Патент на изобретение №2157043

(54) ВЕКТОРНАЯ СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЫХОДНОГО ТОКА ТРЕХФАЗНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

(57) Реферат:

Изобретение предназначено для использования в электроприводах переменного тока с ключевыми преобразователями. Технический результат – создание системы регулирования преобразователем. В систему регулирования выходного тока трехфазного преобразователя, содержащую клеммы для подключения входных сигналов по осям, подключенные к первым входам первого и второго суммирующих устройств, четыре компаратора, входы которых подключены к выходам суммирующих устройств, и логическое устройство, к входам которого подключены выходы компараторов, управляемый логическим устройством силовой преобразователь, содержащий ключи, управляющие входы которых подключены к выходам логического устройства, измеритель выходных токов силового преобразователя и координатный преобразователь, трансформирующий трехфазную систему выходных переменных силового преобразователя в эквивалентную двухфазную систему, выходы которого подключены ко входам суммирующих устройств, введены два RS-триггера и два импульсных элемента фиксации изменения входного сигнала, выходы компараторов, определяющих знак отклонения истинных выходных токов по осям от заданных значений, подключены к одним входам RS-триггеров через импульсные элементы фиксации изменения входного сигнала, другие входы RS-триггеров подключены к выходам компараторов, определяющих зону допустимого отклонения истинных выходных токов по осям от заданных значений, а выходы RS-триггеров подключены к входам логического устройства. 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к импульсным системам автоматического регулирования, и предназначено для использования в электроприводах переменного тока с ключевыми преобразователями.

Технический результат – повышение качества отработки системой регулирования сигналов задания и ее упрощение, достигается тем, что в векторную систему регулирования выходного тока трехфазного преобразователя, содержащую клеммы для подключения входных сигналов по осям двухфазной системы, подключенные к первым входам первого и второго суммирующих устройств, четыре компаратора, входы первого и третьего из которых подключены к выходу первого суммирующего устройства, а входы второго и четвертого из которых подключены к выходу второго суммирующего устройства, логическое устройство, к одним входам которого подключены выходы первого и второго компараторов, управляемый логическим устройством силовой преобразователь, содержащий ключи, управляющие входы которых подключены к выходам логического устройства, измеритель выходных токов силового преобразователя, подключенный к входам координатного преобразователя, трансформирующего трехфазную систему выходных переменных силового преобразователя в эквивалентную двухфазную систему, выходы которого подключены ко вторым входам первого и второго суммирующих устройств, введены первый и второй RS-триггеры и первый и второй импульсные элементы фиксации изменения входного сигнала, выходы первого и второго компараторов подключены к одним входам RS-триггеров через импульсные элементы фиксации изменения входного сигнала, другие входы RS-триггеров подключены к выходам третьего и четвертого компараторов, а выходы RS-триггеров подключены к другим входам логического устройства благодаря простоте построения системы управления преобразованием энергии в целом [1,3].

Все векторные системы регулирования выходного тока трехфазного преобразователя содержат в своем составе координатные преобразователи, конвертирующие трехфазную систему реальных выходных переменных преобразователя в эквивалентную двухфазную [1, 2] . Некоторые из таких систем имеют в своем составе D-триттеры (защелки), включенные между релейными регуляторами тока и логическим устройством для фиксации при выполнении некоторых условий состояния релейных регуляторов тока [4].

Общим недостатком таких систем является сложность реализации, обусловленная отсутствием однозначного соответствия между некоторыми комбинациями сигналов регуляторов тока по различным осям и комбинациями сигналов управления ключами преобразователя.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является векторная система регулирования выходного тока трехфазного преобразователя [5], функциональная схема которой приведена на фиг. 1, содержащая клеммы для подключения входных сигналов по осям 1 и 2, подключенные к первым входам суммирующих устройств 3 и 4, компараторы 5, 6, 7 и 8, причем входы компараторов 5 и 7 подключены к выходу суммирующего устройства 3, а компараторов 6 и 8 суммирующего устройства 4, логическое устройство 9, к входам которого подключены выходы компараторов 5, 6, 7 и 8, управляемый логическим устройством 9 силовой преобразователь 10, содержащий ключи 11, 12, 13, 14, 15, и 16, управляющие входы которых подключены к выходам логического устройства 9, измеритель выходных токов 17 силового преобразователя 10, выходы которого подключены ко входам координатного преобразователя 18, трансформирующего трехфазную систему выходных переменных силового преобразователя 10 в эквивалентную двухфазную систему, а выходы координатного преобразователя 18 подключены ко вторым входам суммирующих устройств 3 и 4.

