ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД Российский патент 2005 года по МПК H02P6/18 H02K29/06 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к вентильно-индукторным электроприводам механизмов, где требуются как двигательный, так и генераторный режим работы. Такие режимы необходимы в электроприводах с активным характером момента нагрузки (электрический транспорт, подъемно-транспортные установки и т.п.), а также в высокодинамичных электроприводах для обеспечения требуемого темпа снижения скорости, где могут иметь место относительно длительные участки генераторного режима.

Известен вентильно-индукторный электропривод, который содержит последовательно включенные задатчик скорости, пропорционально-интегральный регулятор скорости, регулятор тока, силовой преобразователь и электродвигатель, а также датчик положения ротора, выход которого через блок определения скорости подключен к логическому устройству переключения режимов работы [1].

Этот электропривод обеспечивает работу в двигательном и генераторном режимах. При этом в двигательном режиме угол включения изменяется в функции скорости. Переключение с двигательного на генераторный режим в этом электроприводе осуществляется по знаку сигнала рассогласования заданного и текущего значений скорости. Таким образом, регулятор скорости является тем узлом электропривода, знак выходного сигнала которого определяет режим его работы - двигательный или генераторный. Генераторный режим (режим рекуперации) обеспечивается работой фазы электродвигателя на участке спадания магнитной проводимости, при этом развивается тормозной момент и осуществляется преобразование механической энергии в электрическую. При работе в генераторном режиме в этом электроприводе углы включения и отключения фиксированные.

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

Ближайшим к предлагаемому является вентильно-индукторный электропривод, содержащий блок задания режима работы и задатчик напряжения, подключенные ко входам системы управления, выходы которой через коммутатор фаз подключены ко входу силового преобразователя, питающего фазные обмотки электродвигателя, блок определения текущего значения потокосцепления, первый вход которого соединен с выходом блока определения фазного напряжения, а второй вход - с датчиком тока, подключенным также к третьему входу системы управления и входу функционального преобразователя, реализующего кривую намагничивания электродвигателя при заданном угле коммутации двигательного режима, а выход блока определения текущего значения потокосцепления соединен с одним из входов компаратора, второй вход которого связан с выходом функционального преобразователя, реализующего кривую намагничивания электродвигателя, а выход компаратора подключен к второму входу коммутатора фаз [2].

Этот электропривод обеспечивает бездатчиковое управление вентильно-индукторным электроприводом, 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 фазной обмотки для двигательного и генераторного режимов различны. Таким образом, известный электропривод не обеспечивает работу в генераторном режиме.

Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в обеспечении возможности работы электропривода без датчика положения ротора в двигательном и генераторном режимах, что требуется для многих промышленных механизмов.

Поставленная задача решается за счет того, что в известный вентильно-индукторный электропривод, содержащий блок задания режима работы и задатчик напряжения, подключенные ко входам системы управления, выходы которой через коммутатор фаз подключены ко входу силового преобразователя, питающего фазные обмотки электродвигателя, блок определения текущего значения потокосцепления, первый вход которого соединен с выходом блока определения фазного напряжения, а второй вход - с датчиком тока, подключенным также к третьему входу системы управления и входу первого функционального преобразователя, реализующего кривую намагничивания электродвигателя при заданном угле коммутации двигательного режима, а выход блока определения текущего значения потокосцепления соединен с одним из входов компаратора, согласно изобретению, введены второй функциональный преобразователь, реализующий кривую намагничивания при заданном угле коммутации генераторного режима, два двухпозиционных переключателя, триггер RS-типа, логические элементы НЕ и И, при этом вход второго функционального преобразователя соединен с выходом датчика тока, выходы первого и второго функциональных преобразователей порознь соединены с неподвижными контактами первого двухпозиционного переключателя, его подвижный контакт соединен со вторым входом компаратора, выход которого подключен к одному из неподвижных контактов второго двухпозиционного переключателя, к S-входу триггера и входу логического элемента НЕ, соединенных своими выходами со входами логического элемента И, выход которого подключен к R-входу триггера, ко второму неподвижному контакту второго двухпозиционного переключателя, подвижный контакт которого соединен со вторым входом коммутатора фаз, причем управляющие цепи первого и второго двухпозиционных переключателей соединены с блоком задания режима работы.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная схема вентильно-индукторного электропривода, на фиг.2 и фиг.3 - варианты выполнения узлов схемы электропривода при разных способах коммутации ключей преобразователя, на фиг.4 - зависимости потокосцепления от тока электродвигателя для разных положений ротора, на фиг 5 - кривые изменения фазных токов и магнитной проводимости от времени для двигательного (а) и генераторного (б) режимов работы.

