RU2242837C1

RU2242837C1 - Device for controlling valve-type inductor machine

Info

Publication number: RU2242837C1
Application number: RU2003116291/09A
Authority: RU
Inventors: М.Г. Бычков (RU); М.Г. Бычков; Р.В. Фукалов (RU); Р.В. Фукалов
Priority date: 2003-06-03
Filing date: 2003-06-03
Publication date: 2004-12-20

Abstract

FIELD: electrical engineering; valve-type inductor generators for vehicles, wind-electric generating plants, and the like.

SUBSTANCE: proposed device incorporating provision for switching -over phases dispensing with sensors are provided with newly introduced RS flip-flop, NOT and AND gates; output of circuit generating phase switch-over pulse is connected to S input of flip-flop and to input of NOT gate whose outputs are connected to inputs of AND gate; output of the latter is connected to R input of flip-flop and to second input of phase switch.

EFFECT: provision for machine running as generator with no-sensor phase switching.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, а именно к вентильно-индукторным генераторам, которые могут найти применение в различных транспортных средствах, например в автономных источниках электроэнергии (дизель-генераторы), ветроэнергетических установках и других устройствах малой энергетики, автомобильных генераторах и т.п.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to valve-inductor generators that can be used in various vehicles, for example, in autonomous sources of electricity (diesel generators), wind turbines and other small energy devices, car generators, etc.

Известно устройство для управления вентильно-индукторным генератором, которое содержит последовательно включенные задатчик и пропорционально-интегральный регулятор мощности, регулятор тока, коммутатор фаз и силовой преобразователь, а также датчик положения ротора, выход которого непосредственно и через блок определения скорости подключен к коммутатору фаз [1].A device for controlling a valve-inductor generator, which contains a serially connected controller and proportional-integral power controller, current controller, phase commutator and power converter, as well as a rotor position sensor, the output of which is connected directly to the phase commutator through a speed determination unit [1 ].

Это устройство позволяет обеспечить работу индукторной машины в качестве генератора с регулируемой выходной мощностью.This device allows you to ensure the operation of the induction machine as a generator with adjustable output power.

Недостатком этого устройства является то, что оно может работать только при наличии датчика положения ротора, присутствие которого нежелательно вследствие его дороговизны, сложности изготовления и недостаточной надежности в работе.The disadvantage of this device is that it can only work if there is a rotor position sensor, the presence of which is undesirable due to its high cost, manufacturing complexity and insufficient reliability.

Ближайшим к предложенному является устройство для управления вентильно-индукторной машиной, содержащее задатчик выходного параметра, подключенный к входу системы управления, выходы которой через коммутатор фаз подключены к входу силового преобразователя, соединенного с фазными обмотками машины, блок определения текущего значения потокосцепления, входы которого соединены с выходом блока определения фазного напряжения и датчиком тока в фазной обмотке машины, а выход подключен к первому входу компаратора, второй вход которого связан с выходом функционального преобразователя, реализующего кривую намагничивания машины при заданном угле коммутации, подключенного своим входом к датчику тока, а выход компаратора соединен с вторым входом коммутатора фаз [2].Closest to the proposed one is a device for controlling a valve-inductor machine, comprising an output parameter setter connected to an input of a control system, the outputs of which are connected through a phase switch to the input of a power converter connected to the phase windings of the machine, and a unit for determining the current value of flux linkage, the inputs of which are connected to the output of the phase voltage detection unit and the current sensor in the phase winding of the machine, and the output is connected to the first input of the comparator, the second input of which is connected to the output of the functional converter that implements the magnetization curve of the machine at a given switching angle, connected by its input to the current sensor, and the output of the comparator is connected to the second input of the phase switch [2].