Векторная система регулирования выходного тока трехфазного преобразователя, приведенная на фиг. 1, работает следующим образом: координатный преобразователь 18 трансформирует выходные сигналы измерителя выходных токов 17 силового преобразователя 10, соответствующие выходным токам трех фаз силового преобразователя 10, в эквивалентные сигналы для двухфазной системы, суммирующие устройства 3 и 4 определяют отклонения сигналов, поступающих с выхода координатного преобразователя 18, от входных сигналов, поступающих с клемм подключения входных сигналов по осям 1 и 2. Выходные сигналы компараторов 5 и 7 устанавливаются в зависимости от величины выходного сигнала суммирующего устройства 3 в соответствии с характеристиками этих компараторов, а компараторов 6 и 8 в зависимости от величины выходного сигнала суммирующего устройства 4 соответственно. Логическое устройство 9 в функции выходных сигналов компараторов 5, 6, 7 и 8 формирует управляющие сигналы для ключей 11, 12, 13, 14, 15, и 16 силового преобразователя 10.

Предположим, что оба выходных сигнала суммирующих устройств 3 и 4 имеют отрицательную величину, а по абсолютному значению превосходят абсолютное значение всех порогов переключения компараторов 5, 6, 7 и 8. Тогда все выходные сигналы компараторов 5, 6, 7 и 8 имеют уровень логического нуля. Логическое устройство 9 при такой комбинации своих входных сигналов дает команду на включение силовых ключей 11, 12 и 16 силового преобразователя 10. При этом вектор напряжения на выходе силового преобразователя 10 будет направлен таким образом, что его составляющие по обеим осям будут совпадать с положительным направлением осей. Таким образом, величина ошибки регулирования будет уменьшаться. Аналогичным образом работает приведенная на фиг.1 векторная система регулирования выходного тока трехфазного преобразователя и при других выходных сигналах суммирующих устройств 3 и 4, когда хотя бы один из них превышает по абсолютной величине имеющий большую абсолютную величину порог переключения компараторов 5, 6, 7 и 8. Если же это условие не выполняется и выходные сигналы компараторов 5, 6 имеют уровень логического нуля, а компараторов 7 и 8 – логической единицы, то отклонение истинного тока от заданной величины меньше допустимого, и логическое устройство 9 обеспечивает приложение к нагрузке нулевого напряжения путем одновременного включения трех ключей силового преобразователя 10, подключенных к одной из шин звена постоянного тока (ключей 11, 12, 13 или ключей 14, 15, 16). При этом выбор включаемых ключей определяется исходя из условия минимума коммутаций с целью снижения динамических потерь в силовом преобразователе 10.

Однако и при некоторых других комбинациях выходных сигналов компараторов 5, 6, 7 и 8 однозначность соответствия между входными и выходными сигналами логического устройства 9 нарушается. Например, если величина выходного сигнала суммирующего устройства 3 по абсолютной величине меньше большей из абсолютных величин порогов переключения компараторов 5 и 7, а суммирующего устройства 4 меньше положительного порога переключения компаратора 8, то выходные сигналы компараторов 5, 6 и 8 имеют уровень логического нуля, а компаратора 7 – логической единицы. При этом логическое устройство 9 дает команду на включение силовых ключей 12 и 16 силового преобразователя 10, а комплиментарная пара сигналов управления силовыми ключами 11 и 14 может принимать обе комбинации (11 – включен, 14 – выключен или 11 – выключен, 14 – включен). Аналогичная ситуация возникает, если величина выходного сигнала суммирующего устройства 3 по абсолютной величине меньше большей из абсолютных величин порогов переключения компараторов 5 и 7, а суммирующего устройства 4 больше отрицательного порога переключения компаратора 8.

