Способ управления двухфазным электроприводом переменного тока с помощью трехфазного мостового инвертора



Способ управления двухфазным электроприводом переменного тока с помощью трехфазного мостового инвертора
Способ управления двухфазным электроприводом переменного тока с помощью трехфазного мостового инвертора
Способ управления двухфазным электроприводом переменного тока с помощью трехфазного мостового инвертора
Способ управления двухфазным электроприводом переменного тока с помощью трехфазного мостового инвертора
Способ управления двухфазным электроприводом переменного тока с помощью трехфазного мостового инвертора
Способ управления двухфазным электроприводом переменного тока с помощью трехфазного мостового инвертора
Способ управления двухфазным электроприводом переменного тока с помощью трехфазного мостового инвертора
H02P25/062 - Управление или регулирование электрических двигателей, генераторов, электромашинных преобразователей; управление трансформаторами, реакторами или дроссельными катушками (конструкции пусковых аппаратов, тормозов или других управляющих устройств см. в соответствующих подклассах, например механические тормоза F16D, механические регуляторы скорости G05D; переменные резисторы H01C; пусковые переключатели H01H; системы для регулирования электрических или магнитных переменных величин с использованием трансформаторов, реакторов или дроссельных катушек G05F; устройства, конструктивно связанные с электрическими двигателями, генераторами, электромашинными преобразователями, трансформаторами, реакторами или дроссельными катушками, см. в соответствующих подклассах, например H01F,H02K; соединение или управление

Владельцы патента RU 2682242:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Липецкий государственный технический университет" (RU)

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способам управления электроприводами переменного тока, и может быть использовано при частотном управлении двухфазным асинхронным двигателем с его питанием от трехфазного преобразователя частоты. Техническим результатом является решение задачи частотного управления двухфазным асинхронным двигателем от трехфазного преобразователя частоты типовой конструкции, минимизация количества управляемых вентилей, использование упрощенного алгоритма релейного управления со снижением требований к управляющему котроллеру. Способ управления двухфазным электроприводом переменного тока с помощью трехфазного мостового инвертора осуществляется с помощью преобразователя частоты, содержащего выпрямитель, фильтр и трехфазный мостовой инвертор на полностью управляемых вентилях. Двигатель выполняют двухфазным, фильтр выполняют в виде конденсатора, который подключают к выходам выпрямителя. Выход от первого плеча трехфазного мостового инвертора подключают через датчик тока к началу первой обмотки статора двухфазного двигателя, конец которой соединяют с началом второй обмотки статора двухфазного двигателя, к общей точке соединения этих обмоток подключают выход от второго плеча трехфазного мостового инвертора, выход от третьего плеча трехфазного мостового инвертора подключают через второй датчик тока к концу второй обмотки статора двухфазного двигателя. В каждой из обмоток формируют гладкую составляющую тока в виде последовательности четырех временных участков на каждом периоде кривой тока. Для этого вырабатывают сигналы управления вентилями инвертора с помощью релейных регуляторов фазных токов. На вход каждого из них подают сигнал задания, сравнивают заданное и измеренное значение токов, определяют рассогласование сигналов, при превышении которым порогового значения переключают вентили инвертора. 6 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к системам управления электроприводом переменного тока с двухфазным асинхронным двигателем, питающимся от преобразователя частоты с трехфазным мостовым инвертором.

Известен способ управления двухфазным конденсаторным двигателем, содержащим главную обмотку и вспомогательную обмотку с последовательно подключенным конденсатором, осуществляемый с помощью соединенного с обмотками двигателя трехфазного мостового инвертора с шестью ключевыми элементами, попарно соединенными между собой, в соответствие с которым к обмоткам двухфазного двигателя подводят переменные напряжения, сдвинутые по фазе друг относительно друга, причем один из пары соединенных между собой ключевых элементов удерживают в закрытом состоянии в течение изменения углового сдвига не менее 10°, предпочтительно от 35° до 100°, при этом открывают другой ключевой элемент из этой пары, а желаемый процесс изменения напряжения на обмотках двигателя выполняют посредством модуляции двух других пар ключевых элементов, при регулировании скорости вращения двигателя поддерживают угол сдвига фаз между токами в обмотках двигателя близкий к 90°, когда рабочие частоты превышают пороговое значение частоты, изменяют направление токов, протекающих через обмотки двигателя [1].