Это устройство обеспечивает бездатчиковое управление вентильно-индукторной машиной, но формирует линию переключения фазных обмоток электродвигателя только для одного режима - двигательного. Использовать одну и ту же линию переключения для обоих режимов невозможно, поскольку углы включения фазных обмоток для двигательного и генераторного режимов работы различны. Таким образом, известное устройство не обеспечивает работу машины в генераторном режиме.This device provides sensorless control of the valve-induction machine, but forms a line for switching the phase windings of the electric motor for only one mode - motor. It is impossible to use the same switching line for both modes, since the angles for switching on the phase windings for the motor and generator operating modes are different. Thus, the known device does not provide the machine in the generator mode.

Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в обеспечении возможности работы индукторной машины в качестве генератора при бездатчиковой коммутации фазных обмоток.The technical problem solved by the proposed device is to enable the inductor machine to function as a generator with sensorless switching of phase windings.

Поставленная задача решается за счет того, что в известное устройство для управления вентильно-индукторной машиной, содержащее задатчик выходного параметра, подключенный к входу системы управления, выходы которой через коммутатор фаз подключены к входу силового преобразователя, соединенного с фазными обмотками машины, блок определения текущего значения потокосцепления, входы которого соединены с выходом блока определения фазного напряжения и датчиком тока в фазной обмотке машины, а выход подключен к первому входу компаратора, второй вход которого связан с выходом функционального преобразователя, реализующего кривую намагничивания машины при заданном угле коммутации, подключенного своим входом к датчику тока, согласно изобретению введены триггер RS-типа, логические элементы НЕ и И, при этом выход компаратора подключен к S-входу триггера и входу логического элемента НЕ, соединенных своими выходами с входами логического элемента И, выход которого подключен к R-входу триггера и к второму входу коммутатора фаз.The problem is solved due to the fact that in the known device for controlling a valve-induction machine containing an output parameter setter connected to an input of a control system, the outputs of which are connected through a phase switch to an input of a power converter connected to the phase windings of the machine, a unit for determining the current value flux linkage, the inputs of which are connected to the output of the phase voltage determination unit and the current sensor in the phase winding of the machine, and the output is connected to the first input of the comparator, the second the input of which is connected to the output of a functional converter that implements the magnetization curve of the machine at a given switching angle, connected by its input to the current sensor, according to the invention, an RS-type trigger, logical elements NOT and I, are introduced, while the comparator output is connected to the trigger S-input and input logical element NOT connected by its outputs to the inputs of the logical element AND, the output of which is connected to the R-input of the trigger and to the second input of the phase switch.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная схема устройства управления вентильно-индукторной машиной, на фиг.2 - зависимости потокосцепления от тока электродвигателя для разных положений ротора.The invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 is a functional diagram of a control device of a valve-inductor machine, and Fig. 2 shows flux linkages versus motor current for different rotor positions.

Устройство для управления вентильно-индукторной машиной (фиг.1) содержит задатчик 1 выходного параметра, подключенный к входу системы 2 управления, выходы которой через коммутатор 3 фаз подключены к входу силового преобразователя 4, соединенного с фазными обмотками 5 машины 6, блок 7 определения текущего значения потокосцепления, входы которого соединены с выходом блока 8 определения фазного напряжения и датчиком 9 тока в фазной обмотке машины, а выход подключен к первому входу компаратора 10, второй вход которого связан с выходом функционального преобразователя 11, реализующего кривую намагничивания машины при заданном угле коммутации, подключенного своим входом к датчику 9 тока, а выход компаратора подключен к S-входу триггера 12 и входу логического элемента НЕ 13, соединенных своими выходами с входами логического элемента И 14, выход которого подключен к R-входу триггера 12 и к второму входу коммутатора 3 фаз.A device for controlling a valve-inductor machine (Fig. 1) contains an output parameter setter 1 connected to the input of the control system 2, the outputs of which are connected through the 3-phase switch to the input of the power converter 4 connected to the phase windings 5 of the machine 6, the current determination unit 7 the values of the flux linkage, the inputs of which are connected to the output of the phase voltage determination unit 8 and the current sensor 9 in the phase winding of the machine, and the output is connected to the first input of the comparator 10, the second input of which is connected to the functional output ohm Converter 11, which implements the magnetization curve of the machine at a given angle of switching, connected by its input to the current sensor 9, and the output of the comparator is connected to the S-input of the trigger 12 and the input of the logic element NOT 13 connected by its outputs to the inputs of the logical element And 14, the output of which connected to the R-input of the trigger 12 and to the second input of the switch 3 phases.