Неоднозначность выбора режима работы неотъемлемое свойство рассматриваемой векторной системы регулирования выходного тока трехфазного преобразователя и для исключения неоднозначности приходится учитывать состояние устройства до попадания его переменных состояния в зону неоднозначности. Это является причиной следующих недостатков указанной векторной системы регулирования выходного тока трехфазного преобразователя:
1. Логическое устройство 9 имеет сложную реализацию из-за сложности выполняемых им функций.

2. Снижается качество отработки векторной системой регулирования выходного тока трехфазного преобразователя сигналов задания, поскольку выбор вектора выходного напряжения силового преобразователя 10, не учитывающий знака выходного сигнала суммирующего устройства 3, допускает выбор неоптимального выходного вектора силового преобразователя 10. Например, при отрицательной величине выходного сигнала суммирующего устройства 3 возможен выбор выходного вектора силового преобразователя 10 с отрицательной составляющей по соответствующей оси, что ведет к увеличению, а не уменьшению составляющей вектора отклонения фактического выходного тока силового преобразователя 10 от заданной величины, определяемой сигналами на клеммах для подключения входных сигналов по осям 1 и 2.

Технический результат – повышение качества отработки векторной системой регулирования выходного тока трехфазного преобразователя сигналов задания и ее упрощение.

Технический результат достигается тем, что в векторную систему регулирования выходного тока трехфазного преобразователя, содержащую клеммы для подключения входных сигналов по осям двухфазной системы, подключенные к первым входам первого и второго суммирующих устройств, четыре компаратора, входы первого и третьего из которых подключены к выходу первого суммирующего устройства, а входы второго и четвертого из которых подключены к выходу второго суммирующего устройства, логическое устройство, к одним входам которого подключены выходы первого и второго компараторов, управляемый логическим устройством силовой преобразователь, содержащий ключи, управляющие входы которых подключены к выходам логического устройства, измеритель выходных токов силового преобразователя, подключенный к входам координатного преобразователя, трансформирующего трехфазную систему выходных переменных силового преобразователя в эквивалентную двухфазную систему, выходы которого подключены ко вторым входам первого и второго суммирующих устройств, введены первый и второй RS-триггеры и первый и второй импульсные элементы фиксации изменения входного сигнала, выходы первого и второго компараторов подключены к одним входам RS-триггеров через импульсные элементы фиксации изменения входного сигнала, другие входы RS-триггеров подключены к выходам третьего и четвертого компараторов, а выходы RS-триггеров подключены к другим входам логического устройства.

Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что, благодаря введению в векторную систему регулирования выходного тока трехфазного преобразователя, содержащую клеммы для подключения входных сигналов по осям двухфазной системы, подключенные к первым входам первого и второго суммирующих устройств, четыре компаратора, входы первого и третьего из которых подключены к выходу первого суммирующего устройства, а входы второго и четвертого – к выходу второго суммирующего устройства, логическое устройство, к одним входам которого подключены выходы первого и второго компараторов, управляемый логическим устройством силовой преобразователь, содержащий ключи, управляющие входы которых подключены к выходам логического устройства, измеритель выходных токов силового преобразователя, подключенный к входам координатного преобразователя, трансформирующего трехфазную систему выходных переменных силового преобразователя в эквивалентную двухфазную систему, выходы которого подключены ко вторым входам первого и второго суммирующих устройств, двух RS-триггеров и двух импульсных элементов фиксации изменения входного сигнала, подключения одних входов RS-триггеров к выходам первого и третьего компаратора через импульсные элементы фиксации изменения входного сигнала, вторых входов RS-триггеров к выходам второго и четвертого компараторов, а выходов RS-триггеров – к другим входам логического устройства, появляется возможность реализовать такие характеристики компараторов, при которых в пространстве состояний переменных силового преобразователя исключаются зоны неоднозначного выбора вектора выходного напряжения силового преобразователя. Это позволяет, исключив дополнительные функции, упростить логическое устройство, входящее в векторную систему регулирования выходного тока трехфазного преобразователя и повысить качество отработки ею входного сигнала за счет однозначного выбора такого вектора выходного напряжения силового преобразователя, при котором вектор отклонения выходного тока силового преобразователя от заданного значения будет обязательно уменьшаться по модулю.

