Способ управления вентильным двигателем

 

00 5I4397

ОПИСАН И Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Савв Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 04.04.74 (21) 2012654/07 (51) М. Кл.- Н 02К 29,/04 с присоединением заявки №

Государственный комитет

Совета Министров СССР лв делам иэобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 15.05.76. Бюллетень № 18

Дата опубликования описания 17.06,76 (53) УДК 621.313.13:621. .382 (088.8) (72) Авторы изобретения

В. Д. Кондрашов, Н. Н. Горин, В. А. Кучумов и В. А. Сенаторов (71) Заявитель

Всесоюзный научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

Изобретение относится к области управления электрическими преобразователями частоты и числа фаз (ПЧФ) вентильных двигателей (ВД), выполненных по схемам с неявным звеном постоянного тока.

Известен способ управления ВД, согласно которому система управления ПЧФ ВД формирует импульсы управления коммутациями сети и машины вне зависимости от взаимной ориентации напряжений сети и машины, причем сигналы управления конкретным вентилем вырабатываются из указанных сигналов управления, например, по правилу логического умножения И.

Недостатком известного способа является взаимозависимость между длительностями машинной и сетевой коммутаций при их одновременном протекании (совпадении во времени) в случае, если ПЧФ выполнен по схеме с неявным звеном постоянного тока. Взаимозависимость коммутаций выражается в том, что как в случае начала машинной коммутации во время протекания сетевой, так и в случае начала сетевой коммутации во время протекания машинной закончиться коммутации могут лишь одновременно. Происходит, таким образом, выравнивание длительностей коммутаций, т. е. укорачивание той коммутации, которая в случае несовпадения длиннее, и удлинение той, которая при разновременном протекании коммутаций короче. Так как у ВД одна из коммутаций всегда инверторная (в тяговом режиме — машинная, в режиме рекуперации— сетевая), то для повышения коммутационной

5 устойчивости ПЧФ угол опережения инвертора должен задаваться с запасом, учитывающим возможность затягивания инверторной коммутации при совпадении коммутаций. Необходимость такого увеличения угла опереже10 ния инвертирования возникает в тяговом режиме при скорости движения, превышающей синхронную (требуется увеличивать угол опережения машинной коммутации), и в режиме рекуперации при скоростях двигателя, меньших синхронной (требуется увеличение угла опережения сетевой коммутации). Это ухудшает энергетические показатели привода с ВД, особенно коэффициент мощности инвертируемой энергии.

20 Целью изобретения является повышение энергетических показателей преобразователя и улучшение использования мощности двигателя путем исключения взаимного влияния коммутаций в случае нх совпадения во време25 ни, что приводит к сокращению углов опережения инверторной коммутации в ПЧФ. Это достигается тем, что внутри интервала одновременного протекания сетевой и машинной коммутаций определяют вентиль, включенный

30 между коммутирующими выводами сети и

514397 двигателя так, что проводящее направление указанного вентиля противоположно направлению коммутирующего напряжения источника, начавшего коммутировать до наступления интервала совпадения коммутаций, и совпадает с направлением тока в том из коммутирующих выводов источника, к которому подключен указанный вентиль, и подают на него дополнительный управляющий импульс.

Наиболее просто указанный дополнительный импульс можно выделить посредством продолжения зон подачи основных импульсов сетевой и машинной коммутаций на угол, соответствующий максимальной длительности коммутации, начавшейся первой.

Для улучшения условий включения вентилей указанный дополнительный импульс можно формировать в момент изменения направления напряжения между коммутирующими выводами двигателя по отношению к направлению, которое оно имело непосредственно перед началом машинной коммутации.

На фиг. 1 представлена одна из возможных схем ВД с неявным звеном постоянного тока; на фиг. 2 изображены открытые вентили схемы, изображенной на фиг. 1, при протекании машинной коммутации; на фиг. 3 изображена схема, соответствующая одновременному протеканию коммутаций в случае, когда сетевая коммутация началась вслед за машинной; на фиг, 4 представлена схема ВД при одновременном протекании коммутаций с образованием совместного контура сетевой и машинной коммутаций; на фиг. 5 приведены временные диаграммы коммутирующих напряжений ВД и процессов управления им в режиме рекуперации при выполнении ВД по схеме на фиг. 1; на фиг. 6 представлена схема ВД при совпадении коммутаций в случае, когда машинная коммутация началась вслед за сетевой; на фиг. 7 — схема ВД при совпадении коммутаций, если управление ВД ведется по предлагаемому способу; на фиг. 8 показано состояние ВД, следующее за состоянием, изображенным на фиг. 7.