Вентильно-индукторный электропривод (фиг.1) содержит блок 1 задания режима работы и задатчик 2 напряжения, подключенные ко входам системы 3 управления, выходы которой через коммутатор 4 фаз подключены ко входу силового преобразователя 5, питающего фазные обмотки 6 электродвигателя 7, блок 8 определения текущего значения потокосцепления, первый вход которого соединен с выходом блока 9 определения фазного напряжения, а второй вход - с датчиком 10 тока, подключенным также к третьему входу системы 3 управления и входу функционального преобразователя 11, реализующего кривую намагничивания электродвигателя при заданном угле коммутации двигательного режима, а выход блока 8 определения текущего значения потокосцепления соединен с одним из входов компаратора 12. Электропривод также содержит второй функциональный преобразователь 13, реализующий кривую намагничивания электродвигателя 7 при заданном угле коммутации генераторного режима, двухпозиционные переключатели 14 и 15, триггер RS-типа 16, логический элемент НЕ 17 и логический элемент И 18, при этом вход функционального преобразователя 13 соединен с выходом датчика 10 тока, выходы функциональных преобразователей 11 и 13 порознь соединены с неподвижными контактами двухпозиционного переключателя 14, его подвижный контакт соединен со вторым входом компаратора 12, выход которого подключен к одному из неподвижных контактов двухпозиционного переключателя 15, а также к S-входу триггера 16 и входу логического элемента НЕ 17, соединенных своими выходами со входами логического элемента И 18, выход которого подключен к R-входу триггера 16, ко второму неподвижному контакту двухпозиционного переключателя 15, подвижный контакт которого соединен со вторым входом коммутатора 4 фаз, а управляющие цепи двухпозиционных переключателей 14 и 15 соединены с блоком 1 задания режима работы.

Блок 8 определения текущего значения потокосцепления может быть выполнен, например, реализующим зависимость ψ(t)=∫(U-iR)dt. В этом случае он содержит сумматор 19 (фиг.1), первый вход которого соединен с блоком 9 определения фазного напряжения, второй вход через масштабирующий усилитель 20 связан с датчиком 10 тока, а выход сумматора 19 подключен к интегратору 21, выход которого является выходом блока 8 [3].

Силовой преобразователь 5 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 22 и 23 (так называемые «верхний» и «нижний» ключи) и диоды 24 и 25. Выход логического элемента И 18 подключен также ко входу сброса интегратора 21.

Система управления в общем случае содержит регуляторы параметров электропривода (скорости, тока) и широтно-импульсный модулятор (ШИМ).

Использование датчика, непосредственно измеряющего фазное напряжение на обмотке, 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 умножать его на значение скважности ШИМ для получения сигнала напряжения на фазной обмотке. Для разных способов коммутации ключей преобразователя выполнение узла 9 определения фазного напряжения будет различным.

На фиг.2 показано выполнение узла 9 для так называемого режима "hard chopping", когда одновременно включаются и отключаются "верхний" и "нижний" ключи преобразователя (ключи 22 и 23).

В этом случае узел 9 определения фазного напряжения содержит датчик 26 напряжения звена постоянного тока преобразователя 5, выход которого подключен к одному неподвижному контакту двухпозиционного переключателя 27 непосредственно, а к другому - через инвертирующий усилитель 28, цепь управления двухпозиционного переключателя 27 соединена с выходом системы управления 3, а подвижный контакт переключателя 27 является выходом блока 9.

На фиг.3 показано выполнение узла 9 определения фазного напряжения для так называемого режима "soft chopping", при котором переключается один из управляемых ключей, а в второй остается постоянно включенным.

В этом случае узел 9 (фиг.3) определения фазного напряжения также содержит датчик 26 напряжения звена постоянного тока преобразователя 5, выход которого с одной стороны через нормально открытый управляемый ключ 29, а с другой - через инвертирующий усилитель 28 и нормально закрытый управляемый ключ 30 подключен к выходу узла 9. Управление ключами 29 и 30 осуществляется посредством логических схем И 31 и ИЛИ 32 сигналами с выхода системы управления 3.

Работает устройство следующим образом.

Рассмотрим работу электропривода на примере работы одной фазы электродвигателя. Как в прототипе, так и в предлагаемом устройстве, коммутация фазных обмоток электродвигателя 7 в двигательном и генераторном режимах осуществляется в функции положения ротора. Текущее положение ротора электродвигателя определяется косвенным образом в блоке 8 по сигналам с блока 9 определения фазного напряжения и датчика 10 фазного тока.

Далее обозначены:

i - мгновенное значение тока включенной фазы,

θ_ком - угловое положение ротора, при котором производится переключение фазных обмоток.

