ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2007 года по МПК H02P21/12 H02P27/05 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах, в которых требуется глубокое регулирование скорости, высокая перегрузочная способность, обеспечение тяжелого пуска из стопорного режима.

Известен электропривод переменного тока, содержащий асинхронный двигатель с фазным ротором, статорные и роторные обмотки которого подключены соответственно к выходам преобразователя частоты статора и преобразователя частоты ротора, каждый из которых выполнен с тремя управляющими входами, датчики фазных токов статора, подключенные выходами к управляющим входам блока преобразований токов статора, датчики фазных напряжений статора, подключенные выходами к входам для опорных сигналов блока преобразований токов статора и к входам датчика частоты токов статора, выход которого подключен ко второму управляющему входу преобразователя частоты статора, блоки заданий амплитуд напряжений статора и ротора, подключенные выходами к первым управляющим входам соответственно преобразователей частоты статора и ротора, блок заданий постоянной частоты токов ротора, подключенный выходом ко второму управляющему входу преобразователя частоты ротора, умножитель, первый вход которого соединен с первым выходом блока преобразований токов статора, умножитель, первый вход которого соединен со вторым выходом блока преобразований токов статора, а выходы умножителей подключены к входам первого сумматора, выход которого подключен к входу первого интегратора, соединенного выходом с третьим управляющим входом преобразователя частоты статора; имеются датчик ЭДС Холла, установленный в воздушном зазоре асинхронного двигателя с фазным ротором, второй интегратор, квадраторы, второй сумматор, блок сравнения, задатчик амплитуды магнитного потока и блок преобразований магнитных потоков воздушного зазора, входы которого подключены к выходам датчика ЭДС Холла и к выходам датчика фазных напряжений статора, а выходы - к входам квадраторов, выходы которых подключены к входам второго сумматора, соединенного выходом с входом блока сравнения, к другому входу которого подключен выход задатчика амплитуды магнитного потока. При этом выход блока сравнения подключен к входу второго интегратора, соединенного выходом с третьим управляющим входом преобразователя частоты ротора (SU №1332427, МПК 4 Н02К 7/00, опубл. 23.08.1987).

Недостатками известного устройства является использование датчика ЭДС Холла для определения результирующего магнитного потока, что приводит к необходимости изменения конструкции базовой машины, а также невозможность автоматического регулирования заданной скорости ротора.

Технический результат заключается в реализации возможности плавного регулирования заданной скорости ротора посредством изменения напряжения статора аналогично электроприводу с двигателем постоянного тока. Вычисление проекций вектора результирующего магнитного потока осуществляется по мгновенным значениям фазных токов статора и ротора, измеряемых датчиками в соответствующих цепях, что позволяет применять в качестве базовой машины серийный асинхронный двигатель.

