Способ управления синхронным электродвигателем Российский патент 2020 года по МПК H02P6/18 H02P21/10 H02P27/16 

Изобретение относится к электротехнике, к системам частотного регулирования скорости синхронных двигателей, питаемых от автономного инвертора напряжения (АИН), в режиме «бездатчикового» управления. Цель - разработка алгоритма для устойчивого и экономичного режима работы двигателя в условиях изменяющегося момента нагрузки на его валу.

Известны способы управления [1, 2], в которых статорные обмотки синхронных двигателей получают питание от m-фазного инвертора с амплитудами и частотой, регулируемыми за счет сигналов тока и напряжения фаз в обмотках статора или других сигналов и вычислительных процедур, позволяющих выявить угловое положение ротора синхронной машины. Недостатками их являются большое количество необходимых датчиков, сигналов и вычислений, замедляющих реакцию инвертора на изменение момента нагрузки [1, 3], либо усложнение конструкции ротора за счет короткозамкнутой обмотки [2].

Технический результат - использование в алгоритме только сигналов датчиков тока фаз двигателя (отсутствие необходимости в сигналах других датчиков), повышение быстродействия и поддержание режима с максимальным коэффициентом мощности электродвигателя, достигается тем, что для питания обмоток статора используется автономный инвертор с вычислителем, содержащим канал регулирования амплитуды U_m и канал регулирования частоты напряжений обмотки статора ω_зад, отличающийся тем, что с целью обеспечения устойчивого вращения ротора при наиболее выгодном значении коэффициента потребляемой двигателем мощности (Cosϕ=1):

- в канал регулирования амплитуды E_m вводится сигнал ΔU, увеличивающий амплитуду, если в обмотках статора возникает ток, опережающий напряжение статора и, соответственно, уменьшающий ее, если ток статора становится отстающим;

- в канал регулирования частоты ω_зад вводится сигнал в виде фазового сдвига (на угол ϕ) с положительным знаком, если в обмотках статора возникает ток, опережающий напряжение и, соответственно, с отрицательным знаком, если ток в обмотках оказывается отстающим;

- для управления автономным инвертором используется функциональная схема вычислителя, обведенная на фиг. 1 пунктиром, в которой для «выделения» сигналов ΔU≠0 и ϕ используются сигналы только датчиков тока Дm после их преобразований из трехфазной (физической) модели i_A, i_B, i_C в эквивалентную двухфазную модель i_a, i_b для ввода в вычислитель

i_a=К_ДТI_m[Sin(ω_задt+ϕ)],

i_a=К_ДТI_m[Cos(ω_задt+ϕ)]

и, повторяющейся для этих сигналов вычислительной процедуры,

(i_a⋅Cosωt-i_b⋅Sinωt)К_u(1+1/Tp)=К_u(1+1/Тр)⋅К_ДТ⋅I_mSinϕ=ΔU≠0;

(i_a⋅Cosωt-i_b⋅Sinωt)К_ϕ=К_ϕ⋅К_ДТ⋅I_mSinϕ→0 при ϕ→0;

где К_ДТ - коэффициент преобразования датчиков тока;

I_m - амплитудное значение токов фазных обмоток статора, А;

ω_зад - заданная угловая частота автономного инвертора, рад/с;

ϕ - угол сдвига между током и напряжением в обмотке статора, в рад;

ΔU - приращение задания напряжения статора для автономного инвертора, при котором ϕ→0;

Sin и Cos тригонометрические функции от угла θ_зад=ω_зад⋅t+ϕ.

Функциональная схема электропривода состоит из пульта управления (ПУ) 1, вычислителя (2÷18), реализующего способ и обведенного на фиг. 1 пунктирной линией, автономного инвертора напряжения (АИН) 19 и синхронного двигателя 20. Она позволяет с помощью сигнала задания частоты ω_зад и сигнала обратной связи по токам фаз статорной обмотки двигателя i_A, i_B, i_C сформировать сигналы задания для АИН U_A, U_B, U_C и обеспечить устойчивую работу двигателя в режиме Cosϕ=1 в диапазоне нагрузок от холостого хода до момента опрокидывания

Схема содержит следующие сигналы и элементы математических преобразований над ними:

1 - пульт управления электроприводом (ПУ), формирует график заданной угловой частоты вращения вектора напряжения обмотки статора ω_зад(t);

