Разработка алгоритма управления трехфазным инвертором двухфазного электропривода для снижения числа коммутаций ключевых элементов
В.Н. Мещеряков, А.С. Белоусов
Вестник ИГЭУ, 2019 г. выпуск 3, сс. 49—61
Скачать PDF
Состояние вопроса. Высокая перегрузочная способность и возможность регулирования скорости в широком диапазоне являются важными требованиями, предъявляемыми к современным электроприводам. Внедрение регулируемого двухфазного электропривода небольшой мощности, обладающего этими свойствами, в средства малой механизации ограничено необходимостью преобразователя частоты обеспечивать функцию конверсии трехфазной сети в двухфазную, возникающую при возрастании единичной мощности таких механизмов. Проведенные ранее исследования показали возможность использования типового преобразователя частоты с трехфазным мостовым инвертором напряжения с применением нового алгоритма управления на основе пространственно-векторной ШИМ. При использовании ШИМ частота коммутации ключевых элементов инвертора остается достаточно высокой, строго заданной, не поддающейся снижению без ухудшения гармонического состава. Цель данной работы – разработать алгоритм управления двухфазного электропривода, снижающий число коммутаций ключевых элементов трехфазного инвертора без увеличения отклонений мгновенных значений фазных токов от синусоиды задания.
Материалы и методы. Использованы положения теории автоматического управления, теории электропривода и методы математического моделирования. В качестве объекта моделирования выбрана система управления двухфазным двигателем. Моделирование осуществлено с использованием элементов программного комплекса Matlab Simulink.
Результаты. Предложен алгоритм работы системы управления трехфазным инвертором двухфазного электропривода, отличающийся от известной системы управления типовым мостовым инвертором с пространственно-векторной ШИМ применением релейных регуляторов фазных токов и разделением периода синусоид фазных токов на четыре участка и обеспечивающий снижение числа коммутаций ключевых элементов инвертора при равенстве максимальных мгновенных отклонений значений токов от синусоидального задания, стабилизации пускового момента двигателя и плавном регулировании скорости.
Выводы. Полученные результаты свидетельствуют, что при равном максимальном отклонении мгновенных значений тока от заданного синусоидального значения в предлагаемой системе снижено число коммутаций ключевых элементов инвертора по сравнению с известными аналогами. В системе электропривода обеспечивается запуск двухфазного двигателя со стабилизацией пускового момента при повышенной нагрузке. Рассмотренная система частотного управления с релейными регуляторами тока может быть использована для двухфазных электроприводов средств малой механизации, а также бытовой техники и перспективна в качестве замены менее экономичных однофазных и конденсаторных двигателей.
1. Пат. № 381968 США. Electric magnetic motor / Tesla N., Peck Ch.F.; опубл. 01.05.1888. – 9 с.
2. Беспалов В.Я., Качалина Е.В. Сравнительные характеристики асинхронных двигателей с трехфазными и двухфазными обмотками для частотно-регулируемого электропривода // Электричество. – 2010. – № 7. – С. 45–48.
3. Dobrucky B. et al. Two-phase power electronic drive with split – Single-phase induction motor // IECON 2010-36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society. – IEEE, 2010. – P. 1683–1688.
4. Prazenica M. Design, modelling and simulation of two-phase two-stage electronic system with orthogonal output for supplying of two-phase ASM // Advances in Electrical and Electronic Engineering. – 2011. – V. 9, no. 1. – P. 56–64.
5. Jang D.H. Voltage, frequency, and phase-difference angle control of PWM inverters-fed two-phase induction motors // IEEE Transactions on Power Electronics. – 1994. – V. 9, no. 4. – P. 377–383.
6. Jang D.H., Yoon D.Y. Space-vector PWM technique for two-phase inverter-fed two-phase induction motors // IEEE Transactions on Industry Applications. – 2003. – V. 39, no. 2. – P. 542–549.
7. Jang D.H. PWM methods for two-phase inverters // IEEE industry Applications magazine. – 2007. – V. 13, no. 2. – P. 50–61.
8. Martins D.C. Drive for a symmetrical two-phase induction machine using vector modulation // IEEJ Transactions on Industry Applications. – 2006. – V. 126, no. 7. – P. 835–840.
9. Пат. WO 2004008623 А1, кл. Н02Р 1/44, 25/04. DANFOSS DRIVES A/S. Converter for rotational speed variable operation of a capacitor motor and method for controlling a capacitor motor; опубл. 22.01.2004. – 41 с.
10. Пат. US 2008143284 А1. кл. Н02Р 6/08, 1/42. Two-phase permanent magnet motor / Henrik Kragh, Bjarne Henriksen; опубл. 19.06.2008. – 19 с.
11. Abdel-Rahim N.M.B., Shaltout A. An unsymmetrical two-phase induction motor drive with slip-frequency control // IEEE Transactions on energy conversion. – 2009. – V. 24, no. 3. – P. 608–616.
12. Пат. 2682242 Российская Федерация. Способ управления двухфазным электроприводом переменного тока с помощью трехфазного мостового инвертора / В.Н. Мещеряков, А.С. Белоусов; опубл. 18.03.2019, Бюл. № 8. – 13 с.
13. Белоусов А.С., Кокорев А.В., Муравьев А.А. Алгоритм управления инвертором двухфазного тока // Современные сложные системы управления. – 2017. – С. 91–96.
14. Мещеряков В.Н. Анализ инверторов тока и напряжения с системами релейного управления // Вести высших учебных заведений Черноземья. – 2016. – № 2. – C. 13–18.
15. Jang D.H. Problems incurred in a vector-controlled single-phase induction motor, and a proposal for a vector-controlled two-phase induction motor as a replacement // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2013. – V. 28, no. 1. – P. 526–536.
16. Ziaeinejad S. et al. Direct torque control of two-phase induction and synchronous motors // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2013. – V. 28, no. 8. – P. 4041–4050.
17. Laskody T. Space vector PWM for two-phase inverter in matlab-simulink // Technical Computing Prague 2013. – 2013. – P. 182–189.