СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ С ПРЯМЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ТОКОМ Российский патент 2018 года по МПК H02P27/06 H02P27/10 

Изобретение относится к электротехнике, а точнее к системам управления, реализующим прямое управление током в мостовых преобразователях частоты.

Известен преобразователь частоты с прямым управлением током (см. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. Учебник. Высшее профессиональное образование. Москва, Academia, 2006. 265 с., С. 102-104.).

Описанный в данном источнике преобразователь представляет собой автономный 3-фазный мостовой инвертор напряжения, нагруженный на 3-фазную нагрузку, например, на обмотку трехфазного электродвигателя, соединенную в «звезду». Полупроводниковые ключи каждого фазного плеча инвертора управляются от двухпозиционных регуляторов, имеющих гистерезисную характеристику. Управляющими сигналами являются синусоидальные сигналы задания фазных токов , , , генерирующиеся в 3-х каналах формирователя сигналов задания фазных токов и подающиеся на сумматоры, на вторые (инверсные) входы которых подаются измеренные значения фазных токов нагрузки инвертора , , . На выходах сумматоров появляются сигналы рассогласования , , , которые, в свою очередь, подаются на входы гистерезисных регуляторов.

Гистерезисный регулятор имеет два выхода, каждый из которых управляет одним из ключей фазного плеча инвертора. Регулятор может находиться в одном из двух устойчивых состояний, каждому из которых соответствует активное состояние одного из выходов и пассивное - другого. При этом ток в фазе нагрузки следует за сигналом задания тока с максимальным рассогласованием, зависящим от ширины петли гистерезиса. Другими словами, форма фазного тока представляет собой «токовый коридор», средней линией которого является синусоидальный сигнал задания фазного тока, а ширина его определяется шириной петли гистерезиса гистерезисного регулятора.

Недостатком данного устройства является избыточное число датчиков тока и каналов формирователя управляющих синусоидальных сигналов задания фазных токов, что, с одной стороны, увеличивает стоимость устройства, а с другой, увеличивает степень несогласованности работы. Такая несогласованность имеет объективную природу, связанную с тем, что число регуляторов больше, чем число независимых переменных, как и отмечено в прототипе.

Известно, что сумма мгновенных значений токов нагрузки при соединении в «звезду» без нулевого провода равна нулю, а сумма сигналов с выходов реальных датчиков тока никогда не будет идеально равна нулю из-за разброса характеристик датчиков тока и согласующих усилителей. Сумма управляющих сигналов также должна быть равной нулю, а следовательно, и сумма сигналов рассогласования:

,

так что разброс характеристик каналов формирователя управляющих сигналов задания фазных токов и разброс характеристик сумматоров лишь усугубляет ситуацию.

Как отмечено в вышеуказанном источнике, это может в ряде случаев приводить к появлению нежелательных комбинаций состояний коммутируемых ключей, что, в свою очередь, приводит к возможности возникновения автоколебательных режимов с устойчивым предельным циклом и, как следствие, к превышению ошибкой регулирования границы, определяемой шириной петли гистерезиса, т.е. к выбросам фазного тока за ширину «токового коридора».

Известна также система управления с релейным контуром тока (см. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока / ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». Иваново, 2008. 298 с. ISBN, С. 110). Здесь рассматривается аналогичная система, но число датчиков фазного тока равно 2 (на 1 меньше числа фаз), а ток третьей фазы вычисляется в сумматоре, реализующем функцию .

Недостатком данного устройства также является избыточное число каналов формирователя управляющих синусоидальных сигналов задания фазных токов, что, с одной стороны, увеличивает стоимость устройства, а с другой, увеличивает степень несогласованности работы.

Другим недостатком описанных устройств является невозможность регулировать ширину «токового коридора» из-за нерегулируемой ширины петли гистерезиса в гистерезисном регуляторе.

Предлагаемое изобретение направлено на упрощение и удешевление устройства за счет устранения одного канала формирователя управляющих сигналов задания фазных токов и на повышение качества формирования фазных токов за счет увеличения степени согласованности работы устройства. Устранив из системы избыточный канал формирователя и сумматор, добавляем лишь один добавочный сумматор, и теперь только неидеальность его характеристик, то есть одного элемента вместо двух, определяет несогласованность устройства.

Предлагаемое изобретение направлено также на повышение гибкости системы управления за счет применения гистерезисного регулятора с регулируемой петлей гистерезиса.

В системе управления преобразователе частотам с прямым управлением током, представляющим собой m-фазный мост, содержащий m плечей, каждое из которых содержит верхний и нижний полупроводниковые ключи, каждый из которых имеет вход управления, на которые подаются сигналы управления через согласующие устройства (драйверы ключей), и обратные диоды, причем точки соединения верхнего и нижнего полупроводниковых ключей образуют m выходов для подключения m-фазной нагрузки, соединенной в звезду, содержащей m-1 датчиков фазных токов нагрузки (далее - токов), формирователь сигналов, имеющий выходы, сигналы на которых соответствуют заданному мгновенному значению фазных токов нагрузки (далее - формирователь заданных токов), сумматоры, каждый из которых имеет первый и второй входы и выход и реализует формулу , где , и U_выx - напряжения, соответствующие сигналам на первом и втором входах и выходе соответственно, причем на первый вход каждого сумматора поступает сигнал мгновенного значения тока соответствующей фазы, ко второму входу каждого сумматора подключен выход формирователя заданного тока соответствующей фазы, а также m гистерезисных переключателей, каждый из которых имеет один вход и два выхода, причем вход каждого из m-1 гистерезисного переключателя подключен к выходу соответствующего сумматора, а выходы связаны через драйверы с соответствующими входами управления полупроводниковых ключей преобразователя, при этом величина гистерезиса каждого из гистерезисных переключателей определяет ширину «токового коридора» соответствующего фазного тока, согласно данному заявлению, число сумматоров и каналов формирователя заданных токов равно m-1, при этом система управления содержит дополнительный сумматор, имеющий m-1 входов и выход, причем каждый из m-1 входов дополнительного сумматора подключен к выходу одного из m-1 сумматоров, а выход - ко входу m-го гистерезисного переключателя, при этом дополнительный сумматор реализует формулу .

