Частотно-управляемый электропривод Советский патент 1992 года по МПК H02P7/42 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в автоматизированном электроприводе переменного тока.

Структурные схемы управления двигателями переменного тока могут включать в себя датчик скорости либо датчик ЭДС. Системы с датчиками скорости (замкнутые системы по скорости) имеют лучшие динамические показатели по сравнению с системами, включающими датчик ЭДС, но требуют датчика скорости, что понижает надежность.

Цель изобретения - разработка системы управления асинхронными двигателями, которая, с одной стороны, имела бы высокие динамические показатели, как у систем,

замкнутых по скорости, а, с другой стороны, имела бы повышенную надежность.

Известен частотно-управляемый электропривод (В.Л .Соседка и другие, авт.св. № 1372581, опубликованное в бюл. Мг5 1988г. и В,Л.Соседка и другие, положительное решение по заявке Ns 4424654/07 (073561), которое наиболее близко к предлагаемому изобретению и поэтому принято в качестве прототипа. Устройство содержит два регулятора составляющих тока, силовой преобразователь частоты, датчики тока, датчики напряжения, асинхронный двигатель, дифференцирующий блок, три сумматора, блок задания управляющего сигнала, преобразователь напряжение-частота, блок вычисления задающих переменных и блок вычисления текущих переменных.

vj XI

со

&

Это устройство позволяет осуществлять стабилизацию угла между вектором ЭДС и вектором тока, что приводит к стабилизации величины абсолютного скольжения и, следовательно, позволяет поддерживать на за- данном уровне частоту вращения ротора при заданной частоте поля при изменении момента

Стабилизация угла между вектором ЭДС и вектором тока и отсутствие тахогене- ратора является положительными качествами устройства.

К недостаткам прототипа следует отнести значительную сложность и относительно низкое быстродействие.

Сложность объясняется значительным числом логических блоков для осуществления синхронизации и относительно сложным алгоритмом, для реализации которою требуются компараторы тока, срабатывающие при переходе тока через нуль. А так как кривая гока содержит пульсации, то момент перехода.тока через нуль определяется с ошибкой, что ухудшает динамические показатели системы. Применение фильтров ста- билизирует работу нуль-органа, но усложняет устройство и ухудшает быстродействие

Относительно низкое быстродействие связано с тем, что объект регулирования, асинхронный двигатель, имеет две большие постоянные времени (электромеханическую и электромагнитную) и для их компенсации требуется два регулятора. Применение одного, что имеет место в про- тотипе, уменьшает быстродействие.

Таким образом устройство, принятое в качестве прототипа, характеризуется пониженным быстродействием.

Цель изобретения - улучшение динами- ческих показателей путем повышения быстродействия.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство введены четвертый сумматор, два регулятора составляющих ЭДС и блок поворота вектора тока, два входа которого подключены к соответствующим выходам второго блока преобразования координат, при этом первый вход четвертого сумматора подключен к выходу блока задания управля- ющего сигнала, а второй вход - к одному из выходов второго блока преобразования координат, другой выход которого подключен к входу дифференцирующего блока и четвертому входу блока определения составля- ющих ЭДС, выход четвертого сумматора подключен к объединенным между собой первым входом регуляторов составляющих ЭДС, вторые входы которых подключены соответственно к выходам второго и третьего

сумматоров, выходы регуляторов составляющих ЭДС, подключены к первым входам соответствующих регуляторов составляющих тока статора, вторые входы которых соединены с выходами блока поворота вектора тока, а выход преобразователя напряжение-частота подключен к объединенным между собой третьим входом первого, второго и третьего блоков преобразования координат.

На фиг. 1 представлена функциональная схема системы управления асинхронным двигателем, на фиг. 2 - векторная диаграмма, поясняющая его работу.

