RU2255412C1

RU2255412C1 - Method for controlling dc-to-ac voltage converter

Info

Publication number: RU2255412C1
Application number: RU2003134522/09A
Authority: RU
Inventors: Алексей Николаевич Проценко (UA); Алексей Николаевич Проценко
Original assignee: НПП "ХАРТРОН-ЭКСПРЕСС Лтд" (ООО)
Priority date: 2003-11-27
Filing date: 2003-11-27
Publication date: 2005-06-27

Abstract

FIELD: electrical engineering; controlling semiconductor power converters.

SUBSTANCE: proposed method includes reduction of output voltage and conversion frequency for motor starting period, detection of motor turn-on moment by current increase in power circuit to value exceeding working current, reduction of output voltage and frequency to minimum, maintenance of these values until current reduces to almost steady state value, and gradual increase of output voltage and frequency to rated values, whereupon rated voltage and frequency are maintained.

EFFECT: simplified design, reduced mass, size, and cost of converter supplied with power from limited-rating mains.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления полупроводниковыми преобразователями электроэнергии, предназначенными для электропитания однофазного асинхронного двигателя с пусковой обмоткой и пускозащитным устройством, например мотор-компрессора бытового холодильника, от сети постоянного тока ограниченной мощности.The invention relates to electrical engineering and can be used to control semiconductor power converters designed to power a single-phase asynchronous motor with a starting winding and a start-up device, for example, a motor-compressor of a domestic refrigerator, from a DC network of limited power.

Сущность проблемы заключается в том, что при подключении однофазных электродвигателей с пусковой обмоткой к выходу любого преобразователя постоянного напряжения в переменное, например, выполненного по [а.с. СССР №1239807, кл. Н 02 М 7/48, 1986], при необходимости использования бытового холодильника, например, на транспортном средстве, в цепи нагрузки возникают значительные пусковые токи. Кратность этих пусковых токов в случае электродвигателя холодильника, например для двигателя типа ДКМ-2-90 превышает 20 раз [Бейнберг Б.С., Вайт Л.И. Бытовые компрессионные холодильники. М., Пищевая промышленность. 1977, таблица 7], что требует иметь такой самый запас по мощности преобразователя, который имеет значительные габариты и стоимость.The essence of the problem lies in the fact that when connecting single-phase motors with a starting winding to the output of any DC-to-AC converter, for example, made according to [A. with. USSR No. 1239807, class H 02 M 7/48, 1986], if it is necessary to use a domestic refrigerator, for example, on a vehicle, significant inrush currents occur in the load circuit. The multiplicity of these starting currents in the case of a refrigerator electric motor, for example, for an engine of the DKM-2-90 type, exceeds 20 times [BS Beinberg, L.I. White. Household compression refrigerators. M., Food Industry. 1977, table 7], which requires the very margin of power of the converter, which has significant dimensions and cost.

Известный способ управления преобразователем постоянного напряжения в переменное, который реализован в устройстве [а.с. СССР №748738, кл. Н 02 М 7/48, Н 02 Р 7/62, 1980], состоит в возможности изменять его выходное напряжение и частоту. Использование такого способа управления преобразователями в электроприводе позволяет использовать метод частотного управления электродвигателями, при котором возможно сохранение пускового момента при значительно меньшем пусковом токе [Москаленко В.М. Электрический привод. М., Высшая школа, 1991, стр.130]. Но непосредственное использование этого способа управления преобразователями постоянного напряжения в переменное для питания мотор-компрессора холодильника невозможно вследствие отсутствия в нем контроля за процессом пуска двигателя для соответствующего изменения напряжения и частоты.A known method of controlling a DC-to-AC converter, which is implemented in the device [a.s. USSR No. 748738, cl. H 02 M 7/48, H 02 P 7/62, 1980], consists in the ability to change its output voltage and frequency. Using this method of controlling converters in an electric drive allows you to use the method of frequency control of electric motors, in which it is possible to maintain a starting torque at a significantly lower starting current [V. Moskalenko Electric drive. M., Higher School, 1991, p.130]. But the direct use of this method of controlling DC-to-AC converters to power the refrigerator motor-compressor is impossible due to the lack of control over the engine starting process for a corresponding change in voltage and frequency.

