Асинхронный электропривод Советский патент 1992 года по МПК H02P7/42 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в автоматизированном электроприводе для частотного управления асинхронными электродвигателями различных промышленных установок.

Известен электропривод (авт. св. № 629618), содержащий статический преобразователь частоты с блоками управления напряжением и частотой, связанными между собой через функциональный блок, датчики напряжения и тока в цепи питания двигателя, блок измерения угла сдвига между напряжением и током, входы которого соединены с датчиками напряжения и тока, а выход через дополнительную схему сравнения связан с блоком управления частотой.

Наиболее близким по технической сущности является устройство (авт. св. № 1275731), содержащее асинхронный электродвигатель, преобразователь частоты с тремя входами управления и силовыми выходами, подключенными к выводам обмотки статора асинхронного электродвигателя, блок датчиков тока статора электродвигателя, включенный на выходе преобразователя частоты, задатчик частоты тока статора, выход которого соединен с входом формирователя гармонических сигналов и блока нелинейности, реализующего зависимость: частота тока статора - угол между векторами напряжения и тока статора, подключенного выходом к неинвертирующему входу узла сравнения, инвертирующий вход которого соединен с выходом блока деления, а выход - к входу регулятора частоты вращения, два преобразователя координат, опорные входы которых соединены с выходами формирователя гармонических сигналов, информационные входы второго преобразователя координат соединены с выходами упомянутого блока датчиков тока, а выходы - с входами блока деления, выходы первого преобразователя координат подключены к входам управления преобразователя частоты, а вход - к выходу регулятора частоты вращения.

Недостатки указанного устройства:

1.Не обеспечивается соответствие между заданной и фактической ориентаци- ями вектора напряжения, что ьлечет за собой погрешность в вычислении угла между векторами напряжения и тока статора,

2.Токи и напряжения двигателя при использовании преобразователя частоты несинусоидальны - содержат, наряду с основной, высшие гармонические составляющие, что вызывает погрешность в вычислении значений ix, iy, а соответственно и tg p.

Кроме того, использование такого решения в электроприводе с преобразователем частоты в режиме источника тока при частотно-токовом управлении затруднительно.

Цель изобретения - повышение точности стабилизации частоты вращения при из- менении момента нагрузки путем повышения точности измерения угла между

0 векторами напряжения и тока статора и компенсации изменения параметров с изменением частоты тока статора при частот- но-токовом управлении асинхронным двигателем.

5Указанная цель достигается тем, что в

асинхронный электропривод, содержащий асинхронный электродвигатель, преобразователь частоты с тремя входами управления и силовыми выходами, подключенными к

0 выводам обмотки статора асинхронного электродвигателя, блок датчиков тока статора электродвигателя, включенный на выходе преобразователя частоты, задатчик частоты тока статора, выход которого со5 единен с входом формирователя гармонических сигналов и первого блока нелинейности, реализующего зависимость частоты тока статора - угол между векторами напряжения и тока статора, подключен0 ного выходом к неинвертирующему входу узла сравнения, инвертирующий вход которого соединен с выходом блока деления, а выход - к первому входу регулятора частоты вращения, два преобразователя координат,

5 опорные входы которых соединены с выходами формирователя гармонических сигналов, информационные входы второго преобразователя координат соединены с выходами упомянутого блока датчиков тока,

0 дополнительно введены второй блок нелинейности, реализующий зависимость: частота тока статора - производная угла между векторами напряжения и тока статора, два регулятора составляющих тока по осям X, Y,

5 два блока фильтров, третий преобразователь координат, блок датчиков напряжения фаз обмотки статора двигателя, блок регуляторов фазных токов, а регулятор частоты вращения выполнен с изменяющимся коэф0 фициентом передачи, второй вход которого через второй блок нелинейности связан с задатчиком частоты тока статора, а выход подключен к неинвертирующему входу регулятора составляющей тока по оси Y, ин5 вертирующий вход которого соединен с вторым выходом второго преобразователя координат, а выход - с вторым входом пер вого преобразователя координат, первый вход которого соединен с выходом регулятора составляющей тока по оси X, инвертирующий вход которого соединен с первым выходом второго преобразователя координат, дретий преобразователь координат опорными входами через первый блок фильтров связан с выходами формирователя гармонических сигналов, информационными входами через второй блок фильтров - с выходами блока датчиков напряжения фаз обмотки статора электродвигателя, а выходами подключен к входам блока деления, причем выходы первого преобразователя координат подключены к неинвертирующим входам блока регулятора фазных токов, инвертирующие соответственно к выходам блока датчиков тока, а выходы - к входам управления преобразователя частоты.

