RU2253179C2 - Method for limiting induction-motor starting current - Google Patents
Method for limiting induction-motor starting current Download PDFInfo
- Publication number
- RU2253179C2 RU2253179C2 RU2002128093/09A RU2002128093A RU2253179C2 RU 2253179 C2 RU2253179 C2 RU 2253179C2 RU 2002128093/09 A RU2002128093/09 A RU 2002128093/09A RU 2002128093 A RU2002128093 A RU 2002128093A RU 2253179 C2 RU2253179 C2 RU 2253179C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- current
- phase
- control
- valves
- reactive component
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Rectifiers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к силовой электронике, в частности к полупроводниковым компенсаторам реактивной мощности, одно из применений которых может состоять в уменьшении сетевого тока при пуске асинхронных короткозамкнутых электродвигателей путем исключения из состава этого тока реактивной составляющей.The invention relates to power electronics, in particular to semiconductor reactive power compensators, one of the applications of which may be to reduce the mains current when starting asynchronous short-circuited electric motors by excluding the reactive component from the composition of this current.
Известно, что прямой пуск асинхронных двигателей (АД) сопровождается кратковременным броском тока статорных обмоток, многократно превышающим номинальный уровень. Данная особенность создает значительные трудности эксплуатации АД, так как приводит к просадкам сетевого напряжения, нарушающим нормальный режим энергоснабжения привода и других потребителей электроэнергии. Ограничение пускового тока АД тривиальными методами в большинстве случаев неприемлемо, так как происходящее уменьшение активной составляющей тока статорных обмоток ведет к уменьшению пускового момента, перегрузочной способности, энергетических показателей и быстродействия привода. В этих условиях едва ли не единственную возможность уменьшения сетевого тока на входе АД предоставляет метод параллельной компенсации реактивной мощности, суть которого, как известно, состоит в том, что потребность двигателя в реактивной мощности обеспечивается не сетью, а параллельно подключенным компенсатором, что ведет к уменьшению полного тока сети, то есть к разгрузке сети от реактивной составляющей тока АД. Получившие известность пускокомпенсирующие устройства асинхронных электроприводов выполняются на основе дискретно переключаемых конденсаторных батарей (см., например, Джендубаев А.З-Р. "Конденсаторное ограничение пускового тока асинхронного короткозамкнутого двигателя." - Известия РАН. Энергетика, №5, 2001 г., с.144-149).It is known that the direct start of asynchronous motors (AM) is accompanied by a short-term inrush current of the stator windings, many times exceeding the nominal level. This feature creates significant difficulties in the operation of blood pressure, as it leads to drawdowns of the mains voltage, violating the normal power supply of the drive and other electricity consumers. The limitation of the inrush current of the AM by trivial methods is in most cases unacceptable, since the current decrease in the active component of the current of the stator windings leads to a decrease in the starting torque, overload capacity, energy performance and speed of the drive. Under these conditions, the method of parallel compensation of reactive power, which, as you know, consists in the fact that the need for reactive power of the motor is provided not by the network, but by a parallel compensator, which leads to a decrease the total current of the network, that is, to unload the network from the reactive component of the current AM. The well-known start-up compensating devices of asynchronous electric drives are based on discretely switched capacitor banks (see, for example, Dzhendubaev A.Z.-R. "Capacitorial limitation of the starting current of an asynchronous squirrel-cage motor." - Proceedings of the Russian Academy of Sciences. Energetics, No. 5, 2001, p. .144-149).
