Электропривод переменного тока Советский патент 1985 года по МПК H02P5/34 

ния подключен к одному из вторых входов блока прямого преобразования координат, а через второй блок масштабирования - к первому входу третьего блока суммирования, второй вход которого через третий блок масшта.бирования соединен с выходом блока умножения, а выход третьего блока суммирования через блок ограничения минимального тока возбуждения подключен к одному из входов регулируемого выпрямителя.

ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, содержащий синхронный электродвигатель, обмотки якоря которого через датчики тока якоря подключены к преобразователю частоты, а обмотка возбуждения через датчики тока возбуждения - к регулируемому выпрямителю, формирователь гармонических функций, выходы которого подключены к первым входам блока прямого преобразователя координат и вторым входам блока формирования заданных значений тока якоря и тока возбуждения, снабженного блоком вычисления поперечной составляющей тока якоря, тремя блоками сравнения тремя блоками суммирования, тремя пропорциональньми регуляторами, блоком вычисления модуля, блоками деления и умножения, блоком ограничения минимального тока возбуждения, отличающийся тем, что, с целью обеспечения максимального использования электродвигателя по мощности в условиях ограничений по току и напряжению в преобразователе, а также ограничения мощности, потребляемой от источника энергии в него дополнительно введены блоки вычисления входной мощности, модуля вектора напряжения и тока якоря, блок ограничения соотношения пото косцеплений, три блока масштабирования, датчики фазных напряжений якоря, блок задания постоянного сигнала, при этом выход блока вы.чйсления входной мощности через первый блок сравнения и первый пропорциональный регулятор соединен с первым входом первого блока суммирования, второй вход которого соединен с выходом регулятора скорости, а его выход - с одним из вторых входов блока прямого преобразования с координат, выходы датчиков фазных (Л напряжений якоря через последовательно включенные блок вычисления модус: ля вектора напряжения, второй блок сравнения и второй пропорциональный регулятор подключены к первому входу второго блока суммирования, второй вход которого подключен к а блоку задания постоянного сигнала, со ia третий вход через последовательно включенные третий пропорциональный регулятор, третий блок сравнеto ния и блок вычисления модуля тока 00 якоря связан с соответствующими выходами формирователя гармонических функций, выходами датчиков тока якоря и входами блока вычисления поперечной составляющей тока якоря, выход которого через блок вычисления модуля подключен к первым входам блока деления и умножения, . вторые входы которых через блок ограничения соотношения потокосцеплений подключены к выходу второго блока суммирования, а выход блока деления через первый блок масштабирова

1

Изобретение относится к электротехнике, а именно к частотно-управляемым приводам с синхронными машинами, и может быть использовано в системах различного назначения, в частности для привода транспортных средств, например электромобиля.

Цель изобретения - обеспечение максимального использования электродвигателя по мощностиj а также ограничение мощности, потребляемой от источника энергии в условиях ограничений по току и напряжению в преобразователе.

На фиг. 1 изображена структурная схема синхронного электропривода; на фиг. 2 - структурная схема блока формирования заданных значе1 ий компонентов токов якоря и тока возбуждения; нэ фиг. 3 - предельные механические характеристики синхронной машины в двигательном режиме при коэффициенте мощности, равном единице

Структурная схема электропривода содержит (фиг. 1) регулятор 1 скорости синхронного электродвигателя 2, обмотки якоря которого через датчики 3 тока якоря подключены к преобразователю 4 частоты, а обмотка возбуждения через датчики 5 тока возбуждения подключена к регулируемому вьтрямителю 6, формирователь 7, гармонических функций, выходы которого подключены к первым входам блока 8 прямого преобразования координат и вторым входам блока 9 формирования заданных значений компонентов токов якоря и тока возбуждения, датчики 10 фазных напряжений якоря. Структурная схема блока 9 формирования заданных значений компонентов токов якоря и тока возбуждения содержит (фиг. 2) блок 11 вычисления

