Способ управления многофазным вентильным двигателем

009627 Область техники, к которой относится изобретение Изобретение относится к способам управления электрическими двигателями, в особенности мощными вентильными двигателями. Уровень техники Известен мостовой преобразователь, например из JP 53042313 А, используемый для питания вентильных электрических двигателей, содержащий основной трехфазный вентильный мост и вспомогательный трехфазный вентильный мост, подключенный через конденсаторы к выводам переменного тока основного моста, причем мосты соединены параллельно на стороне постоянного тока и подключены через сглаживающий реактор к выходу сетевого тиристорного выпрямителя. Наличие двух мостов в таком преобразователе облегчает работу вентилей, уменьшается амплитуда напряжения на вентилях. Наличие управляющего сигнала тиристора в течение некоторого промежутка времени позволяет тиристору функционировать в этот промежуток времени, фактически, в качестве диода, т.е. при подаче обратного напряжения на тиристор ток по нему не идет, но запирания тиристора не происходит. Снятие управляющего сигнала тиристора обусловливает возможность запирания тиристора при подаче на него обратного напряжения. Отличие предлагаемого способа управления заключается в том, что управляющие сигналы вентилей основного и вспомогательного мостов подаются не одновременно, как в JP 53042313 А, а последовательно через фиксированные задержки относительно опорного сигнала. Формирование управляющих сигналов вентилей основного и вспомогательного мостов не одновременно как в JP 53042313 А, а последовательно позволяет управлять величиной напряжения на коммутирующих конденсаторах с целью обеспечения максимального значения косинуса угла сдвига между током и напряжением вплоть до 1, что приводит к более эффективному использованию вентильного двигателя. Использование фиксированных задержек между управляющими сигналами позволяет существенно упростить алгоритмы управления, что ведет к повышению надежности электропривода в целом. Известен способ управления статическим источником реактивной мощности с использованием аналогичной схемы (SU 773824). Способ выбран в качестве прототипа. Отличием предлагаемого способа управления заключается в том, что в процессе коммутации участвуют не два вентиля вспомогательного моста, как предложено в SU 773824, а один вентиль вспомогательного моста, и кроме того не требуется контроль за напряжениями на вентилях. Раскрытие изобретения Предложен способ управления многофазным вентильным двигателем. Целью предложенного способа является упрощение и повышение надежности системы управления вентильной машиной с возбуждением от постоянных магнитов, а также снижение напряжения на полупроводниковых приборах системы питания. Способ применяется для управления многофазным вентильным двигателем, фазы которого разделены на трехфазные группы, каждая из которых соединена звездой и подключена к трехфазному основному вентильному мосту, к выходу которого через коммутирующие конденсаторы подключен вспомогательный трехфазный вентильный мост, причем указанные основной и вспомогательный вентильные мосты содержат вентили в виде тиристоров, тиристоры подразделены на тиристоры катодной группы и тиристоры анодной группы, полюса обоих мостов соединены параллельно и подключены через сглаживающий реактор к выходу источника постоянного тока, при этом управляющие электроды всех тиристоров подключены к блоку управления, осуществляющему подачу и снятие управляющих сигналов каждого тиристора. Способ отличается тем, что в каждой звезде формируется опорный сигнал, относительно которого отсчитываются два заданных интервала времени, величины которых неизменны в полном диапазоне скоростей вращения двигателя от близких к нулевым до номинальных значений скорости; по истечении первого интервала времени снимается управляющий сигнал тиристора фазы, ожидающей отключения в основном мосте, и одновременно подается управляющий сигнал тиристора фазы,ожидающей отключения, во вспомогательном мосте; а по истечении второго интервала времени снимается управляющий сигнал тиристора фазы, ожидающей отключения, во вспомогательном мосте, и одновременно подается управляющий сигнал тиристора фазы, ожидающей включения, в основном мосте. Опорный сигнал формируется по изменению знака линейного напряжения между фазами трехфазной группы; при этом, если соответствующее линейное напряжение становится больше нуля, то подается управляющий сигнал тиристора, принадлежащего катодной группе, а если линейное напряжение становится меньше нуля, то подается управляющий сигнал тиристора, принадлежащего анодной группе. Для шестифазного электрического двигателя, шесть фаз которого разделены на две трехфазные группы, соединенные