Структура предлагаемого устройства показана на прилагаемом чертеже (фиг. 1).

В частных случаях, описанных ниже, преобразователь частоты может дополнительно характеризоваться тем, что каждый из гистерезисных переключателей имеет дополнительный вход регулировки ширины петли гистерезиса, и на дополнительные входы всех гистерезисных переключателей подается сигнал с регулируемым уровнем, что обеспечивает регулируемую ширину «токового коридора».

Предлагаемая система управления может быть реализована как на основе микроконтроллера, так и на аналоговых и цифровых дискретных элементах. Формирователь заданного напряжения может быть реализован программно, а выходы его каналов могут представлять собой цифроаналоговые преобразователи (ЦАП). Сумматоры могут быть реализованы на операционных усилителях, гистерезисный регулятор - на компараторе с положительной обратной связью и цифровых или аналоговых элементах, формирующих два взаимно инверсных сигнала для полупроводниковых ключей плеча преобразователя с вырезкой из них «мертвого времени». Гистерезисный регулятор с регулируемой шириной петли гистерезиса может быть собран на двух компараторах, RS-триггере и операционном усилителе, формирующем из сигнала регулировки ширины токового коридора (ШТК) пороговые уровни для обоих компараторов.

Технический эффект настоящего изобретения состоит в упрощении, удешевлении, улучшении качества работы и увеличении гибкости системы управления.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах управления, реализующих прямое управление током в мостовых преобразователях частоты. Техническим результатом является повышение качества формирования фазных токов за счет увеличения степени согласованности работы устройства и упрощение. Система управления преобразователем частоты с прямым управлением током, представляющим собой m-фазный мост, содержит m плечей, составленных из полупроводниковых ключей и обратных диодов, и m выходов для подключения m-фазной нагрузки, соединенной в звезду; датчики фазных токов нагрузки, формирователь заданных токов, сумматоры, каждый из которых имеет первый и второй входы и выход и реализует формулу , где , и U_вых - напряжения, соответствующие сигналам на первом и втором входах и выходе соответственно. На первый вход каждого сумматора подается сигнал мгновенного значения тока соответствующей фазы, ко второму входу каждого сумматора подключен выход формирователя заданного тока соответствующей фазы. Система управления содержит m гистерезисных переключателей, каждый из которых имеет один вход и два выхода; вход каждого из m-1 гистерезисного переключателя подключен к выходу соответствующего сумматора, а выходы связаны через согласующие устройства с соответствующими входами управления полупроводниковых ключей. Величина гистерезиса каждого из гистерезисных переключателей определяет ширину «токового коридора» соответствующего фазного тока, при этом число сумматоров и каналов формирователя заданных токов равно m-1. Система управления содержит дополнительный сумматор, имеющий m-1 входов и выход. Каждый из m-1 входов дополнительного сумматора подключен к выходу одного из m-1 сумматоров, а выход - ко входу га-го гистерезисного переключателя. Дополнительный сумматор реализует формулу .

Каждый из гистерезисных переключателей может иметь дополнительный вход регулировки ширины петли гистерезиса, на которые подается сигнал с регулируемым уровнем, что обеспечивает регулируемую ширину «токового коридора». 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система управления преобразователем частоты с прямым управлением током, представляющим собой m-фазный мост, содержащий m плечей, каждое из которых содержит верхний и нижний полупроводниковые ключи, каждый из которых имеет вход управления, на которые подаются сигналы управления через согласующие устройства (драйверы ключей), и обратные диоды, причем точки соединения верхнего и нижнего полупроводниковых ключей образуют m выходов для подключения m-фазной нагрузки, соединенной в звезду, содержащая m-1 датчиков фазных токов нагрузки (далее - токов), формирователь сигналов, имеющий выходы, сигналы на которых соответствуют заданному мгновенному значению фазных токов нагрузки (далее - формирователь заданных токов), сумматоры, каждый из которых имеет первый и второй входы и выход и реализует формулу , где и - напряжения, соответствующие сигналам на первом и втором входах и выходе соответственно, причем на первый вход каждого сумматора подается сигнал мгновенного значения тока соответствующей фазы, ко второму входу каждого сумматора подключен выход формирователя заданного тока соответствующей фазы, а также m гистерезисных переключателей, каждый из которых имеет один вход и два выхода, причем вход каждого из m-1 гистерезисного переключателя подключен к выходу соответствующего сумматора, а выходы связаны через драйверы с соответствующими входами управления полупроводниковых ключей преобразователя, при этом величина гистерезиса каждого из гистерезисных переключателей определяет ширину «токового коридора» соответствующего фазного тока, отличающаяся тем, что число сумматоров и каналов формирователя заданных токов равно m-1, при этом система управления содержит дополнительный сумматор, имеющий m-1 входов и выход, причем каждый из m-1 входов дополнительного сумматора подключен к выходу одного из m-1 сумматоров, а выход - ко входу m-го гистерезисного переключателя, при этом дополнительный сумматор реализует формулу

.

2. Система управления преобразователем частоты по п. 1, отличающаяся тем, что каждый из гистерезисных переключателей имеет дополнительный вход регулировки ширины петли гистерезиса, и на дополнительные входы всех гистерезисных переключателей подается сигнал с регулируемым уровнем, что обеспечивает регулируемую ширину «токового коридора».