СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ Российский патент 2007 года по МПК H02P23/08 H02P27/06 

Изобретение относится к способам управления асинхронными двигателями, в том числе тяговыми.

Известен способ управления асинхронным двигателем, при котором измеряют частоту вращения ротора асинхронного двигателя, определяют и вводят в регулятор напряжения разность между заданной и текущей частотами вращения ротора асинхронного двигателя и изменяют напряжение на двигателе в соответствии с заданным значением на выходе регулятора напряжения (см. см. книгу В.А.Винокурова, Д.А.Попова. Электрические машины железнодорожного транспорта. Учебник для вузов. - М.: Транспорт, 1986. - 511 С., с.374).

Недостатком этого способа является снижение перегрузочной способности двигателя, т.к. максимальный момент двигателя прямо пропорционален квадрату напряжения на двигателе. Поэтому в зоне низких скоростей асинхронный двигатель не может реализовать даже номинальные значения момента, что не позволяет использовать этот способ управления тяговыми двигателями особенно, т.к. при пуске, в зоне околостоповых скоростей, необходима реализация момента, значительно превышающего номинальный. Кроме того, двигатель работает не с номинальным скольжением, что предопределяет его низкий к.п.д. и коэффициент мощности.

Известен способ управления асинхронным двигателем, принятый за прототип, заключающийся в том, что измеряют частоту вращения асинхронного двигателя, вводят в регулятор напряжения разность между заданной и текущей частотами вращения асинхронного двигателя, измеряют ток асинхронного двигателя, по значению тока определяют величину оптимального скольжения асинхронного двигателя, определяют частоту напряжения асинхронного двигателя суммированием частоты вращения ротора асинхронного двигателя и оптимального скольжения, изменяют частоту и напряжение асинхронного двигателя в соответствии с определенными их значениями (см. книгу В.А.Винокурова, Д.А.Попова. Электрические машины железнодорожного транспорта. Учебник для вузов. - М.: Транспорт, 1986. - 511 С.)

Этот способ имеет следующий недостаток. Определение оптимального скольжения при реализации данного способа осуществляется посредством функционального преобразователя ФП (см. рис.10.55 на с.392 указанной книги) по току статора I₁. Однако использование зависимостей, заложенных в функциональный преобразователь ФП (см. рис.10.52 на с.385 указанной книги), предполагает наличие известного значения электромагнитного момента асинхронного двигателя, которое при реализации данного способа не только не определяется, но даже не вводится в ФП.

Кроме того, использование зависимостей и уравнений, характеризующих работу асинхронного двигателя, приведенных в этой книге, подразумевает известными значения параметров r_m, х_m, r'₂, х'₂, которые не приводятся в паспортных данных двигателя и не определяются при типовых испытаниях тяговых двигателей. Поскольку параметры тяговых двигателей допускают 5% разброс, то для определения значений r_m, х_m, r'₂, х'₂ необходимо проведение непредусмотренных протоколом соответствующих испытаний для каждого двигателя каждого электровоза, что затруднительно.

Задачей изобретения является обеспечение работы асинхронного двигателя во всем диапазоне частот вращения ротора с номинальными характеристиками, т.е. в оптимальном режиме, при практически неизменных коэффициенте мощности, коэффициенте перегружаемости и абсолютном скольжении, используя лишь номинальные паспортные значения параметров тягового асинхронного двигателя и значение частоты вращения его ротора.

Поставленная задача решается способом управления асинхронным двигателем, при котором измеряют частоту вращения ротора асинхронного двигателя f₂, вводят в регулятор напряжения разность между заданной и текущей частотами вращения асинхронного двигателя, определяют величину напряжения асинхронного двигателя по формуле

,

где U_H - номинальное значение напряжения асинхронного двигателя;

М_З - сигнал с выхода регулятора напряжения, соответствующий заданному электромагнитному моменту асинхронного двигателя;

М_Н - номинальный электромагнитный момент асинхронного двигателя;

f_1Н - номинальная синхронная частота вращения асинхронного двигателя;

f_1Н - номинальная частота вращения асинхронного двигателя,

определяют оптимальное скольжение ротора асинхронного двигателя по формуле

,

определяют частоту напряжения асинхронного двигателя суммированием оптимального скольжения и частоты вращения ротора и изменяют частоту и величину напряжения на асинхронном двигателе в соответствии с определенными значениями.

При работе асинхронного двигателя в номинальном (оптимальном) режиме его номинальное (оптимальное) абсолютное скольжение определится

f_SH=f_1Н-f_2Н.

При управлении асинхронным двигателем по закону М.П.Костенко (см. книгу Л.М.Пиотровского. Электрические машины. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1949. - С.528 на С.408)

механические характеристики двигателя (в части их устойчивой работы) параллельны, т.е. абсолютное скольжение одно и тоже. Тогда, при изменении момента нагрузки М (см. фиг.1), оптимальное скольжение определится

.

Для того чтобы асинхронный двигатель работал в оптимальном режиме с заданной скоростью и обеспечивал заданный момент, необходимо иметь синхронную частоту

f=f₂+f_ОПТ,

а напряжение

.

Подставляя вместо М заданное значение момента (момент может задаваться директивно, например, с контроллера машиниста локомотива, или, например, регулятором напряжения или скорости), имеем значение напряжения асинхронного двигателя

.

