УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТАМИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ПРИВОДА С ПЕРЕМЕННОЙ СКОРОСТЬЮ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВЫПРЯМЛЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ Российский патент 2023 года по МПК H02P27/08 H02M5/458 B60L9/28 

Область техники изобретения

Изобретение относится к управлению приводом с переменной скоростью, отвечающим за энергоснабжение такого электрического устройства, как, например, электродвигатель.

Уровень техники

Согласно одной топологии мощности, высокое напряжение обеспечивается приводом с переменной скоростью, за счет последовательного соединения определенного количества преобразователей низкого напряжения (которые далее называются элементами электропитания или «power cell» по–английски). Управление этими элементами электропитания позволяет подавать напряжение на множестве уровней, или многоуровневое, причем каждый элемент электропитания добавляет напряжение, позволяющее получать последовательные уровни напряжения.

Под низким напряжением согласно европейским стандартам понимают напряжения, составляющие в среднем 0–1000 вольт переменного тока (AC) и 0–1500 вольт постоянного тока (DC). Под высоким напряжением понимают напряжения в среднем более 1000 вольт переменного тока и более 1500 вольт постоянного тока.

Например, привод с переменной скоростью может включать в себя N элементов электропитания, причем N больше или равно 2. Когда привод с переменной скоростью обеспечивает трехфазное электропитание, он может содержать 3*N элементов электропитания, причем N элементов электропитания предназначены для каждой из трех фаз.

В топологиях многоуровневых приводов с переменной скоростью могут быть доступны лишь измерения напряжения на двигателе, для снижения стоимости продукта, а не отдельные выпрямленные напряжения или напряжения DC шины DC. Эти выпрямленные напряжения соответствуют напряжениям на выходе выпрямительного моста (главным образом, диодного моста или тиристорного моста) на входе каждого из элементов электропитания привода с переменной скоростью.

В вышеупомянутой многоуровневой архитектуре, выходные напряжения каждого элемента электропитания генерируются при приложении коэффициента заполнения (рабочего цикла, duty cycle) к выпрямленному напряжению элемента электропитания. Таким образом, выпрямленное напряжение или напряжение на шине DC каждого элемента электропитания необходимо для расчета коэффициентов заполнения, применяемых для достижения целевого выходного напряжения на двигателе.

Согласно решениям из уровня техники рассматривается фиксированное выпрямленное напряжение, общее для всех элементов электропитания, исходя из теоретического значения напряжения шин DC в идеальном случае.

Однако, такое решение влечет за собой погрешность для выходного напряжения, прикладываемого к двигателю, поскольку на практике выпрямленные напряжения элементов электропитания отличны друг от друга. Действительно, существуют различные помехи, которые влияют на уровни выпрямленных напряжений каждого элемента электропитания (напряжение на входе привода с переменной скоростью, трансформатора, и т.д.).

Такую погрешность можно скомпенсировать путем измерений напряжений двигателя, что, тем не менее, предполагает наличие точных датчиков напряжения двигателя, так что блок корректировки может получать напряжения, генерируемые на выходе привода с переменной скоростью. Таким образом, эталонные напряжения могут быть образованы из двух составляющих: постоянной составляющей и корректировки, исходящей от блока корректировки.

Чем больше погрешность постоянной составляющей, в котором использованы сведения о выпрямленных напряжениях, тем больше блок корректировки должен действовать для устранения этой погрешности. Поэтому, выработка напряжения будет зависеть от динамического режима блока корректировки и влиять на общую эффективность управления.

Более того, для диагностики элементов электропитания могут быть предусмотрены дополнительные датчики. Например, может быть предусмотрен датчик температуры на трансформаторе, например, перед приводом с переменной скоростью. Однако, для ступени входа привода с переменной скоростью никакая диагностика не предусмотрена.

Таким образом, существует потребность в улучшении управления выходным напряжением, подаваемым приводом с переменной скоростью на двигатель, с устранением различных помех системы преобразования электрической мощности (переменный коэффициент усиления трансформатора, простои при коммутации переключателей элементов электропитания).

Настоящее изобретение преодолевает вышеупомянутые недостатки.

Сущность изобретения

Первый аспект изобретения относится к способу определения выпрямленных напряжений элементов электропитания привода с переменной скоростью, отвечающего за электропитание электрического устройства, причем привод с переменной скоростью содержит Ni элементов электропитания низкого напряжения, соединенных последовательно для каждой фазы из множества фаз, причем N больше или равно 2, а i представляет собой индекс фазы. Способ включает в себя следующие операции:

повторение следующих Р итераций, где P – предварительно заданное целое число, большее или равное 2:

– активация по меньшей мере одного элемента одной или нескольких фаз и деактивация других элементов электропитания привода с переменной скоростью, причем по меньшей мере один активированный элемент выбирают, исходя из заданных команд активации, в зависимости от индекса итерации;

– прием по меньшей мере одного выходного напряжения привода с переменной скоростью на выводах электрического устройства по меньшей мере для одной фазы;

причем способ дополнительно включает в себя по окончании P итераций:

– определение, из измеренных выходных напряжений привода с переменной скоростью, значений выпрямленного напряжения на выходе соответствующих ступеней выпрямления элементов электропитания привода с переменной скоростью;

– сохранение определенных значений выпрямленного напряжения, соответственно связанных с элементами электропитания привода с переменной скоростью.