2 - интегратор или узел умножения ω_зад на время t, обеспечивающий преобразование заданной угловой частоты в заданное значение углового перемещения вектора напряжения статора ω_задt в электрических радианах;

3 - узел умножения ω_зад на величину потокосцепления Ψ, обеспечивающий формирование амплитудного значения выходного напряжения инвертора, компенсирующего ЭДС обмоток эквивалентного двухфазного синхронного двигателя E_m=ω_зад⋅Ψ;

4, 6, 7 и 12 - узлы алгебраического суммирования сигналов соответствсенно (E_m+ΔU)=U_m, (1+1/Тр) К_дт⋅I_mSinϕ, (ωt+ϕ)=θ_зад и i_a⋅Cosωt-i_b⋅Sinωt;

5 и 8 - узлы умножения, обеспечивающие получение корректирующие уровни сигнала ΔU=К_U⋅(1+1/Тр)К_дт⋅I_mSinϕ для канала регулирования амплитуды и сигнала ϕ=К_ϕ⋅К_дт⋅I_mSinϕ для канала регулирования частоты;

9 - узел интегрирования с коэффициентом 1/Т в составе сигнала коррекции по каналу задания амплитуды;

10, 11 - узлы преобразования θ_зад в тригонометрические функции этого угла;

13, 14 - узлы умножения для формирования заданных значений напряжений в эквивалентной двухфазной машине U_a=U_m⋅Cosθ_зад и U_b=U_m⋅Sinθ_зад;

15,16 - узлы умножения (формирования произведений) i_a⋅Cosθ_зад, i_b⋅Sinθ_зад;

17 - узел преобразования двухфазного задания напряжений U_a и U_b в трехфазное задание U_A, U_B, U_C для автономного инвертора напряжения (АИН)

U_A=U_a=U_m⋅Cosθ_зад, U_B=U_m⋅Cos(θ_зад-2π/3), U_C=U_m⋅Cos(θ_зад +2π/3);

18 - преобразователь трехфазных сигналов тока i_A, i_B, i_C в сигналы тока эквивалентной двухфазной машины i_a, i_b [i_a=i_A,

19 -автономный инвертор напряжения (АИН), питающий двигатель и формирующий сигналы датчиков тока (Дm) i_A, i_B, i_C 3-х фазной синхронной машины;

20 - синхронный двигатель.

С целью упрощения алгоритма (сокращения математических операций, а значит и времени на повторяющуюся вычислительную процедуру) допустим менее строгий синтез, обеспечивающий устойчивый режим вращения синхронной машины во всем диапазоне скоростей. Режим с Cosϕ=1 при этом достигается только на одной скорости и при одной величине момента нагрузки. В качестве обратной связи в ней также используется сигнал по реактивной составляющей тока статора К_дт⋅I_mSinϕ. Через безразмерные коэффициенты К_u и К_ϕ он подается в каналы управления амплитудой ΔU и частотой ϕ. Пример такой «упрощенной» структуры приведен на фиг. 2. По сравнению со структурой на фиг. 1 в структуре на фиг. 2 исключен интегратор 9 с коэффициентом 1/Т и элемент суммирования 6.

Вычислительная процедура, используемая в алгоритме управления АИН на фиг. 2, повторялась каждые 60 мкс. Это позволило работать АИН в электроприводе, формируя трехфазное синусоидальное напряжение с выходной частотой до 150 Гц и амплитудой выходного напряжения до U_m=650 вольт.

На фиг. 3 приведена осциллограмма напряжения и тока в одной из обмоток трехфазного синхронного двигателя мощностью 150 кВт при номинальном моменте нагрузки и при скорости 3000 об/мин. Управление электроприводом осуществлялось по «упрощенному» алгоритму фиг. 2. Осциллограмма получена с помощью измерительной системы FLUKE - 435.

Экспериментальная проверка электропривода с «упрощенным» алгоритмом управления АИН, показала устойчивую его работу в широком диапазоне скоростей и моментов нагрузки. Однако, режим Cosϕ=1 поддерживался лишь при одном установившемся значении момента нагрузки М=М_н. При меньших значениях М, в том числе и при моменте нагрузки близком к холостому ходу, ток в обмотках статора снижался, но не пропорционально величине момента, а это значит, что в токе статора возникала реактивная (размагничивающая/подмагничивающая) составляющая. Потери энергии по сравнению с алгоритмом по схеме фиг. 1 получались незначительно выше.

