Способ управления двигателем двойного питания, выполненным на базе асинхронного двигателя с фазным ротором, и устройство для его осуществления Советский патент 1990 года по МПК H02P7/42 

еле перехода на встречное вращение мап-штного поля и ротора Эта цель достигается путем поддержания одинаковых частот токов в обмотках статора и ротора асинхронного двигателя 1, равных половине частоты вращения ротора при превьшении указанной частотой вращения ротора частоты задающего генератора 31 двухфазного синусоидального напряжения. В устройство, реализзтощее предложенный способ управления двигателем двойного питания, введены третий арифметический блок 28, частотный компаратор

30, управляемый аналоговьш коммутатор 32, второй интегратор 21, второй сумматор 20, умножители 18, 19, блок 5 преобразований токов статора и датчик 4 фазных токов статора„ При этом обеспечивается минимальность суммарных потерь в стали статора и ротора и минимальность электрических потерь в меди обмоток поддержанием ортогональности векторов тока статора и результирующего магнитного потока в воздушном зазоре машины, благодаря чему повышается КПД .2 с.п.

ф-лы, 2 ил „

Изобретение относится к электротехнике, может быть использовано для управления двигателем двойного питания на базе асинхронного двигателя с фазным ротором, например, в тяговом электроприводе. Целью изобретения является повышение КПД путем снижения потерь в стали статора после перехода на встречное вращение магнитного поля и ротора. Эта цель достигается путем поддержания одинаковых частот токов в обмотках статора и ротора асинхронного двигателя 1, равных половине частоты вращения ротора при превышении указанной частотой вращения ротора частоты задающего генератора 31 двухфазного синусоидального напряжения. В устройство, реализующее предложенный способ управления двигателем двойного питания, введены третий арифметический блок 28, частотный компаратор 30, управляемый аналоговый коммутатор 32, второй интегратор 21, второй сумматор 20, умножители 18,19, блок 5 преобразований токов статора и датчик 4 фазных токов статора. При этом обеспечивается минимальность суммарных потерь в стали статора и ротора и минимальность электрических потерь в меди обмоток поддержанием ортогональности векторов тока статора и результирующего магнитного потока в воздушном зазоре машины, благодаря чему повышается КПД. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления двигателем двойного питания на базе асинхронного двигателя с фазным ротором, например в тяговом электроприводе, гребном (в судах ледокольного типа)„

Целью изобретения является повышение КПД путем снижения потерь в ctaли статора после перехода на

встречное вращение магнитного поля и ротора

На фиг с 1 представлена функциональная схема устройства для управ- двигателем двойного питания, реализующего предложенный способ; на фиг о 2 показана зависимость частот статора (якоря) СО и ротора (возбуждения) ОЭг от частоты враще- ротора й}(, о

Устройство для управления двига- двойного питания содержит асинхронный двигатель 1 (фиг 1) с фазным ротором, статорные и роторны обмотки которого подключены к выхо- дам преобразователей 2, 3 частоты статора и частоты ротора соответственно Датчик 4 фазных токов статора подключен выходами к управляющим входам блока 5 преобразования токов статора Датчик 6 фазньк напряжений статора подключен выходами к входам для опорных сигналов блока 5 преобразования токов статора и к входам датчика 7 частоты токов статора, вы ход которого подключен к второму управляющему входу преобразователя частоты статора Блоки В и 9 задани амплитуд напряжений статора и ротор