;поперечной составляющей тока якоря, три блока (12, 13 и 14) сравнения, три блока (15 - 17) суммирования, три пропорциональных регулятора (18 20), блок 21 вычисления модуля, блоки 22 и 23 деления и умножения, блок 24 ограничения минимального тока возбуждения, блоки 25 - 27 вычисления входной мощности, модуля вектора напряжения и тока якоря, блок 28 ограничения соотношения потоко-, сцеплений, три блока (29 - 31) масштабирования. При этом выход блока 25 вычисления входной мощности через первый блок 12 сравнения и первый пропорциональный регулятор 18 соединен с первым входом первого блока 15 суммирования, втог рой вход которого соединен с выходом регулятора 1 скорости, а его выход - с одним из вторых входов блока 8 прямого преобразования координат, выходы датчиков фазных напряжений якоря через последовательно включенные блок 26 вычисления модуля вектора напряжения, второй блок 13 сравнения и второй пропорциональный регулятор 19 подключены к первому входу второго блока 16 суммирования, второй вход которого подключен к блоку задания постоянного сигнала, а третий вход через последовательно включенные третий пропорциональный регулятор 20, третий блок 14 сравнения и блок вычисления модуля тока якоря соединен с соответствующими выходами формирователя 7 гармонических функций, выходами датчиков 3 тока якоря и входами блока 11 вычисления поперечной составляющей тока якоря, выход которого через блок 21 вычисления модуля подключен к перBbw входам блока 22 деления и блока 23 умножения, вторые входы которых через блок 28 подключены к выходу 16 суммирования, а в второго блока ход блока деления 22 через первый .блок масштабирования 29 подключен одному из вторых входов блока 8 прямого преобразования координат, а через второй блок 30 масштабирования - к первому входу третьего блока 17 суммирования, второй вх.од которого через третий блок 31 мас штабирования соединен с выходом блока 23 умножения, а выход третье блока 17 суммирования через блок 2 ограничения минимального тока возбуждения, подключен к одному из входов регулируемого выпрямителя 6 Электропривод работает следующи образом. Устанавливаются сигналы ij i ia. токов задания компонентов якоря и сигналы i задания тока возбуждения, который поступает на блок 6. При этом ток в продольной мотке роторе начинает нарастать и происходит изменение потокосцеплений обмоток сигнала статора, вслед ствие чего в них наводятся напряжения . Эти напряжения через датчики 10 фазных напряжений якоря пост пают в формирователь 7 гармонических функций,после образования которых с налы i, i(, через блок 8 прямого преобразования координат, подаются на соответствующие входы преобразователя 4.. Осуществление формирования зада ных значений компонентов вектора тока статора и заданного значения тока в обмотке возбуждения, обеспечивающих для любого режима работы мащины минимально возможные потери в меди с учетом налагаемых ограничений, поясняется дифференци альными уравнениями синхронной машины, зацисанными в ортогональной системе координат d, q, ось d которой ориентирована по продольной оси ротора, а ось q - в опережаю90°направлении щем ее на -Rgij + ( Urf .u-V U R ci i координаты векторов -- тока и потокосцепления статора;ЧЧ потокосцепление, ток и напряжение обмотки возбуждения, соответственно;активные сопротивления обмоток статора и обмотки возбуждения соответственно;o рп - угловая скорость ротора, выраженная в электрических радианах (р число пар полюсов машины, п - угловая скорость ротора в механических радианах); Urf .и координаты обобщенного вектора U напряжения статора машины. нты U, U связаны с фаз-, ениями силового преобра, Ug, Up соотношением sint/11 e Ih/fl/c угол поворота продольной оси ротора относительно фазы А; направляющие орты фаз; проекции орт фаз на оси ортогональной системы координат в, ftf ось d которой для определенности будем считать ориентированной по направляющему орты фазы А. цепления и токи связаны соотношениями; irf + полная собственная g индуктивность статора, соответственно в продольной и поперечной осях; L j - взаимная индуктивность обмоток статор и обмотки возбуждения продольной оси; LP - полная собственная индуктивность обмотк возбуждения. Работе привода с максимально воз можной мощностью при заданной полной мощности преобразователя частоты соответствует режим работы синхрон11ой машины с коэффициентом мощности, равным единице. Это условие выражается в ортогональности вектора тока статора i векторУ Vj потокосцепления статора, так как при этом условии направление вектора тока статора точно совпадает направлением вектора результирующей |ЭДС статора ,, а следовательно, и с вектором Uj обобщенного напряжения статора. Отсюда получаем - цг,- НПредставим V/ в виде ci- dK-H где К - коэффициент связи.

