Электропривод с частотно-токовым управлением Советский патент 1992 года по МПК H02P7/42 

XI J ГО

ю VI

Использование: в регулируемом электроприводе на базе синхронных двигателей с частотно-токовым управлением. Сущность изобретения: электропривод содержит синхронный двигатель 1 с фазовращателем 2, фазочувствительный выпрямитель 3, соединенный выходом через усилитель 4 фазных токов с фазными обмотками двигателя 1, генератор 5 синусоидальных напряжений, соединенный выходом с опорным входом фазочувствительного выпрямителя 3 и с входными обмотками фазовращателя 2, управляемый фазосмещающий блок 6, подключенный сигнальным входом к выходу фазовращателя 2, а выходом-к информационному входу фазочувствительного выпрямителя 3, который подключен первым входом к выходу блока 8 управления моментом синхронного двигателя, вторым входом - к выходу блока 9 задания начальной фазы тока синхронного двигателя, а выходом - к управляющему входу фазосмещающего блока 6. 2 ил. СО с

Фиг.1

Изобретение относится к электротехнике, а именно к управляемым электроприводам переменного тока с частотно-токовым управлением, и может быть использовано в регулируемом приводе подач на базе линей- ных синхронных двигателей.

Известен электропривод с частотно-токовым управлением, содержащий синхронный двигатель, датчик положения типа сельсина, ротор которого механически сое- динен с ротором двигателя, блок фазированных выпрямителей, соединенный выходом через усилитель фазных токов с фазными обмотками синхронного двигателя, генератор синусоидальных напряжений, соединенный выходом с опорным входом блока фазированных выпрямителей и через управляемый амплитудный модулятор с входной обмоткой датчика положения, выходные обмотки которого подключены к ин- формационному входу блока фазированных выпрямителей.

Управление моментом осуществляется путем запитки обмотки возбуждения сель- сина переменным напряжением несущей частоты с регулируемой амплитудой. Инерционность цепи возбуждения сельсина существенно снижает быстродействие электропривода.

Недостатком известного электропривода является невысокое быстродействие.

Наиболее близким к предлагаемому является электропривод с частотно-токовым управлением, содержащий синхронный двигатель, фазовращатель, ротор которого механически соединен с ротором двигателя, фазочувствительный выпрямитель, соединенный выходом через усилитель фазных токов с фазными обмотками синхронного двигателя, генератор синусоидальных напряжений, выходом подключенный к входным обмоткам фазовращателя, управляемый фазосмещающий блок, под- ключенный сигнальным входом к выходу фазовращателя, а выходом - к информационному входу фазочувствитель- ного выпрямителя, блок управления моментом синхронного двигателя и блок задания начальной фазы тока синхронного двигателя. При этом генератор синусоидальных напряжений соединен с фазочувствительным выпрямителем через блок задания амплитуды тока, управляющий вход которого под- ключей к блоку управления синхронным двигателем, а блок задания начальной фазы тока синхронного двигателя подключен к управляющему входу фазосмещающего блока.

Фазные обмотки синхронного двигателя запитываются токами, пропорциональными напряжениям:

Ufi Uocosp в- Urjsinp в;

Uqi UDSinp0+ UQCOS в, где UD и UQ - напряжения заданной продольной и поперечной составляющих тока синхронного двигателя;

в - угол, равный механическому углу между осями входных и выходной обмоток фа зо в ра щател я ;

р-число пар пол юсов синхронного двигателя.

Возникающий момент вращения пропорционален амплитуде поперечной составляющей тока синхронного двигателя.

В известном устройстве амплитуда тока в каждой фазе задается с использованием блоков умножения. Поскольку для блоков умножения характерна погрешность перемножения сигналов, то не представляется возможным сформировать фазные токи синхронного двигателя с равными амплитудами. По этой причине возникают паразитные пульсации в моменте вращения двигателя, снижающие точность управления им.

Например, широко используемый четы- рехквадрантный аналоговый перемножитель сигналов типа интегральной микросхемы К525 ПС1 характеризуется нелинейностью перемножения по входам - до 4%, а также прогрешностью перемножения входных напряжений - до 4%.

Недостатком известного устройства является невысокая точность регулирования момента вращения синхронного двигателя, обусловленная наличием паразитных пульсаций момента вращения. Эти пульсации порождаются неравенством амплитуд фазных токов двигателя, вносимым блоками умножения.

Целью изобретения является повышение точности -регулирования момента вращения за счет обеспечения равенства амплитуд токов двигателя.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого электропривода; на фиг.2 - схема управляемого фазосмещающего блока.