звездами, первая звезда на 30 электрических градусов опережает вторую звезду, в одной из звезд осуществляется коммутация тока, при этом опорный сигнал формируется по сравнению-1 009627 величин двух линейных напряжений звезды, отличной от звезды, в которой осуществляют коммутацию тока. В качестве одного из сравниваемых линейных напряжений выбирается линейное напряжение между двумя фазами звезды, в которой осуществляют коммутацию тока, а в качестве другого линейного напряжения выбирается напряжение между фазой, в которую производится коммутация тока, и третьей фазой в случае, если коммутация тока осуществляется в первой звезде, или напряжение между фазой, из которой производится коммутация, и третьей фазой в случае, если коммутация тока осуществляется во второй звезде. В случае, когда линейное напряжение между фазами звезды, в которой осуществляется коммутация тока, становится больше, чем сравниваемое с ним линейное напряжение, опорный сигнал формируется для управляющих сигналов тиристоров анодной группы первой звезды, или тиристоров катодной группы второй звезды, в зависимости от того, в какой звезде осуществляется коммутация тока; а в случае, когда линейное напряжение между фазами звезды, в которой осуществляется коммутация тока, становится меньше, чем сравниваемое с ним линейное напряжение, то опорный сигнал формируется для управляющих сигналов тиристоров катодной группы первой звезды, или тиристоров анодной группы второй звезды, в зависимости от того, в какой звезде осуществляется коммутация тока. В схемах такого типа вентилями могут быть различные элементы. В настоящем изобретении в качестве вентилей используются тиристоры. Наличие управляющего сигнала тиристора в течение некоторого промежутка времени позволяет тиристору функционировать в этот промежуток времени, фактически, в качестве диода, т.е. при подаче обратного напряжения на тиристор ток по нему не идет, но запирания тиристора не происходит. Снятие управляющего сигнала тиристора обусловливает возможность запирания тиристора при подаче на него обратного напряжения. Использование фиксированных задержек между управляющими сигналами позволяет существенно упростить алгоритмы управления, что ведет к повышению надежности электропривода в целом. Каждое изменение значения любого из сформированных двухуровневых опорных сигналов определяет моменты начала отсчета временных задержек для формирования управляющих сигналов тиристоров в процессе коммутации тока соответствующих фаз. Изменение значения опорного сигнала запускает таймеры в блоке управления, которые и отсчитывают необходимые промежутки. В отличие от прототипа, где управляющие сигналы подаются на оба тиристора вспомогательного моста соответствующей фазы одновременно, в заявленном способе управляющие сигналы подаются только на один тиристор соответствующей фазы, либо из анодной, либо из катодной группы. Подобное управление тиристорами позволяет управлять величиной напряжения на коммутирующих конденсаторах с целью обеспечения максимального значения косинуса угла сдвига между током и напряжением, вплоть до 1, что приводит к более эффективному использованию вентильного двигателя. Отличительной особенностью данного изобретения является то, что величины интервалов времени,отсчитываемые от опорного сигнала до подачи управляющих сигналов тиристоров основного и вспомогательного мостов для проведения коммутации в конкретной фазе, не зависят от скорости вращения двигателя. Использование фиксированных задержек между управляющими сигналами позволяет существенно упростить алгоритмы управления, что ведет к повышению надежности электропривода в целом, а предложенный способ формирования опорного сигнала позволяет полностью исключить возможность выпадения двигателя из синхронизма при любых динамических нагрузках. Этот технический результат достигается за счет стабильности фазового положения управляющих сигналов относительно ЭДС двигателя при всех частотах вращения. Для объяснения рассмотрим два крайних режима работы двигателя: на малой скорости вращения и на большой скорости вращения. С уменьшением частоты вращения уменьшаются и величины фиксированных временных интервалов, если их измерять в электрических градусах, поскольку увеличивается длительность периода ЭДС. На малых скоростях вращения влияние реактанса двигателя мало из-за снижения частоты ЭДС, так как величина реактивного сопротивления пропорциональна частоте. Если пренебречь влиянием реактанса двигателя, то момент формирования опорного сигнала опережает максимум фазной ЭДС на 60 эл. градусов. При работе инвертора тока длительность фазного тока одной полярности составляет 120 эл. градусов (в приближении мгновенной коммутации). В том случае, когда временные задержки на включение тиристоров основного и вспомогательного мостов составляют незначительную величину (в электрических градусах), а опорный сигнал опережает максимум фазной ЭДС на 60 эл. градусов, то положение максимума против ЭДС холостого хода двигателя будет практически совпадать с центром фазного тока,т.