Электропривод переменного тока с частотно-токовым управлением Советский патент 1987 года по МПК H02P7/42 

1

Изобретение относится к электротехнике, а именно к частотно-управляемым электроприводам, построенным на основе асинхронных машин с корот- козамкнутым ротором, и может быть использовано в системах, требующих высокой точности регулирования скорости (положения) нагрузки и минимум потерь, например, в приводах подач и главного движения металлорежущих станков.

Целью изобретения является уменьшение электрических потерь.

На фиг, 1 представлена функциональная схема электропривода пере- менно го тока с частотно-токовым уп- paвлeниeмJ на фиг. 2 - функциональная схема формирователя фазных пото- косцеплений с апериодическими звень- ями; на фиг. 3 - функциональная схема блока задания начальных данных.

Электропривод переменного тока с частотно-токовым управлением содеряи асинхронный двигатель 1 с короткоза- мкнутым ротором (фиг. 1), подключенный через датчик 2 тока и датчик 3 напряжения к выходам управляемого источника 4 тока, формирователь 5 фазных потокосцеплений, блок 6 задания момента, блок 7 преобразования координат, векторный анализатор 8 с управляющим входом, амплитудным выходом 9 и опорным выходом 10, подключенным к опорному входу блока 7 преобразования координат, -выход которог подключен к управляющему входу управляемого источника 4 тока, а управляющий вход векторного анализатора 8 подключен к выходу формирователя 5 фазных потокосцеплений.

В электропривод переменного тока с частотно-токовым управлением введены регулятор 11 потокосцепления с элементом 12 сравнения на входе, нелинейный преобразователь 13 с характеристикой цепи намагничивания асинхронного двигателя, блок 14 задания начального тока намагничивания, блок блок 15 задания начальных данных с тремя входами 16, 17 и 18 и последовательно включенные между собой блок 19 деления, определитель 20 модуля и два двухвходовых элемента 21 и 22 выбора максимального напряжения Формирователь 5 фазных потокосцеплений выполнен с дополнительным многофазным входом 23 для установки начальных данных, подключенным к выходу блока 15 задания начальных данных

92

входы 16, 17 и 18 которого подключены соответственно к выходам нелинейного преобразователя 13 с характеристикой цепи намагничивания асинхронного двигателя, к амплитудному выходу 9 и к опорному выходу 10 векторного анализатора 8.

Вход делимого блока 19 деления подключен к выходу блока 6 задания

момента, вход делителя блока 19 деления объединен с первым входом элемента 12 сравнения и подключен к амплитудному выходу 9 векторного анализатора 8, выход блока 14 задания начального тока намагничивания подключен к другому входу первого элемента 21 выбора максимального напряжения, выход которого через нелинейный преобразователь 13 с характеристикой цепи намагничивания асинхронного двигателя подключен к второму входу элемента 12 сравнения, а выход блока 19 деления и выход второго элемента 22 выбора максимального напряжения подключены

к соответствующим управляющим входам блока 7 преобразования координат.

Формирователь 5 фазных потокосцеплений содержит в каждой фазе последовательно соединенные датчик 24 фазной ЭДС (фиг. 2) и апериодическое звено 25, выполняющее .роль интегратора.

Блок 15 задания начальных данных электропривода содержит последовательно соединенные регулятор 26 потокосцепления (фиг. 3), элемент 27 сравнения и блок 28 преобразования

координат, выход которого образует выход блока 15 задания начальных данных. Первый вход регулятора 26 потокосцепления объединен с другим входом элемента 27 сравнения и образует первый вход 16 блока 15 задания начальных данных. Второй вход регулятора 26 потокосцепления и опорный вход блока 28 преобразования координат образуют соответственно

второй и третий входы 17 и 18 блока 1 5 задания начальных данных.

Электропривод переменного тока с частотно-токовым управлением работает следующим образом.