Наиболее близким по технической сущности аналогом способа, который заявляется, выбранным как прототип, есть способ управления преобразователем, реализованный в устройстве [патент США №4099108, кл. Н 02 Р 5/40, 1978]. В этом способе для управления выходным напряжением и его частотой замеряют скорость и ускорение вращения асинхронного двигателя и по результатам замеров регулируют частоту и величину напряжения питания асинхронного двигателя, при этом поддерживают отношение напряжение/частота постоянным. В этом устройстве имеется возможность уменьшить пусковой ток при уменьшении выходного напряжения и частоты, но необходимость измерять скорость и ускорение вращения двигателя, а также отсутствие возможности определять не только факт набора оборотов электродвигателя, который сопровождается уменьшением пускового тока, но и факт отключения пусковой обмотки, которая потребляет значительный ток, только после чего возможно повышение частоты и величины выходного напряжения, не позволяет использовать его для питания бытовых холодильников, в которых используется асинхронный двигатель с пусковой обмоткой и пускозащитным устройством.The closest in technical essence to the analogue of the method that is claimed, selected as a prototype, there is a method of controlling the Converter, implemented in the device [US patent No. 4099108, class. H 02 P 5/40, 1978]. In this method, to control the output voltage and its frequency, the speed and acceleration of rotation of the induction motor are measured and, according to the results of the measurements, the frequency and magnitude of the supply voltage of the induction motor are controlled, while the voltage / frequency ratio is kept constant. In this device, it is possible to reduce the starting current while reducing the output voltage and frequency, but the need to measure the speed and acceleration of rotation of the motor, as well as the inability to determine not only the fact of the set of revolutions of the electric motor, which is accompanied by a decrease in the starting current, but also the fact of disconnecting the starting winding, which consumes significant current, only after which it is possible to increase the frequency and magnitude of the output voltage, does not allow it to be used to power household refrigerators, in which use an induction motor with a starting winding and a starting protector.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа управления преобразователем путем установки минимальных значений выходного напряжения и частоты преобразователя в требуемый момент, введения интервала поддержания этих значений до окончания работы пускозащитного устройства с дальнейшим постепенным увеличением напряжения и частоты без замера скорости и ускорение вращение двигателя, что обеспечивает ограничение пускового тока в асинхронном двигателе с пусковой обмоткой и пускозащитным устройством и тем самым позволяет значительно уменьшить мощность преобразователя, упростить преобразователь, уменьшить его массогабаритные показатели и стоимость, а также осуществить питание от сети ограниченной мощности.The basis of the invention is the task of improving the method of controlling the converter by setting the minimum values of the output voltage and frequency of the converter at the required time, introducing an interval to maintain these values until the start of the starting protector, with a further gradual increase in voltage and frequency without measuring the speed and accelerating the rotation of the motor, which limits inrush current in an induction motor with a start winding and a start-up protection device and thereby It can significantly reduce the power of the converter, simplify the converter, reduce its overall dimensions and cost, and also provide power from a limited power network.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе управления преобразователем постоянного напряжения в переменное, который включает регулирование частоты и величины напряжения питания асинхронного двигателя, в соответствии с изобретением выявляют момент включения двигателя по увеличению тока в силовой цепи до величины, которая превышает рабочее значение, уменьшают выходное напряжение и частоту преобразователя до минимальных величин, выдерживают эти величины до момента уменьшения тока в силовой цепи к значению, близкому к установившемуся, и потом постепенно увеличивают выходные напряжение и частоту к номинальным значениям, после чего поддерживают номинальные значения напряжения и частоты.The problem is solved in that in the known method of controlling a DC-to-AC converter, which includes controlling the frequency and magnitude of the supply voltage of an induction motor, in accordance with the invention, the moment of turning on the motor is detected by increasing the current in the power circuit to a value that exceeds the operating value, reduce the output voltage and frequency of the converter to the minimum values, withstand these values until the current in the power circuit decreases to a value close to After this, and then gradually increase the output voltage and frequency to the nominal values, after which the nominal voltage and frequency values are maintained.

