Способ управления преобразователем

 

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к способу управления преобразователем, и может быть использовано в частотно-регулируемом электроприводе. Осуществление данного способа управления преобразователем электропривода асинхронной электрической машины, подключенной к автономному инвертору напряжения, к входу которого присоединены тормозной регулятор и вход фильтра, а система управления основана на базе микропроцессорного контроллера, к примеру, К1-20 (МС 2702) и сопрягается с автономным инвертором напряжения выходными каскадами. Автономный инвертор напряжения выполнен по трехфазной мостовой схеме и состоит из ключевых элементов (тиристоров) и шунтирующих их обратных диодов. При работе в двигательном режиме управление вначале производиться по 180-градусному режиму управления (т.е. λ = 180 эл. град.) путем формирования шести периодических последовательностей управляющих импульсов, сдвинутых относительно друг друга на 60 эл. градусов. При задании отрицательного скольжения асинхронная электрическая машина работает генератором в режиме инверторного возбуждения, причем угол регулирования ключевых элементов (тиристоров) делают равным одной шестой периода (т.е. λ = 60 эл.град.), при этом формируют дополнительное двукратное и более на каждом ключевом элементе (тиристоре) переключение, причем в моменты между переключениями, на данном угле регулирования, синхронно отпирают и запирают ключевые элементы (тиристоры) во вторых плечах своих фаз. Тормозной регулятор при этом обеспечивает защиту автономного инвертора напряжения от превышения напряжения на выходе выше номинального значения. Описанное регулирование процессом позволяет производить торможение с рекуперацией энергии в электрическую сеть при более низких скоростях и осуществлять регулирование формы кривой выходного напряжения, что расширяет возможности и диапазон регулирования асинхронной электрической машины. Это является техническим результатом. 2 ил.

Изобретение относится к области электротехники, а более конкретно к способу управления преобразователем, и может быть использовано в частотно-регулируемом электроприводе.

Существует большое количество различных способов управления преобразователями, такими, к примеру, как автономные инверторы напряжения (АИН), с помощью ключевых элементов, к примеру тиристоров, но все они имеют те или иные существенные недостатки и особенности, препятствующие их широкому применению.

К известным аналогам относится способ 180-градусного алгоритма управления автономного инвертора напряжения (с углом регулирования λ = 180 эл. град. ) с помощью переключения ключевых элементов (к примеру, тиристоров), заключающийся в том, что в течение периода выходной частоты создают шесть последовательностей одинаковых прямоугольных импульсов, каждый из которых сдвинут относительно предыдущего на 60 эл. град. и длительность каждого импульса составляет 180 эл. град. (см. книгу: "Автономные тиристорные инверторы с широтно-импульсным регулированием", автор: Ю. С. Забродин, изд. "Энергия", Москва, 1977 г., стр. 18, рис.2-1, "а").

Указанный преобразователь, осуществляющий данный способ, выполнен по схеме трехфазного автономного мостового инвертора на базе ключевых элементов, к примеру тиристоров, управляемых микропроцессорным устройством, задающим АП (т.е. алгоритм переключения), содержит источник питания и подключен на выходе к асинхронной электрической машине.

К недостаткам описанного способа относятся следующие: - способ не позволяет производить торможение с рекуперацией энергии при низких частотах; - способ не позволяет регулировать форму кривой выходного напряжения.

Наиболее близким по своей технической сущности и назначению к предлагаемому техническому решению является способ переключения силовых тиристоров с двукратной дополнительной коммутацией (см. вышеуказанную книгу, стр.39, рис. 2-25, "а").

Описанный преобразователь, осуществляющий данный способ, имеет те же элементы и выполнен так же, как и вышеприведенный аналог, только его система управления формирует другой алгоритм переключений (АП) силовых тиристоров в интервале регулирования λ = 180 эл. град. (см. рис. 2-25).

Как очевидно из этой диаграммы состояний силовых тиристоров трехфазной мостовой схемы инвертора, при данном АП необходимо обеспечить алгоритм двукратного переключения силовых тиристоров на интервале λ = 180 эл. град., причем длительности закрытого состояния на этом интервале одного из силовых тиристоров соответствует открытое состояние второго тиристора той же фазы. Таким образом, в любой момент времени этим обеспечивают одновременное открытое состояние трех силовых тиристоров.

Это позволяет получить возможность регулирования формы кривой выходного напряжения преобразователя.

Однако исходя из того, что диапазон регулирования прототипа λ =180 эл. град. (как и в приведенном выше аналоге), это не позволяет избавить описанный способ управления преобразователем от присущего ему органического недостатка, а именно: а) - способ не позволяет производить торможение с рекуперацией энергии при низких частотах.