Частотно-управляемый электропривод (фиг.1) содержит асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором 1, статорные обмотки которого подключены к выходам силового преобразователя частоты 2, датчики фазных токов 3 и напряжений обмотки статора двигателя 4, блок задания управляющих сигналов 5, два регулятора составляющих тока статора 6, 7, выходы которых подключены к первым двум входам первого блока преобразования координат 8, выходы которого подключены к управляющим входам силового преобразователя частоты 2. Второй и третий блоки преобразования координат 9, 10, подключены первыми двумя входами через соответствующие преобразователи числа фаз 11, 12 к выходам датчиков фазных токов

3 и напряжений 4. Кроме того, частотно- управляемый электропривод содержит преобразователь напряжечие-частота 13, дифференцирующий блг 14, блок определения составляющих ЭДС 15 и три сумматора 16, 17. Причем, первый сумматор 16 первым входом подключен к выходу блока задания управляющего сигнала 5, а первые входы второго 17 и третьего сумматоров подключены к соответствующим выходам блока определения составляющих ЭДС 15,вторые входы первого 16 и второго 17 сумматоров объединен ы между собой и под- ключены к первому выходу дифференцирующего блока 14, второй выход которого соединен со вторым входом третьего сумматора 18. а выход первого сумматора 16 соединен с входом преобразователя напряжение-частота 13, выход которого подключен к первому входу блока определения составляющих ЭДС 15, второй и третий входы которого соединены с выходами третьего блока преобразования координат 10,

В частотно-управляемый электропривод введены четвертый сумматор 19, два регулятора составляющих ЭДС 20, 21 и блок поворота вектора тока 22

Причем, два входа блока поворота вектора тока 22 подключены к соответствующим выходам второго блока преобразования координэтЭ, а первый вход четвертого сумматора 19 подключен к выходу блока задания управляющего сигнала 5, а второй вход - к одному из выходов второго блока преобразования координат 9, другой выход которого подключен к входу дифференцирующего блока 14 и четвертому входу блока определения составляющих ЭДС, 15, а выход четвертого сумматора 19 подключен к объединенным между собой первыми входами регуляторов составляющих ЭДС 20, 21, вторые входы которых подключены соответственно к выходам второго и третьего сумматоров 17, 18, выходы регуляторов составляющих ЭДС 20, 21 подключены к первым входам соответствующих регуляторов составляющих тока статора 6, 7, вторые входы которых соединены с выходами блока поворота вектора тока 22, а выход преобразователя напряжение-частота подключен к объединенным между собой третьими входами первого 8, второго 9 и третьего 10 блоков преобразования координат.

Все блоки, используемые при реализации функциональной схемы, кроме блока поворота вектора тока 22 и блока определения составляющих ЭДС 15 являются стандартными.

Блок поворота вектора тока 22 поворачивает вектор тока статора на фиксированный угол а. против часовой стрелки согласно выражения

d idcos a - iqsin a

d - iqcos a t- idsin a

0)

где id, iq - проекция вектора тока статора по вращающейся системе координат, действительная ось которой совпадает с действительной составляющей вектора напряжения.

I d, i q - проекции вектора тока статора во вращающейся системе координат, повернутые относительно первоначального значения (id, iq) на фиксированный угол а.

При фиксированном значении угла а (блок 22) реализуется с помощью четырех операционных усилителей, соединенных между собой согласно выражения (1), коэффициенты передачи которых определяются значением угла а. .

Блок определения составляющих ЭДС 15 реализует соотношения.

Ud-IR E2q Ug - IXi

(2) (3)

где lid, Uq - проекция векторя напряжения во вращающейся системе координат, определенные с помощью координатного преобразователя 10,

I - модуль тока, определенный с помощью координатного преобразователя 9.

R, Х| - активное сопротивление и переходное индуктивное сопротивление обмотки статора.

HS фиг. 2 изображена векторная диаграмма асинхронного двигателя. Ток статора, в зависимости от нагрузки и подводимого напряжения, принимаем положение ОАч, ОАа или ОАз. Положение ОАа свидетельствует о перегрузке двигателя

(скольжение больше заданного), так какугол между вектором тока статора и потокосцеп- лением ротора больше заданного), Положение ОАз свидетельствует о недогрузке двигателя (скольжение меньше заданного).

При отклонении режима от оптимального (положения вектора ОАт) в системе появляется сигнал пропорциональный составляющей iq, знак и величина которого свидетельствуют об отклонении режима от

оптимального.