Предлагаемый способ управления АИН обеспечивает плавный пуск и устойчивую (без колебаний) работу электропривода на заданной скорости в широком диапазоне моментов нагрузки с помощью лишь сигнала задания ω_зад, обратной связи по току i_A, i_B, i_C синхронной машины (сигналов датчиков тока Дm) и достаточно «короткой» по времени процедуры в вычислителе по алгоритму фиг. 1 или фиг. 2.

Заметим, предлагаемый способ пригоден для управления синхронными двигателями и с электромагнитным возбуждением, в том числе и для управления высоковольтными двигателями, если их питание осуществляется от высоковольтного инвертора или преобразователя частоты.

Источники информации

1. Мищенко В.А., Мищенко Н.И., Мищенко А.В. Способ векторного управления синхронным электродвигателем с постоянными магнитами на роторе и электропривод для осуществления этого способа. Патент Российской Федерации №2141719 от 25.03.1998

2. Донской Н.В. Регулируемые электроприводы переменного тока. Чебоксары. Издательство Чувашского государственного университета, 2011.

3. Хачатуров Д.В. Способ управления синхронным электродвигателем на постоянных магнитах. Патент Российской Федерации №2683586 от 20.03.2018

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах частотного регулирования скорости синхронных двигателей, питаемых от автономного инвертора напряжения, в режиме бездатчикового управления. Техническим результатом является обеспечение экономичного (Cosϕ=1) и устойчивого (без колебаний) режима вращения двигателя в условиях изменяющегося момента нагрузки на его валу. Алгоритм реализуется с использованием только сигнала обратной связи по току нагрузки на выходе инвертора. Для управления скоростью синхронного двигателя с помощью автономного инвертора, содержащего каналы регулирования амплитудой и частотой напряжения обмотки статора: в канал регулирования амплитуды вводится сигнал ΔU; в канал регулирования частоты вводится сигнал в виде фазового сдвига (на угол ϕ) с положительным знаком; для управления автономным инвертором используются сигналы датчиков тока Дm после их преобразований из трехфазной (физической) модели i_A, i_B, i_C в эквивалентную двухфазную модель. Работа устройства может выполняться без использования сигналов блока интегрирования и блока суммирования. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ управления скоростью синхронного двигателя с помощью автономного инвертора, содержащего каналы регулирования амплитудой и частотой напряжения обмотки статора, отличающийся тем, что с целью устойчивого вращения ротора двигателя при наиболее выгодном значении коэффициента потребляемой двигателем мощности (Cosϕ=1):

- в канал регулирования амплитуды вводится сигнал ΔU, увеличивающий амплитуду, если в обмотках статора возникает ток, опережающий напряжение статора и, соответственно, уменьшающий ее, если ток статора становится отстающим;

- в канал регулирования частоты вводится сигнал в виде фазового сдвига (на угол ϕ) с положительным знаком, если в обмотках статора возникает ток, опережающий напряжение, и, соответственно, с отрицательным знаком, если ток в обмотках оказывается отстающим;

- для управления автономным инвертором используются сигналы датчиков тока Дm после их преобразований из трехфазной (физической) модели i_A, i_B, i_C в эквивалентную двухфазную модель для ввода в вычислитель

i_a=К_ДТI_m[Sin(ωt+ϕ)],

i_b=К_ДТI_m[Cos(ωt+ϕ)]

и, повторяющейся вычислительной процедуры,

(i_a⋅Cosωt-i_b⋅Sinωt)К_u(1+Tp)=К_u(1+Тр)⋅К_ДТ⋅I_mSinϕ=ΔU≠0;

(i_a⋅Cosωt-i_b⋅Sinωt)К_ϕ=К_ϕ⋅К_ДТ⋅I_mSinϕ→0 при ϕ→0;

где К_ДТ - коэффициент преобразования датчиков тока;

I_m - амплитудное значение токов фазных обмоток статора, А;

ω_зад - заданная угловая частота автономного инвертора, рад/с;

ϕ - угол сдвига между током и напряжением в обмотке статора, в рад;

ΔU - приращение задания напряжения статора для автономного инвертора, при котором ϕ→0;

Sin и Cos - тригонометрические функции от угла θ_зад=ω_зад⋅t+ϕ.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что с целью сокращения вычислительных операций из алгоритма исключаются интегрирование с помощью блока 9 и суммирование с помощью блока 6, работа устройства выполняется без использования сигналов этих блоков.