СПОСОБ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО ДВУХЗОННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ГИБКИМ ОГРАНИЧЕНИЕМ МОЩНОСТИ Российский патент 2016 года по МПК H02P21/10 H02P21/12 H02P27/06 

Описание патента на изобретение RU2605458C1

Изобретение относится к асинхронному электроприводу и может быть использовано в промышленности и на транспорте в системах электропривода с прямым управлением моментом асинхронных двигателей (АД).

Известен способ двухзонного регулирования скорости асинхронного электропривода с ослаблением потока ротора в системе векторного управления (Козярук А.Е., Рудаков В.В. Современное и перспективное алгоритмическое обеспечение частотно-регулируемых электроприводов. - СПб.: Санкт-Петербургская электротехническая компания, 2004. - прототип). В данном способе блок задания потокосцепления в первой зоне регулирования (при частоте вращения двигателя ниже номинальной) устанавливает номинальное значение потокосцепления ротора двигателя. Во второй зоне регулирования (при частоте вращения двигателя выше номинальной) ослабление поля (уменьшение магнитного потока по отношению к номинальному значению) достигается за счет изменения задания на потокосцепление ротора обратно-пропорционально увеличению частоты вращения по отношению к номинальной. Минимизация тока статора может осуществляться путем поддержания равенства составляющих тока статора.

Недостатками этого способа являются традиционная для векторных систем сложность и большой объем вычислений, невысокая устойчивость к возмущениям, косвенное влияние на потокосцепление ротора через изменение тока статора, отсутствие регулирования потокосцепления двигателя в первой зоне, недоиспользование двигателя по мощности и нагреву во второй зоне.

Известна система прямого управления моментом (Direct Torque Control, - DTC) (Козярук A.E., Рудаков В.В. Системы прямого управления моментом в частотно-регулируемых электроприводах переменного тока / под ред. Народицкого А.Г. - СПб.: Санкт-Петербургская электротехническая компания, 2005), которую можно использовать для энергоэффективного двухзонного управления АД. В системе прямого управления моментом реализовано непосредственное высокодинамичное релейное регулирование потокосцепления статора и момента двигателя по отклонению. К отличительным особенностям DTC (блок 1 на фиг. 1, 2) можно отнести наличие в системе: - гистерезисных релейных регуляторов потокосцепления статора (РРп) и момента (РРм) асинхронного двигателя;

- электронной адаптивной модели двигателя (АМД) для вычисления текущих управляемых координат асинхронного двигателя (потокосцепления статора, электромагнитного момента, температуры и др.) по значению фазных токов, напряжения в звене постоянного тока и коммутационной функции автономного инвертора напряжения (АИН);

- вычислителя фазового сектора (ВФС), в котором в текущий момент времени находится вектор потокосцепления статора двигателя;

- табличного (матричного) вычислителя оптимального вектора напряжения двигателя, выполняемого в виде блока логического автомата (БЛА) и определяющего функцию переключения вентилей АИН.

В блоке DTC имеются также два алгебраических сумматора. В одном из них сравнивается задание на момент Мз, поступающее из системы управления, и момент двигателя, вычисленный АМД; полученное рассогласование поступает на РРм. Во втором сумматоре сравнивается задание на потокосцепление ψ поступающее из системы управления, и потокосцепление двигателя ψs, вычисленное АМД; полученное рассогласование поступает на РРп. АМД вычисляет также фазу вектора потокосцепления (фаза ψs). При необходимости в АМД блока 1 (блок DTC) можно производить также вычисление температуры обмоток статора двигателя t0 (фиг. 2).

Система DTC обладает высоким быстродействием и в то же время в ней не требуются необходимые при реализации векторного управления преобразователи координат регуляторы составляющих тока статора, блоки компенсации перекрестных обратных связей АД, организация широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Кроме того, система более устойчива к возмущениям и неточности информации о переменных состояния объекта управления, чем векторная система. Однако для систем DTC недостаточно проработаны энергосберегающие способы управления двигателями, что не позволяет полостью реализовать все преимущества DTC.