Сущность изобретения заключается в том, что в электропривод, содержащий асинхронный двигатель с фазным ротором, статорные и роторные обмотки которого подключены соответственно к выходам преобразователя частоты статора и преобразователя частоты ротора, датчики фазных токов статора, датчики фазных напряжений статора, подключенные к входам датчика частоты токов статора, выход которого подключен к третьему управляющему входу преобразователя частоты статора, блоки заданий амплитуд напряжений статора и ротора, подключенные выходами к первым управляющим входам соответственно преобразователей частоты статора и ротора, блок заданий постоянной частоты токов ротора, подключенный выходом ко второму управляющему входу преобразователя частоты ротора, умножители, выходы которых подключены к входам сумматора, выход которого подключен к входу интегратора, соединенного выходом с третьим управляющим входом преобразователя частоты статора, задатчик амплитуды магнитного потока, введены преобразователь числа фаз статора, наблюдатель результирующего магнитного потока, тригонометрический анализатор, обратный преобразователь координат токов статора, синусно-косинусный преобразователь, преобразователь координат токов ротора, преобразователь числа фаз ротора, датчики токов ротора, регулятор результирующего магнитного потока, блок компенсации ЭДС ротора, задатчик угловой скорости ротора, регулятор угловой скорости ротора, блок вычисления угловой скорости ротора, регулятор момента, вычислитель момента, регулятор составляющей тока статора i_ys, блок компенсации ЭДС статора, регулятор составляющей тока статора i_xs, прямой преобразователь координат токов статора, выход которого соединен с входом блока задания амплитуды напряжения статора, а первый вход соединен с выходом блока компенсации ЭДС статора, два других при этом соединены с первым и вторым выходами тригонометрического анализатора. Первый вход блока компенсации ЭДС статора соединен с выходом регулятора составляющей тока статора i_ys, второй - с выходом регулятора составляющей тока статора i_xs, первый вход которого «занулен», а второй вход соединен со вторым выходом обратного преобразователя координат токов статора. Первый вход регулятора составляющей тока статора i_ys соединен с выходом регулятора момента, а второй вход - с первым выходом обратного преобразователя координат токов статора. Один вход регулятора момента соединен с выходом вычислителя момента, первый вход которого подключен к третьему выходу тригонометрического анализатора, а второй вход подключен к первому выходу обратного преобразователя координат токов статора. Другой вход регулятора момента соединен с выходом регулятора угловой скорости ротора, первый вход которого подключен к выходу задатчика угловой скорости ротора, а второй - к выходу блока вычисления угловой скорости ротора, соединенного первым входом с выходом блока заданий постоянной частоты токов ротора, а вторым входом - с выходом датчиков частоты токов статора. Выход блока заданий амплитуды напряжения ротора соединен с первым входом преобразователя частоты ротора, а вход - с выходом блока компенсации ЭДС ротора, вход которого соединен с выходом регулятора результирующего магнитного потока, один вход которого соединен с третьим выходом тригонометрического анализатора, а другой - с выходом задатчика амплитуды магнитного потока. Третий и четвертый выходы тригонометрического анализатора соединены также с входами умножителей, а входы - с выходами наблюдателя результирующего магнитного потока. Вход преобразователя числа фаз ротора соединен с выходами датчиков токов ротора, а его выход подключен к третьему входу преобразователя координат токов ротора, первый и второй входы которого подключены к выходам синусно-косинусного преобразователя, соединенного входом с выходом блока заданий постоянной частоты токов ротора. При этом выходы преобразователя координат токов ротора соединены с третьим и четвертым входами наблюдателя результирующего магнитного потока, первый и второй входы которого подключены к выходам преобразователя числа фаз статора, которые в свою очередь соединены с третьим и четвертым входами обратного преобразователя координат токов статора. Первый и второй выходы обратного преобразователя координат токов статора соединены также с соответствующими входами умножителей. Вход преобразователя числа фаз статора подключен к выходам датчиков фазных токов статора.

На чертеже изображена функциональная схема устройства.