е. обеспечивать оптимальный угол сдвига между током и напряжением - близкий к нулю. С ростом частоты вращения влияние реактанса двигателя приводит к некоторому увеличению угла опережения опорным сигналом максимума противо-ЭДС двигателя, т.е. он будет вырабатываться несколько ранее. С другой стороны и величины фиксированных временных интервалов (задержки), если их-2 009627 измерять в электрических градусах, будут возрастать, поскольку длительность периода ЭДС сокращается с увеличением скорости вращения. Таким образом, эти изменения будут частично компенсироваться. Если для номинальных (максимальных) оборотов величины временных интервалов будут выставлены так, чтобы обеспечивать оптимальный для этого режима косинус угла сдвига между током и напряжением, то при снижении оборотов, как было показано выше, этот угол будет стремиться к нулю, т.е к максимальному значению косинуса. Положение опорного сигнала, вне зависимости от скорости вращения задается моментом, когда два линейных напряжения на выводах становятся равны друг другу, для двигателей с числом фаз, кратным 2,и изменением знака линейного напряжения для двигателей с числом фаз, не кратным 2. Необходимо отметить, что формирование опорных сигналов по изменению знака линейного напряжения справедливо и для двигателей с числом фаз, кратным 2, но система управления, построенная на сравнении величин двух линейных напряжений, то есть определяющая знак разности между двумя напряжениями, менее чувствительна к синфазным помехам, создаваемым при работе двигателя, что повышает надежность комплекса. Краткое описание чертежей На фиг. 1 представлена принципиальная схема системы питания многофазного вентильного двигателя; на фиг. 2 - графики, поясняющие формирование опорных сигналов на базе линейных напряженийUав, Uвc, Uca для случая их формирования по изменению знака линейных напряжений; на фиг. 3 - графики, поясняющие формирование опорных сигналов на базе линейных напряженийUав, Uвc, Uca, для случая их формирования по сравнению величин двух линейных напряжений; на фиг. 4 - графики напряжений и управляющих сигналов в случае шестифазного электрического двигателя для случая их формирования по сравнению величин двух линейных напряжений; на фиг. 5 - графики напряжений и управляющих сигналов в случае шестифазного электрического двигателя для случая их формирования по изменению знака линейных напряжений. Осуществление изобретения В данном изобретении используется схема, представленная на фиг. 1. На схеме источник 1 постоянного тока (сетевой тиристорный выпрямитель), блок 2 управления, осуществляющий подачу управляющих сигналов на тиристоры, сглаживающий реактор 19, вентили 9, 10, 11, 12, 13, 14 составляют основной мост, вентили 3, 4, 5, 6, 7, 8 - вспомогательный мост, вентили 3, 5, 7, 9, 11, 13 относятся к анодным группам, вентили 4, 6, 8, 10, 12, 14 относятся к катодным группам, коммутирующие конденсаторы 15, 16, 17, нагрузка 18 (многофазный вентильный двигатель). Описание способа по настоящему изобретению проводится с использованием схемы, в которой в качестве вентилей используются тиристоры. Источник постоянного тока предпочтительно является сетевым тиристорным выпрямителем. Рассмотрим последовательность операций в одном интервале коммутации, например при катодной коммутации тока с фазы А (тиристор 10 основного моста) на фазу В (тиристор 12 основного моста) первой звезды для шестифазного электрического двигателя. Формирование опорных сигналов в этом примере происходит по изменению знака линейного напряжения. Перед началом коммутации коммутирующий конденсатор 15 заряжен положительно со стороны вывода, соединенного с вентилями 3 и 4 вспомогательного тиристорного моста. Ток в схеме протекает по цепи от положительного вывода тиристорного выпрямителя 1 через дроссель 19, открытый тиристор 13, последовательно соединенные обмотки фаз А и С, открытый тиристор 10, отрицательный вывод тиристорного выпрямителя 1. Тиристоры 3, 4, 5, 6, 7, 8 вспомогательного моста и тиристоры 9, 11, 12, 14 основного моста заперты. При изменении знака разности сравниваемых линейных напряжений Uав и Uвс второй звезды изменяется состояние опорного сигнала Uоп 1. Его изменение запускает таймеры в блоке 2 управления, формирующие две фиксированные временные задержки. По истечении времени работы первого таймера, формирующего короткий интервал, снимается управляющий сигнал тиристора 10 основного моста и подается управляющий сигнал