5

0

5 0

5 Q с

подключены выходами к первым управ- входам преобразователей 2, 3 частоты статора и ротора соответ- ственноо Блок 10 преобразования магнитных потоков подключен входами к выходам датчика 11 ЭДС Холла и датчика 6 фазных напряжений, а выходами соединен с входами квадраторов 12 и 13 о Первый сумматор 14 входами подключен к выходам квадраторов 12 и 13, а выходом соединен с первым входом блока 15 сравнения, второй вход которого подключ-ен к выходу блока 16 задания амплитуды магнитного потока Первый интегратор 17 соединен входом с выходом блока 15 сравнения, а выходом подключен к третьему управляющему входу преобразователя 3 частоты ротора. Умножители 18 и 19 подключены входами к выходам блока 5 преобразования токов статора и блока 10 преобразования магнитных потоков Входы второго сумматора 20 соединены с выходами умножителей 18 и 19, а выход через второй интегратор 21 подключен к третьему управляющему/входу преобразователя 2 частоты статора Вход первого фильтра 22 подключен к выходам датчика 6 фазных напряжений статора, а выход соединен с входом первого блока 23 прямого преобразования координат Вход второго фильтра 24 соединен с выходами датчика 25 фазных напряжений ротора, а выход подключен к входу второго блока 26 прямого преобразования координат Первый вход первого арифметического блока 27 соединен с выходом первого блока 23 прямого пре51

образования координат, а второй вход с выходом второго блока 26 прямого преобразования координат. Выход первого арифметического блока 27 подключен к первым входам третьего 28 и второго 29 арифметических блоков и к первому входу частоты компаратора 30 Выход задающего генератора 31 двухфазного гармонического сигнала соединен с вторым входом второго арифметического блока 29 и с вторым входом частотного компаратора 30. Вход управляемого аналогового коммутатора 32 подключен к выходу второго арифметического блока 29, а управляющий вход - к выходу частотного компаратора 30. Второй вход третьего арифметического блока 28 соединен с вькодо управляемого аналогового коммутатора 32, а выход - с входом блока 33 обратного преобразования координат, который в свою очередь соединен с входом блока 34 формирования управляющих импульсов, выход которого через .делитель 35 подключен к второму управляющему входу преобразователя 3 частотны ротора.

Устройство для управления двига- тедем двойного питания работает следующим- образом .

sinWot CosUpt - cosuJot-sinCOft sin(tOo-a)t sinGD,t; cosGJgt.cosGJi-t - sinCOot-sinGJ t cos(COo-Wp)t cosCO.t,

где-COo выходная частота задающего

генератора двухфазного синусоидального напряжения;. COyi- угловая частота вращения ротора;

Ц СОо-Wr.

С выхода второго арифметического блока 29 сигнал поступает на вход управляемого аналогового коммутатора 32, на управляющий вход которого поступает сигнал управления с выхода частотного компаратора 30 На первый и второй входы компаратора подаются сигналы с выходов соответственно первого арифметического блока 27 cosdjpt и задающего генератора 31 двз фазно- го гармонического сигнала coscOot. Когда частота синусоидального сигнала на первом входе компараторе 30 становится больше частоты синусоидального сигнала на втором его входе, на выходе формируется сигнал логического нуля. При частоте сигнала на первом входе частотного компаратора 30 мень2

На силовые входы преобразоват лей , 3 частоты статора и ротора н блоки управления подают напряжение питания. От сигналов блоков 8, 9 задания амплитуд напряжений статора и ротора начинают работать выпрям1{тепьные звенья соответствующих преобразователей частоты.

10

В первый момент сигналы управления инверторными звеньями преобразователей 2, 3 частоты статора и рото- ра отсутствуют о Соответственно сиг-

5 нал на входе первого арифметического блока 27 равен нулю. Задающий генератор 31 двухфазного гармонического сигнала вырабатывает двухфазный синусоидальный низкочастотный сигнал

20 частотой порядка 6-10 Гц, которьй подается на второй вход второго арифметического блока 29. На первьш вход блока 20 поступает сигнал с выхода первого арифметического бло25 ка 27. Во втором арифметическом блоке 29 двухфазные синусоидальные сигналы преобразуют- ся согласно выражениям:

0

5

0

5

ше, чем на втором, на выходе формируется сигнал логической единицы В на-, чальный момент ротор двигателя непод- вижен (Ор 0), соответственно сигнал на входе частотного ко шаратора 30 имеет уровень логической единицы.