Функциональная схема заявляемой векторной системы регулирования выходного тока трехфазного преобразователя приведена на фиг. 2, где приняты следующие обозначения:
1, 2 – клеммы подключения входных сигналов;
3, 4 – суммирующие устройства;
5, 6, 7, 8 – компараторы;
9, 10 – импульсные элементы фиксации изменения входного сигнала;
11, 12 – RS-триггеры;
13 – логическое устройство;
14 – силовой преобразователь;
15, 16, 17, 18, 19, 20 – ключи силового преобразователя;
21 – измеритель выходных токов силового преобразователя;
22 – координатный преобразователь.

На фиг. 3 приведены диаграммы, поясняющие ее работу, где обозначено:
V₀ – вектор напряжения на выходе силового преобразователя 14 при включенных ключах 15, 16, 17;
V₁ – вектор напряжения на выходе силового преобразователя 14 при включенных ключах 15, 19, 20;
V₂ – вектор напряжения на выходе силового преобразователя 14 при включенных ключах 15, 16, 20;
V₃ – вектор напряжения на выходе силового преобразователя 14 при включенных ключах 18, 16, 20;
V₄ – вектор напряжения на выходе силового преобразователя 14 при включенных ключах 18, 16, 17;
V₅ – вектор напряжения на выходе силового преобразователя 14 при включенных ключах 18, 19, 17;
V₆ – вектор напряжения на выходе силового преобразователя 14 при включенных ключах 15, 19, 17;
V₇ – вектор напряжения на выходе силового преобразователя 14 при включенных ключах 18, 19, 20;
d₅ – порог переключения компаратора 5;
d₇ – порог переключения компаратора 7;
d₈ – порог переключения компаратора 8;
I, II, III, IV, V, VI, VII, VIII, IX – сектора, на которые разбита плоскость линиями переключения компараторов 7 и 8.

Векторная система регулирования выходного тока трехфазного преобразователя содержит клеммы для подключения входных сигналов по осям двухфазной системы 1 и 2, подключенные к первым входам суммирующих устройств 3 и 4, компараторы 5, 6, 7, 8, причем входы компараторов 5 и 7 подключены к выходам суммирующего устройства 3, а компараторов 6 и 8 – суммирующего устройства 4, импульсный элемент фиксации изменения входного сигнала 9, вход которого подключен к выходу компаратора 5, и импульсный элемент фиксации изменения входного сигнала 10, вход которого подключен к выходу компаратора 6, RS-триггеры 11 и 12, к входам R которых подключены выходы импульсных элементов фиксации изменения входного сигнала 9 и 10 соответственно, а к входам S – выходы компараторов 7 и 8 соответственно, логическое устройство 13, к входам которого подключены выходы компараторов 5 и 6 и RS-триггеров 11 и 12, управляемый логическим устройством 13 силовой преобразователь 14, содержащий ключи 15, 16, 17, 18, 19, и 20, управляющие входы которых подключены к выходам логического устройства 13, измеритель выходных токов 21 силового преобразователя 14, выходы которого подключены ко входам координатного преобразователя 22, трансформирующего трехфазную систему выходных переменных силового преобразователя 14 в эквивалентную двухфазную систему, а выходы координатного преобразователя 22 подключены ко вторым входам суммирующих устройств 3 и 4.

Векторная система регулирования выходного тока трехфазного преобразователя работает следующим образом.