Новым в предлагаемом изобретении, в отличие от прототипа, является обеспечение работы асинхронного двигателя, в соответствии с поставленной задачей, во всем диапазоне частот вращения ротора с номинальными характеристиками при практически неизменных коэффициенте мощности, коэффициенте перегружаемости и абсолютном скольжении, используя лишь номинальные паспортные значения параметров тягового асинхронного двигателя и значение частоты вращения его ротора.

На фиг.1 представлены механические характеристики асинхронного двигателя, поясняющие способ управления; на фиг.2 - устройство, осуществляющее способ; на фиг.3 - алгоритм работы устройства.

Способ реализуется микропроцессорной системой, состоящей из процессора 1, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 2, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 3, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 4, блока драйверов 5, цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 6. Входы-выхода процессора 1, ОЗУ 2, ПЗУ 3, выход АЦП 4, входы блока драйверов 5 и ЦАП 6 объединены шиной адресов-данных 7. Выходы блока драйверов 5 соединены с управляющими цепями транзисторов инвертора 8, а выход ЦАП 6 - с управляющим входом источника регулируемого постоянного напряжения инвертора.

Процессор, ОЗУ, ПЗУ, АЦП, ЦАП могут быть интегрированы в специализированный контроллер, например M1 67-1С (см. каталог продукции "Бортовая промышленная электроника" АО "Каскод", 105037, Москва, Измайловская пл., 7).

Способ реализуется в соответствии с алгоритмом на фиг.3.

Алгоритм выполняется по приходу синхронизирующего сигнала, соответствующему вводу измеряемого сигнала с датчика 10 частоты вращения (блок 11, фиг.3). В блоке 12 определяют разность между заданной f₃ и текущей f₂ частотами вращения ротора асинхронного двигателя и вводят в регулятор, например, ПИ-регулятор (блок 13). В блоке 14 определяют величину оптимального скольжения

,

где M_З - сигнал с выхода регулятора напряжения, соответствующий заданному электромагнитному моменту асинхронного двигателя;

М_Н - номинальный электромагнитный момент асинхронного двигателя;

f_1Н - номинальная синхронная частота вращения асинхронного двигателя;

f_2Н - номинальная частота вращения асинхронного двигателя,

после чего суммируют ее с частотой вращения ротора (блок 15), получая частоту вращения f₁ магнитного поля асинхронного двигателя. Затем в блоке 16 преобразуют сигнал с выхода регулятора напряжения M_З в заданную величину напряжения асинхронного двигателя в соответствии с формулой

,

в блоке 17 выводят необходимое значение величины напряжения инвертора на управляющий вход источника регулируемого постоянного напряжения, а в блоке 18 выполняют алгоритм переключения транзисторов инверторов в соответствии с частотой f₁ и в процессе выполнения (блок 19) запускают драйверы блока драйверов, нагруженных на управляющие цепи транзисторов инвертора 8.

При очередном вводе сигнала с датчика частоты вращения ротора асинхронного двигателя алгоритм повторяется.

Предлагаемый способ управления асинхронным двигателем позволяет регулировать скорость в более широком диапазоне скоростей с коэффициентом мощности и перегрузочной способностью близкими к номинальным значениям. Для реализации способа достаточно иметь датчик частоты вращения ротора двигателя, остальные значения для определения необходимых частоты и величины напряжения статора асинхронного двигателя берутся из паспорта двигателя.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления асинхронными двигателями, в том числе тяговыми. Техническим результатом является обеспечение оптимального режима во всем диапазоне частоты вращения ротора при практически постоянных коэффициенте мощности, коэффициенте перегружаемости и абсолютном скольжении. В способе управления асинхронным двигателем частоту напряжения асинхронного двигателя определяют как сумму частоты вращения ротора и его оптимального скольжения. Оптимальное скольжение и величину заданного значения напряжения U определяют в зависимости от сигнала М_З с выхода регулятора напряжения, соответствующего заданному электромагнитному моменту асинхронного двигателя, номинального электромагнитного момента М_Н асинхронного двигателя, номинальной синхронной частоты f_1H вращения асинхронного двигателя, номинальной частоты f_2Н вращения асинхронного двигателя и номинального значения напряжения U_Н асинхронного двигателя по определенным формулам. 3 ил.

Способ управления асинхронным двигателем, заключающийся в том, что измеряют частоту вращения асинхронного двигателя f₂, вводят в регулятор напряжения разность между заданной и текущей частотами вращения асинхронного двигателя, определяют частоту напряжения асинхронного двигателя суммированием частоты вращения ротора асинхронного двигателя и его оптимального скольжения, изменяют частоту и величину напряжения на асинхронном двигателе в соответствии с требуемыми значениями, отличающийся тем, что оптимальное скольжение определяют по формуле

где М_З - сигнал с выхода регулятора напряжения, соответствующий заданному электромагнитному моменту асинхронного двигателя;

М_Н - номинальный электромагнитный момент асинхронного двигателя;

f_1Н - номинальная синхронная частота вращения асинхронного двигателя;

f_2Н - номинальная частота вращения асинхронного двигателя,

а величину напряжения асинхронного двигателя - по формуле

где U - заданное значение напряжения асинхронного двигателя;

U_H - номинальное значение напряжения асинхронного двигателя.