Однако использование устройств подобного рода в динамических режимах затруднено в связи с невозможностью плавного регулирования реактивной мощности. Попытки проведения с их помощью так называемого многоступенчатого пуска АД сопровождаются, как отмечено в указанной работе, появлением резонансных режимов, перенапряжений и т.п. В этой связи более эффективными могут оказаться управляемые полупроводниковые компенсаторы, из общего числа которых наиболее энергоемкими и простыми следует признать компенсационные преобразователи (КП). Данные устройства выполняются, как правило, по трехфазной мостовой схеме выпрямления, которая зажимами переменного тока присоединяется к статорным обмоткам АД, а в цепи постоянного тока содержит индуктивный элемент в виде накопительного дросселя. Элементной базой данных преобразователей служат двухоперационные вентили, например транзисторные IGВТ-модули с последовательно соединенными для блокирования обратного напряжения диодами. Включение двухоперационных вентилей в диапазоне опережающих углов управления α ≤ 0 приводит к появлению на сетевом входе КП реактивного тока емкостного характера прямоугольной формы, основная гармоника которого имеет опережающий фазовый сдвиг относительно сетевого напряжения φ 1≤ 0. Действующее значение реактивной составляющей этого тока IКР отыскивается в виде произведения двух координат: iК1 - действующего значения основной гармоники тока и sinφ 1 - фазового параметра, тригонометрически зависящего от фазового сдвига основной гармоники тока относительно напряжения, согласно выражениюHowever, the use of devices of this kind in dynamic modes is difficult due to the impossibility of smooth regulation of reactive power. Attempts to carry out with their help the so-called multi-stage start-up of BP are accompanied, as noted in the indicated work, by the appearance of resonance modes, overvoltage, etc. In this regard, controlled semiconductor compensators may turn out to be more effective, out of the total number of which compensation transformers (KP) should be recognized as the most energy-consuming and simple. These devices are performed, as a rule, according to a three-phase bridge rectification circuit, which is connected to the stator windings of the AD by AC clamps, and contains an inductive element in the form of a storage choke in the DC circuit. The elementary database of the converters are dual-operation valves, for example transistor IGVT modules with diodes connected in series to block the reverse voltage. The inclusion of two-stage valves in the range of leading control angles α ≤ 0 leads to the appearance of a rectangular capacitive reactive current at the mains input of the control unit, the main harmonic of which has a leading phase shift relative to the mains voltage φ 1 ≤ 0. The effective value of the reactive component of this current I КР is found in in the form of the product of two coordinates: i K1 - the effective value of the fundamental harmonic of the current and sinφ 1 - the phase parameter, which depends trigonometrically on the phase shift of the fundamental current ki relative to voltage, according to the expression
Задача параллельной компенсации состоит в формировании реактивной составляющей тока компенсатора, которая бы при равенстве амплитуд находилась в противофазе к реактивной составляющей тока статорных обмоток АДThe task of parallel compensation is to form a reactive component of the compensator current, which, if the amplitudes are equal, would be in antiphase to the reactive component of the current of the stator windings
что может быть достигнуто методом автоматического управления указанными координатами, обеспечивающим раздельное поддержание равенствwhat can be achieved by automatic control of the specified coordinates, providing separate maintenance of equalities
Однако при обычном импульсно-фазовом управлении вентилями подобное двухкоординатное регулирование невозможно, так как при изменении угла управления α одновременно изменяются оба указанных токовых параметра. Кроме того, режим короткого замыкания, в котором фактически работает компенсационный выпрямитель, существенно ограничивает диапазон возможного отклонения угла управления от его начального значения α =-π /2. Возможность раздельного независимого регулирования тока и его фазы на сетевом входе КП в широком диапазоне появляется при двукратном включении вентилей за период сетевого напряжения (см., например, А.С. №436430). Наиболее близкое техническое решение содержится в изобретении (см. "Способ управления мощностью на сетевом входе трехфазного вентильного преобразователя."// С.Н.