Электропривод содержит синхронный двигатель 1, фазовращатель 2, ротор которого механически соединен с ротором двигателя 1, фазочувствительный выпрямитель 3, соединенный выходом через усилитель 4 фазных токов с фазными обмотками синхронного двигателя 1, генератор 5 синусоидальных напряжений, соединенный выходом с опорным входом фазочувстви- тельного выпрямителя 3 и с входными обмотками фазовращателя 2, управляемый

фазосмещающий блок 6, подключенный сигнальным входом к выходу фазовращателя 2, а выходом - к информационному входу фазочувствительного выпрямителя 3, сум- матор 7. подключенный первым входом к выходу блока 8 управления моментом синхронного двигателя, вторым входом - к выходу блока 9 задания начальной фазы тока синхронного двигателя, а выходом - к уп- равляющему входу фазосмещающего блока 6.

Управляемый фазосмещающий блок 6 содержит счетчик 10 импульсов, счетный вход С, которого подключен к генератору 11 импульсов, вход сброса R - к выходу триггера 12, вход установки S которого подключен к выходу Р счетчика 10, а вход установки нуля R, объединенный с входом записи L счетчика 10, подключен к выходу формиро- вателя 13 коротких импульсов. Сигнальным входом фазосмещающего блока 6 является вход формирователя 13 коротких импульсов, управляющим входом - вход А предустановки счетчика 10, а выходом - выход Р счетчика 10.

Фазочувствительный выпрямитель 3 в упрощенном варианте состоит из элементов выборки-хранения, каждый из которых включает в себя управляемый ключ и запо- минающий конденсатор. Входные цепи ключей образуют опорный вход фазочувствительного выпрямителя, а цепи коммутации ключей - его информационный вход.

В качестве блока 8 управления момен- том синхронного двигателя может быть регулятор скорости или углового положения ротора двигзтеля с цифровым выходом. Регулятор скорости может содержать задатчик и датчик скорости вращения, измеритель рассогласования скоростей и регулятор, например, П-типа на выходе.

Электропривод работает следующим образом.

Для примера в качестве синхронного двигателя рассмотрим двухфазную синхронную машину с возбуждением от постоянных магнитов.

Управляющий сигнал UsCt), приходящий от блока 8, суммируется с заданием Оэ на- чальной фазы тока синхронного двигателя на сумматоре 7. Полученный результат поступает на управляющий вход фазосмещающего блока 6.

Генератор синусоидальных напряже- ний вырабатывает двухфазное напряжение.

UsA U50Cos tot; U5B Usosin tot , (1) которое поступает на опорный вход фазочувствительного выпрямителя 3 и используется для возбуждения фазовращателя 2, с выхода которого снимается напряжение

U2 U20SIП (О) t -в (t) - во),(2)

где to- несущая частота;

в (t) - смещение по фазе, пропорциональное углу поворота ротора двигателя;

Uso, U20 и 90 - постоянные величины.

Выходное напряжение фазовращателя 2 поступает на сигнальный вход управляющего фазосмещающего блока 6.

В фазосмещающем блоке 6 формирователь 13 преобразует входное синусоидальное напряжение (2) в серию коротких импульсов, которые вырабатываются в моменты смены знака входного напряжения с отрицательного на положительный, т.е. в моменты времени

t| 2 -6b+0(t) , 012

где #(tj) - смещение по фазе, пропорциональное углу поворота ротора двигателя и соответствующее времени ti.

На выходе фазосмещающего блока 6 вырабатываются короткие импульсы, задержанные относительно выходных импульсов формирователя 13 на время, пропорциональное сигналу, поступающему на управляющий вход блока 6, т.е. в моменты времени

,±m+Tt (3)

где (Us(t) + Ug);

К - постоянная величина.

Короткие импульсы с выхода фазосмещающего блока 6 приходят на информаци- онный вход фазочувствительного выпрямителя 3, в котором замыкают управляемые ключи. Запоминающие конденсаторы заряжаются до напряжений, равных напряжениям на входах ключей. После размыкания ключей напряжения на запоминающих конденсаторах сохраняются. Поскольку на опорный вход фазочувствительного выпрямителя 3 приходит двухфазное напряжение (1), а на информационный вход поступают короткие импульсы & момент времени (3), то на выходе фазочувствительного выпрямителя 3 сформируется ступенчатый сигнал, апроксимирующий двухфазное напряжение: УЗА U3ocos(0(t) + К ш U8(t) - в0 + Kto Us); (4) Узв U3osin(0(t) + К (a Us(t) - в0+ К to Ug).