Целью изобретения является реализация энергоэффективного двухзонного регулирования асинхронного двигателя в системе прямого управления моментом при наиболее полном использовании двигателя по нагреву и мощности.

Технический результат достигается тем, что в данном способе, использующем прямое управление моментом, определение ограничения задания на момент, вычисленного регулятором скорости, производится путем деления заданной мощности на частоту вращения ротора двигателя, причем величина заданной мощности определяется в зависимости от температуры обмотки статора двигателя, вычисляемой по модели или измеряемой датчиком температуры, по следующей формуле:

где Pз - заданная мощность, Pн - номинальная мощность двигателя; θдоп - допустимая температура обмотки статора; t0 - текущая температура обмотки,

а задание на потокосцепление статора определяется в первой и второй зоне регулирования по значению задания на момент на основе заранее рассчитанной зависимости потокосцепления статора от момента двигателя, обеспечивающей минимальное значение тока статора при заданном моменте и имеющей вид кривой с насыщением.

Функциональные схемы систем двухзонного регулирования скорости АД, реализующих данный способ, представлены на фиг. 1, 2. В схеме фиг. 1 температура асинхронного двигателя 2 измеряется датчиком температуры обмоток статора, встроенном в АД, а в схеме рис. 2 вычисляется по модели в блоке 1 (блок DTC). Измерение температуры датчиком является более точным, поэтому оно предпочтительно (фиг. 1), однако это требует установки датчика в асинхронном двигателе. В случае отсутствия датчика возможно вычисление температуры по тепловой модели двигателя, включаемой в этом случае в адаптивную модель двигателя блока 1 (фиг. 2), однако это снижает точность определения температуры.

В обоих случаях в представленных схемах (фиг. 1, 2) имеется внешний контур регулирования частоты вращения (угловой скорости) двигателя. Темп нарастания задания на частоту вращения ωз может определяться задатчиком интенсивности (на схемах не показан). Действительная угловая скорость ротора АД измеряется датчиком частоты вращения 3 (ДЧВ). Рассогласование между заданной (ωз) и действительной угловой скоростью двигателя (ω), определяемое в сумматоре 4, подается на регулятор скорости 5, который формирует предварительное задание на момент тягового двигателя (Мзω). Затем в блоке 6 вычисления задания момента с учетом ограничений (БВЗМ) определяются ограничения и окончательное задание на момент Мз, поступающее в блок 1 (DTC), по следующим уравнениям:

где Мзогр - ограничение задания на момент АД; Мзmax - ограничение по моменту, устанавливаемое обычно, исходя из допустимого тока вентилей статического преобразователя.

Величина заданной мощности Pз определяется в зависимости от температуры обмоток статора t0 двигателя в блоке 7 по формуле

где Pз - заданная мощность, Pн - номинальная мощность двигателя; θдоп - допустимая температура обмотки статора; t0 - текущая температура обмотки, с ограничением заданной мощности на уровне Pз=1,2Pн.

Задание на потокосцепление статора ψ определяется в блоке 8 для первой и второй зоны регулирования скорости АД по найденному с использованием уравнений (1, 2) заданию на момент Мз на основе заранее рассчитанной зависимости потокосцепления статора от момента двигателя ψ=f(Mз) по условию минимума тока статора, имеющей вид кривой с насыщением. Найденное задание потокосцепления поступает в блок 1 (блок DTC). Применение DTC позволяет отдельно регулировать электромагнитный момент и потокосцепление статора двигателя по энергосберегающему закону с высоким быстродействием. Управляющие сигналы, выработанные в блоке 1, подаются в блок статического преобразователя 9 (блок СП) для управления вентилями АИН.

В первой зоне регулирования скорости при реализации низких скоростей и низких заданиях на момент (в случае пониженной нагрузки двигателя) задание на потокосцепление статора автоматически снижается по заданной кривой ψ=f(Mз) (фиг. 1, 2). При увеличении нагрузки задание на момент возрастает (вплоть до Мзmax) и соответственно увеличивается задание на потокосцепление статора.

