МОМЕНТНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД Российский патент 2001 года по МПК H02P5/28 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к асинхронным электроприводам с частотно-токовым управлением, и может быть использовано в промышленных, транспортных и приборных электромеханических системах.

Известен частотно-регулируемый асинхронный электропривод с управлением по вектору главного потокосцепления двигателя, имеющий асинхронный электромеханический преобразователь, управляемый преобразователь частоты, контур регулирования модуля вектора главного потокосцепления и контур регулирования электромагнитного момента [Рудаков В.В., Столяров И.М., Дартау В.А. Асинхронные электроприводы с векторным управлением - Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1987- 136 с.]-[1, с. 34-39].

Недостатком известного электропривода является сложность системы управления.

Известен частотно-регулируемый асинхронный электропривод с управлением по вектору потокосцепления ротора двигателя, имеющий асинхронный электромеханический преобразователь, управляемый преобразователь частоты, контур регулирования модуля вектора потокосцепления ротора двигателя и контур регулирования электромагнитного момента [1, с. 66-68].

Недостатком известного электропривода является сложность системы управления.

Наиболее близким к заявляемому электроприводу по составу и функциональным признакам является моментный асинхронный электропривод [Афанасьев А. Ю. Моментный электропривод. - Казань: Издат. КГТУ им. А.Н. Туполева, 1997. - 250 с.]- [2, с. 50-53].

Известный моментный асинхронный электропривод содержит асинхронный электромеханический преобразователь с двумя фазами на статоре и с короткозамкнутым ротором, датчик частоты вращения, сумматор, функциональный преобразователь, первый - третий перемножители, интегратор, идентификатор знака, корнеизвлекающее устройство, первый - второй усилители тока и задатчик частоты скольжения.

Ротор электромеханического преобразователя механически связан с ротором датчика частоты вращения, выход которого подключен к первому входу сумматора. Выходы задатчика частоты скольжения и идентификатора знака подключены к первому, второму входам третьего перемножителя, выход которого подключен ко второму входу сумматора, а его выход подключен ко входу интегратора. Его выход подключен ко входу функционального преобразователя, косинусный и синусный выходы которого подключены к первым входам первого, второго перемножителей. Их вторые входы подключены к выходу корнеизвлекающего устройства, а их выходы подключены ко входам соответственно первого, второго усилителей тока. К их выходам подключены первая, вторая фазы электромеханического преобразователя, а входом электропривода являются входы идентификатора знака и корнеизвлекающего устройства, на который подается сигнал, пропорциональный требуемому моменту.

Недостатком данного электропривода являются низкие КПД электромеханического преобразователя и энергетические характеристики электропривода в целом в связи с постоянством модуля частоты скольжения и отклонением ее от оптимального значения при изменении частоты вращения ротора.

Изобретение решает задачу повышения энергетических характеристик электропривода путем изменения частоты скольжения в функции от частоты вращения ротора по оптимальному закону.

Поставленная задача решается тем, что в электропривод, содержащий асинхронный электромеханический преобразователь с двумя фазами на статоре и с короткозамкнутым ротором, датчик частоты вращения, сумматор, функциональный преобразователь, первый - третий перемножители, интегратор, идентификатор знака, корнеизвлекающее устройство и первый - второй усилители тока, при этом ротор электромеханического преобразователя механически связан с ротором датчика частоты вращения, выход которого подключен к первому входу сумматора, выход идентификатора знака подключен ко второму входу третьего перемножителя, выход которого подключен ко второму входу сумматора, а его выход подключен ко входу интегратора, его выход подключен ко входу функционального преобразователя, косинусный и синусный выходы которого подключены к первым входам первого, второго перемножителей, их вторые входы подключены к выходу корнеизвлекающего устройства, а их выходы подключены ко входам соответственно первого, второго усилителей тока, к их выходам подключены первая, вторая фазы электромеханического преобразователя, а входом электропривода являются входы идентификатора знака и корнеизвлекающего устройства, введен второй функциональный преобразователь, вход которого подключен к выходу датчика частоты вращения, а выход подключен к первому входу третьего перемножителя, причем схема второго функционального преобразователя обеспечивает реализацию характеристики, построенной по приведенному в описании алгоритму.