Сидоров. Патент РФ №2167484. Опубл. в БИ №14, 2001 г.). Данный способ обеспечивает автономное пропорциональное регулирование активной и реактивной составляющих тока на сетевом входе трехфазного мостового преобразователя при двукратном включении каждой пары вентилей моста на периоде сети, когда первое включение осуществляется с отстающим относительно начала положительной полуволны сетевого линейного напряжения углом управления а второе включение - с опережающим относительно указанного момента углом управления, по модулю равным и одновременным запиранием ранее работающих вентилей, на основе вертикального принципа путем включения вентилей в моменты равенства управляющих сигналов: - при первом включении и - при втором включении и периодически изменяющихся синхронно с сетью опорных сигналов косинусоидальной формы с вершинами, совпадающими с указанными точками отсчета углов управления.However, with conventional pulse-phase valve control, such two-coordinate control is impossible, since when the control angle α changes, both of the indicated current parameters simultaneously change. In addition, the short circuit mode, in which the compensation rectifier actually operates, significantly limits the range of possible deviations of the control angle from its initial value α = -π / 2. The possibility of separate independent regulation of the current and its phase at the mains input of the gearbox in a wide range appears when the valves are turned on twice during the period of the mains voltage (see, for example, AS No. 436430). The closest technical solution is contained in the invention (see "Method for controlling power at the network input of a three-phase valve converter." // SN Sidorov. RF Patent No. 2167484. Published in BI No. 14, 2001). This method provides autonomous proportional control of the active and reactive components of the current at the network input of a three-phase bridge converter when switching on each pair of bridge valves twice during the network period, when the first switching on is performed with the control angle lagging behind the positive half-wave of the line voltage and the second inclusion - with an angle of control ahead of the specified moment, modulo equal and simultaneous locking of previously operating valves, based on the vertical principle by turning on the valves at the moments of equal control signals: - at the first inclusion and - when turned on for the second time and periodically changing synchronously with the network, the reference signals are cosine in shape with vertices coinciding with the indicated reference points of the control angles.
Как отмечалось в (3), для решения задачи компенсации линейными методами теории автоматического регулирования необходимо иметь возможность пропорционального регулирования величины тока и его фазового параметра на выходе компенсатора. Для этого предлагается использовать задающие сигналы, относительные значения которых пропорциональны указанным координатам: - сигнал задания амплитудного значения тока компенсатора, - сигнал задания фазы тока компенсатора. Для получения пропорциональной зависимости между задающими сигналами и указанными координатами реактивного тока компенсатора данные сигналы должны быть поданы на входы функционального построителя (ФП), на выходах которого формируются сигналы управления первым и вторым включениями вентиля на периоде сети. Точные уравнения характеристик "вход-выход" ФП имеют следующий вид:As noted in (3), to solve the compensation problem by linear methods of the theory of automatic control, it is necessary to be able to proportionally control the magnitude of the current and its phase parameter at the output of the compensator. To do this, it is proposed to use the driving signals, the relative values of which are proportional to the specified coordinates: - signal setting the amplitude value of the current compensator, - signal to set the phase current of the compensator. To obtain a proportional relationship between the driving signals and the specified coordinates of the reactive current of the compensator, these signals must be fed to the inputs of the functional builder (FP), at the outputs of which control signals are generated first and second by switching on the valve during the network period. The exact equations of the input-output characteristics of the FP have the following form:
Данные исходные зависимости достаточно сложны, поэтому на практике их можно аппроксимировать, а графики характеристик ФП подвергнуть интерполяции, что упростит реализацию ФП аппаратным или программным способом.These initial dependences are rather complicated, therefore, in practice they can be approximated, and the characteristics of the FPs can be interpolated, which will simplify the implementation of the FP by hardware or software.
На фиг.1 представлены временные диаграммы выпрямленного напряжения Ud(v), а также напряжения Ua(v) и тока ia(v) фазы А на сетевом входе компенсационного преобразователя, иллюстрирующие его работу с двукратным включением каждой пары вентилей моста на периоде сетевого напряжения; на фиг.2 изображена схема устройства ограничения пускового тока АД.Figure 1 shows the time diagrams of the rectified voltage U d (v), as well as the voltage U a (v) and current i a (v) of phase A at the network input of the compensation converter, illustrating its operation with double switching on each pair of bridge valves for a period mains voltage; figure 2 shows a diagram of a device for limiting the starting current HELL.