Предлагаемый способ пригоден для использования в ВД с ПЧФ различных типов, работающих в тяговом и в рекуперативном режимах, и может применяться в обоих режимах для управления любой схемой ВД с неявным звеном постоянного тока. Ниже описывается управление по предлагаемому способу ВД со сложным реактором при питании трехфазного двигателя от однофазной сети.

В тяговом режиме ПЧФ ВД, состоящий из вентилей 1 — 12, выпрямляет напряжение трансформатора 13 питающей сети, подводимое через реактор 14. Одновременно происходит инвертирование выпрямленного напряжения в тяговый двигатель с фазными обмотками 15, 16 и 17, ПЧФ ВД выполняет, таким образом, функции однофазного мостового выпряглителя, питающего напряжения сети и ведомого двигателем трехфазного мостового инвертора. В режиме рекуперации тот же ПЧФ

65 выпрямляет напряжение двигателя и инвертирует его в питающую сеть.

Если управление ВД производится по известному способу, то начало сетевой коммутации, т. е. временная абсцисса переднего фронта коммутационного провала 18 на временной диаграмме 19 выходного напряжения инвертора, является моментом, когда накладывается запрет на подачу импульсов управления на одну из групп вентилей 1, 3, 5, 8, 10, 12 и 2,4, 6, 7, 9, 11 и выдается разрешение на подачу импульсов управления вентилям другой группы.

Этот момент формирования импульса управления сетевой коммутацией является началом зоны подачи импульсов управления машинной коммутации на одну из указанных групп вентилей и концом аналогичной зоны другой группы. Сверху от оси времени на диаграмме 20 изображены зоны подачи импульсов управления на вентили 2, 4, 6, 7, 9, 10, снизу — на вентили 1, 3, 5, 8, 10, 12. Кривая напряжения инвертора на диаграмме 19 изображена для режима с углом коммутации, равным 30 эл. град. напряжения сети. Угол запаса (угол между задним фронтом коммутационного провала 18 и моментом перехода через нуль напряжения инвертора) также равен 30 эл. град. напряжения сети в стационарном режиме.

Линейные напряжения U15 — 16, U16 — 1- и U17 — 15 двигателя представлены на временной диаграмме 21 соответственно кривыми А, Б и В.

Импульсы управления машинной коммутацией формируются в режиме, показанном на диаграмме 21 с задержкой т относительно перехода через нуль линейных коммутирующих напряжений, равной 30 эл. град. э.д.с. машины.

Углы машинной коммутации при этом составляют 30 эл.град.э.д.с. машины в стационарном режиме. Моменты формирования основных импульсов машинной коммутации являются началом зон подачи импульсов управления сетевой коммутацией на определенные группы вентилей. Зоны подачи импульсов управления сетевой коммутацией для вентилей 5, 6 и 11, 12 представлены а временной диаграмме 22 соответственно сверху и снизу от оси времени.

Аналогичные зоны для вентилей 3, 4 и 9, 10 изображены на диаграмме 23, для вентилей

1, 2 и 7, 8 — на диаграмме 24.

Как видно из диаграмм 22, 23 и 24 длительность каждой из зоп равна длительности работы фазы двигателя, т. е. 120 эл. град. машины. Зона работы конкретного вентиля преобразователя формируется из зон на диаграммах 20, 22, 23 и 24 rro правилу логического умножения И. Импульс управления соответствующим вентилем формируется в момент начала «своей» зоны. На диаграмме 25 сверху и снизу показаны соответственно зоны работы вентилей 1 и 2. Аналогично диаграммы 26 и 27 иллюстрируют соответственно работу вентилей3,4и5,6.