Недостатком данного способа управления двухфазным двигателем является сложность реализации большого диапазона регулирования угловой скорости двигателя, т.к. при изменении частоты необходимо регулировать не только напряжения, подводимые к обмоткам двигателя, но и напряжение на конденсаторе, а также сложный алгоритм управления ключевыми элементами, базирующийся на принципе широтно-импульсной модуляции (ШИМ). требующий большого количества вычислительных операций, выполняемых управляющим контроллером.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ управления трехфазным мостовым инвертором, питающим двухфазный асинхронный двигатель с постоянными магнитами, ключи инвертора модулируют постоянное напряжение на основе тактовых импульсов, имеющих заданный период тактового сигнала, переключение ключей инвертора осуществляют таким образом, что на каждую обмотку подают переменные напряжения, которые сдвинуты по фазе друг относительно друга на 90°, причем один ключ одной из пар удерживают непрерывно замкнутым в течение более одного такта для угла поворота не менее 25°, в то время как другой ключ этой пары оставляют непрерывно открытым, выполняют желаемое изменение мгновенных значений напряжений на каждой обмотке посредством модуляции двух других пар ключей [2].

Недостатком данного способа управления двухфазным двигателем является сложный алгоритм управления вентилями, базирующийся на принципе широтно-импульсной модуляции (ШИМ). требующий большого количества вычислительных операций, выполняемых управляющим контроллером.

Предложенный способ управления решает задачу обеспечения питания двухфазного асинхронного электродвигателя от преобразователя частоты, содержащего трехфазный мостовой инвертор, с использованием упрощенного алгоритма управления, что снижает требования к вычислительной мощности управляющего контроллера.

Для решения поставленной задачи применяется преобразователь частоты, который содержит мостовой выпрямитель, звено постоянного тока и инвертор напряжения, состоящий из шести полупроводниковых ключевых элементов (IGBT-транзисторов) и шести обратных диодов, разбитых на две группы (анодную и катодную) в трех плечах, то есть, применен типовой преобразователь частоты, обычно используемый для трехфазного электропривода. Средняя точка второго плеча инвертора подключена к объединенным первым выходам двух статорных обмоток асинхронного электродвигателя, а средние точки первого и третьего плеча - ко вторым отдельным выходам этих обмоток. Сигналы на переключение ключей инвертора подаются от релейного регулятора тока, на входе которого сравнивают заданное и измеренное значения токов на выходе преобразователя частоты. Коммутация ключей инвертора осуществляются в зависимости от текущего участка (одного из четырех) периода двух синусоид, определяемого по заданию, причем на каждом участке периода состояние части ключей определяется релейными регуляторами тока каждой фазы, часть ключей при этом остается на всем участке постоянно закрытыми, а часть - постоянно открытыми.

В данном изобретении используется типовая конструкция силовой части преобразователя частоты трехфазного электропривода, которая не требует дополнительных экономических затрат. Кроме того, использование такой конструкции позволяет уменьшить габариты данного устройства по сравнению с другими преобразователями частоты для двухфазного привода за счет уменьшения количества полупроводниковых элементов и как следствие, охлаждающих радиаторов для них. За счет уменьшения количества управляемых полупроводниковых элементов увеличивается и надежность стабильной работы устройства. Использование релейного регулятора тока позволит избежать сложностей при разработке алгоритма управления ШИМ или написания нового закона для ее формирования.

На фиг. 1 приведена схема устройства, реализующего предложенный способ управления двухфазным электроприводом, на фиг. 2 показан идеальный график токов в обмотках двухфазного двигателя, на фиг. 3 показаны контуры токов, протекающих через инвертор и обмотки статора при различных комбинациях ключей, на фиг. 4 - таблица всех возможных состояний ключей инвертора, на фиг. 5.-система управления, использованная при моделировании, на фиг. 6 - графики текущих значений токов статора на выходе преобразователя частоты, полученные при моделировании.

Преобразователь частоты, предназначенный для управления двухфазным асинхронным электродвигателем 1, состоит из нерегулируемого диодного трехфазного выпрямителя 2. звена постоянного тока с конденсатором 3 и инвертора напряжения 4, выполненного на IGВТ-транзисторах с обратными диодами. На выходе преобразователя частоты установлены датчики тока 5. Система управления инвертором 6 содержит блок релейных регуляторов тока каждой фазы 7. на входе которого установлен блок сравнения 8, на который поступают заданные и измеренные значения токов. Сигналы, формируемые блоком релейных регуляторов и им обратные, а также логические «0» и «1» поступают на драйвер инвертора 9, который по сигналам задания определяет текущий участок периода синусоид тока и формирует для каждого из четырех участков свою комбинацию состояний ключей инвертора 4 на основе заведенных логических сигналов.