Если на управляющем входе комму- татора 32 присутствует уровень логической единицы, то коммутатор замкнут и входной сигнал без изменений поступает на выход. Если з равляющий сигнал имеет уровень логического нуля, управляемый аналоговый коммутатор разомкнут и сигнал на его выходе равен нулю,

При нулевой частоте вращения ротора ( СО |1 0) на управляющем входе управляемого аналогового коммутатора 32 присутствует уровень логической единицы, поэтому сигнал на его выходе повторяет входной сигнал

С выхода управляемого аналогового коммутатора 32 сигнал поступает на второй вход третьего арифметического

блока 28, на первый вход которого подается сигнал с выхода первого арифметического блока 27 В третьем

sinO,t-cusCO t - cosO,t sinMft sin(G),-Са) t, cosQ,t-costOpt - sinCO,t .sinOj.t cos(CO,-Q t.

С выхода третьего арифметического блока 28 сигнал поступает на вход блока 33 обратного преобразования координате После преобразования в блке 33 обратного преобразования координат трехфазный синусоидальный сигнал проходит через формирователь 34 управляющих импульсов и делитель 35 с коэффициентом деления К 2 и поступает на второй управляющий вход преобразователя .3 частоты ротора.

Так как в начальный момент времени частота вращения ротора ОЭр О то после прохождения через второй 29 и третий 28 арифметические блоки и деления делителем 35 сигнал будет иметь частоту

G3 Qo/2

Частота COf. является начальной частотой возбуждения (частотой тока

ротора)о

По обмотке неподвижного ротора начинает протекать переменный трех- фазный ток частотой ( ОЭд/2, в результате чего в обмотке статора наводится ЭДС той же частоты

CO Wf СОо/2,

sinQt cosCO|t - cosQt. sinoD t sin(W-COf)t cosOt-cosQ t - sinwt. cos( ,

где COf - частота токов ротора (частота возбуждения); 03 - частота токов статора (якоря); ОЭр 63- tt)f- частота вращения

ротора о

Так как при неподвижном роторе частоты токов статора и ротора равйы (л) СЭ., то частота двухфазного сигнала на выходе первого арифметического блока 27 равна нулю (COj, 0), При неподвижном роторе по обмоткам статора и ротора протекает перемен105898

арифметическом блоке 28 двухфазные синусоидальные сигналы преобразуется согласно выражения :

где СО - частота тока статора (якоря) о

Сигнал с выхода датчика 6 фазных напряжений статора поступает на вход датчика 7 частоты токов статора, который формирует управляющие сигналы для инверторного звена преобразователя 2 частоты статора По обмотке статора начинает протекать переменный трехфазный ток частотой

0) а). со,/2.

Сигналы с датчиков 6, 25 фазных напряжений статора и ротора поступают на фильтры 22 и 24, которые вьиеляют первые гармоники напряжений, совпадающие по фазе с напряжениями на обмотках статора и ротора соответственно С выходов фильтров сигналы поступают на входы первого 23 и второго 26 блоков прямого преобразования координат соответственно. После преобразования в указанных блоках двухфазные синусоидальные сигналы поступают соответственно на первый и второй входы первого арифметического . блока 27, в котором сигналы преобразуются согласно выражениям:

0

5

ный трехфазньм ток, который создает в статоре и рото1зе вращающиеся магнитные поля. При вращении магнитного поля статора в одном направлении с одинаковой частотой с магнитным полем ротора поля взаимодействуют между собой, создавая вращающий электромагнитный момент. Когда последний превысит момент сопротивления нагрузки на валу, ротор двигателя начнет вращаться,

С выхода датчика 7 частоты токов статора снимается после этого сигнал с частотой, равной сумме или разности частот вращения и возбуждения

С0(0г+ С0

и обеспечивающей одинаковую скорость вращения магнитных полей статора и ротора.

Регулирование частоты вращения ротора осуществляется путем изменени величины напряжения якоря при помощи блока 8 задания амплитуды напряжения статора.