Если импульс управления сетевой коммутацией следует за импульсом управления машинной коммутацией с интервалом, меньшим

514397 длительности сетевой коммутации, то происходит совпадение коммутаций по времени. Интервалы одновременного протекания коммутаций для взаимной ориентации напряжений сети и двигателя по диаграммам 19 и 21 изображены на диаграмме 28. При этом мгновенное состояние схемы ВД, для момента времени 1 на диаграмме 27 представлено на фиг. 2. Этот момент является началом коммутации тока с фазы 16 EIB фазу 17 двигателя. Р момент (1 на диаграмме 27 начинается очередная сетевая коммутация, получают импульсы управления вентили 6 и 9. Мгновенная схема преобразователя в этом состоянии изображена на фиг. 3. Характерной особенностью ее является наличие вентиля 5, в котором токи машинной и сетевой коммутаций протекают во взаимно противоположных направлениях, что может привести схему к состоянию, показанному на фиг. 4. Отличительной чертой такого состояния является наличие единого контура совместной коммутации нагрузки и сети, в который входят вентили 1, 6, фазы 16 и 17 двигателя, две обмотки реактора и сетевой трансформатор. В результате окончание как сетевой, так и машинной коммутаций может быть только одновременным — после закрытия вентиля 1. Длительность существования мгновенной схемы, показанной на фиг. 4, т. е. длительность совместной коммутации, может отличаться в несколько раз от длительностей разновременно протекающих при данном режиме работы ПЧФ сетевой и нагрузочной коммутаций.

Совпадение коммутаций может явиться как следствием того, что сетевая коммутация началась во время протекания машинной, так и в результате того, что машинная коммутация началась во время протекания сетевой. Первый случай иллюстрирует фиг. 3, второй— фиг. 7.

Если управлением ПЧФ производится по предлагаемому способу, то при совпадении коммутаций за счет включения дополнительного вентиля в ПЧФ образуются один дополнительный контур сетевой коммутации и один дополнительный контур машинной коммутации и схема переходит в состояние, изображенное на фиг. 7. Такое «симметричное» по отношению к коммутирующим напряжениям состояние схемы обеспечивает независимое протекание совпавших коммутаций, позволяя им закончиться в разное время. Так, переход схемы от состояния, показанного на фиг. 7, к состоянию, показанному на фиг. 8, возможен, когда сетевая коммутация короче машинной.

Если совпадение коммутаций произошло в результате начала машинной коммутации во время протекания сетевой (фиг. 6), то для создания искусственных контуров, обеспечивающих независимое окончание коммутаций, необходимо включить вентиль 5. Если сетевая коммутация началась вслед за машинной (фиг.

3), то необходимо включить вентиль 2.

На диаграмме 29 сверху отмечены моменты подачи дополнительных импульсов на вентиль

3, снизу — на вентиль 2, Диаграмма 30 иллюстрирует подачу дополнительных импульсов соответственно на вентили 5 и 6.

Подача дополнительного импульса управления на требуемый вентиль ПЧФ возможна, в частности, двумя путями.

Первый из них основан на том, что искомый вентиль всегда находится в «выключающейся» группе вентилей, причем в той, которая начала коммутировать раньше. Если к совпадению коммутаций привело начало коммутации сетевой вслед за машинной, то для включения требуемого вентиля необходимо и достаточно, чтобы импульс сетевой коммутации подавался не только на вентиль, подключенный к включающейся при коммутации фазе двигателя, но и на вентиль, подключенный к фазе двигателя, выключающейся при данной машинной коммутации, т. е. на вентиль, на который данный импульс сетевой коммутации поступил бы, если бы сетевая коммутан началась раньше машинной. Наиболее просто такой алгоритм управления осуществить, если вне зависимости от взаимной ориентации коммутаций во времени зону подачи импульсов сетевой коммутации на вентили ПЧФ, соответствующую известному способу управления, увеличить путем добавления к ее задней границе дополнительного интервала времени, равного по длительности максимально возможной машинной коммутации. Величина м".êñèìàëüíîé длительности машинной коммутации определяется режимом работы и схемой ПЧФ и для схемы, изображенной на фиг. 1, соответствует 60 эл. град.э,д.с. машины при рекуперации.