Статорные обмотки асинхронного двигателя 1 с короткозамкнутым ротором питаются токами от управляемого источника 4 тока, управляющие сигналы для которого формируются с помо313

щью блока 7 преобразования координат Сигналы задания i , i, , поступающие на управляющие входы блока 7 преобразования координат, определяют составляющие тока статора во вращающейся системе координат, ориентированной по вектору потокосцепления в со- ответствии с принципами частотно-токового управления. Сигнал i,определяет при этом намагничивание машины, а сигнал i - электромагнитный момент.

Необходимые для координатного преобразования опорные сигналы в виде

гармонических функций sinfl t, (fl, круговая частота изменения токов статора) получают на опорном выходе 10 векторного анализатора 8 по сигналам фазных потокосцеплений (статора, ротора, воздушного зазора - в зависимости от решаемой задачи) у., 4{, поступающих с выходов формирователя 5 фазных потокосцеплений.

В каждой фазе цепи формировате

ля 5 фазных потокосцеплений содержит-25 намагничивания определяет сигнал ся апериодическое звено 25 (фиг. 3), выбираемый из условия 1с/,„„ц выполняющее роль интегратора соответ- К-(О, 3-0,5) ,,„, где irf но« - номиствукнцей фазной ЭДС ef, е.п, поступающей с выхода датчика 24 фазной ЭДС. В -датчике 24 фазных ЭДС производит- 30 ся вычисление фазных ЭДС по информации о фазных токах и напряжениях, поступающей с выходов датчиков 2 и 3 тока и напряжения. Фазные ЭДС могут формироваться и с помощью специальных измерительных обмоток, установленных на статоре асинхронного двигателя 1 (указанная связь на фиг. 1 показана штриховой линией).

Возможность выполнения операции интегрирования фазной ЭДС с помощью апериодических звеньев во всем диапазоне частот, включая нулевую, связана с подачей на их входы (на

нальное значение тока намагничивания асинхронного двигателя, К - коэффициент пропорциональности.

В диапазоне изменений сигнала задания i с/. нач 3 выход элемента 21 выбора максимального напряже40

ния проходит сигнал 1с/,„а.,с выхода 35 блока 14. В указанном диапазоне не соблюдается равенство составляющих тока статора i, 1д и условие минимума потерь не выполняется (в этом на практике нет необходимости из-за малых величин тока статора ).

В диапазоне изменений сигнала задания i-cfj cJiHOM на выход элемента 21 проходит сигнал i(jj, с выхода определителя 20 модуля. В указанном вход 23 формирователя 5 фазных пото- 45 диапазоне в установившихся режимах косцеплений ) дополнительных сигналов, работы соблюдается равенство состав- соответствующих некоторым начальным данным (начальным значениям фазных потокосцеплений) и формируемых с по50

Электропривод характеризуется безынерционностью регулирования момента (по сигналу задания idi) а регулирование потокосцепления осу- действию цепей нормированной положи- 55 ществляется с инерционностью, опре- тельной обратной связи, охватывающих деляемой постоянной времени Т каждое из фазных апериодических звеньев 25.

ляющих тока статора , i о которое обеспечивает минимум потерь (для заданного тока статора).

мощью блока 15 задания начальных данных.

Начальные значения фазных потокосцеплений на выходах апериодических звеньев устанавливаются благодаря

- (L,r - индуктивность и активстатора ij

Формирование сигналов заданий ij, i( производится по сигналу задания момента М, поступающему с выхода блока 6 задания момента. Для обеспечения линейной зависимости сигнала it от сигнала Mj с помощью блока 19 деления производят деление сигнала Mj на амплитуду потокосцепления ц , поступающую с амплитудного выхода 9 векторного анализатора 8.

Выполнение условия минимума потерь при заданном токе статора связано с условием поддержания равенства ортогональных составляющих тока

io , опреда ляемых-соответственно сигналами i, ia при этом оба указанных сигнала определяются выходным сигналом блока 19 деления. Для сигнала i дополнительно выделяется модуль с помощью определителя 20 модуля, так как намагничивание асинхронного двигателя производится током одного направления.