Уменьшение в выявленный момент включения двигателя к минимальным значениям выходного напряжения и частоты преобразователя, выдерживание этих значений до момента уменьшения тока в силовой цепи к значению, близкому к установившемуся, постепенное увеличение выходного напряжения и частоты к номинальным значениям и затем поддержка номинальных значений напряжения и частоты без замера скорости и ускорения вращение двигателя позволяет значительно уменьшить мощность преобразователя, упростить преобразователь, уменьшить его массогабаритные показатели и осуществить питание от сети ограниченной мощности из-за малых пусковых токов.Reducing at the detected moment of turning on the motor to the minimum values of the output voltage and frequency of the converter, maintaining these values until the current in the power circuit decreases to a value close to the steady state, gradually increasing the output voltage and frequency to the nominal values and then supporting the rated voltage and frequency without measuring the speed and acceleration of the rotation of the engine can significantly reduce the power of the converter, simplify the converter, reduce its overall size e indicators and implement a mains limited power because of the low starting current.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображены:The invention is illustrated by drawings, which depict:

- на фиг.1 - блок-схема устройства, которое реализует заявленный способ;- figure 1 is a block diagram of a device that implements the claimed method;

- на фиг.2 - зависимость от времени напряжения и тока в силовой цепи.- figure 2 - time dependence of voltage and current in the power circuit.

Как показано на фиг.1, устройство для управления преобразователем постоянного напряжения в переменное содержит управляемый преобразователь постоянного напряжения в повышенное постоянное 1, датчик напряжения 2, включенный в силовую цепь датчик тока 3, инвертор 4, к выходу которого подключен асинхронный двигатель 5 с пускозащитным устройством, управляющее устройство 6, которое может быть выполнено на базе микропроцессора и в состав которого входят регулятор напряжения 7, регулятор частоты 8 и задатчик требуемого напряжения 9, первый пороговый элемент 10, второй пороговый элемент 11.As shown in figure 1, the device for controlling the DC-to-AC converter contains a controlled DC-to-DC converter 1, a voltage sensor 2, a current sensor 3, an inverter 4, connected to the power circuit, to the output of which an induction motor 5 with a starting protector is connected , a control device 6, which can be performed on the basis of a microprocessor and which includes a voltage regulator 7, a frequency regulator 8 and a voltage regulator 9, the first threshold th element 10, the second threshold element 11.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Преобразователь постоянно работает и на его выходе формируется переменное напряжение с номинальными значениями напряжения и частоты.The converter is constantly working and at its output an alternating voltage is formed with nominal values of voltage and frequency.

При включении асинхронного двигателя выявляют момент включения по увеличению тока в силовой цепи до величины, которая значительно превышает рабочее значение. Ограничение тока на допустимом для преобразователя уровне обеспечивается схемой защиты от перегрузок, которая присутствует обычно в любом преобразователе напряжения. Момент увеличения тока выявляют с помощью датчика тока 3 и первого порогового элемента 10, с выхода которого сигнал выдается на первый вход задатчика требуемого напряжения 9. Задатчик требуемого напряжения 9 через регулятор напряжения 7, управляемый преобразователь постоянного напряжения в повышенное постоянное 1, инвертор 4 уменьшают выходное напряжение до минимального, одновременно по сигналу задатчика требуемого напряжения 9 регулятор частоты 8 через инвертор 4 уменьшает также частоту до минимальной.When the asynchronous motor is turned on, the moment of switching on is detected by increasing the current in the power circuit to a value that significantly exceeds the operating value. Current limitation at a level acceptable for the converter is ensured by an overload protection circuit, which is usually present in any voltage converter. The moment of increase in current is detected using the current sensor 3 and the first threshold element 10, from the output of which a signal is output to the first input of the required voltage adjuster 9. The required voltage adjuster 9 through the voltage regulator 7, the controlled DC-to-DC converter 1, the inverter 4 reduces the output voltage to the minimum, at the same time by the signal of the setpoint of the required voltage 9, the frequency controller 8 through the inverter 4 also reduces the frequency to the minimum.

