Устройство для регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя Советский патент 1990 года по МПК H02P7/42 

31534736

фазных напряжений, блок 23 обратного Преобразования координат, выполнен- йый в виде преобразователя обобщенного вектора напряжений фаз статора 8 его проекцию на ось, перпендикулярную обобщенному вектору тока намагничивания. Выходной сигнал блока 23 используется в качестве сигнала обратной связи по частоте вращения на входе регулятора 16 скольжения, 2 ял.

Изобретение относится к электротехнике. Целью изобретения является упрощение. устройство для регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя содержит преобразователь 1 частоты со звеном постоянного тока, задатчик 3 частоты вращения, задатчик 4 тока намагничивания, блок 5 прямого преобразования координат, выполненный с цифро-аналоговыми преобразователями, интегральный регулятор 16 скольжения, датчик 18 фазных напряжений, блок 23 обратного преобразования координат, выполненный в виде преобразователя обобщенного вектора напряжений фаз статора в его проекцию на ось, перпендикулярную обобщенному вектору тока намагничивания. Выходной сигнал блока 23 используется в качестве сигнала обратной связи по частоте вращения на входе регулятора 16 скольжения. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к частотно-регули- уейым электроприводам с асинхронными ,вигателями, и может быть использо- ано в механизмах, определяющим тре- ованием к которым является простота конструкции исполнительного узла при сохранении широкого диапазона регули- рювания частоты вращения, Например, для ряда вспомогательных механизмов металлорежущих станков. Целью изобретения является упрощение.

На фиг. 1 представлена функциональная cxefaa устройства для регулирования частоты вращения асинхронного Электродвигателя; на фиг. 2 - вектор- |ше диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство для регулирования час- готы вращения асинхронного электродвигателя содержит силовой преобразователь 1 частоты, выходы которого предназначены для подключения к фазам асинхронного электродвигателя 2, а силовые входы - к питающей сети, задатчик 3 частоты вращения,, задат- чик 4 тока намагничивания, блок 5 прямого преобразования координат, выполненный с преобразователем 6 аналог - частоты, счетчиком 7 импульсов, двумя формирователями 8 и 9 функций синуса и косинуса соответственно, выполненными, например, на программируемых запоминающих микросхемах, циф- роаналоговыми преобразователями 10- 13 и сумматорами 14 и 15, регулятор 16 скольжения с элементом 17 сравнения на входе, подключенным одним из входов к выходу задатчика 3 частоты вращения.

При этом один из управляющих входов блока 5 прямого преобразования координат подключен к выходу задатчика 4 тока намагничивания, а выходы - к управляющим входам силового преоб- разоватепя 1 частоты.

В устройство для регулирования частоты вращения асинхронного элект

5

0

з 0

5 Q

,.

5

0

родвигателя введены датчик 18 фазных напряжений асинхронного электродвигателя, преобразователь 19 числа фаз, пропорционально-дифференцирующее звено 20, два сумматора 21 и 22 и блок

23обратного преобразования координат с двумя преобразователями 24 и 25 код - аналог, инвертирующим усилителем 26 и сумматором 27.

При этом регулятор 16 скольжения выполнен в виде интегрального звена, выход которого соединен с первыми входами сумматоров 21 и 22 и входами пропорционально-дифференцирующего звена 20, подключенного выходом к другому управляющему входу блока 5 прямого преобразования координат.

Выход сумматора 21 подключен к другому входу элемента 17 сравнения. Выход задатчика частоты вращения подключен к второму входу сумматора 22, соединенного выходом с входом преобразователя 6 аналог - частота.

Выходы датчика 18 фазных напряжений асинхронного электродвигателя подключены к входам преобразователя числа фаз, соединенного выходами с аналоговыми входами преобразователей

24и 25 код-аналог. Кодовые входы преобразователей 24 и 25 код - ака- лог подключены к выходам соответствующих формирователей 8 и 9 функций синуса и косинуса. Выход преобразователя 25 код - аналог подключен к одному из входов сумматора 27, другой вход которого соединен через инвертирующий усилитель 26 с выходом преобразователя 26 код - аналог„ Выход сумматора 27 подключен к второму зхо- ду сумматора 21„

Силовой преобразователь частоты выполнен с силовым выпрямителем 28, конденсатором 29 фильтра, разрядным резистором 30, подключенным к выходам фильтра через ключ 31, обратным диодным мостом 32 и блоком 33 управляемых ключей инвертора. В выходных цепях инвертора установлены датчики 34-36 фазных токов, подключенные выходами к первым входам соответствующих регуляторов 37-39 фазных токов, вторые входы указанных регуляторов соединены с выходами преобразователя 40 числа Лаз, входы которого образуют управляющие входы силового преобразователя 1 частоты. Выходы .регуляторов 37-39 через блок 41 управления связаны с управляющими входами блока 33 управляемых ключей инвертора.