В соответствии с зависимостью ψ(t)=∫(U-iR)dt при работе фазы на выходе блока 8 имеем сигнал текущего значения потокосцепления. На фиг.4 изображены кривые намагничивания электродвигателя. Точки, соответствующие заданным значениям потокосцепления ψ_зад для двигательного и генераторного режимов, располагаются на кривых намагничивания ψ(i). Для разных режимов эти кривые различны: для двигательного режима это кривая ψ(i, θ_ком.дв), соответствующая углу θ=θ_ком.дв, а для генераторного - кривая ψ(i, θ_ком.дв), соответствующая θ=θ_{ком.ген}. Кривая θ_pacc соответствует рассогласованному положению зубцов статора и ротора, 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.

В процессе работы электропривода в двигательном режиме текущее значение потокосцепления изменяется от нулевого значения при θ=θ_расс до значения ψ₁(i) при θ=θ_ком.дв. Это так называемая траектория движения изображающей точки ψ(i). Как только текущее значение ψ(t) превысит значение ψ_зад(i, θ_ком.дв), т.е. выполнится условие ψ(t) (ψ_зад(i, θ_ком.дв), на выходе компаратора 12 вырабатывается импульс, который подается на вход коммутатора 4 фаз, выходной сигнал которого осуществляет отключение работающей до этого момента фазы и включение следующей путем отключения ключей работающей фазы и включения ключей следующей фазы силового преобразователя. Этот же импульс обеспечивает сброс интегратора 21 на нулевое значение, после чего начинается расчет текущего значения потокосцепления следующей, вновь включенной фазы.

Кривая, соответствующая линии переключения для двигательного режима работы, вводится в функциональный преобразователь 11. Если в тот же функциональный преобразователь вместо кривой переключения для двигательного режима ввести кривую для генераторного режима работы, то устройство не будет функционировать должным образом. Объясняется это тем, что θ_{ком.ген}>θ_ком.дв (за нулевое принято значение угла при согласованном положении зубцов статора и ротора) и для формирования импульса на переключение фаз в генераторном режиме должно быть выполнено условие ψ(t)≤ψ_зад(i, θ_{ком.ген}), которое по знаку неравенства противоположно двигательному режиму. При этом в общем случае траектория движения изображающей точки ψ(i) будет пересекать новую линию переключения в двух точках - сначала в точке "3", а затем в точке "2", что будет вносить нечеткость в работу, поскольку коммутация фаз в генераторном режиме должна происходить в точке "2" (фиг.4).

Для исключения такой нечеткости в электропривод введен функциональный преобразователь 13, в котором хранится заданная линия переключения ψ_зад(i, θ_{ком.ген}) для генераторного режима работы.

В двигательном режиме на выходе узла 1 имеет место сигнал логической "1", при этом переключатели 14 и 15 находятся в "верхнем" положении и на вход компаратора 12 поступает сигнал ψ_зад(i) с функционального преобразователя 11, а выходной сигнал компаратора 12 непосредственно подается на коммутатор фаз 4 и вход сброса интегратора 21.

В генераторном режиме на выходе узла 1 имеет место сигнал логического "0", при этом переключатели 14 и 15 находятся в «нижнем» положении и на вход компаратора 12 поступает сигнал ψ_зад(i) с функционального преобразователя 13, а выходной сигнал компаратора 12 подается на коммутатор фаз 4 и вход сброса интегратора 21 через логические элементы 16-18.

В исходном состоянии на выходе компаратора 12 имеет место сигнал логического «0», триггер 16 сброшен в состояние Q₁=0, на выходе логического элемента НЕ 17 сигнал Q₂ равен «1», выходной сигнал Q₃ логического элемента И 18 равен «0». После включения фазы потокосцепление растет, и в точке «3» (фиг.4) на выходе компаратора 12 устанавливается «1», что переключает выход логического элемента НЕ 17 в «0». Выходной сигнал компаратора 12, равный «1», устанавливает выходной сигнал триггера Q₁=1, но на выходе логического элемента И 18 сигнал отсутствует, поскольку он определяется как

Q₁·(Q₂=1·0=0.

При достижении текущим значением потокосцепления значения в точке "2" выходной сигнал компаратора 12 переключается в "0", что приводит к появлению на выходах логического элемента НЕ 17 и элемента И 18 сигналов логической "1". Этот импульс осуществляет перекоммутацию фаз и одновременно сбрасывает триггер 16 в исходное состояние, при котором Q₁=0. Далее процесс повторяется для другой фазы.

В случае отсутствия в электроприводе датчика фазного напряжения этот параметр определяют путем измерения напряжения в звене постоянного тока преобразователя и фактического умножения его на значение скважности ШИМ.