Когда ротор начинает вращаться, сигнал частотой

,.jt СО

с выхода датчика 6 фазных напряжений статора проходит через первый фильтр 22 и после преобразования в первом блоке 23 прямого преобразования координат поступает на первый вход первого арифметического блока 27о На второй вход первого арифметического блока 21 поступает с выхода второго, блока 26 прямого преобразования координат сигнал частотой СО Частота сигнала на входе первого арифметического блока 27 равна частоте вращения ротора

аЗ(, О -а)о

При увеличении частоты вращения ротора C0f частота сигнала на выходе второго арифметического блока 29, равная

(О, COo-Wp,

начинает уменьшаться. Уменьшается также частота на выходе третьего арифметического блока 28:

,-Wp Wo-Wr-Wr Wo- 26;,

где СО частота на выходе третьего

арифметического блока Частота возбуждения соответственно равна

СОо

2

Wi

Ог 2 Wo

-а

Когда С0|« 9 частота возбуждения

С0 равна нулю - в обмотке ротора течет лостоянньш ток При дальнейшем увеличении частоты вращения ротора

СОр частота возбуждения СдЗ изменяет знак и начинает возрастать, но уже с отрицательным знаком. В момент изменения знака СО один из сигналов с выхода третьего арифметического

058910

блока 28, а именно sin(a), )t, меняет знак на противоположный. Это приводит к изменению чередования фаз с выхода блока 33 обратного пре- образования координат на обратно е, что обеспечивает изменение направления вращения магнитного поля ротора При этом результирующее магнитное поле в воздушном зазоре машины вращается с частотой Сх) .

Когда частота вращения ротора И становится равной частоте задающего генератора 3 Г двухфазного синусоида10

15

льного напряжения (0. , частота сиг0

5

0

5

0

5

0

5

нала на выходе второго арифметического блока 29

СО, СОо- 00

и, следовательно, на выходе управляемого аналогового коммутатора 32 равна нулЮо Одновременно происходит изменение, логического сигнала на выходе частотного ко1 таратора 30 - логический уровень становится равным нулю Как только сигнал на управляющем входе управляемого аналогового коммутатора 32 становится равным логическому нулю, управляемый аналоговый коммутатор прекра1дает пропускать входной сигнал на выход, поэтому на втором входе третьего арифметического блока 28 сигнал равен нулю

Когда частота .вращения роторасОр становится больше выходной частоты задающего генератора двухфазного синусоидального сигнала СОо выхода третьего арифметического блока снимается двухфазньш сигнал час- тотой -Qj,, так как на втором входе третьего арифметического блока сигнал равен нулю После деления частоты делителем 35 сигнал частотой СО -GJp/2 поступает на второй управляющий вход преобразователя 3 частоты ротора

При дальнейшем увеличении скорости вращения ротора частота возбуждения поддерживается равной половине частоты вращения ротора

В электроприводе имеется автоматическая система поддержания постоянства результирующего магнитного потока в воздушном зазоре двигателя. Выходные сигналы с датчика 11 ЭДС Холла, пропорциональные величинам магнитных потоков Фа5 , , Фс5 воздушного зазора по осям фаз статора, преобразуются с помощью i блока 10 преобразований магнитных потоков в составлягошде , Ф S-M нулевой частоты, представленные в осях X, Y, вращающихся синхронно с полем двигателя После возведения в.квадрат составляющих магнитного потока в квадраторах 12 и 13 и суммирования их сумматором 14 выходной сигнал с последнего, пропорциональный квадрату амплитуды магнитного потока Ф| в воздушном зазоре двигателя, поступает на первый вход блока 15 сравнения,. На второй вход блока 15 сравнения поступает сигнал с блока 16 задания квадрата амплитуды магнитного потока Oi-rtiB воздушном зазоре двига0 А. ..

теляр С выхода блока 15 сравнения сигнал рассогласования ДФ2 с помощью астатического регулятора 17, выполненного в виде интегратора, преобразуется в сигнал напряжения смещения + йи,,., подается на третий вход пре- Т)бразЬвателя 3 частоты ротора и так изменяет величину тока возбу7кдения.

1610589 2

ший вход преобразователя 2 частоты статора о Сигнал с выхода второго интегратора 21 определяет смещение фазы управляющих импульсов до тех пор, пока не будет выполнено условие ортогональности векторов тока якоря и магнитного потока о При этом достигается максимальное значение электромагнитного вращающего момента двигателя при данных значениях тока статора и результирующего магнитного потока в воздушном зазоре. .

С учетом изложенного в двигателе обеспечивается минимум потерь в стали статора и ротора, а также минимум электрических потерь в меди обмоток, благодаря чему повьшается КПД в сравнении с основным изобретением.