Термин «напряжение двигателя» используют ниже для обозначения напряжения на выводах электрического устройства, снабжаемого электропитанием от привода с переменной скоростью.

Согласно варианту осуществления целое число P, и команды активации могут быть заданы в форме матрицы, содержащей P строк или столбцов на фазу, представляющей команды активации и имеющей ранг, равный количеству элементов электропитания привода с переменной скоростью.

Таким образом, можно достигнуть любых значений выпрямленных напряжений, с минимизацией количества осуществленных измерений.

В дополнение, привод с переменной скоростью включает в себя N элементов электропитания для каждой фазы из трех фаз и для каждой итерации индекса t, причем t составляет от 1 до P:

M_t=KALL_t x VBALL;

причем KALL_t представляет матрицу, имеющую 3 строки и 3*N столбцов, содержащую [K1 –K2 K0; K0 K2 –K3; –K1 K0 K3], в которой K1, K2 и K3 представляют собой соответствующие команды активации трех фаз и являются векторами размера N, принимающими бинарные значения, причем первое значение соответствует активации, а второе значение соответствует деактивации, при этом K0 представляет собой нулевой вектор размера N,

причем VBALL представляет собой вектор–столбец длиной 3*N, составленный следующим образом: [VB1; VB2; VB3], в котором VB1, VB2 и VB3 представляют собой векторы размера N выпрямленных напряжений элементов электропитания соответствующих трех фаз;

где M_t представляет собой вектор трех напряжений, измеренных на выводах электрического устройства для данной итерации, причем три измеренных напряжения соответствуют (измеряются из) трем выходным напряжения привода с переменной скоростью.

Согласно варианту осуществления P равно количеству элементов электропитания привода с переменной скоростью, и при каждой итерации может быть активирован один элемент электропитания, причем элементы электропитания, активируемые для двух различных итераций, отличны друг от друга.

Такой вариант осуществления позволяет легко достигать каждого из выпрямленных напряжений элементов электропитания.

Таким образом, способ согласно изобретению позволяет получать выпрямленные напряжения элементов электропитания, без необходимости в добавлении дополнительных датчиков.

Согласно варианту осуществления способ может дополнительно включать в себя в течение текущей фазы электропитания электрического устройства для каждого элемента электропитания адаптацию порядка управления элементом электропитания, исходя из выпрямленного напряжения, связанного с ним.

Таким образом, этот вариант осуществления позволяет получать целевое напряжение двигателя, для чего требуется лишь небольшая корректировка или не требуется совсем. Таким образом, при получении целевого напряжения двигателя, достигается наилучшая динамика.

В дополнение, адаптация порядка управления элементом электропитания включает в себя определение коэффициента заполнения для элемента электропитания, исходя из выпрямленного напряжения, связанного с элементом электропитания.

Согласно варианту осуществления способ может дополнительно включать в себя анализ выпрямленных напряжений, полученных для обнаружения отклонения относительно номинального функционирования.

Таким образом, можно предвидеть отказы на стадии энергоснабжения и перейти к заблаговременному ремонтному обслуживанию.

Согласно варианту осуществления способ можно повторять несколько раз, а анализ выпрямленных напряжений может включать в себя определение тенденций в изменении выпрямленных напряжений элементов электропитания и сравнение этих тенденций с номинальным функционированием.

Таким образом, можно предвидеть отказы на стадии энергоснабжения и перейти к заблаговременному ремонтному обслуживанию.

Согласно варианту осуществления способ можно инициировать после остановки электрического устройства.

Таким образом, способ не прерывает функционирование электрического устройства.

В дополнение, способ может быть инициирован автоматически при обнаружении остановки электрического устройства.

Таким образом, никакого вмешательства оператора не требуется. В дополнение, способ может быть инициирован автоматически с заданной частотой, при остановке электрического устройства.

В качестве альтернативы, способ можно инициировать вручную после остановки электрического устройства.

Таким образом, проверку функционирования элементов электропитания может осуществлять оператор.

Второй аспект изобретения относится к компьютерной программе, исполняемой на процессоре и содержащей команды, которые при исполнении на процессоре реализуют этапы способа согласно первому аспекту изобретения.

