УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНОЙ МАШИНОЙ Российский патент 2004 года по МПК H02P9/36 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к вентильно-индукторным генераторам, которые могут найти применение в различных транспортных средствах, например в автономных источниках электроэнергии (дизель-генераторы), ветроэнергетических установках и других устройствах малой энергетики, автомобильных генераторах и т.п.

Известно устройство для управления вентильно-индукторным генератором, которое содержит последовательно включенные задатчик и пропорционально-интегральный регулятор мощности, регулятор тока, коммутатор фаз и силовой преобразователь, а также датчик положения ротора, выход которого непосредственно и через блок определения скорости подключен к коммутатору фаз [1].

Это устройство позволяет обеспечить работу индукторной машины в качестве генератора с регулируемой выходной мощностью.

Недостатком этого устройства является то, что оно может работать только при наличии датчика положения ротора, присутствие которого нежелательно вследствие его дороговизны, сложности изготовления и недостаточной надежности в работе.

Ближайшим к предложенному является устройство для управления вентильно-индукторной машиной, содержащее задатчик выходного параметра, подключенный к входу системы управления, выходы которой через коммутатор фаз подключены к входу силового преобразователя, соединенного с фазными обмотками машины, блок определения текущего значения потокосцепления, входы которого соединены с выходом блока определения фазного напряжения и датчиком тока в фазной обмотке машины, а выход подключен к первому входу компаратора, второй вход которого связан с выходом функционального преобразователя, реализующего кривую намагничивания машины при заданном угле коммутации, подключенного своим входом к датчику тока, а выход компаратора соединен с вторым входом коммутатора фаз [2].

Это устройство обеспечивает бездатчиковое управление вентильно-индукторной машиной, но формирует линию переключения фазных обмоток электродвигателя только для одного режима - двигательного. Использовать одну и ту же линию переключения для обоих режимов невозможно, поскольку углы включения фазных обмоток для двигательного и генераторного режимов работы различны. Таким образом, известное устройство не обеспечивает работу машины в генераторном режиме.

Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в обеспечении возможности работы индукторной машины в качестве генератора при бездатчиковой коммутации фазных обмоток.

Поставленная задача решается за счет того, что в известное устройство для управления вентильно-индукторной машиной, содержащее задатчик выходного параметра, подключенный к входу системы управления, выходы которой через коммутатор фаз подключены к входу силового преобразователя, соединенного с фазными обмотками машины, блок определения текущего значения потокосцепления, входы которого соединены с выходом блока определения фазного напряжения и датчиком тока в фазной обмотке машины, а выход подключен к первому входу компаратора, второй вход которого связан с выходом функционального преобразователя, реализующего кривую намагничивания машины при заданном угле коммутации, подключенного своим входом к датчику тока, согласно изобретению введены триггер RS-типа, логические элементы НЕ и И, при этом выход компаратора подключен к S-входу триггера и входу логического элемента НЕ, соединенных своими выходами с входами логического элемента И, выход которого подключен к R-входу триггера и к второму входу коммутатора фаз.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная схема устройства управления вентильно-индукторной машиной, на фиг.2 - зависимости потокосцепления от тока электродвигателя для разных положений ротора.

Устройство для управления вентильно-индукторной машиной (фиг.1) содержит задатчик 1 выходного параметра, подключенный к входу системы 2 управления, выходы которой через коммутатор 3 фаз подключены к входу силового преобразователя 4, соединенного с фазными обмотками 5 машины 6, блок 7 определения текущего значения потокосцепления, входы которого соединены с выходом блока 8 определения фазного напряжения и датчиком 9 тока в фазной обмотке машины, а выход подключен к первому входу компаратора 10, второй вход которого связан с выходом функционального преобразователя 11, реализующего кривую намагничивания машины при заданном угле коммутации, подключенного своим входом к датчику 9 тока, а выход компаратора подключен к S-входу триггера 12 и входу логического элемента НЕ 13, соединенных своими выходами с входами логического элемента И 14, выход которого подключен к R-входу триггера 12 и к второму входу коммутатора 3 фаз.

Система управления в общем случае содержит регуляторы переменных (скорости, тока, мощности) и широтно-импульсный модулятор (ШИМ). Блок 7 определения текущего значения потокосцепления может быть выполнен, например, реализующим зависимость . В этом случае он содержит сумматор 15, первый вход которого соединен с блоком 8 определения фазного напряжения, второй вход через масштабирующий усилитель 16 связан с датчиком 9 тока, а выход сумматора 15 подключен к интегратору 17, выход которого является выходом блока [2].

Силовой преобразователь 4 содержит источник постоянного напряжения (на фиг.1 показаны его выводы “+” и “-”) и мостовые инверторы для каждой фазы, каждый из которых имеет в своем составе управляемые ключи 18 и 19 (так называемые “верхний” и “нижний” ключи) и диоды 20 и 21.

Использование датчика, непосредственно измеряющего фазное напряжение на обмотке машины, не всегда целесообразно. При реализации предлагаемого устройства на базе микроконтроллера иногда проще измерять напряжение в звене постоянного тока преобразователя, которому пропорционально фазное напряжение на обмотке, и фактически умножать его на значение скважности ШИМ для получения сигнала напряжения на фазной обмотке.

Работает устройство следующим образом.

Рассмотрим работу генератора на примере работы одной фазы. Как в известных устройствах, так и в предлагаемом, коммутация фазных обмоток машины 6 осуществляется в функции положения ротора. Текущее значение положения ротора электродвигателя определяется косвенным образом по сигналам с блока 8 определения фазного напряжения и датчика 9 фазного тока.