По мере разгона двигателя и увеличения частоты вращения ω вверх от номинального значения задание на момент с учетом принятых ограничений (см. выражения 1) неизбежно снижается с ростом со и одновременно снижается задание на потокосцепление статора по заданной расчетной зависимости ψ=f(Mз). При этом двигатель автоматически переходит в зону ослабления поля (во вторую зону).

В данной системе электропривода перед пуском двигателя необходимо установить заданный уровень потокосцепления. Для этого используется режим предварительного намагничивания, заключающийся в установке задания на потокосцепление на заданном начальном уровне при задании на момент равном нулю. После намагничивания АД задание на момент повышается с требуемой интенсивностью и далее реализуется расчетная зависимость ψ=f(Mз).

Таким образом, в первой и второй зонах производится регулирование потокосцепления статора по энергосберегающему закону, причем одновременно реализовано регулирование максимально допустимой мощности двигателя в зависимости от температуры обмоток, позволяющее дозировано изменять его перегрузочную способность.

Плавное (гибкое) регулирование заданной мощности Pз в зависимости от температуры обмоток позволяет без сокращения срока службы повышать мощность двигателя, временно перегружая его в случае необходимости, например, при преодолении подъема транспортным средством или снижении давления в магистрали при увеличении разбора жидкости, а также предохранять двигатель от превышения температуры. Одновременно предлагаемая реализация энергосберегающего двухзонного регулирования в системе прямого управления моментом позволяет снизить потери и повысить КПД асинхронного двигателя.

Похожие патенты RU2605458C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО ДВУХЗОННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ В СИСТЕМЕ ПРЯМОГО УПРАВЛЕНИЯ МОМЕНТОМ 2015
  • Федяева Галина Анатольевна
  • Тарасов Алексей Николаевич
  • Сморудова Татьяна Владимировна
  • Конохов Дмитрий Владимирович
RU2587162C1
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЙ СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ТЯГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ, ПОДКЛЮЧЕННЫМИ ПАРАЛЛЕЛЬНО К ОДНОМУ ИНВЕРТОРУ 2014
  • Федяева Галина Анатольевна
  • Тарасов Алексей Николаевич
  • Сморудова Татьяна Владимировна
  • Ковалева Романа Васильевича
RU2586944C2
СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ТЯГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ, ПОДКЛЮЧЕННЫМИ ПАРАЛЛЕЛЬНО К ОДНОМУ ИНВЕРТОРУ 2010
  • Федяева Галина Анатольевна
  • Федяев Николай Алексеевич
  • Матюшков Сергей Юрьевич
  • Роговцев Григорий Викторович
RU2428326C1
ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД 2008
  • Александров Евгений Васильевич
  • Александров Никита Евгеньевич
  • Лагун Вячеслав Владимирович
  • Климов Геннадий Георгиевич
RU2401502C2
Частотно-регулируемый электпропривод 1979
  • Волков Александр Васильевич
  • Николов Александр Григорьевич
  • Андриенко Петр Дмитриевич
SU879724A1
Частотно-регулируемый электропривод 1984
  • Волков Александр Васильевич
  • Андриенко Петр Дмитриевич
SU1246321A1
СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПОТОКОСЦЕПЛЕНИЯ РОТОРА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ В СОСТАВЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ВЕКТОРНЫМ ПОЛЕОРИЕНТИРОВАННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ПРИ РАБОТЕ В ЗОНЕ ОГРАНИЧЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ 2021
  • Флоренцев Станислав Николаевич
  • Уваров Александр Анатольевич
  • Титов Алексей Михайлович
  • Орлов Владимир Николаевич
  • Байда Сергей Викторович
RU2759558C1
СПОСОБ ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ 2016
  • Шонин Олег Борисович
  • Новожилов Никита Геннадьевич
  • Крыльцов Сергей Борисович
RU2626325C1
СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЕЛИЧИНОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МОМЕНТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА (ВАРИАНТЫ) 2008
  • Ещин Евгений Константинович
  • Григорьев Александр Васильевич
  • Соколов Игорь Александрович
RU2395157C2
Электропривод переменного тока 1990
  • Баринберг Виктор Александрович
  • Альтзицер Павел Викторович
  • Спектор Святослав Александрович
SU1750015A1