Кроме того, на векторной диаграмме (фиг.2) изображено положение вектора тока статора на выходе блока поворота вектора тока 22.

Если вектор тока находится выше оси

ОЕ2, то двигатель перегружен (скольжение больше заданного), если ниже - то двигатель недогружен (скольжение меньше заданного), а если вектор тока лежит на линии

ОЕ2 (сектор ОА). то двигатель работает в оптимальном режиме.

Следует отметить, что положение вектора ЭДС определяется коэффициентом усиления регуляторов ЭДС 20, 21. Угол между

вектором Е2 и 1 может принимать различные значения, но максимум момента достигается тогда, когда угол между вектором тока и потокосцеплением ротора равен 45°. Если настраивать систему на поддержание

этого угла, то к быстродействию системы требуется предъявить повышенные требования, так как увеличение нагрузки приводит к увеличению угла и уменьшение момента двигателя. Учитывая, что зависимость момента от угла в районе 45° имеет довольно плоскую вершину, то систему регулирования целесообразно настраивать на несколько меньший угол, например 40° (угол между векторами 1 и ipi равен 40°, а

между векторами Е2 и 2 - 50°). Эта точка по своим энергетическим показателям незначительно отличается от оптимальной, но зато при увеличении нагрузки двигатель будет обладать способностью саморегулирова- ния, т.е. при увеличении нагрузки наблюдается увеличение фазового сдвига, чю приводит (при увеличении фазового сдвига до 45°), к увеличению момента двигателя благодаря внутренним свойствам двигате- ля, а не действию системы регулирования. Конечно, за время увеличения фазового сдвига в системе вырабатываются компен- сирующие сигналы, но требования к быстродействию системы снижается. Зададим для конкретности требуемый фазовый сдвиг между вектором тока и вектором потокос- цепления ротора равный АО0. Тем самым задано расположение вектора Еа, т.е. отношение между Е и Е.2.

Электропривод переменного гока работает следующим образом.

Напряжение с выхода блока задания управляющих сигналов 5 через первый сумматор 8 подается на вход преобразователя напряжение-частота 13 на выходе которого появляется последовательность импульсов, которые подаются на третьи входы координатных преобразователей 8, 9 и 10. Одновременно напряжение с выхода блока задания управляющих сигналов 5 через четвертый сумматор 19 подается на первые входы регулятор действительной 20 и мнимой 21 и составляющих ЭДС. Коэффициенты усиления этих регуляторов определяют заданное положение вектора ЭДС. Выходные сигналы регуляторов ЭДС 20,21 формируют задающий сигнал на входы соответствующих регуляторов тока 6 и 7, на выходе которых формируются сигналы за- дания по осям d, q, (isd, isq) - задающие сигналы тока статора по осям d, q). Первый блок преобразования координат 8 из задающих сигналов isd и isq и синтезированных из последовательности импульсов опорных гармонических сигналов начинает формировать задающие сигналы силового преобразователя 2, амплитуда и фаза которых определяется сигналами i3a и iaq. а частота - последовательностью импульсов с выхода преобразователя напряжение-частота 13. В силовом преобразователе 2 формируется трехфазный ток заданной частоты, который через датчики фазных токов 3 подается на статорные обмотки асинхронного двигателя 1. Фазные токи измеряются датчиками токов 3 и через преобразователь фаз 11 подают сигналы на первый и второй входы второго координатного преобразователя 9, который осуществляет перевод токов статора во вращающуюся систему координат. Аналогично напряжения измеряются датчиками фазных напряжений 4 и через преобразователь фаз 12 подают сигнал на первый и второй входы третьего координатного преобразователя 10, который осуществляет перевод напряжения статора во вращающуюся систему координат.

Коэффициенты передачи регуляторов ЭДС 20 и 21 формируют задающий сигнал таким образом, что составляющая id будет иметь значение близкое к максимуму. Если положение вектора тока статора не совпадает с действительной осью (фиг.2), то появляется составляющая iq, которая через четвертый сумматор 19 подается на регуляторы ЭДС 20 и 21 и корректирует задание таким образом, чтобы составляющая id имела бы максимальное значение.