j

Тогда вьфажения для i i-v, имеют вид Lsi 1 . j i . . j , 1 Ч L К Развиваемый машиной момент М равен ( f,i)PL5 KUsI (8 Так как V при переходе из двигательного режима работы машины в генераторный и наоборот не должно менять свой знак, то следовательно signK signin и i всегда отрицательно, а i; всегда положительно. Потери Р, в меди машины при фик сированном значении момента имеют вид

Л

потери.в меди возрастают, но тем не менее при том же токоограничении можно будет получить большие моменты. Из уравнения (9) видно, что существует такое значение коэффициента связи (будем называть его оптимальным и обозначать К), при котором потери в меди мащины минимальны. Это значение коэффициента связи всег да .можно получить из условия 0 Так как в реальных системах электропривода всегда существуют ограничения, налагаемые на величину напряжения и фазного тока силового пре образователя, то целесообразно получить зависимость п f(М), определяющую зону возможной работы машины с К Кр и с учетом налагаемых ограничений. Для этого из системы (1) выразим средние значения компонент вектора напряжения статора через средние значения компонент век тора тока статора в статическом режиме работы Знак + соответствует двигательному режиму работы, а генераторному. Для расчета зоны возможной работы машины с минимумом потерь в меди, можно построить кривую п f(М) при (фиг.З, кривая 32). Эта зона ограничена сверху максимально допустимой скоростью ротора , а справа - максимальным моментом М, который определяется из уравнения (8) при К Колт и /is/ /1в//НЙКе Но как видно из уравнения (8), максимальный м,омент машины при заданном токоограничении /iy/ /ig/Mot c До стигается не при К К, а при Естественно, что при этом

что немаловажно для пусковых режимов. Максимальное значение коэффициента связи () можно вычислить из уравнения (7), выразив 1л через /ig/ при i Н.и /ig/ /is/M«KcПри. этом значении и заданном токоограничении уравнение (7) дает максимальное значение момента, развиваемого машиной (М,,) (фиг. 3).

Из уравнения (11) видно, что при фиксированном моменте и /U / дальнейшее возрастание скорости возможно только за счет уменьшения значений коэффициента связи К ниже К. причем это также ведет к возрастанию потерь в меди машины. Очевидно, что минимальная величина коэффициента свяди (К,(о) определяется из уравнения (11) при /Ug/ , /ig/ /ig/д,)ш,,c Умножив уравнение (11) на М, можно сделать вывод, что предельное значение мощности (Р(цдкс) развиваемой машиной, не зависит от величины коэффициента связи К, а определяется только величиной активного сопротивления обмоток статора и заданными ограничениями - /US/MCIKC и /is/MrtKC

РМ«К с S ЬМЙ КС 1 S Л(ЙКС S МЧКС 2

Уравнению (12) соответствует ги.пербола 37 на фиг. 3. Значения коэффициента связи, соответствующие гиперболе 37 (будем обозначать их К обратнопропорциональны угловой скорости вращения ротора и определяются из (11) при /Us/M«KcH

/ig/ / 15/дл«КС.

к --f-(-Rs-b ) (13) Р Lsrf ®- /Ь/мякс

Таким образом, из фиг. 3 видно, что в отношении величины коэффициента связи К имеется три зоны.