Задачей предлагаемого изобретения является создание нового способа управления преобразователем, свободного от вышеперечисленного недостатка прототипа (см. пункт "а"), и расширение возможностей и диапазона регулирования асинхронной электрической машины за счет изменения формы кривой выходного напряжения и повышение экономичности ее работы.

Задача решается тем, что способ управления преобразователем, выполненным по схеме трехфазного мостового инвертора на базе управляемых ключевых элементов, к примеру тиристоров, работающих на асинхронную электрическую машину, заключается в том, что формируют шесть периодических последовательностей управляющих импульсов, сдвинутых относительно передних фронтов друг друга на 60 эл. град., причем угол регулирования λ = 60 эл. град., который имеет при этом дополнительное двукратное (и более) переключений на каждом ключевом элементе, причем в момент между переключениями на данном угле регулирования синхронно отпирают и запирают ключевые элементы во вторых плечах своих фаз.

Новизна предлагаемого способа состоит в том, что новый способ управления преобразователем имеет угол регулирования, равный 60 эл. град., который содержит двукратное (при необходимости и более) количество переключений на каждом ключевом элементе (тиристоре), в момент между которыми синхронно отпирают и закрывают ключевые элементы (тиристоры) во вторых плечах своих фаз.

Существенность отличий заключается в том, что используется 60-градусный угол регулирования, который имеет при этом дополнительное двукратное (и более) переключение на каждом ключевом элементе, причем в момент между переключениями синхронно отпирают и запирают ключевые элементы (тиристоры) во вторых плечах своих фаз.

В результате этого появляются новые свойства, такие как способность торможения с рекуперацией энергии при низких частотах, расширение возможностей диапазона регулирования асинхронной электрической машины.

Указанные свойства позволяют получить дополнительный положительный эффект - удобное и надежное регулирование выходного напряжения преобразователя и эффективную работу его при низких частотах (скоростях) асинхронной электрической машины.

К технико-экономическим преимуществам предлагаемого способа управления преобразователем относятся следующие: в) - позволяет производить торможение с рекуперацией энергии при низких частотах; г) - позволяет осуществлять регулирование формы кривой выходного напряжения преобразователя; д) - расширяет возможности и диапазон регулирования асинхронных электрических машин; е) - повышает экономичность работы асинхронных электрических машин.

Осуществление данного способа управления выполняется с помощью устройства, представленного на фиг. 1, где показана его структурная схема.

На фиг. 2 представлена диаграмма импульсов управления ключевыми элементами (тиристорами) инвертора с интервалом регулирования λ = 60 эл. град. и с двукратной дополнительной коммутацией на каждом ключевом элементе, причем в моменты переключения синхронно отпирают и запирают ключевые элементы (тиристоры) во вторых плечах своих фаз.

На приведенном чертеже (см. фиг. 1) показан электропривод, содержащий асинхронную электрическую машину 1, к примеру, типа АГВ-1 по патенту РФ N 2094269, МПК 6 В 61 D 43/00, 1997 г., Бюл. N 30 от 27.10.97 г., подключенную к автономному инвертору напряжения 2, к входу которого подключен тормозной регулятор, выход фильтра (звена постоянного тока), вход которого предназначен для подключения к источнику питания, и система управления, выполненная на базе микропроцессорного контроллера, к примеру, К1-20 (МС 2702), которые на чертеже (см. фиг. 1) не показаны.

В постоянное запоминающее устройство системы управления (микропроцессорного контроллера) занесены таблицы состояний ключевых элементов (тиристоров) для каждого алгоритма (АП) в отдельности. Переход одного алгоритма на другой происходит путем замены одной таблицы состояний ключевых элементов (тиристоров) на другую при сохранении в моменты перехода длительности одной шестой периода.

Для сопряжения системы управления (микропроцессорного контроллера) с автономным инвертором напряжения 2 используются выходные каскады (см. фиг. 1) с гальванической развязкой, к примеру, на тиристорных оптронах, причем управляющие цепи ключевых элементов (тиристоров) соединены с выходами вышеуказанных выходных каскадов.

Автономный инвертор напряжения 2 выполнен по трехфазной мостовой схеме и состоит из ключевых элементов (полностью управляемых тиристоров) Т1 ... Т6, причем Т1; Т3 и Т5 составляют анодную группу, а Т2; Т4 и Т6 - катодную, которые включены между положительной (+) и отрицательной (-) шинами, причем указанные ключевые элементы шунтированы обратными диодами D1 ... D6.