Электропривод содержит асинхронный двигатель 1 с фазным ротором, статорные и роторные обмотки которого подключены соответственно к выходам преобразователя частоты статора 2 и преобразователя частоты ротора 3, датчики 4 фазных токов статора, подключенные выходами к входу преобразователя числа фаз статора 5, выходы которого соединены с первым и вторым входами наблюдателя результирующего магнитного потока 6, подключенного выходами к входам тригонометрического анализатора 7, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входом обратного преобразователя координат токов статора 8, третий и четвертый входы которого соединены с выходами преобразователя числа фаз статора 5. Выход блока заданий постоянной частоты токов ротора 9 подключен ко второму входу преобразователя частоты ротора 3 и к входу синусно-косинусного преобразователя 10, выходы которого подключены к первому и второму входам преобразователя координат токов ротора 11, третий вход которого соединен с выходом преобразователя числа фаз ротора 12, соединенного входом с выходами датчиков 13 токов ротора, а выходы преобразователя координат токов ротора 11 соединены с третьим и четвертым входами наблюдателя результирующего магнитного потока 6. Выход задатчика амплитуды магнитного потока 14 соединен с первым входом регулятора результирующего магнитного потока 15, второй вход которого соединен с третьим выходом тригонометрического анализатора 7, а выход - с входом блока компенсации ЭДС ротора 16, соединенного выходом с входом блока заданий амплитуды напряжения ротора 17, выход которого соединен с первым входом преобразователя частоты ротора 3. Выход задатчика угловой скорости ротора 18 соединен с первым входом регулятора угловой скорости ротора 19, второй вход которого соединен с выходом блока вычисления угловой скорости ротора 20, соединенного первым входом с выходом блока заданий постоянной частоты токов ротора 9, а вторым входом - с выходом датчика 21 частоты токов статора, вход которого соединен с датчиками 22 фазных напряжений статора. Выход регулятора угловой скорости ротора 19 соединен с первым входом регулятора момента 23, второй вход которого соединен с выходом вычислителя момента 24, первый вход которого подключен к третьему выходу тригонометрического анализатора 7, а второй вход подключен к первому выходу обратного преобразователя координат токов статора 8. Первый вход регулятора 25 составляющей тока статора i_ys соединен с выходом регулятора момента 23, а второй вход - с первым выходом обратного преобразователя координат токов статора 8. Выход регулятора 25 составляющей тока статора i_ys соединен с первым входом блока компенсации ЭДС статора 26, второй вход которого соединен с выходом регулятора 27 составляющей тока статора i_xs, первый вход которого «занулен», а второй вход соединен со вторым выходом обратного преобразователя координат токов статора 8. Выход блока компенсации ЭДС статора 26 соединен с первым входом прямого преобразователя координат токов статора 28, второй и третий входы которого соединены с первым и вторым выходами тригонометрического анализатора 7. Выход прямого преобразователя координат токов статора 28 соединен с входом блока заданий амплитуды напряжения статора 29, соединенного выходом с первым входом преобразователя частоты статора 2, второй вход которого соединен с выходом интегратора 30, соединенного входом с выходом сумматора 31, к первому входу которого подключен выход умножителя 32, соединенного первым входом с первым выходом обратного преобразователя координат токов статора 8, а вторым - с четвертым выходом тригонометрического анализатора 7. Второй вход сумматора 31 подключен к выходу умножителя 33, соединенного первым входом с третьим выходом тригонометрического анализатора 7, а вторым входом - со вторым выходом обратного преобразователя координат токов статора 8. Третий вход преобразователя частоты статора 2 соединен с выходом датчика 21 частоты токов статора.

Электропривод работает следующим образом. На силовые входы преобразователей частоты 2 и 3 подают напряжение питания. По сигналам с выходов блоков задания амплитуд напряжений статора ротора 29 и 17 соответственно начинают работать выпрямительные звенья преобразователей частоты 2 и 3. Сигналом управления с блока заданий постоянной частоты токов ротора 9 включается инверторное звено преобразователя частоты ротора 3. В обмотках ротора асинхронного двигателя 1 начинает протекать трехфазный низкочастотный ток возбуждения, создающий вращающееся магнитное поле, наводящее ЭДС той же частоты в обмотках статора. Сигналы с датчиков 13 токов ротора подвергаются преобразованиям в преобразователе числа фаз ротора 12 и преобразователе координат токов ротора 11 с помощью сигналов sinη и cosη из синусно-косинусного преобразователя 10, вычисляющего эти значения по сигналу с блока заданий постоянной частоты токов ротора 9. Наблюдатель результирующего магнитного потока 6 формирует составляющие вектора потока в системе координат статора α, β.

Так как в начальный момент задатчик угловой скорости ротора 18 установлен в положение, соответствующее нулевой скорости, то вентили инверторного звена преобразователя частоты статора 2 заперты ЭДС статорной цепи. Ток в этой цепи отсутствует и составляющие вектора магнитного потока в системе координат статора формируются только за счет токов ротора и преобразуются тригонометрическим анализатором 7 в систему координат x, y. Составляющая Ψ_xδ сравнивается регулятором результирующего магнитного потока 15 с выходным сигналом задатчика амплитуды магнитного потока 14. Сигнал рассогласования с выхода регулятора результирующего магнитного потока 15, проходя через блок компенсации ЭДС ротора 16, поступает на вход блока заданий амплитуды напряжения ротора 17, выходной сигнал которого изменяет амплитуду напряжения ротора таким образом, что составляющая магнитного потока Ψ_xδ, определяющая модуль вектора потока, остается равной величине, установленной в задатчике амплитуды магнитного потока 14.