Способ управления инвертором в данном устройстве осуществляется следующим способом.

График токов в обмотках двухфазного электродвигателя представляет собой две синусоиды, сдвинутые относительно друг друга на 90 электрических градусов (фиг. 2). В одном периоде графика выделяют четыре участка: I1>0, I2<0; I1≥0, I2≥0; I1<0, I2≥ 0; I1<0. I2<0. Данная форма служит заданием для системы управления.

На фиг. 3 сплошными линиями со стрелками показаны направления протекания токов статора от инвертора к обмоткам двигателя, а пунктирными линиями со стрелками-контуры протекания остаточных токов в обмотках при их отключении от сети.

На первом участке для сохранения знака, то есть направления, ток первой обмотки должен протекать от начала катушки к ее концу, то есть от первого плеча инвертора ко второму. Напротив, ток второй обмотки должен протекать от конца катушки к ее началу, то есть от третьего плеча ко второму. Таким образом, в начальный момент времени на первом участке периода должны быть открыты ключи VT1, VT4 и VT5, противофазные им ключи VT2. VT3 и VT6 должны быть закрыты. Токи в инверторе при этом протекают по замкнутым контурам «+»-VT1-L1-VT4-«-» и «+»-VT5-L2-VT4-«-» (фиг. 3 (а)). Когда на первой обмотке значение фактического тока оказывается выше верхней границы «коридора» задания, определяемого гистерезисным блоком, на этой обмотке ток должен начать уменьшаться до достижения им нижней границы. Для этого отключают ключ VT1.

При этом контуры токов «+»-VT5-L2-VT4-«-» и L1-VT4-VD2 (фиг. 3 (б)). Аналогично в подобном случае для второй обмотки происходит отключение VT5 с наведением контура рассеяния L2-VT4-VD6 (фиг. 3 (в)). Возможен вариант с одновременным отключением VT1 и VT5 (фиг.3 (г)). При достижении нижней границы «коридора» задания происходит обратная коммутация.

Для второго участка характерны основные контуры «+»-VT1-L1-L2-VT6-«-» и «+»-VT3-L2-VT6-«-» (фиг. 3 (д)). При релейном регулировании происходят отключения VT1 (контуры «+»-VT3-L2-VT6-«-» и L1-L2- VT6-VD2) (фиг.3 (е)) и синхронные отключения VT3 и VT6 с включением VT4 (контуры «+»-VT1-L1-VT4-«-» и L2-VD5-VT1-L1) (фиг. 3 (ж)). При этом алгоритм коммутации обеспечивает блокировку одновременного срабатывания ключей VT3 и VT4. При одновременном отключении обоих обмоток все ключи открыты (фиг. 3 (з)). При достижении нижней границы «коридора» задания происходит обратная коммутация.

Алгоритм коммутации на третьем участке аналогичен алгоритму на первом, а на четвертом алгоритму на втором. На третьем участке в первый момент времени открыты ключи VT2, VT3 и VT6, при выходе из зоны могут замыкаться VT2 и VT6.

На четвертом участке характерны основные контуры «+»-VT5-L2-L1-VT2-«-» и «+»-VT3-L1-VT2-«-». При релейном регулировании происходят отключения VT5 (контуры «+»-VT3-L1-VT2-«-» и L2-L1-VT2-VD6) и синхронные отключения VT2 и VT3 с включением VT4 (контуры «+»-VT5-L2-VT4-«-» и L1-VD1-VT5-L2). При одновременном отключении обоих обмоток все ключи открыты. Следующие четверть периода вновь действуют законы для первого участка, цикл алгоритма коммутации ключей инвертора повторяется, обеспечивая круговое вращение поля статора двигателя.

На фиг. 4. «1» означает включенный транзистор, а «0» - отключенный. Система управления (фиг.5) состоит из двух сумматоров, двух гистерезисных блоков, двух однопозиционных и четырех двухпозиционных компараторов, пяти логических элементов «И» и четырех логических «НЕ».