Подача на рабочую и пусковую обмотки двигателя пониженного напряжения с одновременным снижением частоты обеспечивает пусковой момент, который почти не отличается от пускового момента при подаче на двигатель напряжения и частоты номинального значения, но при значительно меньшем токе, и двигатель быстро набирает обороты. Но пускозащитное устройство, рассчитанное на номинальное значение рабочего напряжения, еще не отключает пусковую обмотку из-за значительно уменьшенного тока (вследствие уменьшенного выходного напряжения преобразователя во время пуска) через его выключатель в цепи пусковой обмотки, которая в современных мотор-компрессорных агрегатах холодильников обычно выполняется на терморезисторах с положительным температурным коэффициентом сопротивления. Время срабатывания такого выключателя пропорционально величине тока через него. Поэтому отключение пусковой обмотки происходит через время, необходимое для увеличения сопротивления терморезистора. Только после этого возможно увеличение напряжения и частоты для увеличения оборотов двигателя к номинальному значению.The supply to the operating and starting windings of the motor of a reduced voltage with a simultaneous decrease in frequency provides a starting torque that is almost the same as the starting torque when the voltage and frequency of the nominal value are applied to the motor, but at a significantly lower current, and the motor quickly accelerates. But the starting protector, designed for the rated value of the operating voltage, does not yet turn off the starting winding due to a significantly reduced current (due to the reduced output voltage of the converter during starting) through its switch in the starting winding circuit, which is usually performed in modern motor-compressor units of refrigerators on thermistors with a positive temperature coefficient of resistance. The response time of such a switch is proportional to the amount of current through it. Therefore, the starting winding is disconnected after the time required to increase the resistance of the thermistor. Only after this is it possible to increase the voltage and frequency to increase the engine speed to the nominal value.

Момент значительного увеличения сопротивления терморезистора и, тем самым, отключение пусковой обмотки независимо от величины уменьшенного напряжения на выходе преобразователя во время пуска двигателя обнаруживается в устройстве по значительному уменьшению потребляемого двигателем тока при отключении его пусковой обмотки. До этого времени минимальные значения напряжения и частоты преобразователя выдерживаются неизменными. После выявления значительного уменьшения потребляемого тока, который определяется при помощи второго порогового элемента 11, с выхода которого сигнал подается на второй вход задатчика требуемого напряжения 9, задатчик требуемого напряжения 9 постепенно увеличивает выходное напряжение к номинальному (через блоки 7, 1, 4). Одновременно регулятор частоты 8 через инвертор 4 увеличивает также частоту к номинальному значению. Потом регулятор напряжения 7 и регулятор частоты 8 поддерживают номинальные значения напряжения и частоты.The moment of a significant increase in the resistance of the thermistor and, thus, disconnection of the starting winding, regardless of the magnitude of the reduced voltage at the inverter output during engine starting, is detected in the device by a significant reduction in the current consumed by the motor when the starting winding is turned off. Until this time, the minimum voltage and frequency values of the converter are kept constant. After detecting a significant reduction in the current consumption, which is determined using the second threshold element 11, from the output of which the signal is supplied to the second input of the required voltage setter 9, the required voltage setter 9 gradually increases the output voltage to the rated voltage (via blocks 7, 1, 4). At the same time, the frequency controller 8 through the inverter 4 also increases the frequency to the nominal value. Then the voltage regulator 7 and the frequency regulator 8 support the nominal voltage and frequency values.