Поскольку в начальный момент ротор асинхронного двигателя 1 неподвижен, то от датчика 21 частоты токов статора, подключенного к датчикам 22 фазных напряжений, на управляющий вход преобразователя частоты статора 2 (на управляющий вход инвертора тока) поступает сигнал управления с частотой питания ротора ω₂=const. Этот же сигнал подается на вход блока вычисления угловой скорости ротора 20, на второй вход которого приходит сигнал с блока заданий постоянной частоты токов ротора 9, а выходной сигнал, пропорциональный угловой механической скорости ротора ω_r, поступает на вход регулятора угловой скорости ротора 19, где сравнивается с сигналом задатчика угловой скорости ротора 18, а результат сравнения поступает на вход регулятора момента 23. На второй его вход приходит сигнал с выхода вычислителя момента 24, в котором производится вычисление электромагнитного момента по соотношению

Необходимые для вычислений составляющие поступают с тригонометрического анализатора 7 и обратного преобразователя координат токов статора 8. Выходной сигнал регулятора момента 23 является задающим для регулятора 25 составляющей тока статора i_ys и сравнивается с выходным сигналом обратного преобразователя координат токов статора 8. Сигнал рассогласования составляющей тока статора Δi_ys подается на вход блока компенсации ЭДС статора 26. Сигнал рассогласования второй составляющей тока статора Δi_xs, поступающий на другой вход блока компенсации ЭДС статора 26, вычисляется в регуляторе 27 составляющей тока статора i_xs по сигналу с выхода обратного преобразователя координат токов статора 8. Выходной сигнал блока компенсации ЭДС статора 26 преобразуется прямым преобразователем координат токов статора 28 в систему координат статора α, β и управляет блоком заданий амплитуды напряжения статора 29, регулирующим амплитуду напряжения выпрямительного звена преобразователя частоты статора 2.

Выходные сигналы тригонометрического анализатора 7 и обратного преобразователя координат токов статора 8 поступают на входы умножителей 32 и 33, осуществляющих перемножение одноименных составляющих потока Ψ_δ и тока i_s, и таким образом на выходе умножителя 32 получают сигнал, пропорциональный произведению Ψ_yδ·i_ys, а на выходе умножителя 33 - Ψ_xδ·i_xs.

В электроприводе осуществляется контроль ортогональности векторов тока статора и результирующего магнитного потока в воздушном зазоре, что выполняется при условии равенства нулю их скалярного произведения Ψ_δ·i_s=0 или в координатах x, y

Это условие реализуется при помощи сумматора 31 и интегратора 30, сигнал с выхода которого поступает на управляющий вход преобразователя частоты статора 2 (управляющий вход инвертора тока) и определяет смещение фазы управляющих импульсов до тех пор, пока не будет выполнено условие (3). При этом достигается максимум электромагнитного вращающего момента базовой машины М_макс=Ψ_δ·i_s при текущих значениях тока статора и результирующего магнитного потока в воздушном зазоре, или при данной нагрузке на валу и заданном значении магнитного потока будет обеспечен минимальный ток статора, т.е. минимальные электрические потери в обмотках статора и силовой части преобразователя частоты статора 2.

Для пуска электропривода необходимо задать значение угловой механической скорости ротора ω_r, отличное от нуля. Это приведет к появлению сигналов рассогласования на выходах регулятора угловой скорости ротора 19, регулятора момента 23, регулятора 25 составляющей тока статора i_ys и сигналов управления на выходах блока компенсации ЭДС статора 26, прямого преобразователя координат токов статора 28 и блока заданий амплитуды напряжения статора 29. В результате начнет увеличиваться амплитуда напряжения на выходе выпрямительного звена преобразователя частоты статора 2, что приведет к пуску инверторного звена и возникновению тока в статорной цепи асинхронного двигателя 1. На выходах датчиков 4-фазных токов статора появляются сигналы, пропорциональные протекающим токам, которые, поступая в преобразователь числа фаз статора 5, переводятся из 3-фазной естественной системы координат в 2-фазную систему координат статора α, β. Нарастающий ток статора приводит к появлению статорной составляющей результирующего магнитного потока, вычисляемого наблюдателем результирующего магнитного потока 6 в соответствии с (1). Это вызывает появление сигнала рассогласования на выходе регулятора результирующего магнитного потока 15, который воздействует на преобразователь частоты ротора 3, изменяя амплитуду напряжения ротора таким образом, что результирующий магнитный поток останется равным заданному.