На фиг. 1 приведена функциональная схема асинхронного электропривода с частотно-токовым управлением; на фиг. 2 - функциональная схема регулятора с изменяемым коэффициентом передачи; на фиг. 3 - функциональная схема первого блока нелинейности; на фиг. 4 - функциональная схема второго блока нелинейности.

Асинхронный электропривод состоит (фиг. 1) из асинхронного электродвигателя 1, преобразователя 2 частоты с тремя входами управления и силовыми выходами, блока 2 датчиков тока, блока 4 регуляторов фазных токов, преобразователей 5, 6 координат, регуляторов 7, 8 составляющих тока по осям X, Y, формирователя 9 гармонических сигналов, блока 10 датчиков напряжения фаз обмотки статора двигателя, блоков 11, 12 фильтров, преобразователя 13 координат, блока 14 деления, регулятора 15 частоты вращения с изменяющимся коэффициентом передачи, блоков 16, 17 нелинейности, задатчика 18 частота тока статора, узла 19 сравнения. Силовые выходы преобразователя 2 через соответствующие датчики тока блока 3 соединены с выводами обмотки статора асинхронного электродвигателя 1. Выходы блока 4 регуляторов фазных токов соединены с управляющими входами преобразователя 2. Неинвертирующие входы регуляторов блока 4 соединены соответствующими выходами преобразователя 5 координат, а инвертирующие соответственно - с выходами блока 3 датчиков тока. Опорные входы преобразователей 5, 6 координат подключены к выходам формирователя 9 гармонических сигналов, вход которого соединен с входами блоков 16, 17 нелинейности и задатчиком 18 частоты тока статора. Информационные входы преобразователя 6 координат соединены с выходами блока 3 датчиков тока, а выходы - с инвертирующими входами регуляторов 7, 8,

выходы которых подключены к входам преобразователя 5 координат, Опорные входы преобразователя 13 координат через блок 11 фильтров подключены к выходам формирователя 9, а информационные входы - через блок 12 фильтров к выходам блока 10 датчиков напряжения. Выходы преобразователя 13 координат подключены к входам блока 14 деления, выход которого подключен к инвертирующему входу узла 19 сравнения. Неинвертирующий вход узла сравнения соединен с выходом блока 16 нелинейности, выход подключен к первому входу регулятора 15, второй вход которого

соединен с выходом блока 17 нелинейности, а выход - с неинвертирующим входом регулятора 8 составляющей тока по оси Y. Регулятор 15 частоты вращения с изменяющимся коэффициентом передачи (фиг. 2) содержит пропорциональный усилитель 20, блок 21 деления, интегратор 22, сумматор

23,выход которого является выходным зажимом регулятора 15, а входы соединены с выходами блока 21 деления и интегратора

22. Входы пропорционального усилителя 20 и интегратора 22 объединены и образуют первый вход регулятора 15.

Первый вход блока 21 деления соеди- нен с выходом пропорционального усилителя 20, а второй является вторым входом регулятора 15. Блок 16 нелинейности (фиг 3) содержит два масштабных усилителя 24, 25, блок 26 деления, сумматор 27, выход которого соединен с вторым входом блока 26 деления. Входы масштабных усилителей

24,25 объединены и образуют вход блока 1 б нелинейности, а выходы соединены с первыми входами соответственно сумматора 27

и блока 26 деления, выход которого является выходом блока 16 нелинейности. На второй вход сумматора 27 подается напряжение смещения, Блок нелинейности (фиг. 4) содержит два масштабных усилителя 28, 29, два сумматора 30, 31, два умножителя 32, 33, блок 34 деления Входы масштабных усилителей 28, 29 и второй вход умножителя 33 объединены и образуют вход блока 17 нелинейности. Первые входы

сумматоров 30. 31 соединены с выходами масштабных усилителей 28, 29, а выходы, соответственно, с первыми входами блока 34 деления и умножителя 32, второй вход которого соединен с первым, а выход - с

вторым входом блока 34 деления. Первый вход умножителя 33 соединен с выходом блока 34 деления, а выход является выходом блока 17 нелинейности.

Работает электропривод следующим образом.

Сигнал заданной частоты тока статора Wc с выхода задатчика 18 управляет работой формирователя 9 гармонических сигналов. На выходе последнего формируются сигналы sin ад и cos Ofct. Эти сигналы поступают на опорные входы преобразователей 5, 6 координат непосредственно, а на опорные входы преобразователя 13 координат - через блок 11 фильтров, вносящий фазовыйсдвигб : sin(), соз(ад-#). При этом преобразователь 5 координат реализует функцию последовательного преобразования сигналов с выходов регуляторов составляющих тока по осям X, Y системы координат, вращающейся с угловой скоростью Од;, в неподвижную систему координат а ,/3 и далее - в трехфазную ABC. Его выходные сигналы (ISA , ISB , isc ) являются сигналами задания фазных токов асинхронного электродвигателя, отработка которых обеспечивается блоком 4 регуляторов фазных токов в функции сигналов обратной связи по току, снимаемых с блока 3 датчиков тока,

Преобразователи 6, 13 координат реализуют обратную функцию последовательного преобразования сигналов, поступающих на информационные входы из трехфазной ABC в двухфазную се ,/3 систему координат и далее - в систему вращающихся координат X, Y.