тиристора 4 вспомогательного вентильного моста. Под действием обратного напряжения, создаваемого конденсатором 15 и приложенного к тиристору 10 по цепи, - анод тиристора 9, конденсатор 15, открытый тиристор 4, катод тиристора 10, - происходит быстрое вытеснение тока из тиристора 10 в тиристор 4 и запирание тиристора 10. С момента запирания тиристора 10 ток протекает к отрицательному выводу тиристорного выпрямителя 1 от вывода фазы А через тиристор 4 и конденсатор 15, перезаряжая последний. По истечении времени работы второго таймера, формирующего второй интервал, снимается управляющий сигнал тиристора 4 вспомогательного моста и подается управляющий сигнал тиристора 12 основного моста. С этого момента через открывшийся тиристор 12 и под действием суммы напряжений на конденсаторе и разности межфазных напряжений начинается подъем тока в фазе В и его снижение в фазе А. После снижения тока в фазе А до нуля происходит запирание тиристора 4 вспомогательного моста,тем самым завершается процесс коммутации. Аналогичным образом осуществляется процесс коммутации токов для всех фаз. Графики напряжений и управляющих сигналов для данного примера представлены на фиг. 4. На фиг. 2 поясняется формирование опорных сигналов в случае, когда опорные сигналы формиру-3 009627 ются по изменению знака линейного напряжения. Опорный сигнал Uоп 1 соответствует линейному напряжению Uав. Опорный сигнал Uоп 2 соответствует линейному напряжению Uвс. Опорный сигнал Uоп 3 соответствует линейному напряжению Uca. На фиг. 3 поясняется формирование опорных сигналов в случае их формирования по сравнению величин двух линейных напряжений, т.е. по изменению знака разности указанных линейных напряжений. Опорный сигнал Uоп 1 соответствует сравнению линейных напряжений Uaв и Uвс. Опорный сигналUоп 2 соответствует сравнению линейных напряжений Uвc И Uca. Опорный сигнал Uоп 3 соответствует сравнению линейных напряжений Uca и Uав. Подобный способ можно применять, когда число фаз в двигателе кратно 2. Пример, когда обмотка электрического двигателя образована шестью фазами, организованными в две трехфазные звезды, дополнительно проиллюстрирован на фиг. 4 и 5. Опорный сигнал для первой звезды в таком случае можно формировать как путем сравнения двух линейных напряжений второй звезды, так и по изменению знака линейного напряжения. На фиг. 4 представлены графики распределения управляющих сигналов Т 10, Т 12, Т 4 тиристоров 10 и 12 основного моста и тиристора 4 вспомогательного моста. По изменению опорного сигнала Uоп 1,сформированного путем определения знака разности линейных напряжений Uав и Uвc второй звезды,имеющей фазовое запаздывание в 30 эл. градусов по отношению к линейным напряжениям первой звезды, сформированы временные задержки t1 и t2. Через время t1 происходит снятие управляющего сигнала Т 10 тиристора 10 и подача управляющего сигнала Т 4 тиристора 4. Через время t2 происходит снятие управляющего сигнала Т 4 тиристора 4 и подача управляющего сигнала Т 12 тиристора 12. Также представлены графики фазного напряжения Uфв и фазного тока Iфв первой звезды. Фиг. 5 иллюстрирует пример, когда опорный сигнал для первой звезды формируется по изменению знака линейного напряжения. Представлены графики линейных напряжений Uав, Uвc, Uca второй звезды и сформированные на их основе опорные сигналы Uоп 1, Uоп 2, Uоп 3. Фазные напряжения первой звезды обозначены как Uфа, Uфв, Uфс. Показаны графики распределения управляющих сигналов Т 9, Т 10, Т 11,Т 12, Т 13, Т 14, соответственно, тиристоров 9, 10, 11, 12, 13, 14 основного моста первой звезды и графики распределения управляющих сигналов Т 3, Т 4, Т 5, Т 6, Т 7, Т 8, соответственно, тиристоров 3, 4, 5, 6, 7, 8 вспомогательного моста первой звезды ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ управления многофазным вентильным двигателем, фазы которого разделены на трехфазные группы, каждая из которых соединена звездой и подключена к трехфазному основному вентильному мосту, к выходу которого через коммутирующие конденсаторы подключен вспомогательный трехфазный вентильный мост, причем указанные основной и вспомогательный вентильные мосты содержат вентили в виде тиристоров, тиристоры подразделены на тиристоры катодной группы и тиристоры анодной группы, полюса обоих мостов соединены параллельно и подключены через сглаживающий реактор к выходу источника постоянного тока, при этом управляющие электроды всех тиристоров подключены к блоку управления, осуществляющему подачу и снятие управляющих сигналов, предназначенных для каждого тиристора, отличающийся тем, что в каждой звезде формируют опорный сигнал по изменению знака линейного напряжения между фазами трехфазной группы, при этом, если соответствующее линейное напряжение становится