10

15

25

Формула изобретения

1о Способ управления двигателем двойного питания, выполненным на базе асинхронного двигателя с фазным ротором по авТо сво № 1515323, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД путем снижения потерь в стали статора, после изменения чередования фаз обмотки ротора частоты токов в обмотках статора и ротора устанавливают равными,. 2о Устройство для управления двигателем двойного питания, выполненным на базе асинхронного двигателя с фазным ротором, по авт„ св„ № 1515323, отличающееся тем, что введены третий арифметический блок, частотный компаратор, управляемый аналоговый коммутатор, Q второй интегратор, второй сумматор, два умножителя, блок преобразования токов статора, датчик фазных токов статора, выходом соединенный с управляющим входом блока преобразования токов статора, вход для опорных сигналов которого подключен к выходу датчика фазных напряжений статора, первый и второй выходы блока преобразования токов статора соединены с первыми входами соответственно первого и второго умножителей, вторые входы которых подключены к первому и второму выходам блока преобразований магнитных потоков, вькоды умножителей соединены с входами второго сумматора, подключенного выходом через второй интегратор к третьему управляемому входу преобразователя частоты статора, первый вход частот1г и тока намагничивания IQ

i +

i

чтобы обеспечить постоянство результирующего магнитного потока в возд уш- ном зазоре машины (Ф заГ в соответствии с заданной величиной„ Кроме того, в электроприводе имеется система поддержания ортогональности векторов тока якоря и результирующего магнитного потока Условие ортогональности векторов .тока якоря и результирующего магнитного потока выполняется при равенстве У скалярного произведения 1,.Ф О, или ;-, в координатах X, Y

1уФ8х- - О- .Выходные сигналы с датчика А фазных токов статора преобразуются с помощью блока 5 преобразований токов статора в составляющие нулевой час- тоты iy, iu, представленные в осях X, Y, вращающихся синхронно с полем двигателя На умножители 18 и 19 поступают выходные сигналы с блока 10 преобразования магнитных потоков, представляющие составляющие нулевой частоты Ф&х Ц токи i, in. Умножители 18 и 1У осуществляют перемножение одноименных составляющих потока Ф и тока i , после чего сигнал суммируются первым сумматором 20 и через астатический регулятор 21, выполненный в виде интегратора, поступают на третий управляю

5

0

5

j

Формула изобретения

1о Способ управления двигателем двойного питания, выполненным на базе асинхронного двигателя с фазным ротором по авТо сво № 1515323, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД путем снижения потерь в стали статора, после изменения чередования фаз обмотки ротора частоты токов в обмотках статора и ротора устанавливают равными,. 2о Устройство для управления двигателем двойного питания, выполненным на базе асинхронного двигателя с фазным ротором, по авт„ св„ № 1515323, отличающееся тем, что введены третий арифметический блок, частотный компаратор, управляемый аналоговый коммутатор, Q второй интегратор, второй сумматор, два умножителя, блок преобразования токов статора, датчик фазных токов статора, выходом соединенный с управляющим входом блока преобразования токов статора, вход для опорных сигналов которого подключен к выходу датчика фазных напряжений статора, первый и второй выходы блока преобразования токов статора соединены с первыми входами соответственно первого и второго умножителей, вторые входы которых подключены к первому и второму выходам блока преобразований магнитных потоков, вькоды умножителей соединены с входами второго сумматора, подключенного выходом через второй интегратор к третьему управляемому входу преобразователя частоты статора, первый вход частот0

ного компаратора соединен с соответствующим выходом первого арифметического блока, второй вход подклю- чей к соответствующему выходу зада-. ющего генератора двухфазного гармонического сигнала, при этом между парой выходов второго арифметического блока и парой входов блока обратного преобразования координат включены поФиг:2

следовательно соединенные меяду собой управляемый аналоговый коммутатор и третий арифметический блок, другая пара входов которого подклю- , чена к выходам первого арифметичеЬког го блока, а управляющий вход управляемого аналогового коммутатора подключен к выходу частотного компара- . тора.