Предположим, что сигналы на клеммах дня подключения входных сигналов по осям 1 и 2 и выходные токи силового преобразователя 14 таковы, что на выходах суммирующих устройств 3 и 4 присутствуют отрицательные сигналы, превышающее по абсолютной величине абсолютные величины d₇ и d₈ порогов переключения компараторов 7 и 8 соответственно. Тогда вектор отклонения выходного тока силового преобразователя 14 от заданной величины будет направлен от начала координат в сектор, обозначенный на фиг. 3 цифрой VI. При этом выходные сигналы компараторов 5 и 6 имеют уровень логического нуля, а компараторов 7 и 8 – логической единицы. Соответственно выходные сигналы RS-триггергов 11 и 12 имеют уровень логической единицы. При такой комбинации сигналов на входе логического устройства 13 оно включает ключи 15, 16, и 20 силового преобразователя 14, вызывая появление на выходе силового преобразователя 14 напряжения, соответствующего вектору V₂ на фиг. 3. В зависимости от величины и фазы противоЭДС нагрузки силового преобразователя 14 конец уменьшающегося по модулю вектора отклонения выходного тока силового преобразователя 14 от заданной величины будет перемещаться в один из секторов, смежных с сектором, обозначенным на фиг. 3 цифрой VI. Если конец вектора отклонения выходного тока силового преобразователя 14 от заданной величины попадает в сектор, обозначенный на фиг. 3 цифрой IX, то при достижении выходным сигналом суммирующего устройства 3 порога срабатывания +d₅ компаратора 5 или выходным сигналом суммирующего устройства 4 нулевой величины, при которой переключается компаратор 6, происходит переключение компаратора 5 или 6. При этом на выходе импульсного элемента фиксации изменения входного сигнала 9 или 10 соответственно появляется короткий импульс, переключающий выход подключенного к нему RS-триггера 11 или 12 в логический нуль. На входе логического устройства 13 появляется комбинация сигналов, по которой оно выключает ключ 20 и включает ключ 17 силового преобразователя 14. На выходе cилового преобразователя устанавливается нулевой вектор V₀.

Если же конец вектора отклонения выходного тока силового преобразователя 14 от заданной величины попадает в сектор, обозначенный на фиг. 3 цифрой VII, то при достижении выходным сигналом суммирующего устройства 4 нулевой величины происходит переключение компаратора 6. При этом на выходе импульсного элемента фиксации изменения входного сигнала 10 появляется короткий импульс, переключающий выход подключенного к нему RS-триггера 12 в логический, нуль. На входе логического устройства 13 появляется комбинация сигналов, по которой оно выключает ключ 16 и включает ключ 19 силового преобразователя 14, вызывая появление на выходе силового преобразователя 14 напряжения, соответствующего вектору V₁ на фиг. 3. Конец вектора отклонения выходного тока силового преобразователя 14 от заданной величины будет перемещаться в сектор, обозначенный на фиг. 3 цифрой IX, после попадания в который процессы будут протекать так, как описывалось выше.

И, наконец, если конец вектора отклонения выходного тока силового преобразователя 14 от заданной величины попадает в сектор, обозначенный на фиг. 3 цифрой V, то происходит переключение компаратора 7, не отражающееся на состоянии входных сигналов логического устройства 13 благодаря наличию RS-триггера 11. В дальнейшем конец вектора отклонения выходного тока силового преобразователя 14 от заданной величины либо попадает в сектор, обозначенный на фиг. 3 цифрой IX, и далее процессы будут протекать так, как описывалось выше, либо достигнет границы сектора, обозначенного на фиг. 3 цифрой V. При этом выходной сигнал суммирующего устройства 3 достигнет порога срабатывания +d₅ компаратора 5 и произойдет переключение компаратора 5. На выходе импульсного элемента фиксации изменения входного сигнала 9 появляется короткий импульс, переключающий выход подключенного к нему RS-триггера 11 в логический нуль. На входе логического устройства 13 появляется комбинация сигналов, по которой оно выключает ключ 15 и включает ключ 18 силового преобразователя 14, вызывая появление на выходе силового преобразователя 14 напряжения, соответствующего вектору V₃ на фиг. 3. Конец вектора отклонения выходного тока силового преобразователя 14 от заданной величины будет перемещаться в сектор, обозначенный на фиг. 3 цифрой IX, после попадания в который процессы будут аналогичны, описанным выше.