Система управления в общем случае содержит регуляторы переменных (скорости, тока, мощности) и широтно-импульсный модулятор (ШИМ). Блок 7 определения текущего значения потокосцепления может быть выполнен, например, реализующим зависимость

. В этом случае он содержит сумматор 15, первый вход которого соединен с блоком 8 определения фазного напряжения, второй вход через масштабирующий усилитель 16 связан с датчиком 9 тока, а выход сумматора 15 подключен к интегратору 17, выход которого является выходом блока [2].The control system in the general case contains variable (speed, current, power) controllers and a pulse-width modulator (PWM). Block 7 determining the current value of flux linkage can be performed, for example, implementing the dependence

. In this case, it contains an adder 15, the first input of which is connected to the phase voltage determination unit 8, the second input is connected to the current sensor 9 through a scaling amplifier 16, and the output of the adder 15 is connected to an integrator 17, the output of which is the output of the unit [2].

Силовой преобразователь 4 содержит источник постоянного напряжения (на фиг.1 показаны его выводы “+” и “-”) и мостовые инверторы для каждой фазы, каждый из которых имеет в своем составе управляемые ключи 18 и 19 (так называемые “верхний” и “нижний” ключи) и диоды 20 и 21.The power converter 4 contains a constant voltage source (Fig. 1 shows its terminals “+” and “-”) and bridge inverters for each phase, each of which includes controllable switches 18 and 19 (the so-called “upper” and “ lower ”keys) and diodes 20 and 21.

Использование датчика, непосредственно измеряющего фазное напряжение на обмотке машины, не всегда целесообразно. При реализации предлагаемого устройства на базе микроконтроллера иногда проще измерять напряжение в звене постоянного тока преобразователя, которому пропорционально фазное напряжение на обмотке, и фактически умножать его на значение скважности ШИМ для получения сигнала напряжения на фазной обмотке.The use of a sensor directly measuring the phase voltage across the winding of the machine is not always advisable. When implementing the proposed device based on a microcontroller, it is sometimes easier to measure the voltage in the DC link of the converter, which is proportional to the phase voltage on the winding, and actually multiply it by the PWM duty cycle to obtain a voltage signal on the phase winding.

Работает устройство следующим образом.The device operates as follows.

Рассмотрим работу генератора на примере работы одной фазы. Как в известных устройствах, так и в предлагаемом, коммутация фазных обмоток машины 6 осуществляется в функции положения ротора. Текущее значение положения ротора электродвигателя определяется косвенным образом по сигналам с блока 8 определения фазного напряжения и датчика 9 фазного тока.Consider the operation of the generator on the example of the operation of one phase. As in the known devices, and in the proposed, the switching of the phase windings of the machine 6 is carried out as a function of the position of the rotor. The current value of the position of the rotor of the electric motor is determined indirectly by signals from the unit 8 for determining the phase voltage and the sensor 9 of the phase current.

В соответствии с зависимостью

при работе фазы на выходе блока 7 имеем сигнал текущего значения потокосцепления. На рис. 2 изображены кривые намагничивания машины. Кривая θ _расс соответствует рассогласованному положению зубцов статора и ротора машины, т.е. при этом зубец ротора располагается между зубцами статора. Кривая θ _согл соответствует согласованному положению зубцов, при котором ось зубца ротора совпадает с осью зубца статора. Точки, соответствующие заданным значениям потокосцепления ψ _зад для генераторного режима располагаются на кривых намагничивания ψ (i), которые могут располагаться между упомянутыми кривыми для рассогласованного и согласованного положений. Для генераторного режима это кривая ψ (i, θ _{ком ген}), соответствующая θ =θ _{ком ген}.According to dependency