Третий аспект изобретения относится к устройству управления приводом с переменной скоростью, отвечающим за трехфазное электропитание электрического устройства, причем привод с переменной скоростью содержит Ni элементов электропитания низкого напряжения, соединенных последовательно для каждой фазы из множества фаз, причем N больше или равно 2, а i представляет собой индекс фазы. Устройство управления включает в себя:

процессор, способный управлять посредством выходного интерфейса повторением следующих P итераций, где P – предварительно заданное целое число, большее или равное 2:

– активация по меньшей мере одного элемента одной или нескольких фаз и деактивация других элементов электропитания привода с переменной скоростью, причем по меньшей мере один активированный элемент выбирают, исходя из заданных команд активации, в зависимости от индекса итерации;

– прием, через входной интерфейс по меньшей мере двух выходных напряжений привода с переменной скоростью на выводах электрического устройства для двух фаз;

причем процессор дополнительно способен по окончании P итераций из измеренных выходных напряжений привода с переменной скоростью определять значения выпрямленного напряжения на выходе соответствующих ступеней выпрямления элементов электропитания привода с переменной скоростью,

причем память сохраняет определенные значения выпрямленного напряжения, соответственно связанные с элементами электропитания привода с переменной скоростью.

Четвертый аспект изобретения относится к приводу с переменной скоростью, отвечающему за трехфазное электропитание электрического устройства, причем привод с переменной скоростью содержит N элементов электропитания низкого напряжения, соединенных последовательно для каждой фазы из трех фаз, причем N больше или равно 2, и содержащей устройство управления согласно третьему аспекту изобретения.

Краткое описание Фигур

Лишь в качестве примера, варианты осуществления изобретения будут описаны со ссылкой на чертежи, из которых:

[Фиг. 1] – Фигура 1 иллюстрирует систему управления питанием электрического устройства согласно варианту осуществления изобретения;

[Фиг. 2] – Фигура 2 представляет собой диаграмму, иллюстрирующую этапы способа согласно одному варианту осуществления изобретения;

[Фиг. 3] – Фигура 3 иллюстрирует структуру устройства управления согласно одному варианту осуществления изобретения.

Подробное описание

Фигура 1 демонстрирует систему питания электрического устройства, такого как электродвигатель 100 (например, индукционный двигатель), снабжаемый переменным трехфазным электропитанием. Такой двигатель приведен в качестве иллюстрации, но данное изобретение не ограничивается этим единственным примером, а изобретение применимо для любого электрического устройства, снабжаемого электропитанием от привода с переменной скоростью, содержащего несколько элементов электропитания.

Привод с переменной скоростью включает в себя трансформатор 111, принимающий трехфазное переменное питание от сети 110. Трансформатор 111 может представлять собой многообмоточный трансформатор, способный подавать трехфазные напряжения на множество элементов электропитания, описанных ниже.

Привод 102 с переменной скоростью согласно изобретению может включать в себя силовой каскад, содержащий один или несколько элементов 101 электропитания низкого напряжения. В примере, проиллюстрированном на Фигуре 1, двигатель принимает трехфазное электропитание, а привод 102 с переменной скоростью включает в себя 3*N элементов электропитания, с N элементами электропитания, предназначенными для каждой фазы, причем N больше или равно 2.

Что касается Фигуры 1, здесь представлена система из 3*N элементов электропитания.

Однако, изобретение в равной степени применимо и для системы из 3*(N+1) элементов электропитания, причем элемент электропитания резервируется на фазу в случае отказа одного из активных элементов электропитания. Такой пример приведен лишь в иллюстративных целях. Здесь рассматривается пример трехфазного электропитания, но изобретение также применимо и для системы с N или N+1 элементами электропитания. Изобретение также применимо и для системы с N+2 (или более чем N+2) элементами электропитания (или 3*(N+2) для трехфазного электропитания), с двумя сменными элементами электропитания на фазу. Более того, изобретение применимо для количества фаз, отличного от трех. Дополнительно, количество элементов электропитания может отличаться, в зависимости от фазы, и в этом случае каждая фаза включает в себя количество Ni элементов электропитания, где i представляет собой индекс фазы. В последующем описании, рассматривается, – лишь в качестве иллюстрации, случай трехфазного электропитания с одним и тем же количеством элементов электропитания N для каждой из фаз.

Каждый элемент 101 электропитания принимает на входе трехфазное электропитание, поступающее от вторичной обмотки трансформатора 111, и он может включать в себя выпрямитель (не представленный на Фигуре 1) на входе, причем выпрямитель способен выпрямлять трехфазное электропитание, принимаемое так, чтобы можно было обеспечивать напряжение DC. Выпрямленное напряжение DC, полученное для каждого элемента 101 электропитания, также называется напряжением шины постоянного тока, DC, или напряжением шины. Выпрямитель может включать в себя диодный мост, тиристорный мост или любую другую систему, известную для выпрямления напряжения.