На фиг. 1 представлена функциональная схема асинхронного моментного электропривода. На фиг. 2 показана схема замещения фазы асинхронного двигателя. На фиг. 3 представлены зависимости частоты скольжения и действующего значения тока статора от частоты вращения ротора при фиксированном значении электромагнитного момента.

Моментный асинхронный электропривод на фиг. 1 содержит асинхронный электромеханический преобразователь 1 с фазами 2, 3 на статоре и с короткозамкнутым ротором 4, датчик 5 частоты вращения, сумматор 6, первый - второй функциональные преобразователи 7, 8, первый - третий перемножители 9 - 11, интегратор 12, идентификатор знака 13, корнеизвлекающее устройство 14 и усилители 15, 16 тока.

Ротор 4 механически связан с ротором датчика частоты вращения 5. Его выход подключен к первому входу сумматора 6 и ко входу второго функционального преобразователя 8, выход которого подключен к первому входу третьего перемножителя 11. Его второй вход подключен к выходу идентификатора знака 13, а выход подключен ко второму входу сумматора 6, выход которого подключен ко входу интегратора 12. Его выход подключен ко входу первого функционального преобразователя 7, косинусный и синусный выходы которого подключены к первым входам соответственно первого, второго перемножителей 9, 10. Их вторые входы подключены к выходу корнеизвлекающего устройства 14, а их выходы подключены ко входам соответственно первого, второго усилителей 15, 16 тока. К их выходам подключены соответственно фазы 2, 3 электромеханического преобразователя 1. Входом электропривода являются входы идентификатора знака 13 и корнеизвлекающего устройства 14.

Моментный асинхронный электропривод работает следующим образом. Датчик частоты вращения 5 вырабатывает сигнал, пропорциональный частоте вращения ротора ω, который поступает на первый вход сумматора 6 и на вход второго функционального преобразователя 8. На его выходе формируется сигнал, пропорциональный модулю оптимальной частоты скольжения |ω02

| и поступающий на первый вход третьего перемножителя 11. Входной сигнал, пропорциональный требуемому электромагнитному моменту M^o, поступает на входы корнеизвлекающего устройства 14 и на идентификатор знака 13. Его выходной сигнал ±1, равный знаку момента M^o, приходит на второй вход третьего перемножителя 11, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный оптимальной частоте скольжения ω02 и поступающий на второй вход сумматора 6. На его выходе получается сигнал, пропорциональный частоте вращения магнитного поля ω₁. Он поступает на вход интегратора 12, на выходе которого вырабатывается сигнал, пропорциональный углу поворота магнитного поля α₁. Он приходит на вход первого функционального преобразователя 7, на косинусном, синусном выходах которого формируются сигналы cos α₁, sin α₁. Они поступают на первые входы первого, второго перемножителей 9, 10, на вторые входы которых поступает с выхода корнеизвлекающего устройства 14 сигнал, пропорциональный амплитуде токов фаз обмотки статора I_1m. На выходах первого, второго перемножителей 9, 10 получаются сигналы
i0A = I_1mcosα₁, i0B = I_1msinα₁,
пропорциональные оптимальным токам первой, второй фаз обмотки статора. Эти сигналы приходят на входы первого, второго усилителей тока 15, 16, питающие фазы 2, 3 обмотки статора токами i_A≈ i0A, i_B≈ i0B. В результате электромеханический преобразователь развивает требуемый электромагнитный момент M = M^o при минимальных суммарных потерях в меди и в стали.

Зависимость оптимальной частоты скольжения ω02

от частоты вращения ω ротора 4 электромеханического преобразователя 1 может быть получена по алгоритму, основанному на расчете схемы замещения, представленой на фиг. 2.