Выходные сигналы преобразователя 6 координат, соответствующие составляющим тока isx, isY в заданной системе координат X, Y, поступают на инвертирующие входы регуляторов 8 составляющих тока по осям X, Y, 7. Задание тока статора двигателя подается на неинвертирующий вход регулятора 8 составляющей тока по оси Y. На неинвертирующем входе регулятора 7 составляющей тока X сигнал отсутствует (isx 0). Этим обеспечивается ориентация вектора тока статора в заданной системе координат по оси Y (is SY; isx 0).

Сигналы фазных напряжений статора двигателя 1 с выхода блока 10 датчиков напряжения поступают на информационные входы преобразователя 13 координат через блок 12 фильтров, обеспечивающий выделение основной гармоники напряжения и вносящий при этом фазовый сдвиг 9.

Компенсация фазового сдвига в, обусловливающего ошибку в вычислении угла сдвига фаз векторов напряжения и тока р, достигается введением идентичного сдвига в в систему напряжений, поступающих на опорные входы преобразователя 13 координат, напряжения на входах которого Usx Usmsin р и USY Usmcos (p. Эти сигналы

поступают на выходы делимого и делителя блока 14 деления, на выходах которого выделяется сигнал, пропорциональный tg (p. Этот сигнал сравнивается с заданным t помощью узла 19 сравнения.

Результат рассогласования Д tg p воздействует на вход задания тока статора isv через регулятор 15, на второй вход которого поступает сигнал Ktg с блока 17 нелинейности, изменяющий коэффициент передачи регулятора.

Регулятор 15 реализует передаточную функцию: W(p) К/Р + G/Ktg и включает в себя интегратор 22 с коэффициентом К и

пропорциональный усилитель 20 с коэффициентом G, выход которого соединен с входом делимого блока 21 деления, на вход делителя которого поступает сигнал Ktg, Выходные сигналы блока 21 деления и

интегратора 22 складываются сумматором 23, на выходе которого формируется сигнал задания тока двигателя isY. Задание на узел 19 сравнения поступает с блока 16 нелинейности, подключенного, как и блок 17

нелинейности, к выходу задатчика 18 частоты тока статора.

Реализуемые блоками 16, 17 зависимости основаны на следующем:

1, В соответствии с Т-образной схемой

замещения асинхронного двигателя

tgp а(К1/ +К2//32)/(Кз/3+К„// +

+ К5а),(1)

где р- относительная частота тока ста- тора и ротора (относительный параметр абсолютного скольжения);

Ki -Кб - коэффициенты, определяемые конструктивными параметрами двигателя.

Величина tg p при постоянном аодно- значно определяет абсолютное скольжение /3, а соответственно и скорость вращения ротора двигателя. Чтобы обеспечить регулирование с постоянным / при изменении «, необходимо заданное значение tg ррегу- лировать в функции частоты тока статора а, приняв в выражении (1) заданное значение /3 const.

При этом

50

аа1/(а2 + аз«),

(2)

где « Шс/ «УСНОМ, а 31- а2. аз - постоянные коэффициенты.

Зависимость (2) реализуется блоком 16 нелинейности, где сигнал, пропорциональный заданной частоте тока статора Wc, поступает на входы масштабных усилителей 24,25, с выхода которых снимаются сигналы ai а и аз а, Сигнал аз а через сумматор 27,

где складывается с постоянным сигналом 32, поступает на вход делителя блока 26 деления, на вход делимого которого поступает сигнал ача. На выходе блока деления выделяется сигнал, пропорциональный

tgV

2. Коэффициент передачи обратной связи по фактическому значению tg (p в функ- изменением а. является переменной величиной, что влияет на настройку регулятора 15. Изменения /5 относительно заданного значения /3 могут быть учтены введением параметра Ktg В tg р/д/3в функции апри/3 / :

Ktg a (bi + ba а)/(Ьз + b4 a)2, где bi-b4 - постоянные коэффициенты.

Зависимость (3) реализуется блоком 17 нелинейности, где сигнал, пропорциональный (Ос, поступает на вход умножителя 33 и входы масштабных усилителей 28, 29, выходные сигналы которых Ьа «и D4 а через сумматоры 30, 31, где они складываются с постоянными bi, b2, поступают на входы блоков деления 34 и умножения 32. Последний выполняет операцию возведения в квадрат.