Зона 1 ограничена осями п, М, максимальной, скоростью п,, кривой 32 и моментом М (фиг.З заштрихована) . Это. зона, в которой при заданных ограничениях /Ug/ и /ig/ /i-s meiRc возможно выполнение минимума потерь в меди машины. Величина К в этой зоне должна быть постоянная Kj,-,.

Зона 2 ограничена гиперболой 37, моментами М и .и осью М. В этой зоне при увеличении заданного момента коэффициент связи К долуен меняться от К Кр„.р до К К„„кс. в функции поддержания тока статора на уровне /ie/H Kc

Зона 3 ограничена кривой 32, гиперболой 37 и максимальной скоростью , . В этой зоне при увеличении заданной скорости или момента коэффициент связи К должен изменяться от К Копг до К Кд,,дн в функции поддержания вектора напряжения на уровне / в м я«сТаким образом, при учете влияния ограничения тока вентилей преобразователя необходимо увеличивать значения коэффициента связи К, начиная от значения ДО тех пор, пока ток в статорных обмотках не уменьшится до допустимых значений. Эти функции осуществляются третьим блоком 14 сравнения, вторым блоком 16 суммирования и третьим пропорциональным регулятором 20, нижний уровень выходного сигнала которого равен нулю (фиг. 2). Аналогичным образом следует поступать и при учете ограничения напряжения. Эти функции осуществляются вторым блоком 13 сравнения, вторым блоком 16 суммирования и вторым пропорциональным регулятором 19, верхний уровень выходного сигнала которого равен нулю. Блок 28 ограничения соотношения потокосцеплений имеет коэффи1.;иент передачи равный единице. Он обеспечивает ограничение максимальной величины своего выходного сигнала (т.е. величины коэффициента связи к) в функции скорости на уровне, соответствующем К К. , причем максимальное значение К равiHO , аминимальное - К,,. Кроме того, величина выходного сигнала блока 28 в третьей зоне лежит в пределах от К„ до К, а во второй зоне - от до Kf.p. Первый блок 29 масштабирования имеет коэффициент передачи, равный отношению Lg« к Lgj, причем сигнал на его выходе инвертируется, поэтому выходной сигнал блока 29 равен (в соответствии с уравнением (6)). Коэффициент передачи блока 30 масштабирования равен отношению Lg к L, а коэффициент передачи |блока 31 масштабирования - отно|шению Lgjj к , поэтому сигнал

|На выходе третьего блока 17 суммирования равен заданному значению ггока возбуждения i в соотношении с уравнением (7).

В то же время в электроприводах с автономными источниками энергии (например, в тяговом приводе) мо- жат оказаться, что предельная мощность машины с учетом ограничений /ig/ и /Ug/, превышает допустимое значение мощности источника энергии. Это ограничение не должно вызывать изменения величины коэффициента связи К. Поэтому ограничение мощности, потребляемой электроприводом от источника энергии, осуществляется за счет уменьшения заданног значения компоненты i, т.е. за счет уменьшения развиваемого машиной момента. Эти функции осуществляются первым блоком 15 суммирования, первым пропорциональным регулятором 18, первым блоком 12 сравнения и блоком 25 вычисления входной мощности, на входы которого поступают сигналы Ij,, Uj( , пропорциональные току и напряжению источника энергии (фиг. 2).

Таким образом, рассмотренный электропривод позволяет предельно использовать машину во всем диапазоне возможных скоростей и нагрузок в условиях ограничений по току и напряжению в преобразователе, т.е. ограничения мощности, потребляемой от источника энергии. Существенно, что требуемые значения скоростей и моментов достигаются автоматически при минимально возможных в данной точке потерях в меди ма-. шины. Наибольший эффект- дает использование предлагаемого изобретения там, где первостепенное значение имеют энергетические и весогабаритныё показатели электропривода. Характерным примером таких приводов является автономный электро 5 привод транспортных средств.

-v

«sj //4 г фиг. J MfioKc