На однопозиционных компараторах сигналы задания, соответствующие идеальному графику токов в обмотках двухфазного двигателя (фиг. 2), сравниваются с нулем, а затем с помощью логических «НЕ» и «И» определяется номер текущего участка периода. Разницы заданных и измеренных токов подаются на релейные регуляторы, на выходе которых получают логические сигналы по функции гистерезиса. Эти сигналы, им обратные, а также логические «0» и «1» подаются на четыре блока регистров. Четыре двухпозиционных компаратора в зависимости от номера участка определяют, какой из регистров подается на ключи инвертора. Блокировка ключа VT4 для второго и четвертого участков реализована функцией «И» прямого гистерезиса первой обмотки и обратного второй. «0» и «1» подаются на ключи, которые должны быть постоянно разомкнутыми или замкнутыми на всем протяжении участка соответственно.

Графики текущих значений токов статора на выходе преобразователя частоты представлены на фиг. 6. Можно отметить, что при работе системы управления по представленному алгоритму графики токов статора близки к идеальной форме.

Таким образом, с помощью трехфазного преобразователя частоты двухфазный асинхронный двигатель получает энергию от трехфазной сети с возможностью регулирования скорости вращения в широких пределах при использовании известной типовой конструкции силовой части устройства. Сама типовая конструкция позволяет проводить взаимозаменяемость деталей при ремонте. Предложенный способ управления может применяться как при скалярном, так и при векторном управлении электроприводом переменного тока.

Литература.

1. Патент WO 2004008623 А1. кл. Н02Р 1/44, 25/04. DANFOSS DRIVES A/S. Converter for rotational speed variable operation of a capacitor motor and method for controlling a capacitor motor, 22.01.2004.

2. Патент US 2008143284 A1. кл. H02P 6/08, 1/42. Henrik Kragh, Bjarne Henriksen. Two-phase permanent magnet motor, 19.06.2008.

Способ управления двухфазным электроприводом переменного тока с помощью трехфазного мостового инвертора, в соответствии с которым открывают и закрывают ключи инвертора, формируют из импульсов напряжений переменные двухфазные напряжения, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 90°, и подают их на обмотки статора двухфазного двигателя, отличающийся тем, что задают желаемую периодическую кривую фазного тока в каждой из обмоток статора, устанавливают допустимый пороговый уровень отклонения мгновенных значений тока от заданного значения, измеряют значения тока в каждой из обмоток статора, определяют сигнал отклонения измеренного значения тока от заданного, при превышении которым порогового уровня переключают ключи инвертора и изменяют цепи протекания токов через обмотки двигателя, при этом формируют периодические кривые фазных токов, каждый из периодов которых составляют в виде последовательности четырех временных участков, при этом в течение первого временного участка ток пропускают от положительного выхода выпрямителя через открытый ключ анодной группы первого плеча инвертора к началу первой обмотки, а от ее конца через открытый ключ катодной группы второго плеча инвертора к отрицательному выходу выпрямителя и через открытый ключ анодной группы третьего плеча инвертора к концу второй обмотки, а от ее начала через открытый ключ катодной группы второго плеча инвертора к отрицательному выходу выпрямителя, в течение второго временного участка ток пропускают от положительного выхода выпрямителя через открытый ключ анодной группы первого плеча инвертора к началу первой обмотки, а от ее конца через вторую обмотку и открытый ключ катодной группы третьего плеча инвертора к отрицательному выходу выпрямителя и через открытый ключ анодной группы второго плеча к началу второй обмотки, а от ее конца через открытый ключ катодной группы третьего плеча инвертора к отрицательному выходу выпрямителя, в течение третьего временного участка ток пропускают от положительного выхода выпрямителя через открытый ключ анодной группы второго плеча инвертора к концу первой обмотки, а от ее начала через открытый ключ катодной группы первого плеча инвертора к отрицательному выходу выпрямителя и к началу второй обмотки, а от ее конца через открытый ключ катодной группы третьего плеча инвертора к отрицательному выходу выпрямителя, в течение четвертого временного участка ток пропускают от положительного выхода выпрямителя через открытый ключ анодной группы второго плеча инвертора к концу первой обмотки, а от ее начала через открытый ключ катодной группы первого плеча инвертора к отрицательному выходу выпрямителя и через открытый ключ анодной группы третьего плеча инвертора к концу второй обмотки, а от ее начала через первую обмотку и открытый ключ катодной группы первого плеча инвертора к отрицательному выходу выпрямителя.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при эксплуатации судовых спиральных компрессоров с частотным регулированием оборотов в составе кондиционера воздуха.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления оптимальными по быстродействию электроприводами. Техническим результатом является стабилизация частоты переключения тока автономного инвертора напряжения, питающего статор асинхронного двигателя.