При работе в двигательном режиме управления ключевыми элементами (тиристорами) автономного инвертора напряжения 2 преобразование вначале производиться по 180-градусному алгоритму управления.

При задании отрицательного скольжения асинхронная электрическая машина 1 работает генератором в режиме инверторного возбуждения.

Процесс возбуждения асинхронной электрической машины 1 имеет ряд особенностей, которые определяются наличием контура для обмена реактивной энергией двух фаз электрической машины 1, когда ток протекает по ключевому элементу (тиристору) одной фазы и обратному диоду другой фазы инвертора.

Происходит обмен энергией между замкнутыми фазами обмотки статора асинхронной электрической машины 1.

Свободная фаза не принимает участия в процессе инверторного возбуждения и ее можно, в данный момент времени, не включать в работу, для чего в генераторном режиме делают угол регулирования ключевых элементов (тиристоров) равным одной шестой периода, т. е. λ = 60 эл. градусов, и при этом формируют дополнительное двукратное (и более) на каждом ключевом элементе (тиристоре) переключение, причем в момент между переключениями на данном угле регулирования синхронно отпирают и запирают ключевые элементы (тиристоры) во вторых плечах своих фаз (см. фиг. 2).

При 60-градусном управлении в любой момент времени открыт только один ключевой элемент (тиристор) инвертора 2, и, следовательно, в двигательном режиме работа асинхронной электрической машины 1 невозможна из-за отсутствия перекрытия углов регулирования ключевых элементов (тиристоров) анодной (Т1; Т3 и Т5) и катодной (Т2; Т4 и Т6) групп.

Таким образом отсутствует цепь протекания тока по обмоткам асинхронной электрической машины 1 от положительной (+) шины автономного инвертора напряжения 2 к отрицательной (-) шине.

В генераторном режиме наличие одного открытого ключевого элемента (тиристора), при возбуждении асинхронной электрической машины 1 через автономный инвертор напряжения 2, является достаточным условием для появления замкнутого контура двух фаз, когда ток протекает по ключевому элементу (тиристору) одной фазы и обратному диоду другой.

Следует отметить, что тормозной регулятор (см. фиг. 1) обеспечивает защиту автономного инвертора 2 от превышения напряжения на входе выше номинального. Он выключается, если электрическая сеть не может принять всю энергию торможения либо в режиме рекуперативно-резисторного торможения при отсутствии напряжения в электрической цепи.

Описанное регулирование процессом позволяет производить торможение с рекуперацией энергии в электрическую сеть при более низких скоростях и осуществлять регулирование формы кривой выходного напряжения, что расширяет возможности и диапазон регулирования асинхронных электрических машин и, в свою очередь, повышает экономичность их работы.

Перевод из двигательного режима работы в генераторный режим при 180-градусном алгоритме управления осуществляется увеличением длительности каждой одной шестой части периода до тех пор, пока асинхронная электрическая машина не перейдет в генераторный режим. Затем осуществляется переход на 60-градусный алгоритм управления, и путем дальнейшего увеличения длительности одной шестой части периода реализуется процесс торможения асинхронной электрической машины и при этом изменением количества дополнительных переключений и длительности моментов между ними производят регулирование формы кривой выходного напряжения.

Таким образом, использование предлагаемого способа управления преобразователем нагруженным на асинхронную электрическую машину позволяет расширить диапазон регулирования в генераторном режиме работы электропривода с одновременным увеличением рекуперируемой энергии, а также расширить возможности и диапазон регулирования асинхронной электрической машины.

Наиболее рационально использовать предлагаемый способ управления преобразователем, к примеру, на железнодорожном транспорте для управления асинхронными электрическими машинами.

Учитывая вышеприведенные преимущества (см. пункты: "в", "г", "д", "е") целесообразно наладить промышленный выпуск вышеупомянутых асинхронных электрических машин типа АГВ-1 с системой управления преобразователем по данному способу.

Формула изобретения

Способ управления преобразователем, выполненным по схеме трехфазного мостового инвертора на базе управляемых ключевых элементов, к примеру, тиристоров, работающим на асинхронную электрическую машину, заключающийся в том, что формируют шесть периодических последовательностей управляющих импульсов, сдвинутых относительно передних фронтов друг друга на 60 эл.град., отличающийся тем, что используют интервал регулирования λ = 60 эл.град., имеющий дополнительное двукратное и более переключений на каждом ключевом элементе, в моменты переключения ключевых элементов на данном интервале регулирования синхронно отпирают и запирают ключевые элементы во вторых плечах своих фаз.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2