EA015042B1

EA015042B1 - Система питания и управления многофазной вентильной машиной

Info

Publication number: EA015042B1
Application number: EA201000669A
Authority: EA
Inventors: Сергей Алексеевич БУЛГАКОВ; Владимир Георгиевич КУЧИНСКИЙ; Валерий Михайлович ЧАЙКА
Original assignee: Открытое Акционерное Общество "Нпо "Русский Электропривод"
Priority date: 2010-04-07
Filing date: 2010-04-07
Publication date: 2011-04-29
Also published as: WO2011124233A1; EA201000669A1

Abstract

Представлена система питания и управления многофазной вентильной машиной, которая состоит из нескольких реверсивных регулируемых выпрямителей, входы которых подключены к сети переменного тока, блоков управления реверсивных выпрямителей, датчиков тока, а также управляющего канала задающего воздействия с соответствующим датчиком обратной связи. С целью обеспечения постоянства формы и угла сдвига между фазными токами и напряжениями при работе с различными скоростями вращения, и различной выходной мощностью, и повышения надежности работы каждая фаза многофазной вентильной машины подключена к своему реверсивному выпрямителю и имеет датчик тока. В представленной системе частота общей питающей сети в несколько раз больше частоты ЭДС многофазной вентильной машины, а блок управления выполнен таким образом, что обеспечивает заданные форму тока и угол сдвига в каждой фазе, а также устанавливает величину тока, поддерживая равенство токов между всеми выпрямителями и обеспечивая минимальное значение сигнала ошибки по каналу задающего воздействия.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к системам питания и управления многофазными электрическими машинами, в частности к способу и системе управления многофазной вентильной машиной.

Предыдущий уровень техники

В электроприводах широкое применение имеют вентильные электрические машины переменного тока. Принцип действия таких электроприводов основан на частотном регулировании, суть которого заключается в управлении вектором магнитного поля статора в зависимости от положения ротора. Система питания и управления вентильной машины обычно подключается к источнику постоянного напряжения, как это представлено, например, в патенте КП 86810. Система питания и управления питает обмотки машины, используя показания датчика положения ротора (ДПР) и принцип широтно-импульсной модуляции.

В патенте КП 2073309, для подключения многофазной вентильной машины к трехфазной электрической сети используют выпрямитель напряжения и систему питания и управления, подключенную к выходу выпрямителя с постоянным напряжением.

Указанные в патентах Ки 86810 и Ки 2073309 системы питания и управления вентильной электрической машиной используют двойное преобразование энергии (преобразуют переменное напряжение питающей сети в постоянное, с помощью входного выпрямителя и фильтра, и далее преобразуют, с помощью инвертора, постоянное напряжение в переменное напряжение, питающее обмотки двигателя).

Сущность изобретения

Настоящее изобретение направлено на предоставление такой системы питания и управления многофазной вентильной машиной, которая имеет более простую структуру и обладает более высокой надежностью и КПД.

Указанная задача решается с помощью системы питания и управления многофазной вентильной машиной, которая состоит из нескольких реверсивных регулируемых выпрямителей, входы которых подключены к сети переменного тока, блоков управления реверсивных выпрямителей, датчиков тока, а также управляющего канала задающего воздействия с соответствующим датчиком обратной связи. С целью обеспечения постоянства формы и угла сдвига между фазными токами и напряжениями при работе с различными скоростями вращения, и различной выходной мощностью, и повышения надежности работы каждая фаза многофазной вентильной машины подключена к своему реверсивному выпрямителю и имеет датчик тока. В представленной системе частота общей питающей сети в несколько раз больше частоты ЭДС многофазной вентильной машины, а блок управления выполнен таким образом, что обеспечивает заданные форму тока и угол сдвига в каждой фазе, а также устанавливает величину тока, поддерживая равенство токов между всеми выпрямителями и обеспечивая минимальное значение сигнала ошибки по каналу задающего воздействия.

В предпочтительном варианте входы реверсивных регулируемых выпрямителей подключены к сети переменного тока посредством трансформатора.

Благодаря тому что частота общей питающей сети в несколько раз больше частоты ЭДС вентильной электрической машины, формирование питающих напряжений для фаз вентильной машины удается осуществлять непосредственно из напряжений фаз электрического питания. Вследствие этого возможно упрощение структуры системы питания и управления, а значит, увеличение надежности системы питания и управления многофазной вентильной машины.

