения входа Т-фазы.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что схема фазовой автоподстройки выполнена с возможностью использования измеренного напряжения однофазного входного источника энергии в качестве оценки синфазной составляющей.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что схема фазовой автоподстройки выполнена с возможностью использования численной производной оценки синфазной составляющей в качестве оценки квадратурной составляющей.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что схема фазовой автоподстройки выполнена с возможностью использования изменения значения численной производной, причем используемый масштаб изменения определяется частотой однофазного питающего напряжения.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что первый масштаб применяется к численной производной, если частота превышает 55 Гц, а второй масштаб применяется, если частота ниже 55 Гц.

9. Способ управления электроснабжением трехфазного устройства от однофазного источника питания, отличающийся тем, что регулировку однофазного источника питания производят посредством оценки синфазной составляющей фазы и квадратурной составляющей фазы однофазного входного питающего напряжения в схеме фазовой автоподстройки, на выходе которой получают трехфазное напряжение, после чего регулируют трехфазное напряжение на вышеупомянутом выходе.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что производят оценку синфазной составляющей на основе измеренного напряжения однофазного источника входного напряжения.

11. Способ по п.9, отличающийся тем, что производят оценку квадратурной составляющей на основе численной производной от синфазной составляющей.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что изменяют значения численной производной на основе частоты однофазного питающего напряжения.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что используют первый масштаб изменения, если частота превышает 55 Гц, и второй масштаб изменения, если частота менее 55 Гц.

14. Способ по п.9, отличающийся тем, что синфазную составляющую используют в качестве упреждающего входного сигнала при регулировании тока.

15. Способ по п.9, отличающийся тем, что схему фазовой автоподстройки снабжают трехфазным входом, одну фазу которого соединяют с нулевым напряжением, а две другие фазы соединяют с однофазным источником входного напряжения.