Зависимость напряжения U_вых и тока в силовой цепи I_вых от времени для реального устройства управления преобразователем постоянного напряжения =110 В в переменное ~220 В, 50 Гц, с выхода которого происходило питание электропривода бытового холодильника, показана на фиг.2. На интервалах времени 0-t₁ и t₃-t₄ задатчик требуемого напряжения формирует сигнал, пропорциональный номинальному напряжению U_н, на интервале t₁-t₂ формирует сигнал, пропорциональный минимальному напряжению U_мин, на интервале t₂-t₃ формирует переменный сигнал, пропорциональный текущему значению выходного напряжения U:The dependence of the voltage U _o and the current in the power circuit I _o on time for a real control device for a DC / DC converter = 110 V to AC ~ 220 V, 50 Hz, from the output of which the electric drive of the domestic refrigerator was powered, is shown in Fig.2. On time intervals 0-t ₁ and t ₃ -t _{4, the} required voltage generator generates a signal proportional to the rated voltage U _n , on the interval t ₁ -t ₂ generates a signal proportional to the minimum voltage U _min , on the interval t ₂ -t ₃ forms an alternating signal proportional to the current value of the output voltage U:

где t - текущее время на интервале t₂-t₃;where t is the current time in the interval t ₂ -t ₃ ;

t₁ - момент включения двигателя;t ₁ - moment of engine start;

t₂ - момент уменьшения тока к установившемуся значению;t ₂ - the moment of decrease in current to a steady value;

t₃ - момент увеличения напряжения к номинальному значению;t ₃ - the moment of increase in voltage to the nominal value;

t₄ - момент выключения двигателя.t ₄ - moment of engine shutdown.

При этом одновременно регулятор частоты 8 формирует частоту, пропорциональную напряжению из регулятора напряжения 7.At the same time, the frequency controller 8 generates a frequency proportional to the voltage from the voltage controller 7.

Для сохранения пускового момента двигателя во время его пуска при сниженном напряжении и тем самым обеспечения надежного запуска мотор-компрессора холодильника отношение напряжение/частота поддерживают неизменным в всем диапазоне изменения выходного напряжения преобразователя. Для двигателя с напряжением питания 220 В, 50 Гц это отношение равняется 4,4.To maintain the starting torque of the motor during its starting at a reduced voltage and thereby ensure reliable start of the refrigerator motor-compressor, the voltage / frequency ratio is kept constant over the entire range of the output voltage of the converter. For a motor with a supply voltage of 220 V, 50 Hz, this ratio is 4.4.

Как видно из графиков, на все время пуска двигателя формируются сниженные величины напряжения и тока, что обеспечивает значительное снижение потребляемой мощности, а это позволяет расширить возможность использования бытовых холодильников на автомобильном и железнодорожном транспорте с сетями постоянного тока ограниченной мощности.As can be seen from the graphs, reduced voltage and current values are formed during the entire start-up of the engine, which provides a significant reduction in power consumption, and this allows us to expand the possibility of using household refrigerators in automobile and rail transport with limited-current direct current networks.

Устройство, реализованное по материалам данной заявки с использованием основной элементной базы фирмы International Rectifier, имеет вес 2,5 кг и габариты всего 187×135×90 мм³, что позволило монтировать его непосредственно в отсеке мотор-компрессора холодильников типа НОРД с объемом камеры до 340 литров, размещенных в железнодорожных вагонах скорого поезда "Столичный экспресс".The device, based on the materials of this application using the main component base of International Rectifier, has a weight of 2.5 kg and dimensions of only 187 × 135 × 90 mm ³ , which made it possible to mount it directly in the motor-compressor compartment of NORD refrigerators with a chamber volume of up to 340 liters, placed in the railway cars of the metropolitan express train.

Claims

A method of controlling a DC-to-AC converter for powering an electric drive of a domestic refrigerator, which includes reducing the output voltage and frequency of the converter at the time the engine is started, characterized in that the moment the engine is turned on is detected by increasing the current in the power circuit to a value that exceeds the operating value, and reduce the output voltage and frequency of the converter to the minimum values, withstand these values until the current in the power circuit decreases to a value close to the mouth ovivshemusya, and then gradually increase the output voltage and the inverter frequency to the nominal values, then the support rated voltage and frequency.