when the phase is operating at the output of block 7, we have a signal of the current value of flux linkage. In fig. 2 shows the magnetization curves of a machine. Curve θ corresponds _races misaligned position of the stator teeth and the rotor of the machine, i.e., while the rotor tooth is located between the stator teeth. The curve θ _according to the consistent position of the teeth, in which the axis of the rotor tooth coincides with the axis of the stator tooth. The points corresponding to the set values of the flux linkage ψ _ass for the generator mode are located on the magnetization curves ψ (i), which can be located between the mentioned curves for mismatched and coordinated positions. For the generator mode, this is the curve ψ (i, θ _{com gene} ) corresponding to θ = θ _{com gene} .

В процессе работы машины текущее значение потокосцепления изменяется от нулевого значения при θ =θ _расс до значения ψ ₁(i) при θ =θ _{ком ген}. Это так называемая траектория движения изображающей точки ψ (i). Функциональный преобразователь 11 хранит заданную линию переключения ψ _зад(i, θ _{ком ген}) для генераторного режима работы. Для формирования импульса на переключение фаз в генераторном режиме должно быть выполнено условие ψ (t)≤ ψ _зад (i, θ _{ком ген}). При этом в общем случае траектория движения изображающей точки ψ (i) будет пересекать линию переключения в двух точках - сначала в точке "2", а затем в точке "1", что будет вносить нечеткость в работу, поскольку коммутация фаз в генераторном режиме должна происходить в точке "1" (фиг. 2). Как только выполнится условие ψ (t)≤ ψ _зад (i, θ _{ком ген}) на выходе компаратора 10 вырабатывается импульс, который через логические элементы 12-14 подается на вход коммутатора 3 фаз вентильного преобразователя, выходной сигнал которого осуществляет отключение работающей до этого момента фазы и включение следующей путем отключения ключей работающей фазы и включения ключей следующей фазы. Этот же импульс обеспечивает сброс интегратора 17 на нулевое значение, после чего начинается расчет текущего значения потокосцепления следующей, вновь включенной, фазы.During the operation of the machine, the current value of flux linkage changes from a zero value at θ = θ _ras to a value ψ ₁ (i) at θ = θ _{com gen} . This is the so-called trajectory of the image point ψ (i). Functional converter 11 stores a predetermined switching line ψ _back (i, θ _{com gen} ) for the generator operating mode. To form a pulse for phase switching in the generator mode, the condition ψ (t) ≤ ψ _back (i, θ _{com gene} ) must be satisfied. In this case, in the general case, the trajectory of the image point ψ (i) will intersect the switching line at two points - first at point "2" and then at point "1", which will introduce fuzziness into the operation, since phase switching in the generator mode should occur at point "1" (Fig. 2). As soon as the condition ψ (t) ≤ ψ _ass (i, θ _{com gene} ) is fulfilled, an impulse is generated at the output of the comparator 10, which is fed through the logic elements 12-14 to the input of the 3-phase switch of the valve converter, the output signal of which shuts off until now phase and turning on the next by turning off the keys of the working phase and turning on the keys of the next phase. The same pulse provides the reset of the integrator 17 to zero, after which the calculation of the current value of the flux linkage of the next, again included, phase begins.