Увеличение тока статора приводит к возникновению электромагнитного момента. Как только он превысит значение момента сопротивления на валу, ротор начнет вращаться. Частота токов в статоре начинает возрастать

где ω₁=ω_c - угловая (синхронная) частота токов статора;

ω₂=const - угловая частота токов ротора;

ω_e=ω_r·р_П - электромагнитная угловая скорость вращения ротора;

ω_r - механическая угловая скорость вращения ротора;

р_П - число пар полюсов АД,

что фиксируется датчиками фазных напряжений статора 22 и фазных токов статора 4 и продолжается до тех пор, пока рассчитанное в блоке вычисления угловой скорости ротора 20 значение не сравняется с сигналом задатчика угловой скорости ротора 18. В процессе этого происходит вычисление электромагнитного момента по (2), проекций тока статора i_xs, i_ys и сравнение их с задаваемыми значениями в соответствующих регуляторах. Выходные сигналы регуляторов воздействуют на амплитуду напряжения преобразователя частоты статора 2.

В процессе разгона и набора заданной скорости также обеспечивается ортогональность векторов тока статора и результирующего магнитного потока в воздушном зазоре (3).

При изменении нагрузки электропривода скорость ротора начинает меняться, в результате частота токов в статоре асинхронного двигателя 1 также изменятся, что приводит к изменению выходного сигнала блока вычисления угловой скорости ротора 20. Это в свою очередь приводит к соответствующему изменению сигналов управления на выходах блока компенсации ЭДС статора 26, прямого преобразователя координат токов статора 28 и блока задания амплитуды напряжения статора 29. В результате начнет изменяться амплитуда напряжения на выходе выпрямительного звена преобразователя частоты статора 2, вызывая изменение тока статора и, соответственно, электромагнитного момента и скорости ротора таким образом, что она будет стремиться к заданной. Контур регулирования результирующего магнитного потока отрабатывает изменения тока статора так, что поток остается равным заданному.

По сравнению с известным решением предлагаемое позволяет создать электропривод на базе серийного асинхронного двигателя с фазным ротором, включенного по схеме двойного питания, обеспечивающего возможность тяжелых повторных пусков, обладающего жесткими механическими характеристиками, высокими энергетическими показателями, глубокой и плавной регулировкой скорости вращения ротора посредством изменения напряжения статора аналогично электроприводу с двигателем постоянного тока.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах, в которых требуется глубокое регулирование скорости, высокая перегрузочная способность, обеспечение тяжелого пуска из стопорного режима. Электропривод содержит асинхронный двигатель с фазным ротором, преобразователи частоты статора и частоты ротора, датчики фазных токов статора и ротора, преобразователи числа фаз статора и ротора, наблюдатель результирующего магнитного потока, тригонометрический анализатор, прямой и обратный преобразователи координат токов статора, блок заданий постоянной частоты токов ротора, синусно-косинусный преобразователь, преобразователь координат токов ротора, задатчик амплитуды магнитного, регулятор результирующего магнитного потока, блок компенсации ЭДС ротора, задатчик угловой скорости ротора, регулятор угловой скорости ротора, блок вычисления угловой скорости ротора, блок заданий постоянной частоты токов ротора, датчик частоты токов статора, датчики фазных напряжений статора, регулятор момента, регулятор составляющей тока статора i_ys, блок компенсации ЭДС статора, блок заданий амплитуды напряжения статора, интегратор, сумматор, умножитель. Все элементы электропривода соединены между собой в соответствии с формулой изобретения. В электроприводе обеспечивается возможность тяжелых повторных пусков асинхронных двигателей с фазным ротором, включенных по схеме двойного питания, обладающих жесткими механическими характеристиками, высокими энергетическими показателями, глубокой и плавной регулировкой скорости вращения ротора посредством изменения напряжения статора аналогично электроприводу с двигателем постоянного тока. 1 ил.