Пропорционально-дифференцирующее звено 20 выполнено на основе опера ционного усилителя 42 с резистором в цепи обратной связи и резисторами и конденсатором во входной цепи,

В случае применения двухфазного асинхронного электродвигателя 2 необходимость в установке преобразователей 19 и 40 числа фаз отпадает

На диаграммах (фиг.2) обозначено: U О1 - напряжение и ток статора асинхронного электродвигателя; Е , 1 - ЭДС и ток ротора; 1/у - ток намагничивания; Xj. - параметры замещения; S - скольжение. Индексом О обозначены соответствующие величины перед набросом нагрузки.

Устройство для регулирования часг тоты вращения асинхронного электродвигателя работает следующим образом6

В исходном состоянии сигнал на выходе задатчика 3 частоты вращения отсутствует, а на выходе задатчика 4 соответствует заданию номинального тока намагничивания асинхронного электродвигателя. Сигнал на выходе регулятора 16 скольжения равен нулю, выходная частота преобразователя 6 аналог - частота также равна нулю, счетчик 7 импульсов не переключается, но его состояние соответствует начальному значению числа импульсов

На выходах формирователей 8 и 9 образуются коды синуса и косинуса, соответствующие начальному состоянию счетчика 7 импульсов. На выходах циф- роаналоговых преобразователей 10 и

20

и с помощью регуляторов 37-39 в фазах двигателя поддерживаются постоянные :-% токи, не создающие вращающего момен- та.

Постоянные токи фаз двигателя, протекая по активным сопротивлениям, вызывают появление на зажимах двигателя напряжений, которые измеряются

10 с помощью датчика 18.

На выходах преобразователя 19 чист- ла фаз получают двухфазную систему напряжений: U sin( 0) и -Uwcos() где Uw- амплитуда фазного напряжения

15 Уг°л между векторами ЭЦС Е2 и напряжения U( .

На выходах преобразователей 24 и 25 получают сответственно произведения: U№sin(V+6)-sin0 и -итсо8(ци-в) cos0, С учетом инвертирования в блоке 26 на выходе сумматора 27 получают: -Tfmcosty 0, так как Ц в режиме с нулевой частотой,

Это означает, что выходной сигнал

25 блока 23 обратного преобразования

координат в рассматриваемом режиме не оказывает влияния на состояние регулятора 16 скольжения.

30 При появлении сигнала на выходе задатчика 3 появляется аналоговый сигнал на выходе регулятора 16 скольжения, а на выходе преобразователя 6 аналог - частота - непрерывная последовательность импульсов, частота которых определяется уровнем входного сигнала. На выходах цифроаналоговых преобразователей 10 и 11 появляются гармонические сигналы: I sincat,

40 I coscot, амплитуды которых пропорциональны заданному значению активной составляющей тока статора la-v а на выходах преобразователей 12 и 1 3 - - гармонические сигналы l jSinQt,

45 Ip cosQt, пропорциональные задающему значению реактивной составляющей тока статора In,. На выходах сумматоров 14 и 15 получают сигналы: T.msin(tOt-Hf) и fot-Kf) , где ,

35

11сигналы равны нулю, а на выходах 50 lP arctsIa/I.,. На выходах преобра ова12и 13 сигналы:I sinQ, , где 0 - угол, соответствующий начальному

теля 40 числа фаз получают трехфазную систему сигналов задания:

V f

состоянию счетчика.

На выходах преобразования числа фаз получают трехфазную систему сиг2 налов: I sin9, I sinCS- -J-),

О/141шз1п(0+ ) , в соответствии с которыми

0

и с помощью регуляторов 37-39 в фазах двигателя поддерживаются постоянные :-% токи, не создающие вращающего момен- та.

Постоянные токи фаз двигателя, протекая по активным сопротивлениям, вызывают появление на зажимах двигателя напряжений, которые измеряются

с помощью датчика 18.

На выходах преобразователя 19 чист- ла фаз получают двухфазную систему напряжений: U sin( 0) и -Uwcos(), где Uw- амплитуда фазного напряжения,

5 Уг°л между векторами ЭЦС Е2 и напряжения U( .

На выходах преобразователей 24 и 25 получают сответственно произведения: U№sin(V+6)-sin0 и -итсо8(ци-в) cos0, С учетом инвертирования в блоке 26 на выходе сумматора 27 получают: -Tfmcosty 0, так как Ц в режиме с нулевой частотой,

Это означает, что выходной сигнал

5 блока 23 обратного преобразования

координат в рассматриваемом режиме не оказывает влияния на состояние регулятора 16 скольжения.