Блок 14 задания начального тока

нальное значение тока намагничивания асинхронного двигателя, К - коэффициент пропорциональности.

В диапазоне изменений сигнала задания i с/. нач 3 выход элемента 21 выбора максимального напряжеВ диапазоне изменений сигнала задания i-cfj cJiHOM на выход элемента 21 проходит сигнал i(jj, с выхода определителя 20 модуля. В указанном диапазоне в установившихся режимах работы соблюдается равенство состав-

ляющих тока статора , i о которое обеспечивает минимум потерь (для заданного тока статора).

Электропривод характеризуется безынерционностью регулирования момента (по сигналу задания idi) а регулирование потокосцепления осу- ществляется с инерционностью, опре- деляемой постоянной времени Т

- (L,r - индуктивность и активн.ое сопротивление цепи протекания тока намагничивания).

Рассмотрим вначале работу электропривода без учета регулятора 1 1 и по- токосцепления .с элементом 12 сравнения на входе нелинейного преобразователя 1 3,

Переход электропривода из одного установившегося состояния к другому

осуществляется за некоторое переход- fO жим, при котором составляющая тока

if) поддерживается постоянной и равное время t , определяемое наличием постоянной вермени Т, Обозначая далее параметры в относительных единицах в отношении к соответствующим номинальных значений, для первоначального установившегося режима раной некоторому значению, т..е. i, icfnpeA const, а составляющая тока ia, получив в начальный момент увеf5 личенное (форсированное) значение в

соответствии с требуемым моментом, боты имеем: ic, 0,5;- 0,5; М, далее уменьшается в том же темпе, как ic},-% 0,25.возрастает потокосцепление.

Выбрав i „ррд 2,0, получают 1 20 - О,33-Т, т.е. сокращают время переходного процесса в сравнении с рассмотренным режимом более чем в 4 раза. При этом пропорционально сокращаются и потери за переходный период, 25 определяемые неустановившимися и уве- личенными значениями составляющих тока статора.

Реализация переходного режима с

уменьшенным С, осуществляется с поПри переходе к другому установившемуся режиму работы, например с Mj 1,0, потокосцепление остается в первый момент переходного времени на прежнем уровне, т.е. у, 0,5.

Поддержание момента на заданном уровне М2 1,0, в том числе и в течении переходного времени, требует в его начальный момент задания составляющей тока ic3pj „ 2,0, а следовательно, и задания 2,0, что 30 мощью элементов 11, 12, 13. Результат

сравнения на входах элемента 12 сравнения заданного потокосцепления ч. , поступающего с выхода нелинейного преобразователя 13, и измеренного tf,

стоянной времени Т составляющие тока 35 поступающего с выхода 9 векторного статора уменьшаются до значений Ц анализатора 8, воздействует на регу- ij/ 1,0 за счет действия обратной лятор II потокосцепления. На выходе связи с амплитудного выхода 9 век- его при iv 7 устанавливается сиг торного анализатора 8 на вход делителя 7 блока 19 деления.

Анализ указанного переходного режима, при котором вначале устанавливаются увеличенные значения составляющих токов статора i, in, а затем

производится их одновременное умень- 45 та 21.В блоке 15 задания Начальных шение до установившихся значений, по- данных электропривода (фиг. 3) произ- казывает, что при этом время переход- водится сравнение сигнала заданного

определяется схемой фиг. 1. При этом Мпер. каи .HaaVKa4 2,0-0,5 1,0. Далее по мере возрастания потокосцепления до значения у IjO с поJ Э

нал ij-Ji pps соответствующий предель- 40 ному значению составляющей тока ij „.