Нулевой вектор остается на выходе силового преобразователя в течение всего времени, пока конец вектора отклонения выходного тока силового преобразователя 14 от заданной величины будет находиться в секторе, обозначенном на фиг. 3 цифрой IX. Как только он достигнет одной из границ этого сектора, сигнал на выходе суммирующего устройства 3 достигнет порога срабатывания +d₇ компаратора 7 или сигнал на выходе суммирующего устройства 4 порога срабатывания +d₈ компаратора 8, благодаря чему произойдет переключение компаратора 7 или 8 соответственно. При этом выход подключенного к переключившемуся компаратору RS-триггера 11 или 12 переключится в логическую единицу. На входе логического устройства 13 появляется комбинация сигналов, по которой оно, как было описано выше, выключает ключи силового преобразователя 14, устанавливающие на его выходе вектор напряжения, обеспечивающий уменьшение модуля вектора отклонения выходного тока силового преобразователя 14 от заданной величины и в конечном итоге его попадание в сектор, обозначенный на фиг. 3 цифрой IX. Например, при достижении сигналом на выходе суммирующего устройства 3 порога срабатывания +d₇ компаратора 7 конец вектора отклонения выходного тока силового преобразователя 14 от заданной величины попадает в сектор, обозначенный на фиг. 3 цифрой III. Соответственно логическое устройство 13 включает ключи 16, 17, 18 силового преобразователя 14, обеспечивая тем самым появление на выходе силового преобразователя 14 напряжения, соответствующего вектору V₄ на фиг. 3. В дальнейшем процессы повторяются.

Источники информации
1. М. Казимеровски, Л. Малесани. Техника регулирования тока в трехфазных ШИМ преобразователях, выполненных по схеме инвертора напряжения: обзор – Публикации IEEE по промышленной электронике, том 45, N 5, октябрь 1998, стр. 691-703 (М. Kazmierkowski and L. Malesani. Current control techniques for three-phase voltage-source PWM converters: a survey – IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 45, N 5, October 1998, pp. 691-703).

2. В. Козаченко. Основные тенденции развития встроенных систем управления двигателями и требования к микроконтроллерам – “CHIP news”, N 1, 1999, c. 2-9.

3. Б.-Х. Квон, Б.-Д. Мин, Дж.-Х. Юм. Улучшенный векторный гистерезисный регулятор тока – Публикации IEEE по промышленной электронике, том 45, N 5, октябрь 1998, стр. 752-760 (В.-Н. Kwon, B.-D. Min and J.-H. Youm. An improved space-vector-based histeresis current controller – IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 45, N 5, October 1998, pp. 752-760).

4. А. Сикорски, Т. Ситко. Регулятор тока, снижающий, переключая частоту переключений в ШИМ-инверторах, напряжения, используемых в электроприводах постоянного тока – Публикации IEEE по промышленной электронике, том 45, N 5, октябрь 1998, стр. 792-801 (A. Sikorski and Т. Citko. Current controller reduced switching frequency for VS-PWM inverter used with AC motor drive applications – IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 45, N 5, October 1998, pp. 792-801).

5. А. Тилли, А. Тонелли. Последовательностная гистерезисного регулятора тока для трехфазного инвертора – Публикации IEEE по промышленной электронике, том 45, N 5, октябрь 1998, стр. 771-781 (A. Tilli and A. Tonielli. Sequential design of hysteresis current controller for three-phase inverter – IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 45, N 5, October 1998, pp. 771-781).

Формула изобретения

Векторная система регулирования выходного тока трехфазного преобразователя, содержащая клеммы для подключения входных сигналов по осям двухфазной системы, подключенные к первым входам первого и второго суммирующих устройств, четыре компаратора, входы первого и третьего из которых подключены к выходу первого суммирующего устройства, а входы второго и четвертого из которых подключены к выходу второго суммирующего устройства, логическое устройство, к одним входам которого подключены выходы первого и второго компараторов, управляемый логическим устройством силовой преобразователь, содержащий ключи, управляющие входы которых подключены к выходам логического устройства, измеритель выходных токов силового преобразователя, подключенный к входам координатного преобразователя, трансформирующего трехфазную систему выходных переменных силового преобразователя в эквивалентную двухфазную систему, выходы которого подключены ко вторым входам первого и второго суммирующих устройств, отличающаяся тем, что в нее введены первый и второй RS-триггеры и первый и второй импульсные элементы фиксации изменения входного сигнала, выходы первого и второго компараторов подключены к одним входам RS-триггеров через импульсные элементы фиксации изменения входного сигнала, другие входы RS-триггеров подключены к выходам третьего и четвертого компараторов, а выходы RS-триггеров подключены к другим входам логического устройства.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 23.06.2005

Извещение опубликовано: 10.06.2006 БИ: 16/2006