Перечень фигур чертежей

На фиг. 1 представлена принципиальная схема системы питания многофазного вентильного двигателя.

На фиг. 2а представлены графики фазных токов на входе выпрямителей.

На фиг. 2б показан график фазного тока и ЭДС двигателя.

На фиг. 2в представлены графики задающего сигнала управления током фазы двигателя и сформированного блоком управления сигнала управления углами зажигания тиристоров выпрямителя.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фиг. 1 представлена принципиальная схема системы питания многофазного (для простоты рассмотрения трехфазного) вентильного двигателя М1, снабженного датчиком В1 положения ротора.

Система А1 питания состоит из силового блока А1 и блока А2 управления, осуществляющего управление приводом. Силовой блок А1 состоит из входного сетевого трансформатора Т1, сетевых реверсивных тиристорных выпрямителей υΖ1-υΖ и датчиков ТА1-ТА3 тока.

Рассматриваемая система питания (СП) разделена на каналы, образованные управляемыми тиристорными выпрямителями υΖ с подключенными к ним обмотками фаз двигателя. Все каналы одинаковы по составу оборудования и параметрам. Режимы работы каналов СП идентичны. Число каналов определяется числом фаз двигателя. Каналы электрически не связаны по выходу между собой.

Разделение СП на одинаковые, электрически не связанные по выходу между собой каналы, позволяет повысить надежность СП.

Питание СП может осуществляться как непосредственно от трехфазной сети переменного тока, так и с использованием разделительного трансформатора.

- 1 015042

На схеме фиг. 1 силовое питание на регулируемые выпрямители ϋΖ системы питания подается от трехфазной сети переменного тока через входной трансформатор Т1.

Использование входного трансформатора обеспечивает гальваническую развязку между силовыми цепями системы питания и питающей сетью, а также позволяет оптимально согласовать уровни рабочих напряжений сети и двигателя.

Исполнение входного трансформатора, обеспечивающего питание каналов СП, может быть как двух обмоточным, так и многообмоточным.

Использование многообмоточного трансформатора с вторичными обмотками, имеющими различный фазовый сдвиг между напряжениями на них, позволяет существенно уменьшить влияние электропривода на питающую сеть.

Управляемый реверсивный выпрямитель каждого канала работает в режиме регулятора тока. Сигнал обратной связи по току обмотки поступает в блок управления от датчика тока, включенного в цепь нагрузки на выходе каждого выпрямителя.

Такое построение системы питания возможно и эффективно для приводов, когда частота питающей сети выше частоты фазного тока двигателя.

В построенной по такой схеме системе питания фазный ток двигателя формируется выпрямителем из вырезанных участков входного тока. Осциллограммы фазных токов на входе выпрямителей ϋΖ представлены на фиг. 2а, осциллограммы фазного тока 1ф и ЭДС двигателя иф представлены на фиг. 2б. На фиг. 2в изображены графики задающего сигнала управления током фазы двигателя Иуст и сформированного блоком управления сигнала управления углами зажигания тиристоров выпрямителя.

Пульсации фазного тока двигателя сглаживаются индуктивностью фазной обмотки.

Увеличение отношения частоты питающей сети к частоте ЭДС двигателя, увеличивает частоту дискретизации тока фазы двигателя и, как следствие, точность воспроизведения заданной формы тока, питающего фазную обмотку двигателя.

Эффективность такого типа СП обусловлена существенным упрощением ее принципиальной схемы и конструкции, а следовательно и повышением надежности. Это связано с тем, что достаточно только входных тиристорных выпрямителей для обеспечения требуемых формы и величины токов, питающих фазные обмотки.

Использование непосредственного питания фазных обмоток двигателя от регулируемых реверсивных выпрямителей, работающих в режиме регуляторов тока, существенно упрощает алгоритмы управления, что также повышает надежность привода.