о ПрсА

На выходе элемента 22 на время переходного режима устанавливается сигнал id о, пред ) а. по окончании - сигнал i, , поступающий с выхода элеменЛ13 т 1Г1/

t пер

ного режима составляет

3 т 2

Поскольку за время, составляющие тока ij, in имеют существенно увеличенные значения в сравнении с требуемыми для второго установившегося режима, то оказываются увеличенны- 55 го, на указанный управляющий вход ми и потери мощности за этот период. через элемент 27 сравнения воздейстДля электроприводов с частыми пе- вует непосредственно сигнал у. При реключениями режимов работы суммарное этом в начальный момент времени сигвремя переходных режимов может со109896

ставлять значител)эную долю от общего рабочего цикла. При этом с учетом рассмотренного переходного режима имеют место значительные потери мощности.

Уменьшедие указанных потерь мощности может быть достигнуто за счет сокращения времени . В электроприводе реализуется такой переходный реной некоторому значению, т..е. i, icfnpeA const, а составляющая тока ia, получив в начальный момент увеличенное (форсированное) значение в

Выбрав i „ррд 2,0, получают 1 - О,33-Т, т.е. сокращают время переходного процесса в сравнении с рассмотренным режимом более чем в 4 раза. При этом пропорционально сокращаются и потери за переходный период, определяемые неустановившимися и уве- иченными значениями составляющих тока статора.

Реализация переходного режима с

мощью элементов 11, 12, 13. Результат

уменьшенным С, осуществляется с помощью элементов 11, 12, 13. Результат

35 поступающего с выхода 9 векторного анализатора 8, воздействует на регу- лятор II потокосцепления. На выходе его при iv 7 устанавливается сиг

45 та 21.В блоке 15 задания Начальных данных электропривода (фиг. 3) произ- водится сравнение сигнала заданного

J Э

нал ij-Ji pps соответствующий предель- 40 ному значению составляющей тока ij „.

о ПрсА

На выходе элемента 22 на время переходного режима устанавливается сигнал id о, пред ) а. по окончании - сигнал i, , поступающий с выхода элеменЛ13 т 1Г1/

потокосцепления V, , поступающего на вход 16, и измеренного , поступаю- щего на вход 17. Результаты сравнения воздействуют через регулятор 26 потокосцепления и элемент 27 сравнения на управляющий вход блока 28 преобразования координат. Кроме тонал определяет амплитуду начальных фазных потокосцеплений , „у

.-Л,

формируемых на выходе апериодиче ских звеньев 25 (фиг. 2), а фазы являются произвольными, но соответствующими двухфазной системе сигналов. Полученные по цепям положительной обратной связи (охватывающим апериодические звенья 25) произвольные значения фазных потокосцеплений определяют произвольные значения сигналов на опорном выходе 10 векторного анализатора 8 и произвольное начальное направление формриуемого вектора по- токосцепления в асинхронном -двигателе I. Поскольку асинхронный двигатель 1 с короткозамкнутым ротором имеет симметричные по фазам магнитные цепи, то любое начальное положение вектора потокосцепления может быть принято за исходное. В дальнейшем при поступлении сигнала Мя. с выхода блока 6 задания момента возникает момент, приводящий к вращению асинхронного двигателя и к возникновению фазных ЭДС на выходе датчика фазных ЭДС в формирователе 5 фазных потокосцеплений. Теперь фазные потокосцепления у Ц о на выходах формирователя 5 в основном определяются результатом интегрирования фазных ЭДС.

При этом роль дополнительных сигналов на входе 23 (фиг. 2) сводится к компенсированию активных составляющих выходных токов фазных апериоди- ческих звеньев 25.