На входах делимого и делителя блока 34 деления формируются сигналы (02 a+ bi), и (ЬА а+ Ьз)2. Выходной сигнал, пропорциональный частному, поступает на вход умножителя 33, с выхода которого снимается сигнал Ktg.

Изменение нагрузки на валу электродвигателя приводит к изменению абсолютного скольжения. Так, при уменьшении нагрузки абсолютное скольжение уменьшается. Это в соответствии с (1) приводит к возрастайикид Ј. Поскольку обратная связь по tg p отрицательна, ток двигателя уменьшается до тех пор, пока величина tg (p не будет равна tg V , а соответственно восстановится и значение абсолютного скольжения двигателя.

При этом автоматически поддерживается постоянной скорость вращения ОУ при заданной частоте о)с тока статора, а каждому значению Шс однозначно соответствует значение и при постоянном значении абсолютного скольжения двигателя.

Формула изобретения

Асинхронный электропривод, содержащий асинхронный электродвигатель, преоб- разователь частоты с тремя входами управления и силовыми выходами, подклю

ченными к выводам обмотки статора асинхронного электродвигателя, блок датчиков тока статора электродвигателя, включенный на выходе преобразователя частоты, задат5 чик частоты тока статора, выход которого соединен с входом формирователя гармонических сигналов и первого блока нелинейности, реализующего зависимость частота тока статора - угол между векторами напря10 жения и тока статора, подключенного выходом к неинвертирующему входу узла сравнения, инвертирующий вход которого соединен с выходом блока деления, а выход - с первым входом регулятора частоты

15 вращения, два преобразователя координат, опорные входы которых соединены с выходами формирователя гармонических сигналов, информационные входы второго преобразователя координат соединены с

20 выходами упомянутого блока датчиков тока, отличающийся тем, что, с целью повышения точности стабилизации частоты вращения при изменении момента нагрузки путем повышения точности измерения угла

25 между векторами напряжения и тока статора и компенсации изменения параметров с изменением частоты тока статора, дополнительно введены второй блок нелинейности, реализующий зависимость частота тока ста30 тора - производная угла между векторами напряжения и тока статора, два регулятора составляющих тока по осям X и Y, два блока фильтров, третий преобразователь координат, блок датчиков напряжения фаз обмотки

35 статора двигателя, блок регуляторов фазных токов, а регулятор частоты вращения выполнен с изменяющимся коэффициентом передачи, второй вход которого через второй блок нелинейности связаны с задатчи40 ком частоты тока статора, а выход подключен к неинвертирующему входу регулятора составляющей тока по оси Y, инвертирующий вход которого соединен с вторым выходом второго преобразователя

45 координат, а выход - с вторым входом первого преобразователя координат первый вход которого соединен с выходом регулятора составляющей тока по оси X, инвертирующий вход которого соединен с первым

50 выходом второго преобразователя координат, третий преобразователь координат опорными входами через первый блок фильтров связан с выходами формирователя гармонических сигналов, информационными

55 входами через второй блок фильтров - с выходами блока датчиков напряжения фаз обмотки статора электродвигателя, а выходами подключен к входам блока деления, причем выходы первого преобразователя координат подключены к неинвертирующим входам блока регулятора фазных токов, дам блока датчиков тока, а выходы - к вхо- инвертирующие - соответственно к выхо- дам управления преобразователя частоты.

Использование: частотное управление асинхронных электродвигателей различных промышленных установок. Сущность изобретения: асинхронный электропривод содержит асинхронный электродвигатель 1, выводы статорных обмоток которого соединены с силовыми выходами преобразователя 2 частоты через блок 3 датчиков тока, Опорные входы преобразователей 5, 6 координат подключены к выходам формирователя гармонических сигналов, вход которого соединен с входами блоков 16, 17 нелинейности и задатчиком 18 частоты тока статора. Информационные входы преобразователя 6 координат соединены с выходами блока 3 датчиков тока, а выходы - с инвертирующими входами регуляторов 7, 8 тока, выходы которых подключены к входам преобразователя 5 координат. Опорные входы преобразователя 13 координат через блок 11 фильтров подключены к выходам формирователя 9, а информационные входы - через блок 12 фильтров - к выходам блока 10 датчиков напряжения. Выходы преобразователя 13 координат подключены к входам блока 14 деления, выход которого подключен к инвертирующему входу узла 19 сравнения. Неинвертирующий вход узла сравнения соединен с выходом блока 16 нелинейности, выход подключен к первому входу регулятора 15, второй вход кэторого соединен с выходом блока 17 нелинейности, а выход - с неинвертирующим входом регулятора 8 составляющей тока по оси Y. 4 ил (Л С м о 4 Os Ю О

9.3f

&&№

.«2

з-Т