Электропривод переменного тока, содержащий асинхронный двигатель с фазным ротором, статорные и роторные обмотки которого подключены соответственно к выходам преобразователя частоты статора и преобразователя частоты ротора, датчики фазных токов статора, датчики фазных напряжений статора, подключенные к входам датчика частоты токов статора, выход которого подключен к третьему управляющему входу преобразователя частоты статора, блоки заданий амплитуд напряжений статора и ротора, подключенные выходами к первым управляющим входам соответственно преобразователей частоты статора и ротора, блок заданий постоянной частоты токов ротора, подключенный выходом к второму управляющему входу преобразователя частоты ротора, умножители, выходы которых подключены к входам сумматора, выход которого подключен к входу интегратора, соединенного выходом с третьим управляющим входом преобразователя частоты статора, задатчик амплитуды магнитного потока, отличающийся тем, что введены преобразователь числа фаз статора, наблюдатель результирующего магнитного потока, тригонометрический анализатор, обратный преобразователь координат токов статора, синусно-косинусный преобразователь, преобразователь координат токов ротора, преобразователь числа фаз ротора, датчики токов ротора, регулятор результирующего магнитного потока, блок компенсации ЭДС ротора, задатчик угловой скорости ротора, регулятор угловой скорости ротора, блок вычисления угловой скорости ротора, регулятор момента, вычислитель момента, регулятор составляющей тока статора i_ys, блок компенсации ЭДС статора, регулятор составляющей тока статора i_xs, прямой преобразователь координат токов статора, выход которого соединен с входом блока задания амплитуды напряжения статора, а первый вход соединен с выходом блока компенсации ЭДС статора, два других при этом соединены с первым и вторым выходами тригонометрического анализатора, первый вход блока компенсации ЭДС статора соединен с выходом регулятора составляющей тока статора i_ys, второй - с выходом регулятора составляющей тока статора i_xs, первый вход которого "занулен", а второй вход соединен с вторым выходом обратного преобразователя координат токов статора, первый вход регулятора составляющей тока статора i_ys соединен с выходом регулятора момента, а второй вход - с первым выходом обратного преобразователя координат токов статора, один вход регулятора момента соединен с выходом вычислителя момента, первый вход которого подключен к третьему выходу тригонометрического анализатора, а второй вход подключен к первому выходу обратного преобразователя координат токов статора, другой вход регулятора момента соединен с выходом регулятора угловой скорости ротора, первый вход которого подключен к выходу задатчика угловой скорости ротора, а второй - к выходу блока вычисления угловой скорости ротора, соединенного первым входом с выходом блока заданий постоянной частоты токов ротора, а вторым входом - с выходом датчиков частоты токов статора, выход блока заданий амплитуды напряжения ротора соединен с первым входом преобразователя частоты ротора, а вход - с выходом блока компенсации ЭДС ротора, вход которого соединен с выходом регулятора результирующего магнитного потока, один вход которого соединен с третьим выходом тригонометрического анализатора, а другой - с выходом задатчика амплитуды магнитного потока, третий и четвертый выходы тригонометрического анализатора соединены также со входами умножителей, а входы - с выходами наблюдателя результирующего магнитного потока, вход преобразователя числа фаз ротора соединен с выходами датчиков токов ротора, а его выход подключен к третьему входу преобразователя координат токов ротора, первый и второй входы которого подключены к выходам синусно-косинусного преобразователя, соединенного входом с выходом блока заданий постоянной частоты токов ротора, при этом выходы преобразователя координат токов ротора соединены с третьим и четвертым входами наблюдателя результирующего магнитного потока, первый и второй входы которого подключены к выходам преобразователя числа фаз статора, которые в свою очередь соединены с третьим и четвертым входами обратного преобразователя координат токов статора, первый и второй выходы обратного преобразователя координат токов статора соединены также с соответствующими входами умножителей, а вход преобразователя числа фаз статора подключен к выходам датчиков фазных токов статора.