Таким образом, введение в электропривод переменного тока с частотно токовым управлением блока деления, определителя модуля, -двух элементов выбора максимального напряжения, блока задания начального тока намагничивания, а также регулятора потокосцепления с элементом сравнения на входе, нелинейного преобразователя с характеристикой цепи намагничивания двигателя и блока задания начальных данных обеспечивает поддержание в установившихся режимах работы оптимального с точки зрения потерь соот- ношения (равенства) составл яюшлх тока статора, определяющих потокосцеп- ление и момент, а также - сокращение времени переходных режимов за счет поддержания в течение этого времени постоянного, увеличенного в сравнении с установившимся, значения тока намагничивания, благодаря чему снижаются электрические потери в элек310989

троприводе

в сравнении с известным

решением. Формула

изобретения

O

5

0

5 Q

Q Q 5

Электропривод переменного тока с частотно-токовым управлением, содержащий асинхронньй двигатель с короткозамкнутым ротором, подключенный через датчики тока и напряжения к выходам управляемого источника тока, формирователь фазных потокосцеплений с фазными апериодическими звеньями, подключенньп входами к выходам датчиков тока и напряжения, блок задания момента, блок преобразования координат, векторный анализатор с управляющим входом, амплитудным выходом и опорным выходом, подключенным к опорному входу блока преобразования координат, выход которого подключен к управляющему входу управляемого источника тока, а управляющий вход векторного анализатора подключен к выходу формирователя фазных потокосцеплений, отличающийся тем, что, с целью уменьшения электрических потерь, введены регулятор потокосцепления с элементом сравнения на входе, нелинейньш преобразователь с характеристикой цепи намагничивания асинхронного двигателя, блок задания начального тока намагничивания, блок задания начальных данных с тремя входами, выполненньй в виде последовательно соединенных регулятора потокосцепления, элемента сравнения и блока преобразования координат, выход которого образует вьпсод блока задания начальных данных, причем первый вход регулятора потокосцепления блока задания начальных данных объединен с другим входом элемента сравнения этого же блока и образует первый вход блока задания начальных данных, а второй вход регулятора потокосцепления и опорный вход блока преобразования координат образуют соответственно второй и третий входы блока задания начальных данных, последовательно включенные между собой блок деления, определитель модуля и два двух- входовых элемента выбора максимального напряжения, а формирователь фазных потокосцеплений выполнен с дополнительным многофазным входом для установки начальных данных, подключенным к выходу блока задания на- . чальных данных:, первый, второй и третий входы которого подключены соот913

ветственно к выходу нелинейного преобразователя с характеристикой цепи намагничивания асинхронного двигателя, к амплитудному выходу и к опорному выходу векторного анализатора, при этом вход делимого блока деления подключен к выходу блока задания момента, вход делителя блока деления объединен с первым входом, элемента сравнения и подключен к амплитудному выходу векторного анализатора, выход блока задания начального тока

1098910

намагничивания подключен к другому входу первого элемента выбора максимального напряжения, выход которого через нелинейный преобразователь

5 с характеристикой цепи намагничивания асинхронного двигателя подключен к второму входу элемента сравнения, а выход блока деления и выход второго элемента выбора максимального наiO пряжения подключены к соответствующим управляющим входам блока преобразования координат.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в приводах -подач и главного движения металлорежущих станков. Целью изобретения является уменьшение электрических потерь. Указанная цель достигается введением в электропривод переменного тока с частотно-токовым управлением блока 19 деления, определителя 20 модуля, двух двухвходовых элементов 21, 22 выбора максимального напряжения, блока 14 задания начального тока намагничивания, регулятора 11 потокосцепления, нелинейного преобразователя 13 с характеристикой цепи намагничивания двигателя 1 и блока 15 задания начальных данных. Введение указанных блоков и элементов позволяет обеспечить оптимальное с точки зрения потерь соотношение составляющих тока статора, определяющих потокосцепление и момент. Кроме того, сокращается время переходных режимов за счет поддержания в течение этого времени постоянного, увеличенного в сравнении с установившимся значением, тока намагничивания . 3 ил. ; (Л с со оо со фиг

ZS

15 А

фи5.2

18 Х

b

27

28

17

Составитель А. Головченко Редактор М. Бандура Техред И.Попович Корректор М. Пожо

Заказ 1900/54 Тираж 66 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

сриг.З