В исходном состоянии на выходе компаратора 10 имеет место сигнал логического “0”, триггер 12 сброшен в состояние Q₁=0, на выходе логического элемента НЕ 13 сигнал Q₂ равен “1”, выходной сигнал Q₃ логического элемента И 14 равен “0”. После включения фазы потокосцепление растет, и в точке “2” (фиг. 2) на выходе компаратора 10 устанавливается “1”, что переключает выход логического элемента НЕ 13 в “0”. Выходной сигнал компаратора 10, равный “1”, устанавливает выходной сигнал триггера Q₁=1, но на выходе логического элемента И 14 сигнал отсутствует, поскольку он определяется как Q₁· Q₂=1· 0=0.In the initial state, the logic signal “0” takes place at the output of the comparator 10, the trigger 12 is reset to the state Q ₁ = 0, at the output of the logic element NOT 13 the signal Q ₂ is “1”, the output signal Q _{3 of the} logic element And 14 is “0 " After the phase is switched on, the flux linkage increases, and at the point “2” (Fig. 2), “1” is set at the output of the comparator 10, which switches the output of the logic element NOT 13 to “0”. The output signal of the comparator 10, equal to “1”, sets the output signal of the trigger Q ₁ = 1, but there is no signal at the output of the logic element And 14, since it is defined as Q ₁ · Q ₂ = 1 · 0 = 0.

При достижении потокосцеплением значения в точке "1" выходной сигнал компаратора 10 переключается в "0", что приводит к появлению на выходах логического элемента НЕ 13 и элемента И 14 сигналов логической "1". Этот импульс осуществляет перекоммутацию фаз и одновременно сбрасывает триггер 17 в исходное состояние, при котором Q₁=0. Далее процесс повторяется для другой фазы.When the flux linkage reaches a value at the point “1”, the output signal of the comparator 10 switches to “0”, which leads to the appearance of the outputs of the logical element NOT 13 and the element And 14 of the logical signals “1”. This pulse carries out a phase switching and at the same time resets the trigger 17 to its original state, in which Q ₁ = 0. Next, the process is repeated for another phase.

Напряжение на фазной обмотке машины может быть измерено непосредственно, а в случае отсутствия в машине датчика фазного напряжения этот параметр определяют путем измерения напряжения в звене постоянного тока преобразователя и фактического умножения его на значение скважности ШИМ.The voltage on the phase winding of the machine can be measured directly, and in the absence of a phase voltage sensor in the machine, this parameter is determined by measuring the voltage in the DC link of the converter and actually multiplying it by the PWM duty cycle.

Таким образом, введение в устройство логических элементов позволяет обеспечить работу вентильно-индукторной машины в генераторном режиме при бездатчиковой коммутации фаз.Thus, the introduction of logical elements into the device allows the valve-inductor machine to operate in a generator mode with sensorless phase switching.

Источники информацииSources of information

1. Torrey D.A. Switched Generators and Their Control. - IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, 2002, vol.49, No.1, с.3-15.1. Torrey D.A. Switched Generators and Their Control. - IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, 2002, vol. 49, No.1, pp. 3-15.

2. Бычков М.Г. Способ управления вентильно-индукторным электроприводом и устройство для его осуществления / Патент РФ №2182743, кл. Н 02 Р 6/18, Н 02 К 29/06, заявл. 27.09.2000, опубл. 20.05.2002, БИ №14.2. Bychkov M.G. A method for controlling a valve-inductor electric drive and a device for its implementation / RF Patent No. 2182743, cl. H 02 P 6/18, H 02 K 29/06, declaration 09/27/2000, publ. 05/20/2002, BI No. 14.

Claims

A device for controlling a valve-inductor machine, comprising an output parameter setter connected to an input of a control system, the outputs of which through a phase switch are connected to an input of a power converter connected to the phase windings of the machine, a unit for determining the current value of the flux linkage, the inputs of which are connected to the output of the phase determination unit voltage and current sensor in the phase winding of the machine, and the output is connected to the first input of the comparator, the second input of which is connected to the output of the functional converter an actuator that implements the magnetization curve of the machine at a given switching angle, connected by its input to the current sensor, while an RS-type trigger is inserted into it, logical elements are NOT and AND, the output of the comparator is connected to the trigger S-input and the input of the logical element NOT connected by its outputs with inputs of the logical element And, the output of which is connected to the R-input of the trigger and to the second input of the phase switch, and a pulse is generated at the output of the comparator, which ensures reset of the integrator as part of the unit for determining the current value of otocoupling.