В соответствии с зависимостью при работе фазы на выходе блока 7 имеем сигнал текущего значения потокосцепления. На рис. 2 изображены кривые намагничивания машины. Кривая θ _расс соответствует рассогласованному положению зубцов статора и ротора машины, т.е. при этом зубец ротора располагается между зубцами статора. Кривая θ _согл соответствует согласованному положению зубцов, при котором ось зубца ротора совпадает с осью зубца статора. Точки, соответствующие заданным значениям потокосцепления ψ _зад для генераторного режима располагаются на кривых намагничивания ψ (i), которые могут располагаться между упомянутыми кривыми для рассогласованного и согласованного положений. Для генераторного режима это кривая ψ (i, θ _{ком ген}), соответствующая θ =θ _{ком ген}.

В процессе работы машины текущее значение потокосцепления изменяется от нулевого значения при θ =θ _расс до значения ψ ₁(i) при θ =θ _{ком ген}. Это так называемая траектория движения изображающей точки ψ (i). Функциональный преобразователь 11 хранит заданную линию переключения ψ _зад(i, θ _{ком ген}) для генераторного режима работы. Для формирования импульса на переключение фаз в генераторном режиме должно быть выполнено условие ψ (t)≤ ψ _зад (i, θ _{ком ген}). При этом в общем случае траектория движения изображающей точки ψ (i) будет пересекать линию переключения в двух точках - сначала в точке "2", а затем в точке "1", что будет вносить нечеткость в работу, поскольку коммутация фаз в генераторном режиме должна происходить в точке "1" (фиг. 2). Как только выполнится условие ψ (t)≤ ψ _зад (i, θ _{ком ген}) на выходе компаратора 10 вырабатывается импульс, который через логические элементы 12-14 подается на вход коммутатора 3 фаз вентильного преобразователя, выходной сигнал которого осуществляет отключение работающей до этого момента фазы и включение следующей путем отключения ключей работающей фазы и включения ключей следующей фазы. Этот же импульс обеспечивает сброс интегратора 17 на нулевое значение, после чего начинается расчет текущего значения потокосцепления следующей, вновь включенной, фазы.

В исходном состоянии на выходе компаратора 10 имеет место сигнал логического “0”, триггер 12 сброшен в состояние Q₁=0, на выходе логического элемента НЕ 13 сигнал Q₂ равен “1”, выходной сигнал Q₃ логического элемента И 14 равен “0”. После включения фазы потокосцепление растет, и в точке “2” (фиг. 2) на выходе компаратора 10 устанавливается “1”, что переключает выход логического элемента НЕ 13 в “0”. Выходной сигнал компаратора 10, равный “1”, устанавливает выходной сигнал триггера Q₁=1, но на выходе логического элемента И 14 сигнал отсутствует, поскольку он определяется как Q₁·_{Q2=1· 0=0.}

При достижении потокосцеплением значения в точке "1" выходной сигнал компаратора 10 переключается в "0", что приводит к появлению на выходах логического элемента НЕ 13 и элемента И 14 сигналов логической "1". Этот импульс осуществляет перекоммутацию фаз и одновременно сбрасывает триггер 17 в исходное состояние, при котором Q₁=0. Далее процесс повторяется для другой фазы.

Напряжение на фазной обмотке машины может быть измерено непосредственно, а в случае отсутствия в машине датчика фазного напряжения этот параметр определяют путем измерения напряжения в звене постоянного тока преобразователя и фактического умножения его на значение скважности ШИМ.

Таким образом, введение в устройство логических элементов позволяет обеспечить работу вентильно-индукторной машины в генераторном режиме при бездатчиковой коммутации фаз.

Источники информации

1. Torrey D.A. Switched Generators and Their Control. - IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, 2002, vol.49, No.1, с.3-15.

2. Бычков М.Г. Способ управления вентильно-индукторным электроприводом и устройство для его осуществления / Патент РФ №2182743, кл. Н 02 Р 6/18, Н 02 К 29/06, заявл. 27.09.2000, опубл. 20.05.2002, БИ №14.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в вентильно-индукторных генераторах, которые могут найти применение в различных транспортных средствах, ветроэнергетических установках и других устройствах малой энергетики и т.п. Техническим результатом является обеспечение работы вентильно-индукторной машины в генераторном режиме при бездатчиковой коммутации фаз. В устройстве для управления вентильно-индукторной машиной, обеспечивающем бездатчиковую коммутацию фаз, введены триггер RS-типа и логические элементы НЕ и И, при этом выход схемы, формирующей импульс на переключение фаз, подключен к S-входу триггера и входу логического элемента НЕ, соединенных своими выходами с входами логического элемента И, выход которого подключен к R-входу триггера и к второму входу коммутатора фаз. 2 ил.

Устройство для управления вентильно-индукторной машиной, содержащее задатчик выходного параметра, подключенный ко входу системы управления, выходы которой через коммутатор фаз подключены ко входу силового преобразователя, соединенного с фазными обмотками машины, блок определения текущего значения потокосцепления, входы которого соединены с выходом блока определения фазного напряжения и датчиком тока в фазной обмотке машины, а выход подключен к первому входу компаратора, второй вход которого связан с выходом функционального преобразователя, реализующего кривую намагничивания машины при заданном угле коммутации, подключенного своим входом к датчику тока, при этом в него введены триггер RS-типа, логические элементы НЕ и И, выход компаратора подключен к S-входу триггера и входу логического элемента НЕ, соединенных своими выходами со входами логического элемента И, выход которого подключен к R-входу триггера и ко второму входу коммутатора фаз, а на выходе компаратора вырабатывается импульс, обеспечивающий сброс интегратора в составе блока определения текущего значения потокосцепления.