Такое построение СП позволяет несколько снизить габариты и стоимость системы питания. Снижение массы и стоимости обусловлено в первую очередь уменьшением состава оборудования СП по сравнению с традиционными схемами преобразователей частоты. Как минимум, из состава оборудования СП на основе выпрямителей, работающих в режиме регуляторов тока исключаются, в зависимости от типа выходного каскада АИН или АИТ традиционного преобразователя, конденсаторная батарея или сглаживающий реактор. Несмотря на то, что в рассматриваемой системе питания для питания каждой фазной обмотки используется собственный выпрямитель, его мощность определяется как Рдв/Ν, где Рдв - мощность электрической машины, а N - число фаз и в общем случае суммарная мощность выпрямителей не превосходит мощность входного единичного выпрямителя традиционных преобразователей.

Понятно, что поскольку при таком построении СП (в ее составе не используются выходные инверторные каскады) состав алгоритмов управления, системы питания вентильной машины, существенно упрощается. Отсутствие необходимости использования соответствующих достаточно сложных алгоритмов управления инверторными каскадами, упрощает управление и повышает его надежность.

Основными регулируемыми параметрами в электроприводе служат частота вращения ротора и направление его вращения (правое или левое). Необходимая для питания фазных обмоток форма фазного тока задается блоком управления.

Фазовое положение тока фазы относительно фазной ЭДС двигателя задается блоком управления по сигналам, поступающим от датчика положения ротора.

Направление вращения вала двигателя определяется направлением вращения электромагнитного поля, создаваемого током в статорных обмотках фаз двигателя, и задается блоком управления посредством изменения фазовой последовательности токов двигателя.

Сохранение неизменности формы и фазового положения тока фазы относительно ЭДС двигателя во всех режимах, а также формирование необходимой амплитуды тока обеспечивается контуром регулирования тока блока управления по заложенным в регулятор блока управления законам управления, посредством выработки управляющих воздействий на углы управления вентилями выпрямителей.

Поскольку, при таком построении СП, рабочая частота выходного тока, формируемого выпрямителями СП, строго соответствует частоте вращения ротора (управление по сигналам ДПР), то обеспечение требуемого значения этой частоты достигается регулировкой величины фазных токов (электромагнитного момента на валу) двигателя.

Система управления обеспечивает вычисление текущего значения частоты вращения ротора двигателя на основе сигналов, поступающих от ДПР.

- 2 015042

Регулятор скорости блока управления обеспечивает сравнение задающего воздействия (уставки частоты вращения ротора) с сигналом обратной связи о текущем значении оборотов двигателя (вырабатываемым блоком управления по сигналам ДПР), и по сигналу рассогласования вырабатывает сигнал о необходимости изменения амплитуды тока (синхронно для всех каналов), по заложенным в регулятор блока управления законам управления.

Сформированный регулятором скорости сигнал (определяющий амплитуду фазного тока) поступает как управляющее воздействие на входы регуляторов тока всех каналов и соответственно вызывает необходимое и синхронное во всех каналах уменьшение или увеличение величины тока, а следовательно и момента двигателя.

Отличие предлагаемой системы питания и управления заключается в том, что используется разность частот напряжения питающей сети и вентильной машины, позволяющая отказаться от использования двойного преобразования энергии. Это позволяет уменьшить состав оборудования системы питания, упростить алгоритмы управления, снизить стоимость, повысить надежность и КПД привода.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Система питания и управления многофазной вентильной машиной, состоящая из нескольких реверсивных регулируемых выпрямителей, входы которых подключены к сети переменного тока, блоков управления реверсивных выпрямителей, датчиков тока, а также управляющего канала задающего воздействия с соответствующим датчиком обратной связи, отличающаяся тем, что каждый реверсивный выпрямитель соединен с датчиком тока и выполнен с возможностью соединения с одной из фаз многофазной вентильной машины, причем датчик тока выполнен с возможностью передачи своего сигнала в блок управления реверсивным выпрямителем, причем блоки управления реверсивных выпрямителей выполнены с возможностью обеспечения выравнивания по амплитуде выходных токов всех выпрямителей, причем блоки управления реверсивных выпрямителей выполнены с возможностью обеспечения частоты выходного напряжения реверсивных выпрямителей, в несколько раз меньшей, чем частота входного напряжения реверсивных выпрямителей.
2. Система питания и управления по п.1, отличающаяся тем, что входы реверсивных регулируемых выпрямителей подключены к сети переменного тока посредством трансформатора.