При рассмотрении принципа работы устройства будем исходить из преодположения, что напряжение в сети сохраняет синусоидальную форму, а в цепи нагрузки КП протекает идеально сглаженный выпрямленный ток Id=const.When considering the principle of operation of the device, we will proceed from the assumption that the voltage in the network remains sinusoidal, and a perfectly smoothed rectified current Id = const flows in the load circuit of the gearbox.
Согласно диаграммам фиг.1, работа КП при выбранном способе управления сопровождается чередованием следующих пар включаемых вентилей на периоде сети: 1,6; 4,3; 1,2; 5,4; 3,2; 5,6; 3,4; 1,6; 5,4; 1,2; 5,6; 3,2. Видно, что работа каждой пары происходит на периоде дважды, например включение вентилей 1, 2 происходит первый раз в момент v1 с отстающим относительно начала положительной полуволны линейного напряжения Uac на их анодах (относительно точки естественной коммутации вентиля 1 фазы А) углом управления α 1≥ 0, а второй раз в момент v2 - с опережающим относительно указанной точки углом управления α 2≤ 0. При этом выпрямленное напряжение на каждом периоде пульсаций π /3 формируется из участков противофазных линейных напряжений сети Uac Uca, кратковременно переводящих преобразователь из выпрямительного режима в инверторный и наоборот. На этом же чертеже изображены кривые напряжения Ua(v) и тока ia(v) фазы А на сетевом входе моста. Можно видеть, что соответствующим изменением углов управления α 1, α 2 можно осуществлять независимое регулирование средневыпрямленного напряжения, а значит, и тока на сетевом входе преобразователя - с одной стороны, а также фазового сдвига φ 1 основной гармоники фазного тока ia1(v) относительно фазного напряжения Ua(v) - с другой стороны. Последнее означает возможность автономного двухкоординатного управления реактивным током компенсационного преобразователя, существенно расширяющим диапазон его плавного регулирования за счет амплитуды или фазового сдвига.According to the diagrams of figure 1, the operation of the gearbox with the selected control method is accompanied by the alternation of the following pairs of turn-on valves on the network period: 1.6; 4.3; 1,2; 5.4; 3.2; 5.6; 3.4; 1.6; 5.4; 1,2; 5.6; 3.2. It is seen that the operation of each pair occurs twice in the period, for example, valves 1, 2 are turned on for the first time at time v 1 with the control angle α lagging behind the start of the positive half-wave of the linear voltage U ac at their anodes (relative to the point of natural switching of the valve 1 of phase A) 1 ≥ 0, and the second time at the moment v 2 - with the control angle α 2 ≤ 0 ahead of the indicated point. In this case, the rectified voltage at each ripple period π / 3 is formed from the sections of the out-of-phase line voltage U ac U ca , for a short time transferring the converter from rectifier mode to inverter mode and vice versa. The same drawing shows the voltage curves U a (v) and current i a (v) of phase A at the network input of the bridge. It can be seen that by a corresponding change in the control angles α 1 , α 2, it is possible to independently control the average rectified voltage, and hence the current at the inlet of the converter, on the one hand, as well as the phase shift φ 1 of the fundamental harmonic of the phase current i a1 (v) with respect to phase voltage U a (v) - on the other hand. The latter means the possibility of an autonomous two-coordinate control of the reactive current of the compensation converter, significantly expanding the range of its smooth regulation due to the amplitude or phase shift.