На выходе выпрямителя, каждый элемент 101 электропитания может включать в себя конденсатор, способный накапливать электроэнергию, а также модуль для генерирования сигнала широтно–импульсной модуляции (PWM, «Pulse Width Modulation» на английском). Такой модуль генерирования может включать в себя H–образный мост, содержащий четыре переключателя, управляемых по два. Система силовой электроники, в которой используется такой принцип прерывистого напряжения, прикладывает к двигателю 100 напряжение на фазу, пропорциональное одному или нескольким выпрямленным напряжениям. В среднем, прикладываемая доля соответствует соотношению между целевым напряжением на выходе элемента электропитания и эталонным выпрямленным напряжением (заданным ниже). Функционирование H–образного моста хорошо известно и далее не будет описано в настоящей заявке.

Переключатели H–образного моста могут представлять собой транзисторы типа IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, биполярный транзистор с изолированным затвором), который демонстрирует преимущество, связанное с быстрым подключением.

Переключатели элемента 101 электропитания управляются элементом 103 управления элемента 101 электропитания.

Система дополнительно включает в себя устройство 120 управления, способное управлять функционированием элементов 101 электропитания привода 102 с переменной скоростью так, чтобы можно было управлять электропитанием двигателя 100. Для этой цели, устройство 120 управления может управлять элементами 103 управления элементов 101 электропитания. Устройство 120 управления дополнительно может управлять переключателями 104, позволяя устанавливать последовательно поднабор из N элементов электропитания для каждой фазы. В качестве варианта, эти переключатели управляются устройством 120 управления посредством элементов 103 управления.

Элементы 101 электропитания могут принимать от устройства 120 управления управляющие сигналы, на основе которых элементы 101 электропитания могут управлять переключениями переключателей H–образного моста.

Таким образом, трехфазные напряжения, или напряжения двигателя, подаваемые на двигатель 100, получаются путем суммирования выходных напряжений PWM элементов 101 электропитания, обозначенных как V_cell на Фигуре 1, для которых переключатели 104 разомкнуты (называются ниже «активными элементами»).

Переключатели 104 позволяют «обходить» («байпас» на английском) элементы 101 электропитания, без управления переключателями H–образного моста элементов электропитания. Однако, такие переключатели 104 являются опциональными в том смысле, что элементы 101 электропитания могут быть деактивированы при управлении их H–образным мостом так, чтобы получить нулевой коэффициент заполнения, а следовательно, нулевое выходное напряжение элемента электропитания.

Система согласно изобретению дополнительно включает в себя средство 130 измерения трехфазных напряжений, подаваемых на двигатель. Средство 130 измерения способно передавать одно или несколько измеренных напряжений двигателя на устройство 120 управления.

Устройство 120 управления согласно изобретению выполнено с возможностью контроля различных элементов 101 электропитания, а также прямо или косвенно байпасных переключателей (прямо или через элементы 103 управления). В частности, согласно изобретению устройство 120 управления способно управлять элементами 101 электропитания или байпасными 104 переключателями, чтобы определенные элементы не подавали напряжения, а следовательно, чтобы напряжение двигателя обеспечивалось, например, только за счет одного элемента электропитания. Таким образом, в варианте осуществления, в котором единовременно активируется лишь один элемент электропитания, измеренное напряжение двигателя позволяет получать выходное напряжение выбранного элемента электропитания, как подробно описано в дальнейшем, и оно, таким образом, позволяет получать напряжение шины DC, исходя из коэффициента заполнения, применяемого для элемента электропитания.

Фигура 2 представляет собой диаграмму, иллюстрирующую этапы способа согласно одному варианту осуществления изобретения.

На этапе 200, реализуется способ согласно изобретению. Такая реализация может происходить вслед за остановкой двигателя 100. Например, после остановки двигателя 100 способ приводится в действие автоматически или вручную, через интерфейс человек–машина устройства 120 управления.

На этапе 201, устройство 120 управления управляет переключателями 104 или H–образными мостами различных элементов, так, чтобы активировать поднабор элементов электропитания привода 102 с переменной скоростью, например лишь первый элемент 101_1,1 первой фазы. Функционирование вариантов осуществления, в которых одновременно активируются несколько элементов электропитания, будет описано в дальнейшем, на Фигуре 2, в рамках варианта осуществления, относящегося к последовательным активациям элементов электропитания (при каждой итерации активируется только один элемент электропитания).

Параллельно, на этапе 202, устройство 120 управления определяет значение напряжения, прикладываемого к приводу 102 с переменной скоростью. Это прикладываемое напряжение может быть непосредственным, или рассчитанным блоком корректировки тока, например, позволяющим управлять током, протекающим через двигатель 100, на выходе привода с переменной скоростью.