0 При появлении сигнала на выходе задатчика 3 появляется аналоговый сигнал на выходе регулятора 16 скольжения, а на выходе преобразователя 6 аналог - частота - непрерывная последовательность импульсов, частота которых определяется уровнем входного сигнала. На выходах цифроаналоговых преобразователей 10 и 11 появляются гармонические сигналы: I sincat,

0 I coscot, амплитуды которых пропорциональны заданному значению активной составляющей тока статора la-v а на выходах преобразователей 12 и 1 3 - - гармонические сигналы l jSinQt,

5 Ip cosQt, пропорциональные задающему значению реактивной составляющей тока статора In,. На выходах сумматоров 14 и 15 получают сигналы: T.msin(tOt-Hf) и fot-Kf) , где ,

5

0 lP arctsIa/I.,. На выходах преобра ователя 40 числа фаз получают трехфазную систему сигналов задания:

V f

-xsinfot+qO, ,si-n(wt+4 j-)

в соответствии

I Imsin(cot-Kp+ },

с которыми в фазах двигателя формируются- токи и появляется вращающий момент.

При работе двигателя на установив шейся скорости токи намагничивания и напряжения в фазах А,В,С изменяются спедующим образом:

21Г

IMA IiUmsinUt .r4sin(Qt - Т)

jUA -р (Wt+ f1)

UA -Umcos(wc+), Ue -Umcos(tOt- 2 -Kj), Uc -UMcos(GOt+ |1

10

о ljc vwu 5- /

1 На выходах преобразователя 19 получают сигналы: -Umcos(cDt+(), U sinCut-Hj)). На выходах преобразователей 24 и 25 получают соответствено произведения: Umsin() - sintot -Umcos(o)t+)-cosCOt. На выходе суматора 27 получают: (при Изменении направления вращения знак Сигнала меняется).

Это означает, что сигнал на выходе блока 23 обратного преобразования ко- ррдинат зависит только от амплитуды апряяения фаз двигателя и угла Ц и при неизменной частоте токов статора также является неизменным.

При работе двигателя на установившейся заданной скорости сигнал с за- датчика 3 частоты вращения равен сигналу обратной связи с выхода блока 23 рбратного преобразования и при холос- 1гом ходе двигателя сигнал на выходе регулятора 16 скольжения мал.

При набросе нагрузки ток и напря- сение в первый момент сохраняются Постоянными,не меняется и сигнал обратной связи с выхода блока 23, В этом случае скорость двигателя начинает снижаться и в токе фаз двигателя появляется активная составляющая, создавая вращающий момент. Одновременно, поскольку заданное значение Гока не изменилось, уменьшается реактивная составляющая, т.е. уменьшается ток намагничивания, а значит, уменьшается и ЭДС фаз двигателя, уменьшая сигнал обратной связи с выхода блока 23. Сигнал обратной связи уменьшается несколько в большей степени, чем снижается ЭДС, так как одновременно с перераспределением активной и реактивной составляющих тока статора двигателя происходит поворот в пространстве вектора ЭДС Е, что дополнительно снижает ее проекцию на ось, перпендикулярную прежнему вектору тока намагничивания,котоi5

20

25

15347368

рый теперь совпадает с полным током статора (Аиг.2).

При уменьшении сигнала обратной связи нарушается баланс между ней и задающим сигналом с -задатчика 3 и на выходе регулятора 16 скольжения появляется напряжение, являющееся заданием на увеличение активной составляющей тока статора и последняя возрастает, увеличивая момент двигателя . Для уменьшения просадки скорости одновременно с увеличением активной составляющей тока статора увеличивается и его частота вследствие поступления сигнала с выхода регулятора 16 на вход преобразователя 6 аналог - частота через сумматор 22. Имеющее место при этом увеличение сигнала обратной связи вследствие роста напряжения на двигателе компенсируется введением отрицательного сигнала с выхода интегрального регулятора 16 скольжения на вход сумматора 21, который также компенсирует и увеличение напряжения за счет возрастания падения напряжения на активных сопротивлениях фаз статора при росте активной составляющей тока нагрузки.

Вектор активной составляющей тока статора, модуль которого пропорционален сигналу на выходе регулятора 16 скольжения, практически совпадает по направлению с вектором ЭДС (отличается на 4-5 ) и принимается перпендикулярным вектору тока намагничивания. Поэтому сигнал на выходе регулятора 16 может быть использовантдля частичной компенсации части проекции результирующего вектора напряжения на ось, перпендикулярную току намагничивания, пропорциональной увеличению падения напряжения в активном сопротивлении статора от приращения тока.