Представленные диаграммы тока помогают получить аналитические зависимости для организации двухкоординатного импульсно-фазового регулирования КП. Осуществляя разложение кривой тока ia(v) в ряд Фурье, запишем выражения для косинусного и синусного коэффициентов при первом слагаемом рядаThe presented current diagrams help to obtain analytical dependences for the organization of two-coordinate pulse-phase control of the gearbox. By expanding the current curve i a (v) in a Fourier series, we write the expressions for the cosine and sine coefficients in the first term of the series
Выражения представлены в системе относительных единиц с базовым значением что дает возможность записать расчетные зависимости для действующего значения основной гармоники тока на сетевом входе КПExpressions are presented in a system of relative units with a base value which makes it possible to record the calculated dependences for the effective value of the main harmonic of the current at the power supply network input
фазового сдвига этой гармоники относительно сетевого фазного напряженияphase shift of this harmonic relative to the mains phase voltage
а также активной и реактивной составляющих этого токаas well as the active and reactive components of this current
После подстановки (6) в (7), (8), (9) реактивная и активная составляющие фазного тока на сетевом входе КП выразятсяAfter substituting (6) into (7), (8), (9), the reactive and active components of the phase current at the power supply network input are expressed
Вводя понятия задающих сигналов для осуществления пропорционального регулирования тока на сетевом входе КП и его фазового параметраIntroducing the concepts of driving signals for proportional control of the current at the network input of the gearbox and its phase parameter
запишем закон автономного двухкоординатного регулирования компенсационным преобразователе в следующем виде:we write the law of the autonomous two-coordinate regulation by the compensation converter in the following form:
Решая данную систему относительно одной из тригонометрических функций, получимSolving this system with respect to one of the trigonometric functions, we obtain
Данное уравнение позволяет, задаваясь величинами найти требуемый угол управления вентилями α 1 при каждом первом включении на периоде сети. Практическая реализация импульсно-фазового управления вентилями осуществляется, как правило, на основе так называемого вертикального принципа. Рассматривая выражение (12) как уравнение точки встречи двух сигналов: управляющего сигнала и представленного слева опорного периодического сигнала косинусоидальной формы с вершиной косинусоиды, совпадающей с точкой перехода вступающего в работу линейного напряжения сети через нуль, запишем уравнение регулировочной характеристики системы импульсно-фазового управления вентилями относительно первого входаThis equation allows, given the quantities find the required valve control angle α 1 at each first start-up on the network period. The practical implementation of pulse-phase valve control is carried out, as a rule, on the basis of the so-called vertical principle. Considering the expression (12) as the equation of the meeting point of two signals: the control signal and the reference periodic signal of the cosine shape presented on the left with the peak of the cosine wave coinciding with the point of transition of the line voltage of the network that comes into operation through zero, we write the equation of the control characteristic of the pulse-phase valve control system relative to the first input
Аналогичным образом отыскивается уравнение точки встречи управляющего и опорного сигналов при втором включении вентилей на периодеSimilarly, the equation is found for the meeting point of the control and reference signals when the valves are turned on a second time during the period
Принимая правую часть (14) за управляющий сигнал на втором входе системы импульсно-фазового управления а левую часть - в качестве периодического опорного сигнала косинусоидальной формы, выражение регулировочной характеристики этой системы относительно второго управляющего входа запишетсяTaking the right-hand side of (14) as the control signal at the second input of the pulse-phase control system and the left part - as a periodic reference signal of a cosine shape, the expression of the regulatory characteristics of this system relative to the second control input is written