Иллюстрации к изобретению RU 2 605 458 C1

Реферат патента 2016 года СПОСОБ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО ДВУХЗОННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ГИБКИМ ОГРАНИЧЕНИЕМ МОЩНОСТИ

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в промышленности и на транспорте в системах электропривода с прямым управлением моментом асинхронных двигателей (АД). Способ двухзонного регулирования скорости асинхронного двигателя, использующий прямое управление моментом. Техническим результатом является обеспечение двухзонного регулирования асинхронного двигателя в системе прямого управления моментом при более полном использовании двигателя по нагреву и мощности. В способе двухзонного регулирования скорости асинхронного электропривода определение ограничения задания на момент, вычисленного регулятором скорости, производится путем деления заданной мощности на частоту вращения ротора двигателя, причем величина заданной мощности определяется в зависимости от температуры обмотки статора двигателя, вычисляемой по модели или измеряемой датчиком температуры, по следующей формуле:

где Pз - заданная мощность, Pн - номинальная мощность двигателя; θдоп - допустимая температура обмотки статора; t0 - текущая температура обмотки, а задание на потокосцепление статора определяется в первой и второй зоне регулирования по значению задания на момент на основе заранее рассчитанной зависимости потокосцепления статора от момента двигателя, обеспечивающей минимальное значение тока статора при заданном моменте и имеющей вид кривой с насыщением. 2 ил.

Формула изобретения RU 2 605 458 C1

Способ двухзонного регулирования скорости асинхронного двигателя, использующий прямое управление моментом (Direct Torque Control - DTC), отличающийся тем, что в данном способе определение ограничения задания на момент, вычисленного регулятором скорости, производится путем деления заданной мощности на частоту вращения ротора двигателя, причем величина заданной мощности определяется в зависимости от температуры обмотки статора двигателя, вычисляемой по модели или измеряемой датчиком температуры, по следующей формуле:

где Рз - заданная мощность, Рн - номинальная мощность двигателя; θдоп - допустимая температура обмотки статора; t0 - текущая температура обмотки,
а задание на потокосцепление статора определяется в первой и второй зоне регулирования по значению задания на момент на основе заранее рассчитанной зависимости потокосцепления статора от момента двигателя, обеспечивающей минимальное значение тока статора при заданном моменте и имеющей вид кривой с насыщением.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2016 года RU2605458C1

УПРАВЛЕНИЕ И/ИЛИ РЕГУЛИРОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ АСИНХРОННОЙ МАШИНЫ 2007
  • Беккер Роберт
  • Крафка Петер
  • Рампе Михаэль
RU2455751C2
ВЫСОКОДИНАМИЧНЫЙ БЕЗДАТЧИКОВЫЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ МОМЕНТОМ 2012
  • Васильев Богдан Юрьевич
  • Козярук Анатолий Евтихиевич
  • Емельянов Александр Петрович
RU2498497C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАНИЗЫВАНИЯ ИЗОЛИРУЮЩИХ БУС НА ПРОВОЛОКУ 0
SU152678A1
DE 2914595 A1, 18.10.1979
US 2015048774 A1, 19.02.2015
ЗАРЯД СКРЕПЛЕННЫЙ 2000
  • Зыков Г.А.
  • Иоффе Е.И.
  • Лянгузов С.В.
  • Шляпин Я.К.
  • Амарантов Г.Н.
  • Баранов Г.Н.
  • Шамраев В.Я.
RU2190113C2
WO 2014094319 A1, 26.06.2014
CN 10401957 A,10.12.2014.

RU 2 605 458 C1

Авторы

Федяева Галина Анатольевна

Тарасов Алексей Николаевич

Сморудова Татьяна Владимировна

Конохов Дмитрий Владимирович

Даты

2016-12-20Публикация

2015-06-15Подача