больше нуля, то подают управляющий сигнал, предназначенный для тиристора, принадлежащего катодной группе,а если линейное напряжение становится меньше нуля, то подают управляющий сигнал, предназначенный для тиристора, принадлежащего анодной группе, причем изменение значения опорного сигнала определяет момент начала отсчета двух интервалов времени, величина каждого из которых выбрана из условия обеспечения требуемого косинуса угла сдвига между током и напряжением в номинальном режиме и неизменна в полном диапазоне скоростей вращения двигателя от близких к нулевым до номинальных значений скорости; по истечении первого интервала времени снимают управляющий сигнал, предназначенный для тиристора фазы, ожидающей отключения, в основном мосте, и одновременно подают управляющий сигнал,предназначенный для тиристора фазы, ожидающей отключения, во вспомогательном мосте; а по истечении второго интервала времени снимают управляющий сигнал, предназначенный для тиристора фазы, ожидающей отключения, во вспомогательном мосте, и одновременно подают управляющий сигнал, предназначенный для тиристора фазы, ожидающей включения, в основном мосте. 2. Способ управления многофазным вентильным двигателем, фазы которого разделены на трехфазные группы, каждая из которых соединена звездой и подключена к трехфазному основному вентильному мосту, к выходу которого через коммутирующие конденсаторы подключен вспомогательный трехфазный вентильный мост, причем указанные основной и вспомогательный вентильные мосты содержат вентили в виде тиристоров, тиристоры подразделены на тиристоры катодной группы и тиристоры анодной группы, полюса обоих мостов соединены параллельно и подключены через сглаживающий реактор к выходу источника постоянного тока, при этом управляющие электроды всех тиристоров подключены к-4 009627 блоку управления, осуществляющему подачу и снятие управляющих сигналов, предназначенных для каждого тиристора, отличающийся тем, что в каждой звезде формируют опорный сигнал и осуществляют коммутацию тока в одной из звезд,при этом опорный сигнал формируют по сравнению величин двух линейных напряжений звезды, отличной от звезды, в которой осуществляют коммутацию тока, причем изменение значения опорного сигнала определяет момент начала отсчета двух интервалов времени, величина каждого из которых выбрана из условия обеспечения требуемого косинуса угла сдвига между током и напряжением в номинальном режиме и неизменна в полном диапазоне скоростей вращения двигателя от близких к нулевым до номинальных значений скорости; по истечении первого интервала времени снимают управляющий сигнал, предназначенный для тиристора фазы, ожидающей отключения, в основном мосте, и одновременно подают управляющий сигнал,предназначенный для тиристора фазы, ожидающей отключения, во вспомогательном мосте; а по истечении второго интервала времени снимают управляющий сигнал, предназначенный для тиристора фазы, ожидающей отключения, во вспомогательном мосте, и одновременно подают управляющий сигнал, предназначенный для тиристора фазы, ожидающей включения, в основном мосте. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что вентильный двигатель представляет собой шестифазный электрический двигатель, шесть фаз которого разделены на две трехфазные группы, соединенные звездами, причем первая звезда на 30 электрических градусов опережает вторую звезду. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве одного из сравниваемых линейных напряжений выбирают линейное напряжение между двумя фазами звезды, в которой осуществляют коммутацию тока, а в качестве другого линейного напряжения выбирают напряжение между фазой, в которую производится коммутация тока, и третьей фазой, в случае, если коммутацию тока осуществляют в первой звезде,или напряжение между фазой, из которой производится коммутация, и третьей фазой в случае, если коммутацию тока осуществляют во второй звезде. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что в случае, когда линейное напряжение между фазами звезды, в которой осуществляют коммутацию тока, становится больше, чем сравниваемое с ним линейное напряжение, то опорный сигнал формируют для управляющих сигналов, предназначенных для тиристоров анодной группы первой звезды или тиристоров катодной группы второй звезды, в зависимости от того, в какой звезде осуществляют коммутацию тока; а в случае, когда линейное напряжение между фазами звезды, в которой осуществляют коммутацию тока, становится меньше, чем сравниваемое с ним линейное напряжение, то опорный сигнал формируют для управляющих сигналов, предназначенных для тиристоров катодной группы первой звезды или тиристоров анодной группы второй звезды, в зависимости от того, в какой звезде осуществляют коммутацию тока.