Расчет схемы проводится методом единичного тока по следующему алгоритму.

1 - полагаем
2 - вычисляем
3 - вычисляем
4 - вычисляем
5 - вычисляем
6 - находим
где m - число фаз обмотки статора; p - число пар полюсов.

7 - находим отношение номинального момента к найденному моменту
γ = M^o/M_p,
где M^o - номинальный момент; M_p - расчетный момент.

8 - определяем ток и напряжение фазы статора

9 - находим механическую мощность
P_м= M^o·ω/p.
10 - находим активную электрическую мощность

11 - находим КПД η = P_м/P_э.
Задаваясь фиксированными значениями ω и изменяя ω₂, вычисляем соответствующий КПД и одним из методов поиска экстремума (перебора, золотого сечения) определяем оптимальное значение ω02

, при котором КПД максимальный. Одновременно определяем соответствующие значения тока и напряжения фазы обмотки статора, графики которых приведены на фиг. 3.

На основании анализа результатов проведенной оптимизации можно сделать вывод, что при изменении частоты вращения ротора ω оптимальное значение тока фазы статора практически постоянно (I₁ = const по ω) и принять

где K - постоянный коэффициент, а второй функциональный преобразователь 8 может быть построен по найденной зависимости ω02

= f(ω).
Таким образом, благодаря введению второго функционального преобразователя, схема которого обеспечивает реализацию характеристики, построенной по приведенному в описании алгоритму, электромеханический преобразователь развивает требуемый электромагнитный момент M = M^o при текущем значении частоты вращения ротора ω при минимальных суммарных потерях в меди и в стали, т.е. при максимальном КПД.

Изобретение может быть использовано в промышленных, транспортных и приборных электромеханических системах. Электропривод содержит асинхронный электромеханический преобразователь 1 с фазами 2, 3 на статоре и с короткозамкнутым ротором 4, датчик 5 частоты вращения, сумматор 6, первый синусно-косинусный функциональный преобразователь 7, первый - третий перемножители 9-11, интегратор 12, идентификатор знака 13, корнеизвлекающее устройство 14 и усилители 15, 16 тока. Входом электропривода являются входы блоков 13, 14, на которые подается сигнал требуемого момента. Технический результат - благодаря введению второго функционального преобразователя 8, схема которого обеспечивает реализацию характеристики, построенной по приведенному в описании алгоритму, реализуется оптимальная частота скольжения в функции от частоты вращения ротора, что позволяет получить требуемый электромагнитный момент при минимальной мощности потерь и максимальном КПД электропривода. 3 ил.

Моментный асинхронный электропривод, содержащий асинхронный электромеханический преобразователь с двумя фазами на статоре и с короткозамкнутым ротором, датчик частоты вращения, сумматор, функциональный преобразователь, первый - третий перемножители, интегратор, идентификатор знака, корнеизвлекающее устройство и первый, второй усилители тока, при этом ротор электромеханического преобразователя механически связан с ротором датчика частоты вращения, выход которого подключен к первому входу сумматора, выход идентификатора знака подключен ко второму входу третьего перемножителя, выход которого подключен ко второму входу сумматора, а его выход подключен ко входу интегратора, его выход подключен ко входу функционального преобразователя, косинусный и синусный выходы которого подключены к первым входам первого, второго перемножителей, их вторые входы подключены к выходу корнеизвлекающего устройства, а их выходы подключены ко входам соответственно первого, второго усилителей тока, к их выходам подключены первая, вторая фазы электромеханического преобразователя, а входом электропривода являются входы идентификатора знака и корнеизвлекающего устройства, отличающийся тем, что в него введен второй функциональный преобразователь, вход которого подключен к датчику частоты вращения, а выход подключен к первому входу третьего перемножителя, причем схема второго функционального преобразователя обеспечивает реализацию характеристики, построенной по приведенному в описании алгоритму.