При обеспечении начального смещения по фазе выходного сигнала фазовращателя 2 (2) на угол в0 К со Ug двухфазное напряжение (4) принимает вид

УЗА изо cos(0(t) + К toUe(t));

U3B U30sin(0(t)+KtoU8(t)), где Uso - постоянная величина.

Это двухфазное напряжение поступает на усилитель 4 фазных токов, который запитывает обмотки синхронного двигателя токами, пропорциональными заданию, т.е.

iA i0cos(0(t) + Ku)U8(t));

iB ioSin(0(t) + K yUa(t)),(5)

где io - постоянная величина.

При запитке обмоток синхронного двигателя токами (5), возникающий момент вращения оказывается равным

М - Mosin К ш Lb (t),(6)

где М0- постоянная величина.

Управление моментом синхронного двигателя с помощью регулирования фазы токов осуществляется при постоянной амплитуде. Это позволяет обеспечить равенство амплитуд токов двигателя с высокой точностью. Регулирование же фазы токов с помощью одного фазосмещающего блока исключает возможное неравенство управляемых смещений по фазе токов двигателя.

В предлагаемом электроприводе обеспечивается равенство как управляемых смещений по фазе токов двигателя, так и равенство их амплитуд, исключающее возникновение паразитных пульсаций момента вращения синхронного двигателя.

Управляемый фазосмещающий блок 6 работает следующим образом.

В исходном состоянии выходным сигналом триггера 12 является логическая единица, которая блокирует работу счетчика 10 по входу сброса R.

Формирователь 13 вырабатывает короткие импульсы в виде логических сигналов отрицательной полярности. С приходом логического нуля на вход записи L в счетчик 10 записывается код числа, поступивший на вход предустановки А. На выходе триггера 12 устанавливается логический нуль.

По окончании короткого импульса, сформированного блоком 13, счетчик 10 начинает счет импульсов на вычитание, приходящих от генератора 11. По окончании счета на выходе счетчика 10 вырабатывается короткий импульс, задержанный относительно выходного импульса формирователя 13 на время

,(7)

где ПА - код числа на входе предустановки А счетчика 10;

Гц - период выходных импульсов генератора 11.

Выходным импульсом счетчика 10 триггера 12 возвращается в исходное состояние, тем самым блокируется работа счетчика 10 до прихода следующего короткого импульса с выхода формирователя 13.

Максимальное время задержки

.(8)

Это выражение получено следующим образом.

Согласно (3) т K(Ue(t) + Ug). В соответствии с (6) /Ксо U8(t)/max -п. Учитывая, что

задание начальной фазы тока синхронного двигателя Ug /Ue(t)/max непосредственно приходим к выражению (8).

В данном примере электропривода мо0 мент вращения нелинейно зависит от у прав- ля ющего сигнала. Когда требуется иметь линейную зависимость, то необходимо предусмотреть, например, в блоке управления моментом вращения синхронного двигате5 ля функциональный преобразователь с арк- синусной характеристикой.

Таким образом, переход от управления моментом с помощью регулирования амплитуды токов синхронного двигателя по не0 скольким каналам к управлению моментом с помощью регулирования фазы позволяет исключить паразитные пульсации, порождаемые неравенством амплитуды токов синхронного двигателя. Регулирование же фазы

5 токов синхронного двигателя по одному каналу исключает возможное неравенство уп- равляемых смещений по фазе токов синхронного двигателя. Предлагаемое устройство может найти применение при уп0 равлении как круговыми, так и линейными синхронными двигателями.

Формула изобретения

5 Электропривод с частотно-токовым управлением, содержащий синхронный двигатель, фазовращатель, ротор которого механически соединен с ротором двигателя, фазочувствительный выпрямитель, связан0 ный выходом через усилитель фазных токов с фазными обмотками синхронного двигателя, генератор синусоидальных напряжений, выходом подключенный к входным обмоткам фазовращателя, управляемый фазосме5 щающий блок, подключенный сигнальным входом к выходу фазовращателя, а выходом - к информационному входу фазочувстви- тельного выпрямителя, блок управления моментом синхронного двигателя, блок

0 задания начальной фазы тока синхронного двигателя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности регулирования момента вращения за счет обеспечения равенства амплитуд фазных токов двигателя,

5 в него дополнительно введен сумматор, подключенный первым входом к выходу блока управления моментом синхронного двигателя, вторым входом - к выходу блока задания начальной фазы тока синхронного двигателя, выходом - к управляющему входу фазосмещающего блока, а выход генератора синусоидальных напряжений подключен к опорному входу фазочувствительного выпрямителя.

Фиг. 2