На этапе 203, коэффициент заполнения, или «duty cycle», применяемый для активированного элемента электропитания 101_1,1 определяется устройством 120 управления, для достижения целевого выходного напряжения V0, подаваемого на двигатель 100. Для других неактивных элементов, либо замкнуты байпасные 104 переключатели, либо коэффициенты заполнения нулевые.

Привод 102 с переменной скоростью снабжается электропитанием на этапе 204, а элементы 101 электропитания управляются согласно этапам 202 и 203.

Таким образом, напряжение двигателя измеряют на этапе 205, например, с помощью датчика, а затем его принимает устройство 120 управления, причем напряжение двигателя обеспечивается первым элементом 101_1,1.

На этапе 206 устройство 120 управления определяет, были ли все элементы 101 электропитания активированы последовательно, или нет. Если имеет место такой случай, способ переходит к этапу 207. В более общем виде, количество итераций P предварительно задано, причем P больше или равно 2. Таким образом, на этапе 207 индекс итерации может быть сравнен с P. Если индекс итерации равен P, то способ переходит к этапу 207.

В обратном случае, способ возвращается к этапу 201, с активацией следующего элемента электропитания (например, элемента 101_1,2 электропитания после элемента 101_1,1 электропитания), или следующих элементов электропитания, в общем случае, который будет описан в дальнейшем, и с дезактивацией любых других элементов 101 электропитания. В альтернативном варианте осуществления, способ возвращается к этапу 201, но также и к этапу 202. В этом альтернативном варианте осуществления, этапы 202 и 203 приводятся в действие различным образом для каждой итерации способа.

Из напряжений двигателя, измеренных на последовательных этапах 205, выпрямленные напряжения элементов электропитания выводятся на этапе 206 устройством 120 управления согласно изобретению.

Для определения выпрямленного напряжения элемента электропитания, устройство 120 управления учитывает измеренное напряжение двигателя и коэффициент заполнения, который был применен.

Следует отметить, что в варианте осуществления, в котором способ был повторен 3*N раз (в случае, когда привод с переменной скоростью включает в себя N элементов электропитания на каждую фазу из трех фаз), с активацией каждый раз единственного элемента электропитания, выпрямленное напряжение элемента электропитания, активированного в ходе данной итерации, можно определить в конце данной итерации (а не в конце всех итераций).

После определения выпрямленных напряжений элементов 101 электропитания привода 102 с переменной скоростью, способ переходит к этапу 208.

На этапе 208, выпрямленные напряжения элементов электропитания привода с переменной скоростью сохраняют в памяти устройства 120 управления. Выпрямленные напряжения можно сохранять вместо предыдущих значений выпрямленных напряжений. В качестве варианта, выпрямленные напряжения сохраняют в привязке к дате реализации итерации способа согласно изобретению, что позволяет осуществлять отслеживание изменения выпрямленных напряжений для каждого из элементов 101 электропитания привода 102 с переменной скоростью.

На опциональном этапе осуществляют анализ выпрямленных напряжений. Такой анализ может включать в себя сравнение с номинальными выпрямленными напряжениями и запуск предупреждения в случае отклонения относительно одного из номинальных выпрямленных напряжений. В случае, когда выпрямленные напряжения сохраняют в привязке к соответствующим датам, тенденцию изменения выпрямленного напряжения можно определить для каждого элемента 101 электропитания, и предупреждение может быть сгенерировано в зависимости от такой тенденции.

Генерирование предупреждения позволяет осуществлять заблаговременное техническое обслуживание.

Независимо от этапов 208 и 209, привод с переменной скоростью переходит к «активированному» режиму, или «готов» («ready» на английском) на этапе 210, что позволяет привести в действие двигатель 100 на этапе 211.

Вслед за этапами 209 и 210, устройство 120 управления при приеме команды двигателя, определяет целевое напряжение двигателя и управляет приводом 102 с переменной скоростью, исходя из целевого напряжения двигателя и исходя из выпрямленных напряжений, определенных ранее на этапе 211. Для этой цели, устройство 120 управления определяет соответствующие коэффициенты заполнения для элементов 101 электропитания. Таким образом, получение целевого напряжения двигателя является более точным, поскольку выпрямленные напряжения элементов электропитания известны и могут регулярно обновляться (например, при каждой остановке электродвигателя 100).

Согласно определенным вариантам соуществления такой привод с переменной скоростью дополнительно включает в себя блок корректировки, корректирующий команды на входе устройства 120 управления, исходя из напряжений, измеренных на электродвигателе 100. В этом случае, роль такого блока корректировки снижается в соответствии с изобретением, что позволяет улучшить динамический режим получения выходных напряжений, прикладываемых к двигателю 100.

Затем, способ можно в дальнейшем повторять, например, вслед за новой остановкой электродвигателя 100 на этапе 200.

В качестве альтернативы, способ можно повторять с заданной частотой, например, каждую неделю после остановки электродвигателя. В этом случае, минимальный интервал, разделяющий запуск двух итераций способа, составляет неделю.