Выходной сигнал id второго блока преобразования координат 9 подается на дифференцирующий блок 14, блок определения составляющих ЭДС 15 и блок поворота вектора тока 22, а выходной сигнал iq блока 14 подается на второй вход четвертого сумматора 19 и блок поворота вектора тока 22, который осуществляет поворот вектора тока статора согласно выражения (1) на угол а против часовой стрелки, что позволяет на входе регуляторов тока осуществить сравнение задающих сигналов (выходы регуляторов ЭДС) и фактических сигналов (выходы блока поворота вектора тока).

На выходе третьего координатного преобразователя 10 появляются сигналы Ud и Uq, характеризующие вектор напряжения во вращающейся системе координат, которые подаются на второй и третий входы блока определения составляющих ЭДС 15, в котором по -измеренным составляющим напряжения Ud и Uq и по падению напряжения на активном и индуктивном сопротивлении, определяются составляющие ЭДС ротора согласно выражения (2) и (3). Выходные сигналы блока определения составляющих ЭДС через второй 17 и второй 18 сумматора образуют сигналы обратных связей, которые подаются на вторые входы регуляторов ЭДС 20, 21 на первые входы которых подается задающий сигнал с выхода четвертого сумматора 19, что обеспечивает на выходе регуляторов ЭДС 20 и 21 задание по формированию требуемого значения напряжения силового преобразователя 2 для поддержания на заданном уровне составляющих ЭДС.

Приувеличении нагрузки в системе происходят следующие процессы. Обороты двигателя уменьшаются, начинает умень- ЛЈаться составляющие ЭДС, начинает расти

ток статора и изменяется угол между вектором ЭДС ротора и вектором тока статора, что приводит к появлению составляющий iq на выходе второго блока преобразования координат 9. Сигнал, пропорциональный iq, через четвертый сумматор 19 подается на вход регуляторов ЭДС 20, 21, что увеличивает задание на напряжение, подводимое к двигателю, Кроме того, при набросе нагрузки на выходе дифференцирующего блока 14 появляется сигнал, который через второй и третий сумматоры 17, 18 по цепи обратной связи подаются на входы регуляторов ЭДС 20, 21, что приводит к более интенсивному росту задающих сигналов на выходе регуляторов ЭДС 20, 21. Одновременно через первый сумматор 16 выходной сигнал дифференцирующего блока 14 подается на первый сумматор 16, что увеличивает напряжение на входе преобразователя напряжение-частота 13, что способствует увеличению частоты поля двигателя и уменьшению динамических посадок скорости при увеличении нагрузки

Следует указать, что между вектором ЭДС ротора и вектором тока статора существует некоторый угол, для исключения которого введен блок поворота вектора тока статора 22. Тогда при набросе нагрузки вектор тока статора поворачивается против часовой стрелки (на векторной диаграмме он будет расположен выше линии ОЕа). В этом случае, даже при одинаковых выходных сигналах регуляторов ЭДС 20, 21 сигналы ошибок на входах регуляторов тока 6, 7 будут разными, за счет поворота вектора тока статора сигнал шибки на входе регулятора тока 6 по оси d будет больше сигнала ошибки на входе регулятора тока 7 по оси q, что увеличит сигнал i3d в большей степени, чем сигнал i3q. Следовательно отработка сигнала ошибки будет происходит не только за счет увеличения модуля напряжения, но и за счет изменения его фазы.

Таким образом, отработка возмущения идет по трем каналам:

увеличение модуля напряжения силового преобразователя (сигнал ошибки приложен одновременно к двум регуляторам ЭДС 20,21);

увеличение частоты поля двигателя;

изменение фазы задающего сигнала, которое происходит как за счет изменения сигналов обратной связи составляющих ЭДС Had, E2q, так и за счет изменения сигналов обратной связи составляющих токов i d, i q.

По окончании переходного процесса угол между вектором тока статора и вектором ЭДС ротора остается прежним, но между вектором напряжения статора и током статора уменьшился, что свидетельствует о том, что система регулирования будет поддерживать оптимальный режим при изменении нагрузки.