При этом для так называемого режима "hard chopping" (фиг.2) в двигательном режиме (наличие сигнала логической "1" на выходе узла 1 соответствует двигательному режиму) выходные сигналы системы 3 управления обеспечивают при помощи ШИМ регулирование на выходе силового преобразователя 5 среднего значения напряжения, подаваемого на фазную обмотку 6 электродвигателя 7. Регулирование среднего значения напряжения обеспечивается одновременной коммутацией двух силовых ключей 22 и 23 преобразователя 5. При включении силовых ключей переключатель 27 находится в «нижнем» положении и подает напряжение питания +U_ИП непосредственно на вход блока 8 определения текущего положения ротора (на вход сумматора 19). При отключенных силовых ключах 22 и 23 переключатель находится в "верхнем" положении и на вход сумматора 19 подается напряжение -U_ИП.

Для перехода в генераторный режим значение сигнала на выходе узла 1 устанавливается в "0". При этом отрицательное значение напряжения U_ф на фазной обмотке 6 электродвигателя 7 обеспечивается изменением скважности сигналов на выходе системы управления.

Если в преобразователе для регулирования U_Ф используется режим коммутации ключей "soft chopping", то для получения 0≤U_Ф≤U_ИП один из силовых ключей, например ключ 23, постоянно включен, а изменяется скважность включения другого ключа - ключа 22. При этом ключ 30 (фиг.3) постоянно разомкнут, а ключ 29 переключается синхронно со скважностью силового ключа 22.

Для получения -U_ИП≤U_ф<0 один из силовых ключей, например ключ 22, постоянно отключен, а изменяется скважность отключенного состояния другого силового ключа. При этом ключ 29 постоянно разомкнут, а ключ 30 переключается синхронно со скважностью силового ключа.

Для поддержания тока в генераторном режиме на некотором заданном уровне I_{м, ген} в системе управления может быть предусмотрен релейный регулятор тока фазы (РРТ) с так называемым «двойным» токовым коридором, имеющим две уставки срабатывания I_м,дв и I_{м, ген}, причем I_{м, дв}<I_{м, ген}.

Таким образом, введение в электропривод второго функционального преобразователя и логических элементов с переключателями позволяют обеспечить его работу в генераторном режиме.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Miller T.J.E. Switched Reluctance Drive and Their Control. - Oxford: Magna Physics Publishing and Clarendon Press, 1993, с.106.

2. Discrete position estimator for a switched reluctance machine using a fluxcurrent map comparator/ Патент США №5140243, кл. Н 02 Р 8/00, 318/701, опубл. 18.08.92 - прототип.

3. 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. Бюл. №14.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах механизмов, где требуются как двигательный, так и генераторный режим работы (электроприводы с активным характером момента нагрузки), в высокодинамичных электроприводах, в которых могут иметь место относительно длительные участки генераторного режима. Техническим результатом является обеспечение возможности работы электропривода без датчика положения ротора в двигательном и генераторном режимах. В вентильно-индукторный электропривод с бездатчиковой коммутацией фаз введен функциональный преобразователь, реализующий кривую намагничивания при заданном угле коммутации генераторного режима, и логические элементы с переключателем, обеспечивающие использование разных кривых намагничивания в двигательном и генераторном режимах работы электропривода. 5 ил.

Вентильно-индукторный электропривод, содержащий блок задания режима работы и задатчик напряжения, подключенные ко входам системы управления, выходы которой через коммутатор фаз подключены ко входам силового преобразователя, питающего фазные обмотки электродвигателя, блок определения текущего значения потокосцепления, первый вход которого соединен с блоком определения фазного напряжения, в второй - с датчиком тока, подключенным также к третьему входу системы управления и входу первого функционального преобразователя, реализующего кривую намагничивания электродвигателя при заданном угле коммутации двигательного режима, а выход блока определения текущего значения потокосцепления соединен с одним из входов компаратора, при этом в него введены второй функциональный преобразователь, реализующий кривую намагничивания при заданном угле коммутации генераторного режима, два двухпозиционных переключателя, триггер RS-типа, логические элементы НЕ и И, вход второго функционального преобразователя соединен с выходом датчика тока, выходы первого и второго функциональных преобразователей порознь соединены с неподвижными контактами первого двухпозиционного переключателя, его подвижный контакт соединен со вторым входом компаратора, выход которого подключен к одному из неподвижных контактов второго двухпозиционного переключателя, к S-входу триггера и входу логического элемента НЕ, соединенных своими выходами со входами логического элемента И, выход которого подключен к R-входу триггера, ко второму неподвижному контакту второго двухпозиционного переключателя, подвижный контакт которого соединен со вторым входом коммутатора фаз, причем управляющие цепи первого и второго двухпозиционных переключателей соединены с блоком задания режима работы и на выходе компаратора вырабатывается импульс, обеспечивающий сброс интегратора в составе блока определения текущего значения потокосцепления.