Что касается Фигуры 2, был описан конкретный вариант осуществления, предполагающий активацию одного элемента электропитания при каждой итерации. Такой режим прост в реализации, и выпрямленное напряжение каждого элемента электропитания легко достигается после измерения напряжения двигателя. В более общем виде, изобретение при каждой итерации может предусматривать активацию на этапе 201 поднабора из по меньшей мере одного элемента электропитания, получение выходного напряжения или выходных напряжений поднабора на этапе 204 и измерение одного или двух напряжений двигателя на этапе 205. Действительно, не представляется целесообразным измерение более двух напряжений двигателя, поскольку третье напряжение двигателя может быть вычтено из первого и второго напряжений двигателя (см. напряжения U12, U23 и U31, описанные ниже).

Элементы электропитания, активируемые при каждой итерации, и напряжения двигателя, измеряемые при каждой итерации, можно определять из заданной матрицы. Такая матрица, предварительно заданная для обеспечения того, чтобы после всех итераций было получено достаточное количество уравнений, для определения значения каждого из неизвестных системы уравнений (3*N выпрямленных напряжений элементов электропитания, например, когда привод с переменной скоростью включает в себя 3*N элементов электропитания). Для этой цели, заданная матрица имеет ранг, равный количеству неизвестных (т.е., 3*N).

Допустим, i – индекс фазы (изменяющийся от 1 до 3), тогда k – индекс элемента электропитания внутри фазы (изменяющийся от 1 до N в силовом каскаде из 3*N элементов электропитания), тогда элемент электропитания фазы i и индекса k:

– активируется с коэффициентом заполнения r (от –1 до 1);

– имеет выпрямленное напряжение VB(i, k), которое составляет неизвестное системы;

– обеспечивает разность потенциалов r x VB(i, k).

Векторы столбцов VBi содержат N компонентов, которые можно определить, где каждый компонент с индексом k имеет значение выпрямленного напряжения VB(i, k).

Комбинация команд активации элементов ветви силового каскада, предназначенного для фазы i, может быть представлена вектором строки Ki, имеющим N значений (0: неактивный элемент электропитания, 1: активный элемент электропитания).

Разность потенциалов Vi, генерируемая ветвью с индексом i, равна сумме разностей потенциалов всех элементов ветви, т.е.: Vi=Ki x VBi.

Средство 130 измерения, описанное ранее, может быть способным обеспечивать три составных напряжения между фазами U12=V1–V2, U23=V2–V3 и U31=V3–V1. В качестве варианта, средство 130 измерения выполнено с возможностью непосредственного измерения напряжений V1, V2 и V3.

Три измерения в момент t, соответствующий итерации способа (t может представлять собой дату или индекс итерации способа), в частности, на этапе 205, могут быть связаны в вектор–столбец M_t, равный [U12; U23; U31], т.е.: M_t=KALL_t x VBALL

где K0 – нулевой вектор размера, идентичного K1, K2 или K3,

а KALL_t представляет матрицу, имеющую 3 строки и 3*N столбцов, составленную следующим образом: [K1 –K2 K0; K0 K2 –K3; –K1 K0 K3];

и VBALL представляет вектор–столбец длиной 3N, составленный следующим образом: [VB1; VB2; VB3].

Комбинации K1–K3 выбирают согласно изобретению так, чтобы матрица KALL_t_ALL, имеющая 3*P строки и 3*N столбца, была сформирована для моментов времени (или итераций) t1, t2, вплоть до tP путем «пакетирования» или агрегирования матриц KALL_t_u для u, меняющегося от 1 до P, причем KALL_tALL представляет собой матрицу ранга 3*N, так, чтобы можно было определить 3*N неизвестных системы (выпрямленных напряжений элементов электропитания).

Вариант осуществления, описанный применительно к Фигуре 2, представляет собой частный случай такого общего варианта осуществления.

Этот конкретный вариант осуществления предусматривает активацию одного элемента в каждый момент времени t_u, где u представляет собой индекс от 1 до 3*N.

В ходе активации элемента с индексом «u–INT[(u–1)/N]*N» ветви «1+INT[(u–1)/N]» силового каскада, где INT представляет функцию для целой части, в случае, когда N=3 (приведено в качестве примера, без ограничения объема изобретения), получают:

в момент t1: K1=[1 0 0]; K2=[0 0 0]; K3=[0 0 0]. Матрица KALL_t1 составляет [1 0 0 0 0 0 0 0 0; 0 0 0 0 0 0 0 0 0; –1 0 0 0 0 0 0 0 0];

в момент времени t2: K1=[0 1 0]; K2=[0 0 0]; K3=[0 0 0]. Матрица KALL_t2 составляет [0 1 0 0 0 0 0 0 0; 0 0 0 0 0 0 0 0 0; 0 –1 0 0 0 0 0 0 0].

