Способ управления непосредственным преобразователем частоты с естественной коммутацией Советский патент 1990 года по МПК H02M5/22 

изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления непосредственными преобразователями частоты с естественной коммутацией (НПЧ),

Цель изобретения - повышение точности регулирования тока нагрузки,

На фиг,1 приведена функциональная схема устройства, реализующего предложенный способ; на фиг,2 - функциональная схема устройства компенсации ЭДС,

Устройство для реализации способа регулирования тока НПЧ, выполненного, например, по трехфазной нулевой схеме и нагруженного на обмотку статора двухфазного синхронного двигателя (СД) с постоянными магнитами, содержит блок датчиков напряжений сети (ДНС) 1, формирователь опорн ых сигналов (ФОС) 2, мультиплексоры - коммутаторы сигналов (КМ1, КМ2 и КМЗ) 3, 4 и 5, формирователи виртуальных токов сети (ФВТ) 6, датчики частоты вращения (ДЧВ) 7 и положения (ДПР) 8 ротора СД, устройство компенсации ЭДС (УКЭ) 9, формирователи виртуальных токов от реальной ЭДС (ФВЭ) 10 и опережающей ЭДС (ФВО) 11 нагрузки, датчик тока (ДТ) 12 и устройство задания тока (УЗТ) 13 нагрузки, первое масштабирующее звено (К) 14, сумматоры

О

VI ел сь 00

15, 16 и 17. второе масштабирующее звено (К1) 18, сумматоры 19, 20 и 21, нуль-орган (НО) 22, формирователь длительнности (ФДИ) 23 и распределитель (РИ) 24 управляющих импульсов.

Входы дне 1 подключены к источникам соответствующих сетевых напряжений, а их выходы соединены с соответствующими входами ФОС 2 и ФВТ 6. Выходы ФОС 2 через КМ1 3 подключены к первому входу сумматора 19, а выходы ФВТ через КМ2 4 и КМЗ 5 соединены с входами сумматоров 16 и 15 соответственно. Второй вход сумматора 16 соединен через масштабирующее звено 14 с выходом сумматора 15, второй вход которого подключен к выходу ДТ 12, который также соединен с первым сходом сумматора 17, Третьи входы сумматоров 15 и 16 через ФВЭ 10 и ФВО 11 соединены с двумя первыми выходами УКЭ 9, третий выход которого подключен к входу сумматора 20, а входы соединены с выходами ДЧВ 7 и ДПР 8. Выход сумматора 16 соединен с вторым входом сумматора 17, выход которого через К1 18 подключен к второму входу сумматора 19. Выход последнего соединен с первым входом сумматора 21, второй вход которого через сумматор 20 подключен к выходу УЗТ 13. Выход сумматора 21 через НО 22 м ФДИ 23.соединен с входом РИ 24, первые выходы которого соединены с управляющими электродами вентилей НПЧ, а вторые выходы соединены с управляющими входами ключей КМ1 3, КМ2 4 и КМЗ 5.

УКЭ 9 может быть выполнено, например, по функциональной схеме, приведенной на фиг. 2.

В состав УКЭ входят два постоянных запоминающих устройства (ПЗУ 1 и ПЗУ2) 25 и 26. два умножающих цифроаналоговых преобразователя (ЦАП1 и ЦАП2) 27 и 28, два аналоговых перемножителя 29 и 30. два функциональных преобразователя (ФП1 и ФП2) 31 и 32, три сумматора 33, 34 и 35, интегратор 36 со сбросом,нуль-орган 37 и формирователь 38 импульсов сброса. При этом входы обоих ПЗУ 25 и 26 соединены с выходом ДПР 8 (фиг.1), а их выходы через соответствующие ЦАП 27, 28 подключены к первым входам перемножителей 29 и 30. Входы опорных сигналов ЦАП 27 и 28 непосредственно, а также вторые входы перемножителей 29 и 30 через функциональные преобразователи 31 и 32 подключены к выходу ДЧВ 7 (фиг.1). Выходы указанных перемножителей соединены с входами первого сумматора 33, выход которого подключен к входам второго и третьего сумматоров 34 и 35 и является вторым выходом УКЭ. Вторые входы указанных сумматоров соединены с

выходом ЦАП 28. являющимся первым выходом УКЭ. Выход второго сумматора 34 соединен с сигнальным входом интегратора 36, вход сброса которого через нуль-орган

5 37 и формирователь 38 соединен с выходом третьего сумматора 35. а выход является третьим выходом УКЭ 9 (фиг.1).

