В настоящее время суммарное потребление электроэнергии автоматизированными электроприводами различных объектов ТЭК составляет свыше 2/3 всего объема генерации в мире и РФ [1–3]. Поэтому от уровня энергоэффективности, управляемости и надежности применяемых электроприводов во многом определяются показатели энергоемкости, энергосбережения и ресурсосбережения технологических процессов и установок ТЭК [4–7].
В нефтегазовой отрасли находит все большее применение вентильный электропривод, выполненный на базе синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов, с инвертором, питающим обмотку статора, и датчиком положения ротора и элементами искусственного интеллекта [8–12]. Для реализации частотного принципа управления электроприводом необходимо использовать релейно-импульсный принцип регулирования мгновенных значений напряжения на выходе инвертора. В режиме пуска электропривода требуется регулирование в широком диапазоне частоты вращения двигателя, что достигается изменением частоты и уровня питающего обмотку статора напряжения, при этом целесообразно регулировать напряжение и мощность, подаваемую на вход инвертора. В типовых преобразователях частоты, выполненных на базе инвертора напряжения, широко применяемых в нефтегазовой отрасли, преобразователь частоты выполнен с диодным выпрямителем, поэтому при частотном регулировании уровень напряжения на входе инвертора и величина импульса напряжения на выходе инвертора не регулируются. Нерегулируемый, избыточный при малых выходных напряжения инвертора уровень пульсаций напряжения снижает качество напряжения питания вентильного двигателя, при этом возрастает уровень гармоник напряжения и тока статора.
Известны преобразователи частоты с транзисторным ключом между неуправляемым выпрямителем и входом автономного инвертора. В работе [13] рассмотрена система электропривода с преобразователем частоты и коммутатором. Схема вентильного генератора с коммутатором рассмотрена в статье [14], а в патенте [15] разработан способ управления вентильным двигателем с использованием дополнительного коммутатора в цепи постоянного тока преобразователя частоты. Во всех указанных системах управление коммутацией дополнительного ключа, как и ключей инвертора, осуществляется с использованием принципа ШИМ-модуляции [16]. Энергоэффективные системы управления частотными электроприводами переменного тока подробно рассмотрены в работах [17–20]. Использование релейного принципа совместного управления шестью ключевыми элементами инвертора и дополнительным коммутатором предложено в патенте [21]. Релейный принцип управления упрощает процесс формирования токов в вентильном электроприводе, как на выходе инвертора, так и в звене постоянного тока.