При конструировании каждой матрицы KALL_tu, первая строка составляет 0, за исключением u–ого элемента, который составляет 1. Разумеется, что после 3×3 раз согласно правилу, разъясненному выше, 9 первых строк, вместе взятых, образуют идентичную матрицу, что обеспечивает ранг 9 (т.е., количество неизвестных системы).

Фигура 3 иллюстрирует структуру устройства 120 управления согласно одному варианту осуществления изобретения.

Устройство 120 управления включает в себя процессор 300, выполненный с возможностью однонаправленной или двунаправленной связи, через одну или несколько шин, с памятью 301, такая как память типа «оперативное запоминающее устройство», ОЗУ («Random Access Memory», RAM), или память типа «постоянное запоминающее устройство», ПЗУ («Read Only Memory», ROM), или любой другой тип памяти (флеш–память, EEPROM и т.д.).

Память 301 способна постоянно или временно сохранять, по меньшей мере, некоторые из данных, используемых и/или полученных в результате выполнения способа согласно изобретению.

В частности, память 301 способна сохранять (опционально) значения выпрямленных напряжений элементов электропитания, привязанные к соответствующим датам.

Процессор 300 способен исполнять команды для выполнения этапов способа согласно изобретению, проиллюстрированных применительно к Фигуре 2.

Устройство 120 управления может дополнительно включать в себя входной интерфейс 302 и выходной интерфейс 303, для связи с другими объектами системы согласно изобретению.

В частности, входной интерфейс 302 способен принимать команды скорости, а процессор 300 способен определять целевые напряжения двигателя (целевое напряжение двигателя на фазу) из команд скорости.

Выходной интерфейс 303 способен подавать команды управления на элементы 101 электропитания, чтобы они формировали коэффициенты заполнения, в частности, через их H–образные мосты. Для этой цели, команды управления могут содержать команды на переключение двух переключателей типа IGBT, например, H–образного моста, частично (лишь команды на два верхних переключателя IGBT для каждого элемента электропитания) или полностью (четыре переключателя IGBT). Эти команды на переключение могут быть рассчитаны устройством 120 управления, при сравнении эталонного напряжения с сигналами треугольной формы, соответствующими каждому элементу электропитания. Такая технология хорошо известна и далее не будет подробно описана.

Хотя настоящее изобретение было описано выше применительно к конкретным вариантам осуществления, изобретение никоим образом не ограничено описанными формами. Изобретение ограничено лишь тем, что задано в формуле изобретения и варианты осуществления, отличные от тех, которые были описаны выше, могут войти в объем формулы изобретения.

Дополнительно, хотя варианты осуществления были описаны выше как сочетание компонентов и/или функций, должно быть понятно, что альтернативные варианты осуществления могут быть получены за счет других сочетаний компонентов и/или функций, без отступления от объема изобретения.

Группа изобретений относится к управлению электродвигателем. Способ определения выпрямленных напряжений элементов электропитания привода с переменной скоростью заключается в том, что повторяют следующие P итераций, включающих активацию по меньшей мере одного элемента одной или нескольких фаз и деактивация других элементов электропитания привода, прием по меньшей мере одного выходного напряжения привода на выводах электрического устройства по меньшей мере для одной фазы. По окончании P итераций определяют из измеренных выходных напряжений привода значения выпрямленного напряжения на выходе соответствующих ступеней выпрямления элементов электропитания привода и сохраняют упомянутые определенные значения выпрямленного напряжения. Также заявлены процессор, устройство управления приводом и привод с переменной скоростью. Технический результат заключается в повышении точности определения выходного напряжения, прикладываемого к двигателю, что повышает эффективность управления. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения выпрямленных напряжений элементов электропитания привода (102) с переменной скоростью, отвечающего за электропитание электрического устройства (100), причем привод с переменной скоростью содержит Ni элементов (101) электропитания низкого напряжения, соединенных последовательно для каждой фазы из множества фаз, причем N больше или равно 2, а i представляет собой индекс фазы, характеризующийся тем, что способ включает в себя следующие операции:

a) повторение следующих P итераций, причем P представляет собой предварительно заданное целое число, большее или равное 2:

– активация (201) по меньшей мере одного элемента одной или нескольких фаз и деактивация других элементов электропитания привода с переменной скоростью, причем по меньшей мере один активированный элемент выбирают, исходя из заданных команд активации, в зависимости от индекса итерации;

– прием (205) по меньшей мере одного выходного напряжения привода (102) с переменной скоростью на выводах электрического устройства (100) по меньшей мере для одной фазы;

причем способ дополнительно включает в себя по окончании P итераций:

b) определение (206) из измеренных выходных напряжений привода с переменной скоростью значений выпрямленного напряжения на выходе соответствующих ступеней выпрямления элементов электропитания привода с переменной скоростью;

c) сохранение упомянутых определенных значений выпрямленного напряжения, соответственно связанных с элементами электропитания привода с переменной скоростью.

2. Способ по п. 1, в котором целое число P и команды активации предварительно заданы в форме матрицы, содержащей P строк или столбцов на фазу, представляющей команды активации и имеющей ранг, равный количеству элементов электропитания привода с переменной скоростью.

3. Способ по п. 2, в котором привод с переменной скоростью включает в себя N элементов электропитания для каждой фазы из трех фаз и для каждой итерации индекса t, причем t составляет от 1 до P:

M_t=KALL_t x VBALL;

причем KALL_t представляет матрицу, имеющую 3 строки и 3*N столбцов, содержащую [K1 –K2 K0; K0 K2 –K3; –K1 K0 K3], в которой K1, K2 и K3 представляют собой соответствующие команды активации трех фаз и являются векторами размера N, принимающими бинарные значения, причем первое значение соответствует активации, а второе значение соответствует деактивации, при этом K0 представляет собой нулевой вектор размера N,

причем VBALL представляет собой вектор–столбец длиной 3N, составленный следующим образом: [VB1; VB2; VB3], в котором VB1, VB2 и VB3 представляют собой векторы размера N выпрямленных напряжений элементов электропитания соответствующих трех фаз;

причем M_t представляет собой вектор трех напряжений, измеренных на выводах электрического устройства для данной итерации, причем измеренные напряжения двигателя соответствуют (определяются из) трем выходным напряжениям привода с переменной скоростью.

4. Способ по одному из предыдущих пунктов, в котором P равно количеству элементов электропитания привода с переменной скоростью, и в котором при каждой итерации активируется один элемент электропитания, причем элементы электропитания, активируемые для двух различных итераций, отличны друг от друга.

5. Способ по одному из предыдущих пунктов, причем способ в течение текущей фазы электропитания электрического устройства (100) для каждого элемента электропитания дополнительно содержит адаптацию порядка управления элементом электропитания исходя из выпрямленного напряжения, связанного с ним.

6. Способ по п. 5, в котором адаптация порядка управления элементом (101) электропитания включает в себя определение коэффициента заполнения элемента (101) электропитания исходя из выпрямленного напряжения, связанного с элементом электропитания.

7. Способ по одному из предыдущих пунктов, дополнительно содержащий анализ (209) полученных выпрямленных напряжений для обнаружения отклонения относительно номинального функционирования.

8. Способ по одному из пп. 1-7, причем способ повторяют несколько раз, и при этом анализ (209) выпрямленных напряжений включает в себя определение тенденций в изменении выпрямленных напряжений элементов электропитания и сравнение этих тенденций с номинальным функционированием.

9. Способ по одному из предыдущих пунктов, причем способ инициируют после остановки электрического устройства (100).

10. Способ по п. 9, причем способ инициируется автоматически при обнаружении остановки электрического устройства (100).

11. Способ по п. 9, причем способ инициируется вручную после остановки электрического устройства (100).

12. Процессор, выполняющий компьютерную программу, содержащую команды, которые при выполнении процессором реализуют этапы способа по одному из пп. 1-11.

13. Устройство управления приводом (102) с переменной скоростью, отвечающим за электропитание электрического устройства (100), причем привод с переменной скоростью содержит Ni элементов (101) электропитания низкого напряжения, соединенных последовательно для каждой фазы из множества фаз, причем N больше или равно 2, а i представляет собой индекс фазы, характеризующееся тем, что устройство управления включает в себя:

процессор (300), способный управлять посредством выходного интерфейса повторением следующих P итераций, причем P представляет собой предварительно заданное целое число, большее или равное 2:

– активация (201) по меньшей мере одного элемента одной или нескольких фаз и деактивация других элементов электропитания привода с переменной скоростью, причем по меньшей мере один активированный элемент выбирают исходя из заданных команд активации, в зависимости от индекса итерации;

– прием через входной интерфейс (302) по меньшей мере двух выходных напряжений привода (102) с переменной скоростью на выводах электрического устройства (100) для двух фаз;

причем процессор (300) дополнительно способен по окончании P итераций из измеренных выходных напряжений привода с переменной скоростью определять значения выпрямленного напряжения на выходе соответствующих ступеней выпрямления элементов электропитания привода с переменной скоростью,

память (301), сохраняющую определенные значения выпрямленного напряжения, соответственно связанные с элементами электропитания привода с переменной скоростью.

14. Привод с переменной скоростью, отвечающий за трехфазное электропитание электрического устройства, причем привод с переменной скоростью содержит Ni элементов электропитания низкого напряжения, соединенных последовательно для каждой фазы из множества фаз, причем N больше или равно 2, а i представляет собой индекс фазы, и устройство управления по п. 13.