Устройство (фиг.1) работает следующим образом.

10Сигналы, пропорциональные напряжениям питающей сети, с выходов ДНС 1 поступают на входы ФОС 2, где для-каждого вентиля НПЧ вырабатывается свой опорный сигнал Uon(n) . Работа ФОС 2 организована

15 в соответствии с алгоритмом, который для некоторого п-го вентиля можно записать уравнением

uJnini(t)-(1/To)(t)20-

-e)T(t)dt,(1)

где е (п-1) и е п - соответственно напряжения питающей сети предыдущего и очередного вентилей:

25TO 2л/Шп, - нормированная длительность интервала дискретности для гп-пульс- ного НПЧ на частоте сети од

to - момент установки нулевых начальных условий интегратора ФОС.

30Указанный момент времени определяется моментом перехода через нуль первой гармоники суммы интегрируемых напряжений при углах управления п-го вентиля пгп л. При этом опорный сигнал очередно5 го вентиля пропорционален зависимости среднего за интервал дискретности выходного напряжения НПЧ от угла управления очередного вентиля.

В уравнении В (1) и далее сигналы - в

0 относительных единицах, причем за базовую величину для напряжений взята амплитуда сетевого напряжения Ещ, а для токов - отношение 1т Ет/Ян, где RH - сопротивление нагрузки. При этом коэффициент уси- ления НПЧ по напряжению условно полагается равным единице.

Опорные сигналы вентилей Uoni , Uon2 Uon3 (фиг.1) поступают на входы мульти0 плексора КМ1 3, который под управлением кода номера очередного вентиля АО, Ai, формируемого в РИ 24 в соответствии с очеред-. ностью работы вентилей, коммутирует на выход один из трех входных сигналов таким

5 образом, что в каждый момент времени выходной сигнал мультиплексора равен бпор- ному сигналу очередного вентиля.

Кроме того, сигналы ДНС 1 преобразуются в идентичных каналах ФВТ 6, каждый

25

из которых представляет собой фильтр нижних частот с передаточной функцией

WOBT(P)I/(TH Р+1).(2)

где Тн LH /RH - постоянная времени нагрузки НПЧ с индуктивностью LH и активным сопротивлением RH.

Поэтому сигналы 1а , 1ь , ic на выходе ФВТ пропорциональны тем токам, которые протекали бы в нагрузке НПЧ под действием соответствующих ЭДС фаз сети.

Мультиплексоры КМ2 4 и КМЗ 5 анало- ичным образом прео бразуют виртуальные ОКИ сети в сигналы ifn-i) и In , пропорциональные виртуальным токам от напряжений ;етипредыдущего(п-1)-го и очередного п-го вентилей.

В устройстве компенсации ЭДС 9 формируются три сигнала: сигнал реальной противоЭДС , сигнал опережающей ЭДС , который опережает ео на время длительности интервал дискретности То, и сигнал средней ЭДС eS . Сигналы во и of поступают на входы ФВЭ 10 и ФВО 11 соответственно (фиг.1). Эти формирователи полностью идентичны ФВТ 6, т.е. являются фильтрами с передаточной функцией (2). Поэтому выходные сигналы ФВЭ 10 и ФВО 11 пропорциональны токам, которые протекали бы в нагрузке под действием реальной и опережающей ЭДС соответственно.

Сигналы прогноза значения тока нагрузки в конце очередного интервала дискретности 1о(п+1) формируется на выходе сумматора 16 в соответствии с уравнением

(n-fl) (t)-itn-l)(t)-iof (t)-f

+ (t)-HiJ(t)-in(t), (3)

где к - коэффициент передачи масщтабирующего звена 14;

1вых - сигнал обратной связи по току нагрузки на выходе ДТ 12.

Вторая составляющая опорного сигнала очередного вентиля формируется сумматором 17 и масщтабирующим звеном 18 в соответствии с уравнением

Uon(n)2 (t).x (t)-l(n -М) (t)K1,

(4)

гдеК1 - коэффициент передачи масштаби- 50 .( ч Е )+ i on -i Гп-I-П . рующего звена 18.

В момент смены знака на выходе сумма тора 21 происходит переключение НО 22. по фронту выходного сигнала которого с по мощью ФДИ 23 формируется импульс уп

5 равления очередным вентилем НПЧ Указанный импульс в соответствии с очередностью работы выдается РИ 24 на соответствующий вентиль и, кроме того производит переключение мультиплексо10 ровЗ, 4, 5 на формирование сигналов управления следующим по порядку работы вентилем.

Для выявления сущности способа рассмотрим процессы, происходящие в нагруз15 ке НПЧ. Ток в RL-нагрузке определяется решением дифференциального уравнения

en(t)-eo(t) ,x(n) (t) +

+ (n) (t)/dt,(7)

20 где 1вых(п) -ток нагрузки НПЧ на n-M интервале дискретности.

Решая уравнение (7)с учетом начальных условий

(п) (tn ) Ion ,(8)

где tn - левая граница п-го интервала дискретности (момент включения п-го вентиля НПЧ), получим уравнение

(п) (t)lo(tn)-ln(tn) +

30 (:-ь)/Тн +

+ in(t)-io(t),(9)

где in (t) и In (tn) - текущее значение вирту- „ ального тока от фазы сети очередного eeh- тиля и его значение в начале очередного интервала дискретности соответственно;

io (t) и io (tn) - текущие значение виртуального тока от противоЭДС нагрузки и его . значение в начале очередного интервала ди- скретнос.ти соответственно.

Среднее значение тока нагрузки на п-м интервале дискретности получается интегрированием выражения (9) в предположе- .J. НИИ о том, что длительность указанного интервала равна нормированному значению То

tn +TCJ

1вых(п) (I/TO) / 1вых(п) (t)dt .

tn

5

В момент смены знака на выходе сумматора 21 происходит переключение НО 22. по фронту выходного сигнала которого с помощью ФДИ 23 формируется импульс уп5 равления очередным вентилем НПЧ. Указанный импульс в соответствии с очередностью работы выдается РИ 24 на соответствующий вентиль и, кроме того, производит переключение мультиплексо0 ровЗ, 4, 5 на формирование сигналов управления следующим по порядку работы вентилем.

Для выявления сущности способа рассмотрим процессы, происходящие в нагруз5 ке НПЧ. Ток в RL-нагрузке определяется решением дифференциального уравнения

en(t)-eo(t) ,x(n) (t) +

+ (n) (t)/dt,(7)

0 где 1вых(п) -ток нагрузки НПЧ на n-M интервале дискретности.

Решая уравнение (7)с учетом начальных условий

(п) (tn ) Ion ,(8)

где tn - левая граница п-го интервала дискретности (момент включения п-го вентиля НПЧ), получим уравнение

(п) (t)lo(tn)-ln(tn) +

0 (:-ь)/Тн +

+ in(t)-io(t),(9)

где in (t) и In (tn) - текущее значение вирту- ального тока от фазы сети очередного eeh- тиля и его значение в начале очередного интервала дискретности соответственно;

io (t) и io (tn) - текущие значение виртуального тока от противоЭДС нагрузки и его значение в начале очередного интервала ди- скретнос.ти соответственно.

Среднее значение тока нагрузки на п-м интервале дискретности получается интегрированием выражения (9) в предположе- J. НИИ о том, что длительность указанного интервала равна нормированному значению То

tn +TCJ

1вых(п) (I/TO) / 1вых(п) (t)dt .

tn

Изобретение относится к электротехнике. Цель изобретения - повышение точности регулирования тока нагрузки. Способ регулирования тока нагрузки состоит в том, что формируют сигнал опережающей противоЭДС, пропорциональный реальной ЭДС нагрузки и опережающий ее на один интервал дискретности преобразователя, формируют сигнал компенсации ЭДС пропорционально интегралу от разности сигналов опережающий и реальной ЭДС нагрузки и формируют сигнал управления преобразователем пропорционально сумме сигналов задания тока и компенсации ЭДС. При этом формируют четыре сигнала виртуальных токов, пропорциональных токам, которые будут протекать в цепи с параметрами нагрузки преобразователя под действием соответственно ЭДС фаз сети, коммутируемых предыдущим и очередным вентилями, а также реальной и опережающей ЭДС нагрузки, и формируют сигнал прогноза значения тока нагрузки в конце очередного интервала дискретности в виде суммы виртуального тока сети предыдущего вентиля, виртуального тока опережающей противо ЭДС, взятому с обратным знаком, и сигнала, пропорционального сумме сигнала обратной связи по току нагрузки и сигнала разности виртуального тока ЭДС нагрузки и виртуального тока фазы сети очередного вентиля. 2 ил.

Результирующий опорный сигнал очередного вентиля, равный

Uon(n) (t)Uon(n)l (i)+Uon(n)2 (t).

(5)

поступает на сумматор 21, где из него вычитается сигнал управления

Uj(t) i3+eo.(6)

(10)

где ивых{п) - среднее выходное напряжение НПЧ на п-м интервале дискретности;

ЕОП - среднее за интервал дискретности значение противоЭДС нагрузки;

1о{п+1) - ток нагрузки в конце п-го интервала дискретности (или в начале следующего (п+1)-го интервала;

TH TH/TO - относительная электромагнитная постоянная времени нагрузки.

Первое слагаемое в выражении (10) пропорционально падению напряжения от среднего за интервал тока на активном со- противлении нагрузки, а второе слагаемое пропорционально доле напряжения, идущего на создание приращения тока за интервал.

Сущность способа управления НПЧ со- стоит в том, что опорный сигнал очередного вентиля формируется в соответствии с зависимостью (10) среднего тока от момента включения очередного вентиля tn. При этом указанный момент времени определяется в системе управления таким образом, что на каждом интервале дискретности обеспечивается выполнение равенства сигнала задания тока в начале этого интервала и среднего за указанный интервал значения тока нагрузки.

Первая составляющая Uon{n)l результирующего опорного сигнала U5n(n) (фиг.1) пропорциональна зависимости ивых(п) (tn) в выражении (10). Докажем, что вторая его составляющая USn(n)2 пропорциональна второму слагаемому в зависимости (10). Очевидно, Что ток нагрузки в начале очередного интервала дискретности НПЧ есть ток нагрузки в момент включения очередного вентиля, т.е.

i вых (tn ) ,(11)

Значение же тока нагрузки в конце очередного интервала дискретности Io(n4i) непосредственным измерением определено быть не может и должно быть каким-либо образом спрогнозировано. Это можно осуществить из уравнения (9), если предположить, что очередной П7Й интервал ди- скретности имеет нормированную длительность То. При этом можно записать, что

(tn +To) lo(n+l) in(tn +To)- - io ( tn + То ) + I on + io ( tn ) - In ( tn ) X

X exp ( - I/T;: ).(12)

Имея в виду очевидные равенства:

in(tn+To) i1(n-1) (tn); (13)

Io(tn+To) iof (tn),(14)

преобразуем уравнение (12) с учетом зависимости (11) к виду

I о ( п -Ы ) (tn ) i1( п - 1 ) (tn ) - I of ( tn ) + + ,x ( tn ) + io ( tn ) - in ( tn ) X

хехр(-1/Тн). (16)

Полученное уравнение; позволяет вычислять прогноз тока нагрузки в конце очередного интервала дискретности только по

0 5 0

5 0

5

0

5

5

0

текущей измеряемой информации. Поэтому вторая составляющая опорного сигнала очередного вентиля должна формироваться по уравнению

(п)2 (t) (t)-lo(n+l)(t)l,

(16)

где lo(n+i) прогноз тока нагрузки в конце очередного интервала дискретности, определяемый через мгновенные значения тока нагрузки вых . значения виртуальных токов от сетевых напряжений данного In и предыдущего i(n-i) вентилей, а также через виртуальные токи от реальной io и опережающей iof противоЭДС нагрузки.

Сигнал управления НПЧ, формируемый в соответствии с выражением (6), в момент включения вентиля равен результирующему опорному сигналу

Uy (tn) Uon(n) (tn).(17)

При подстановке в выражение (17) уравнений (1), (5), (6) и (16) с учетом того обстоятельства, что

(п) -(1/То) / en(t)dttn

(n)l (tn).

Eon (1/To) / eo(t)(tn)

tn

И, принимая BO внимание зависимость (10), получим равенство

1з (tn ) - itbix(n)

Следовател1 но, при управлении НПЧ в соответствии с рассмотренным способом среднее значение тока нагрузки на каждом интервале дискретности пропорционально значению сигнала задания тока в начале этого интервала как в статике, так и в динамике. При этом вторая составляющая опорного сигнала Uon(n)2 соответствует формулам (15) и (16), если коэффициенты масщтабирующих звеньев 14 и 18 (фиг,1) равны соответственно:

К ехр(-1/Тн);

К1 Тн.

Таким образом, повышение точности регулирования тока нагрузки НПЧ достигается благодаря формированию второй составляющей опорного сигнала для очередного вентиля в зависимости от прогноза величины тока нагрузки в конце интервала его работы, что дает возможность при выборе момента включения этого вентиля учесть, какая доля выходного напряжения преобразователя пойдет на создание необходимого на данном интервале приращения тока, и, следовательно, обеспечить точную его отработку.

Формулаизобретения Способ управления непосредственным преобразователем частоты с естественной коммутацией, заключающийся в том, что формируют сигнал задания тока, формируют сигнал обратной связи по току, измеряют ЭДС нагрузки, формируют сигнал опережающей ЭДС, пропорциональный реальной ЭДС нагрузки и опережающий ее на один интервал дискретности преобразователя, формируют сигнал компенсации ЭДС пропорционально интегралу от разности сигналов опережающей и реальной ЭДС нагрузки, причем результат интегрирования обнуляют в момент перехода через нуль суммы интегрируемых сигналов, формируют сигнал управления преобразователем пропорционально сумме сигналов задания тока и компенсации ЭДС, формируют первую составляющую опорного сигнала очередного вентиля пропорционально зависимости среднего за интервал дискрет- ности выходного напряжения преобразователя от угла управления вентиля, в момент равенства опорного и управляющего сигналов формируют и подаюг импульс управления очередным вентилем, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности регулирования тока нагрузки, формируют вторую составляющую опорного сигнала пропорционально разности сигнала обратной связи по току нагрузки и сигнала прогноза значения тока нагрузки в конце очередного интервала дискретности, формируя опорный сигнал очередного вентиля как сумму первой и второй составляющих, формируют четыре сигнала виртуальных токов, каждый из которых соответственно пропорционален токам, протекающим в цепи с параметрами нагрузки преобразователя под действием ЭДС сети, коммутируемых предыдущим и очередным вентилями, а также реальной ЭДС нагрузки и опережающей ЭДС нагрузки и формируют сигнал прогноза значения тока нагрузки в конце очередного интервала дискретности в виде суммы виртуального тока сети предыдущего вентиля, виртуального тока опережающей ЭДС, взятому с обратным знаком,и сигнала, про- порциональногосумме сигналов обратной связи по току нагрузки и разности виртуального тока ЭДС нагрузки и виртуального тока фазы сети очередного вентиля.

Фи1.1 .