Изобретение относится к устройствам приведения в действие трехфазных двигателей. Технический результат заключается в том, чтобы предоставить устройство приведения в действие двигателя, допускающее стабильное предоставление напряжения постоянного тока и напряжения нейтральной точки в трехуровневый инвертор, даже когда малоемкий конденсатор используется на контактном выводе постоянного тока.

Изобретение относится к управлению электродвигателями вращения антенн радиолокационных станций (РЛС) и может быть использовано в регулируемых электроприводах (РЭП).

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводах сканирования, калибровки, измерения, контроля и управления, а также в автоматизированных электроприводах механизмов с колебательным движением рабочего органа.

Группа изобретений относится к устройству для управления тяговой системой транспортных средств с электротягой. Устройство управления электромотором транспортного средства содержит модулятор, первый модуль коррекции, второй модуль коррекции и контроллер.

Изобретение относится к электроинструменту. Электроинструмент содержит двигатель, управляемый при помощи широтно-импульсной модуляции посредством полупроводникового ключевого элемента с использованием энергии от источника питания, передаточный механизм, выполненный с возможностью передачи вращения двигателя на рабочий инструмент, и контроллер.

Изобретение относится к резервному энергоснабжению. Система управления дизель-генераторным агрегатом (ДГА) содержит устройство управления и управляемый коммутационный аппарат генератора, расположенные в двух металлических шкафах.

Изобретения относятся к области электротехники, в частности к системам электронного управления электродвигателем, и могут быть использованы для управления электродвигателем постоянного тока.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в автоматизированных электроприводах с колебательным движением рабочего органа. Технический результат - повышение надежности работы электропривода.

Изобретение относится к области электротехники. Устройство управления для управления электрическим блоком, содержащее: пару переключающих элементов, выполненных с возможностью преобразования мощности от источника питания в мощность переменного тока и подачи мощности переменного тока на электрический блок, блок преобразования, блок вычисления, блок генерирования, блок управления, блок определения, блок коррекции. Технический результат заключается в обеспечении устройства управления и способа управления, позволяющих противодействовать снижению точности обнаружения переменного тока, подаваемого на электрическую нагрузку. Достигается тем, что на основании определения, увеличивается ли амплитуда несущего сигнала или уменьшается, произведенным блоком определения, блок коррекции регулирует момент времени переключения переключающего элемента путем корректировки значения команды заполнения, вычисленного блоком вычисления. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способам управления электроприводами переменного тока, и может быть использовано при частотном управлении двухфазным асинхронным двигателем с его питанием от трехфазного преобразователя частоты. Техническим результатом является решение задачи частотного управления двухфазным асинхронным двигателем от трехфазного преобразователя частоты типовой конструкции, минимизация количества управляемых вентилей, использование упрощенного алгоритма релейного управления со снижением требований к управляющему котроллеру. Способ управления двухфазным электроприводом переменного тока с помощью трехфазного мостового инвертора осуществляется с помощью преобразователя частоты, содержащего выпрямитель, фильтр и трехфазный мостовой инвертор на полностью управляемых вентилях. Двигатель выполняют двухфазным, фильтр выполняют в виде конденсатора, который подключают к выходам выпрямителя. Выход от первого плеча трехфазного мостового инвертора подключают через датчик тока к началу первой обмотки статора двухфазного двигателя, конец которой соединяют с началом второй обмотки статора двухфазного двигателя, к общей точке соединения этих обмоток подключают выход от второго плеча трехфазного мостового инвертора, выход от третьего плеча трехфазного мостового инвертора подключают через второй датчик тока к концу второй обмотки статора двухфазного двигателя. В каждой из обмоток формируют гладкую составляющую тока в виде последовательности четырех временных участков на каждом периоде кривой тока. Для этого вырабатывают сигналы управления вентилями инвертора с помощью релейных регуляторов фазных токов. На вход каждого из них подают сигнал задания, сравнивают заданное и измеренное значение токов, определяют рассогласование сигналов, при превышении которым порогового значения переключают вентили инвертора. 6 ил.

Наверх