Изображенный на фиг.2 компенсационный преобразователь выполнен по трехфазной мостовой схеме выпрямления на транзисторных ключах 1-6, которая зажимами переменного тока подключена в параллель статорным обмоткам асинхронного двигателя 7, а в цепи постоянного тока содержит накопительный дроссель 8. Устройство управления содержит блок задания 9, который на основе информации о токе статорных обмоток АД вырабатывает входные сигналы, а также блок обратных связей 10, аналогичным образом согласно (9) вырабатывающий сигналы, пропорциональные параметрам тока на сетевом входе КП. Полученные в результате сравнения входных сигналов и сигналов обратных связей задающие сигналы поступают на вход функционального построителя 11. На выходах функционального построителя формируются согласно выражениям (4), (5) управляющие сигналы которые подаются далее на первый и второй входы системы импульсно-фазового управления 12. При надлежащем выполнении и настройке данное устройство может служить для ограничения пускового тока АД в соответствии с предлагаемым техническим решением.The compensation converter shown in FIG. 2 is made according to a three-phase bridge rectification circuit on transistor switches 1-6, which is connected in parallel with the stator windings of the induction motor 7, and in the DC circuit contains a storage choke 8. The control device contains a task unit 9, which, on the basis of information about the current of the stator windings of the AM, generates input signals, as well as a feedback block 10, similarly according to (9), generates signals proportional to the param frames on the network current manual input. The driving signals obtained by comparing the input signals and feedback signals arrive at the input of the functional builder 11. At the outputs of the functional builder, control signals are generated according to expressions (4), (5) which are then fed to the first and second inputs of the pulse-phase control system 12. With proper execution and configuration, this device can serve to limit the inrush current of the blood pressure in accordance with the proposed technical solution.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002128093/09A RU2253179C2 (en) | 2002-10-18 | 2002-10-18 | Method for limiting induction-motor starting current |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2002128093/09A RU2253179C2 (en) | 2002-10-18 | 2002-10-18 | Method for limiting induction-motor starting current |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2002128093A RU2002128093A (en) | 2004-05-10 |
RU2253179C2 true RU2253179C2 (en) | 2005-05-27 |
Family
ID=35824842
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2002128093/09A RU2253179C2 (en) | 2002-10-18 | 2002-10-18 | Method for limiting induction-motor starting current |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2253179C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2795613C1 (en) * | 2021-12-14 | 2023-05-05 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Asynchronous electromechanical power converter |
-
2002
- 2002-10-18 RU RU2002128093/09A patent/RU2253179C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2795613C1 (en) * | 2021-12-14 | 2023-05-05 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Asynchronous electromechanical power converter |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN111149287B (en) | Power conversion device | |
AU2008227057B2 (en) | Motor drive using flux adjustment to control power factor | |
US5736825A (en) | Method and apparatus for linearizing pulse width modulation by modifying command voltges | |
US9853559B2 (en) | Power conversion device with reduced current deviation | |
EP3522358B1 (en) | Inverter control device | |
CN106961232B (en) | Control method of high-power-factor diode rectifier permanent magnet motor adopting small-capacity thin-film capacitor | |
JP2012165499A (en) | Power conversion apparatus | |
AU2012317885B2 (en) | Power converter control method | |
CN103299539A (en) | Power conversion apparatus | |
Kazmierkowski | Control strategies for PWM rectifier/inverter-fed induction motors | |
CN109546913A (en) | A kind of capacitor miniaturization motor driver | |
EP1380098B1 (en) | Vector control of an induction motor | |
Khalilzadeh et al. | A Model-free approach for predictive direct power control of grid-connected converters | |
JPH03107373A (en) | Power converter and control method thereof | |
Gawande et al. | Current controlled PWM for multilevel voltage-source inverters with variable and constant switching frequency regulation techniques: A review | |
Rodriguez et al. | Predictive torque and flux control of an induction machine fed by an indirect matrix converter with reactive power minimization | |
Kale et al. | Analysis of torque and flux ripple factor for DTC and SVM-DTC of induction motor drive | |
RU2253179C2 (en) | Method for limiting induction-motor starting current | |
CN116391317A (en) | Power conversion system | |
RU2677628C1 (en) | Three-phase reactive power compensator | |
Farhadi et al. | Predictive control of neutral-point clamped indirect matrix converter | |
CN111819781B (en) | Rectifying circuit device | |
Paredes et al. | Model Predictive Control of a Quasi-Three-Level Inverter Topology Supplying Multiple Solar-Powered Pumps | |
Saren et al. | DTC driven single phase fed voltage source inverter with small dc-link capacitor | |
Dakir et al. | Computer simulations for two angular-speed-control systems of a current source inverter feeding an induction machine |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |