Устройство для регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя Советский патент 1991 года по МПК H02P7/42 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к области частотно-регулируемого электропривода переменного тока с асинхронным электродвигателем, и является усовершенствованием изобретения по авт.св. Р 1534736.

Цель изобретения - повышение надежности пус. з путем повышения пускового момента электродвигателя

Па фиг. 1 приведена структурная схема устройства для регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя; на фиг. 2 - временные диаграммы, где обозначены напряжения на выходе соответствующих блоков схемы и ток через конденсатор.

Устройство для регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя содержит силовой преобразователь 1 частоты, выходы которого предназначены для подключения к фа- ,зам асинхронного электродвигателя 2, а силовые входы - к питающей сети. Формирователь 3 задания частоты вращения , задатчик 4 тока намагничивания, блок 5 прямого преобразования координат, выполненный с преобразователем 6 аналог-частота, счетчиком 7 импульсов, двумя формирователями 8, 9 функций синуса и косинуса соотОЭ4

ОЭ О 00

ел

ветственно, цифроаналоговыми преобразователями 10-13 и сумматорами 14, 15, регулятор 16 скольжения с элементом 17 сравнения на входе, под ключенным одним из входов к выходу формирователя 3 задания 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 преобразователя 1 частоты. Устройство для регулирования

частоты вращения асинхронного электро-,5 ния 41 свяэаны с управляющими входа- двигателя, кроме того, имеет датчик блока 33 управляемых ключей инвертора.

Пропорционально-дифференцирующее

звено 20 выполнено на основе опера18 фазных напряжений асинхронного электродвигателя, преобразователь 19 числа фаз, пропорционально-дифференцирующее звено 20, два сумматора 21, 22 и блок 23 обратного преобразования координат с двумя преобразователями 24, 25 код-аналог, инвертирующим усилителем 26 и сумматором 27. При этом регулятор 16 скольжения выполнен Б виде интегрального звена, выход которого соединен с первыми входам сумматора 21, 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 Формирователя задания 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 24-25 код-аналог. Кодовые входы преобразователей 24, 25 код- аналог подключены к выходам соответствующих формирователей 8, 9 функций синуса и косинуса. Выход преобразования 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 входу сумматора 21.

Силовой преобразователь частоты выполнен с силовым выпрямителем 28, конденсатором фильтра 29, разрядным резистором 30, подключенным к выхо20 ционного усилителя 42 с резистором в цепи обратной связи и резисторами и конденсатором - во входной цепи. В схему введены выпрямитель 43, вход которого подключен к выходу

25 блока формирователя задания частоты вращения электродвигателя, блок 44 определения знака производной изменения сигнала на выходе выпрямителя и два ключа 45, 46, один из которых

30 включен в цепь связи обратного координатного преобразователя 23 с-входом регулятора 16 скольжения, а второй в цепь связи выхода регулятора 16 скольжения с входом преобразователя

. аналог-частота. Управляющие входы

ключей 45, 46 связаны с выходом блока 44 определения знака производной изменения сигнала на выходе выпрямителя 43, вход которого связан с выходом

4Q блока 3 формирователя задания частоты вращения электродвигателя 2.

Блок 44 определения знака производной изменения сигнала на выходе выпрямителя состоит из усилителя 47, один

45 вход которого подключен к выходу выпрямителя, а второй - к источнику смещения U| повторителя на транзисторе 40 и резистора 49, вход которого связан с выходом усилителя 47, а вы50 ход через конденсатор 50 с входом нуль-органа 51, который связан так- же с источником смещения U2. Общая точка конденсатора 50 и нуль-органа

51связана через разрядный резистор

52с общей точкой схемы.

55

Устройство для регулирования частоты вращения асинхронного электродвит гателя работает следующим образом,

дам 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 выт ходами к первым входам соответствующих регуляторов 37-39 фазных токов, вторые входы указанных регуляторов соединены с выходами преобразователя 40 числа фаз, входы которого образуют управляющие входы силового преобразователя 1 частоты. Выходы регулятора 37-39 через блок управлеционного усилителя 42 с резистором в цепи обратной связи и резисторами и конденсатором - во входной цепи. В схему введены выпрямитель 43, вход которого подключен к выходу

блока формирователя задания частоты вращения электродвигателя, блок 44 определения знака производной изменения сигнала на выходе выпрямителя и два ключа 45, 46, один из которых

включен в цепь связи обратного координатного преобразователя 23 с-входом регулятора 16 скольжения, а второй в цепь связи выхода регулятора 16 скольжения с входом преобразователя

аналог-частота. Управляющие входы

ключей 45, 46 связаны с выходом блока 44 определения знака производной изменения сигнала на выходе выпрямителя 43, вход которого связан с выходом

блока 3 формирователя задания частоты вращения электродвигателя 2.

Блок 44 определения знака производной изменения сигнала на выходе выпрямителя состоит из усилителя 47, один

вход которого подключен к выходу выпрямителя, а второй - к источнику смещения U| повторителя на транзисторе 40 и резистора 49, вход которого связан с выходом усилителя 47, а выход через конденсатор 50 с входом нуль-органа 51, который связан так- же с источником смещения U2. Общая точка конденсатора 50 и нуль-органа

51связана через разрядный резистор

52с общей точкой схемы.

Устройство для регулирования частоты вращения асинхронного электродвит гателя работает следующим образом,

В исходном состоянии сигнал U

3

Ке

(фиг. 2) на выходе Лормиронатечя т, - дания частоты вращения j отсутствую, а на выходе задатчика 4 соответс-- ет заданию номинального ток« намагничивания асинхронного электродвигателя. Сигнал - на выходе регулятора -.i оль жения равен нулю, выходная частота преобразоватетя 6 аналог-част-. -а т« равна нулю, счетчик 7 импульсов не переключается, но его состояние соответствует начальному значению числа импульсов.

На выходах формирователей 8, 9 образуются коды синуса и косинуса, соответствующие начальному состояяи, i счетчика 7 импульсов. Ча выходах цифроаналоговых преобрлзоватеюй 10, 11 сигналы равны нулю, а г т РЬПЧ

дах 12, 13 - сигналы I.ysinQ, 1 со -б, где 0 - угол, соответствующей

ТД(

ному состоянию счетчика, намагничивания,

На выходах преобразояатечь фаз имеет трехфазную систгму 27Г

лов: I sin & ,

f

ysin(

(в+гЬ

в соответствии с ко-

торыми с помощью регуля-оров 37-ЧП в фазах двигателя попдерживаются IJOCTO янные токи, не создающие тфащаюпи го момента.

Постоянные токи фаз двигя-, t-пя, протекая по активным сопротивлениям, вызывают появление на зажимах двигателя напряжений, которые изгтеряк сп с помощью датчика 18.

На выходах преобразователь 19 числа фаз имеет двухфазную систему напряжения :

U sin(U + 0) и -U cos(U/+Q),

tn Щ

где

Up.- амплитуда фазного нлпряже-

ния;

(р - угол между векторами ЭДГ Рд и напряжения U4.

На выходах преобразователей 24, 25 имеем соответственно произведения: U sinfq; + 0)- sin$H -ll соч(« + Q)

ГП

X cos У . С учетом инвертирования в блоке 26 на выходе сумматора 27 получаем: -JJmcos(j 0, т.к. у в ре-лнме

с нулевой частотой.

Это означает, что выходной сигьал блока 23 обратного преобразолния

Ке10

т, - ую, с гнителя. -.i оль- а т« е

, яи, i ЬПЧ

164603 6

КООРЛНН3п В pICCMl, т ч CMOfi

е сказывает пли .ни -i ь состояние р - г лятора 16 скольжения.

В исходном ос оянни схе -ы на вьгсо- де вс;пря 1итег я . и юется н je-вои сигнал, а га выходе VI HJTHI Р +7 - от- г-пмтельное Нс -рчхс не (U,;7), величина которого in летея источником сменится И, , Такое ке отрицательное напряжение имеем и на выходе повторителя (на эмит гре транзистора 48) до величины которого и заряжен кон- г.енсатор 50.

Пост в ИГХРЛНОМ состоянии г ьмы iiocjie злряда кс нсзтора 50 гпк чере . него не проходит, то со- сто.ш р ну-.ь-опгана 51 определяется

0

5

0

0

S

напгя & : РМ i 1ешени« Т), которое перевода г пуль- рган 51 ь состояние, когда н его виходе отрицательный сиг- iiir. ;1 ri При этом ключи 45, 46 включе- - j и 1 гулятог 16 СКОЛЬЖРНИЯ находится в осгсяшш с подключенной обратной вячью.

При появлеииг на вьгчоде (Ьормирова- тглч 3 сигнала, возрастающего, нгпрн мер, по лнчейчому закону, г.( на шс.оде вьтрям.чгогп 43 ст топится отрицательным, возрастая по абсолютной вг шчине.

При этом отрицательное напряжение , и;, выходе усшгчтеля 47 начинает скн- vaibCR (по а. голютг ой величине;, на- ctdT снижаться и отрицательное на- пряление на выходе транзистора 48 повтори1 .РЯ, а кокд -нсзтор 50 начинает pa резисторы 49, 52, От ток;, г зряда конденсатора 50 на ре jjicrope 5 возникает падение напряжения, которое прикладывается к управлягоггему входу гуль-органа 51. Полярность результирующего сигнала на то входе меняется, нуль-ор ан переключается, на его выходе появляется положительное напряжение и ключи 45, 46 отключаются, отключая обратную связь со входа регулятора 16 скольжения и связь выхода pei улятора 16 скольжения с вводом преобразова0

5

теля аналог-частота о.

ПРИ этом аналоговый сигнал на выходе интегратора 16 под действием залд,окего сигнала с выхода блока 3 форсированно нарастает. Нарастает т,о максимального значения и сигнал задания ямг плгудм активно составляющей на выходе 20.

Одновременно на выходе преобразо- , ателя 6 аналог-частота появляется епрерывная последовательность импульов, частота которых определяется, поскольку ключ 46 отключен, только уровнем входного сигнала с формирователя 3. На выходе цифроаналоговых преобразователей 10, 11 появляются гармонические сигналы sinGdt, 1л cosCOt, амплитуда которых пропорциональна заданному максимальному значению активной составляющей тока статора 1дз а на выходах преобразователей 12, 13 - гармонические сигналы IjusinCDt, I cosCOt, пропорциональные задающему значению реактивной составляющей тока статора IjUg На выходах сумматоров 14, 15 появляются сигналы

I -sinCCJt +Ц) и Imcos(CQt +

+ I

|U

q

амплитуда си+ Ц, где

I

arctp, (здесь I TfU

нала на выходах сумматоров 14, 15; U) - сдвиг фазы сигнала на выходе сумматоров по отношению к фазе синусоидального сигнала на входах. При этом на выходах преобразователь числа фаз 40 имеет трехфазную систему сигналов задания:

I s in (CO t 01 2Яч +if- ,-3

+ q + - )

+ ЧВ Inisin

be V8inx

в соответствии с которыми в фазах двигателя формируются токи и появляется вращающий момент, а двигатель начинает разгоняться.

По мере разгона электродвигателя отрицательное напряжение на выходе в ыпрямителя 43 возрастает, а, на выходе усилителя 47 и эмиттера транзистора 48 повторителя уменьшается. При этом конденсатор 50 продолжает разряжаться, создавая на входе нуль- органа 51 положительное напряжение, которым поддерживается на его выходе также полохительный сигнал и ключи 45, 46 остаются отключенными. После достижения сигналом с выхода выпрямителя 43 величины, равной сигналу от источника смещения II, на выходе усилителя 47 напряжение становится равным нулю. Равным нулю будет и потенциал эмиттера транзистора 48 повто рителя. При этом конденсатор окажетс

10

15

20

( 1

6460358

разряженным (предполагается, что резисторы 49, 52 достаточно малы и напряжение на конденсаторе следит за напряжением на выходе повторителя), нуль-орган 51 напряжением смещения от источника минус а переключается, на его выходе появляется отрицатель- ное напряжение и ключи 45 и 46 включаются, восстанавливая нормальный режим работы системы автоматического регулирования устройства.

Таким образом, процесс разгона электродвигателя, начиная с момента трогания и до момента выравнивания сигналов с выхода выпрямителя 43 и с источником 41 смещения, осуществляется с отключенными ключами 45, 46 и максимальным током фаз статора двигателя, а значит, и максимальным возможным моментом.

Следует заметить, что действительный момент на валу электродвигателя определяется суммой статического и динамического моментов. Причем последний зависит от темпа, задаваемого формирователем 3, и маховых масс электропривода. Если сумма статического и динамического моментов меньше максимально возможного, то происходит автоматическое перераспределение составляющих токов фаз двигателя - уменьшается активная составляющая и увеличивается реактивная составляющая при неизменном его результирующем значении.

Величина частоты вращения, до которой электродвигатель разгоняется с максимально-заданным током статора, определяется напряжением смещения U.. Обычно параметры блока 44 выбираются таким образом, чтобы включение ключей 45, 46 происходило на скоростях 0,1-0,2 номинальной, когда влияние активного сопротивления на работу канала обратной связи становится незначительным.

25

30

35

40

45

0

Как описано выше, ключ 46, введенный в цепь связи выхода регулятора 16 скольжения с входом преобразователя 6 аналог-частота, во время разгона электродвигателя с предельным током статора отключен. Поэтому дополнительная составляющая частота тока статора, пропорциональная сигналу U{/ на выходе регулятора скольжения в этом режиме, отсутствует и двигатель разгоняется до меньшей частоты вращения, задаваемой лишь сигналом с блока 3 (при включенном ключе 46 к сигналу с выхода блока 3 добавился бы еще сигнал с выхода блока 16 и соответственно возросла бы и частота вращения двигателя к моменту включения ключей 45, 46). Это позволяет уменьшить величину перерегулирования по окончанию разгона. При работе двигателя на установившейся скорости токи намагничивания и напряжения в фазах A.R.C изменяются следующим образом:

V - VsinOU;

(CDt -|Ј); 1|цс i

-/ue (Urn

UA

-U cosCtOt + (

Vsin

sin(0)t + y-);5

U

-U -cos(COt 2fi

f

u/

-U cos (COt + ffl

+

2ff

20

Y

На выходах преобразователя 19 при этом имеем сигналы: -U„cos(ci)t + ({), U -sin((0t - ф), а на выходах преобразователей 24, 25 - соответственно произведения: Um sin((0t +ф) sinCOt и (Qt ф) cos COt. На выходе сумматора 27 имеем сигнал (-Uwcos(fO (при изменении направления вращения знак сигнала меняется).

Это означает, что сигнал на выходе блока обратного преобразователя координат 28 зависит только от амплитуды напряжения фаз двигателя и угла (0 и при неизменной частоте токов статора также является неизменным.

При работе двигателя на установившейся заданной скорости сигнал с формирователя 3 задания частоты вращения равен сигналу обратной связи с выхода блока обратного преобразования 23 и при холостом ходе двигате- ля сигнал на выходе регулятора 16 скольжения мал.

При набросе нагрузки ток и напряжение 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 Лаз двигателя появляется активная составляющая, создавая вращающий момент. Одновременно, поскольку заданное зна чение тока не изменилось, уменьшается реактивная составляющая, т.е. уменьшается ток намагничивания, а

,-

вырос«. . ена. ивJQт

y-);5

20

25

30

35

40

), боt O я

енве-

ю50

55

значит, уменьшается и ЭДС фаз дви- гателя, уменьшая сигнал обратной связи с выхода блока 23. Сигнал обратной связи уменьшается несколько в большей степени, чем снижается ЭДС, т.к. 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, который теперь совпадает с полным током статора о

При уменьшении сигнала обратной связи нарушается баланс между ней и задающим сигналом с формирователя 3 и на выходе регулятора скольжения 16 появляется напряжение, являющееся задгчием на увеличение активной составляющей тока статора и последняя возрастает, увеличивая момент двигателя. Для уменьшения просадки ско- .рости 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.

I

Следует заметить, что 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 использован для частичной компенсации части проекции результирующего вектора напряжения на ось, перпендикулярную току намагничивания, пропорциональной увеличению падения напряжения в активном сопротивлении i статора от приращения тика.

U,

Изобретение относится к электротехнике. Цель - повышение надежности пуска путем повышения пускового момента. Для этого в устройство для регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя введены выпрямитель 43, блок 44 определения знака производной изменения сигнала на выходе выпрямителя и ключи 45, 46, один из которых включен в цепь связи обратного координатного преобразователя 23 с входом регулятора 16 скольжения, а второй - в цепь связи выхода регулятора скольжения с входом преобразователя 6 аналог-частота, управляющие входы ключей связаны с выходом блока 44 определения знака производной изменения сигнала на выходе выпрямителя, вход которого связан с выходом блока 3 формирователя задания частоты вращения электродвигателя. В начальный момент пуска ток статора электродвигателя формированно нарастает до тока отсечки, одновременно отключается и добавка по частоте скольжения на увеличение частоты тока статора. Это увеличивает пусковой мо- ент. 2 ил. г л

Vn

/

%

iso si

Vfe

/

n

/

V

V

J1

Фиг.2