При изменении частоты положения задающего вектора QE2 не изменилось, а изменяются сигналы обратной связи Ead и E2q Так как составляющая ЭДС Eaq зависит от

частоты, а составляющая Ead зависит только оттока статора, то при уменьшении частоты составляющая ошибка на входе регулятора ЭДС 20 действительной составляющей тока будет больше ошибки на входе регулятора

ЭДС 21 мнимой составляющей тока.

Следовательно, задание на ток регулятора тока 6 действительной составляющей тока будет больше задания на ток регулятора 7 мнимой составляющей. А это приведет

к тому, что система будет поддерживать оптимальный угол между током статора и по- токосцеплением ротора и при изменении частоты.

Из описания работы системы регулирования видно, что в последней отсутствуют сложные и ненадежно работающие при помехах блоки синхронизации, что упрощает устройство. Кроме того, применение двух регуляторов в каждом канале и ввод в систему регулирования блока поворота вектора тока позволяет повысить динамические показатели путем повышения быстродействия и стабилизировать угол между током статора и потокосцеплением ротора, ч го позволяет работать двигателю с максимальным КПД вне зависимости от частоты и момента нагрузки. Увеличение КПД приводит к уменьшению потери в преобразователе частоты и снижению реактивной мощности, потребляемой силовым преобразователем от сети.

Формула изобретения

Частотно-управляемый электропривод, содержащий асинхронный двигатель с ко- роткозамкнутым ротором, статорные обмотки которого подключены к выходам силового преобразователя частоты, датчики фазных токов и напряжений обмотки стато- ра двигателя, блок задания управляющего сигнала, два регулятора составляющих тока статора, выходы которых подключены к первым двум входам nepsoi о блока преобразования координат, выходами подключенного к управляющим входам силового преобразователя частоты, второй и третий блоки преобразования координат, подключенные первыми двумя входами через соответствующие преобразователи числа фаз к выходам датчиков фазных токов и напряжений, преобразовзтель напряжение-частота, дифференцирующий блок, блок определения составляющих ЭДС и три сумматора, первый из которых первым входом подключен к выходу блока задания управляющего сигнала, гервые входы второго и третьего сумматоров подключены к соответствующим выходам блока определения составляющих ЭДС, вторые входы первого и второго сумматоров объединены между собой и подключены к первому выходу дифференцирующего блока, второй выход которого соединен с вторым входом третьего сумматора, а выход первого сумматора соединен с входом преобразователя напряжение-частота, выход которого подключен к первому входу блока определения составляющих ЭДС, второй и третий входы которого соединены с выходами третьего блока преобразования координат, отличающийся тем, что, с целью улучшения динамических показателей путем повышения быстродействия, введены четвертый сумматор, два регулятора составляющих ЭДС и блок поворота вектора тока,

0

5

0

5

два входа которого подключены к соответствующим выходам второго блока преобразования координат, при этом первый вход четвертого сумматора подключен к выходу блока задания управляющего сигнала, а второй вход - к одному из выходов второго блока преобразования координат, другой выход которого подключен к входу дифференцирующего блока и четвертому входу блока определения составляющих ЭДС, выход четвертого сумматора подключен к объединенным между собой первым входам регуляторов составляющих ЭДС, вторые входы которых подключены соответственно к выходам второго и третьего сумматоров, выходы регуляторов составляющих ЭДС подключены к первым входам соответствующих регуляторов составляющих тока статора, вторые входы которых соединены с выходами блока поворота вектора тока, а выход преобразователя напряжение-частота подключен к объединенным между собой третьим входам первого, второго и третьего блоков преобразования координат.

Частотно-управляемый электропривод. Использование: в общепромышленных механизмах. Сущность: введены сумматор, регуляторы составляющих ЭДС и блок поворота вектора тока, два входа которою подключены к выходам блока преобразователя координат, при этом первый вход сумматора подключен к выходу блока задания управляющего сигнала, а второй вход - к одному из выходов блока преобразования координат, другой выход которого подклю-. чен к входу дифференцирующего блока и к соответствующему входу блока определения составляющих ЭДС. При этом повышаются динамические показатели электропривод путем повышения быстродействия и стабилизируется угол между векторами тока статора и потокосцепления ротора.2 ил.

Фиг. 7

О

2-2

&