Постоянная времени интегрирования регулятора 16 должна выбираться близкой к электромагнитной постоянной времени всего контура регулирования тока статора. Для форсирования переходных процессов в процессе отработки задаваемого уровня активной составляющей тока статора и стабилизации введено пропорционально-дифференциальное звено 20,

Вместо интегрального регулятора 16 нельзя использовать пропорционально- интегральный регулятор, так как пропорциональная часть его выходного

30

35

40

45

50

55

10

сигнала, поступающая на вход сумматора 21, в динамических режимах нарушает соответствие сигнала на его выходе действительному значению сигнала обратной связи, пропорциональному - 5 частоте вращения, что приводит к возникновению колебаний в системе.

Таким образом, в устройстве для регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя сигнал обратной связи, пропорциональный частоте вращения, формируется как проекия результирующего вектора напряжеия фаз статора двигателя на ось, . ерпендикулярную результирующему вектору намагничивающего тока статора. При этом составляющая вектора напряжения фаз статора, пропорциональная падению напряжения от тока статора на активных сопротивлениях обмоток 0 аз статора, проектируется на вектор ЭДС ротора при низких частотах вращения под большим углом (до 45 и более в зависимости от тока нагрузки), 25 что уменьшает ее величину (фиг.2), а значит, и уменьшается относительная зависимость изменения всей проекции напряжения от колебаний температуры (при низких частотах вращения в 1,4 и более раз).

Это определяет точность поддержания заданного значения частоты вращения электродвигателя и широкий диапазон ее регулирования. Связь выхода регулятора скольжения с входом преоб- разователя напряжение - частота позволяет увеличить частоту тока фаз вигателя с ростом нагрузки на величину частоты скольжения, сохранить частоту вращения ротора неизменной, расширить дополнительно диапазон ее регулирования. Возрастающее при этом значение проекции вектора напряжения статора на ось ЭДС ротора компенсируется отрицательной обратной связью с выхода регулятора скольжения, поступающей на вход дополнительно введенного сумматора, обеспечивая тем самым нормальную работу системы автоматического регулирования по поддержанию заданной частоты вращения,

Задача регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя решается в устройстве без установки на его валу отдельного электромеха- 55 нического датчика, что упрощает конструкцию в сравнении с известным решением.

30

40

45

50

0

5

0 5

5

0

0

5

0

Формула изобретенияУстройство для регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя, содержащее силовой преобразователь частоты с выходами для подключения к фазам асинхронного электродвигателя и силовыми входами для подключения к питающей сети, за- датчики частоты вращения и тока на- магничивания, блок прямого преобразования координат, выполненный с преобразователем аналог - частота, сче тчиком импульсов, двумя формирователями функций синуса и косинуса соответственно и цифроаналоговыми преобразователями, регулятор скольжения с элементом сравнения на входе, подключенным одним из входов к выходу задатчика частоты вращения, при этом один из управляющих входов блока прямого преобразования координат подключен к выходу задатчика тока намагничивания, а выходы - к управляющим входам силового преобразователя частоты, отличающееся тем, что, с целью упрощения, введены датчик фазных напряжений асинхронного электродвигателя, преобразователь числа фаз, пропорционально-дифференцирующее звено, два сумматора и блок обратного преобразования координат с двумя преобразователями код - аналог, инвертирующим усилителем и сумматором, при этом регулятор скольжения выполнен в виде интегрального звена, выход которого соединен с первыми входами первого и второго сумматоров и входом пропорционально-дифференцирующего звена, подключенного выходом к другому управляющему входу блока прямого преобразования координат, выход первого сумматора подключен к другому входу элемента сравнения, выход задатчика частоты вращения подключен к второму входу второго сумматора, соединенного выходом с входом преобразователя аналог - частота блока прямого преобразования ,, координат, выходы датчика фазных напряжений асинхронного электродвигателя подключены к входам преобразователя числа фаз, соединенного выходами с аналоговыми входами преобразователей код - аналог блока обратного преобразования координат, кодовые входы упомянутых преобразователей код - аналог подключены к выходам

11

соответствующих формирователей функций синуса и косинуса блока прямого преобразования координат, выход одного из преобразователей код - аналог Подключен к одному из входов сумматора блока обратного преобразования

53473612

координат, другой вход которого соединен через инвертирующий усилитель с выходом другого преобразователя код - аналог, а выход названного сумматора подключен к второму входу первого сумматора.

)

-EZ

41 & S

JJU

№

J/a-J/АИК

сриг. 2

Ui

Jjuos3i