Если одновременное протекание коммутаций является следствием того. что машинная коммутация началась при протекании коммутации сетевой, то вентиль, включение которого необходимо для образования требуемых искусственных контуров, получает импульс управления, если удлинить зону подачи импульсов машинной коммутации на величину максимально возможной длительности коммутации сетевой.

Таким образом, первый путь формирования дополнительных импульсов управления состоит в изменении алгоритма распределения импульсов управления ПЧФ.

Сверху от оси времени на диаграмме 31 показаны зоны подачи импульсов управления машинной коммутацией в соответствии с предлагаемым способом на вентили 2, 4, 6, 7, 9, 11, снизу — на вентили 1, 3, 5, 8, 10, 12. Штриховкой помечены части зоны, добавленные в соответствии с предлагаемым способом для формирования требуемых дополнительных импульсов, На диаграммах 32, ЗЗ и 34 аналогично изображены зоны подачи импульсов управления сетевой коммутацией соответственно на вентили 5, 6 и 11, 12; 3, 4 и 9, 10; 1. 2 и 7, 8.

Второй путь подачи дополнительного импульса управления на требуемый вентиль осчован на том, что в момент, когда в результате совпадения коммутаций в схеме происхо514397 дит образование контура совместной коммутации, аналогичного представленному на фиг. 4, на кривой линейного напряжения коммутирующих фаз двигателя появляются пики напряжения с полярностью, противоположной полярности указанного напряжения в момент, непосредственно предшествующий коммутации. На кривых А, Б и B линейных коммутирующих напряжений на фиг. 5 эти пики, Г, видны как перебросы через нуль линейного напряжения двигателя в момент совпадения коммутаций. Эти всплески напряжений двигателя предлагается использовать в качестве информации о необходимости дополнительного импульса управления на ПЧФ.

Условия для включения вентиля 2 в момент, соответствующий фиг. 4, лучше, чем в момент, соответствующий фиг. 3, так как в первом случае вентиль 2 включается под воздействием коммутирующего напряжения сети, а во втором случае это напряжение включает два параллельно включенных вентиля 2 и 6.

Предлагаемый способ пригоден и для схем

ВД с другим числом фаз двигателя или питающей сети. Соответственно изменению числа фаз изменяется лишь длительность зон подачи импульсов управления.

Формула изобретения

1. Способ управления вентильным двигателем е неявным звеном постоянного тока путем подачи на электрические вентили основных импульсов управления, вызывающих начало сетевой и машинной коммутаций, причем зона подачи основных импульсов машинной коммутации составляет 180 эл, град. напряжения сети и зона подачи основных импульсов сетевой коммутации составляет 120 эл. град. э.д.с. машины со случайным взаимным смещением по фазе между основным сетевым и основным машинным импульсами, а выключение элек5 трических вентилей происходит под воздействием соответствующего коммутирующего напряжения между коммутирующими выводами источника (сети или машины), о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения энерге1О тических показателей вентильного двигателя, внутри интервала одновременного протекания сетевой и машинной коммутаций определяют вентиль, включенный между коммутирующими выводами сети и двигателя, проводящее на15 правление которого противоположно направлению коммутирующего напряжения источника, начавшего коммутировать до наступления совпадения коммутаций интервала, и совпадает с направлением тока в том из коммутирующих выводов источника, к которому подключен указанный вентиль, и подают на него дополнительный управляющий импульс.

2. Способ по п. 1, отлич ающийся тем, что указанный дополнительный импульс обра25 зуют посредством продления зон подачи основных импульсов сетевой и машинной коммутаций на угол, соответствующий максимальной длительности коммутации, начавшейся первой.

30 3. Способ по п. 1, отл ич а ющи йся тем, что, с целью улучшения условий для включения электрических вентилей, указанный дополнительный импульс формируют в момент изменения направления напряжения между

35 коммутирующими выводами двигателя по отношению к направлению, которое оно имело непосредственно перед началом машинной коммутации.

514397

Составитель А. Санталов

Техред Е. Подурушина

Редактор Т. Юрчикова

Корректор Т. Гревцова

Типография, пр. Сапунова, 2

Заказ 1305/18 Изд. № 1335 Тираж 882 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5