Устройство для управления асинхронным электродвигателем Советский патент 1993 года по МПК H02P5/34 

Изобретение относится к области автоматического управления, в частности к устройствам управления частотой вращения асинхронных электродвигателей, используемых в нереверсивных электроприводах переменного тока различных бытовых и промышленных приборов и систем.

Известно устройство для управления асинхронным электродвигателем, реализующее частотное управление, при котором в качестве управляющих факторов приняты частота и напряжение на статоре..-Устройство содержит элемент сравнения заданного сигнала с сигналом действительной частоты вращения электродвигателя, измеряемого датчиком частоты вращения, функциональный преобразователь, обеспечивающий требуемый закон изменения напряжения в

функции частоты, преобразователь частоты, включающий рВгуля горы частоты и напряжения, причем вход регулятора частоты обь- единен со входом функционального

преобразователя и подключен к выходу эле- мента сравнения, а регулятор напряжения охвачен отрицательной обратной связью по напряжению и подключен к выходу функционального преобразователя, выходы преобразователя частоты подключены к асинхронй о му электродвЬгателю.

Системы, построенные по рассматриваемой структуре, поэгйоля|Јт выполнить требование ( необходимей жесткости механическиххарз ктеристик лишь в ограни- ченном диапазоне частотного регулирования, зависящем от характера нагрузки (диапазон регулирования менее 10:1 вниз от номинальной частоты), что является неприемлемым в современных и перспектив- ных системах,. ,. . .

.Наиболее близким к изобретению является устройство для управления асинхрон- ны.м электродвигателем, содержащее силовой преобразующий блок с амплитуд- ным и частотным входами, выходы которого предназначены для подключения к фазным обмоткам статора асинхронного электродвигателя, датчик частоты вращения ротора асинхронного двигателя, выход которого связан через последовательно соединенные элемент сравнения, разностный усилитель, формирователь частоты скольжения, сумматора и блок определения модуля - с частотным входом силового преобразу- ющего блока, а также последовательно соединенные другой блок определения модуля, вход которого подключен к выходу разност- ногоусилителя, и усилитель с регулируемым уровнем ограничения, управляющий вход которого соединен с выходом блока определения мЬдуля частотного канала регулирования, а выход - с амплитудным входом силового преобразующего блока, причем другой вход сумматора соединен с выходом датчика частоты вращения ротора двигателя. В нереверсивных электроприводах, работающих по положительному входному сигналу, блоки определения модуля не ис- . пользуются.

. В рассматриваемом устройстве по срав.нению с предыдущим возможно расширение диапазона регулирования скорости в 1,5-2 раза .за счет использования контуров стабилизации потока, скорости и абсолют- ного скольжения,

К недостаткам устройства относятся недостаточный диапазон регулирования скорости (не более 20:1) даже при постоянном моменте сопротивления нагрузки вследствие низ кой жесткости механической характеристики на малых скоростях движения; значительная величина зоны нечувствительности по входному сигналу, обусловленная влиянием момента сопротивления нагрузки и пропорциональной зависимостью между величиной момента сопротивления и уровнем входного сигнала,при котором начинается вращение электродвигателя; существенная нестабильность установившейся скорости при фиксированном значении входного сигнала и переменной величине момента сопротивления нагрузки, обусловленная изменением рассогласования между входным сигналом - и сигналом обратной связи в функции изменения момента нагрузки; значительная неравномерность движения двигателя в области малых скоростей, обусловленная высокой чувствительностью привода к высокочастотным помехам (шум во входном сигнале, импульсные помехи в сигнале обратной связи датчика частоты вращения, неравномерность момента сопротивления нагрузки, скачкообразное изменение момента нагрузки в начале движения, например, при использовании ременных передач), так как в рассматриваемой структуре в амплитудный канал проходят без подавления сигналы помех при высоком коэффициенте усиления в данном канале; завышенное потребление приводом электроэнергии, обусловленное несовершенством структуры управления электродвигателем. Для того, чтобы двигатель создавал максимальный вращающийся момент (при фиксированном значении амплитуды питающего напряжения) необходимо поддерживать вполне определенное скольжение.

При этом привод потребляет минимум электроэнергии, В рассматриваемой структуре этого можно добиться при стабильной величине момента нагрузки в узком диапазоне изменения скорости двигателя. Если изменяется режим работы электродвигателя (управление скоростью, изменение момента сопротивления нагрузки), то будет происходить изменение величины скольжения, т.к. оно зависит от значений сигналов положительной обратной связи и ошибки.

Например, если нагрузка увеличивается, скорость снижается, ошибка увеличивается, а величина сигнала, подаваемого в частотный канал управления, практически не изменяется, т.к. она пропорциональна сумме сигналов ошибки и скорости двигателя, т.е. практически происходит увеличение скольжения. Аналогичо система управления приводом работает при изменяющихся входных воздействиях.

Следовательно, не во всех режимах ра- . боты удается поддерживать оптимальную величину скольжения двигателя, а это приводит к дополнительному увеличению амплитуды питающего напряжения и перерасходу электроэнергии.

Цель изобретения - повышение равномерности движения двигателя при одновре- менном расширении диапазона регулирования частоты вращения и снижении потребляемой мощности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для управления асинхронным электродвигателем, содержащее силовой преобразующий блок с амплитудным и частотным входами, выходы которого предназ- начены для подключения к фазным обмоткам статора асинхронного электродвигателя, датчик частоты вращения ротора асинхронного двигателя, выход которого связан через последовательно соединенные первый элемент сравнения, разностный усилитель, формирователь частоты скольжения с первым входом первого сумматора, усилитель с регулируемым уровнем ограничения, введены последовательно соединенные формирователь зоны нечувствительности, вход которого соединен с выходом первого сумматора, усилитель - ограничитель и второй сумматор, выход которого соединен с частотным входом силового преобразующего блока, последовательно соединенный нуль-орган, первый масштабирующий усилитель и третий сумматор, выход которого соединен с управляющим входом усилителя с регулируемым уровнем ограничения, а второй вход третьего сумматора соединен с выходом второго сумматора, последовательно соединенные второй элемент сравнения, первый вход которого объединен с входом нуль-органа и подключен к выходу разностного усилителя, и изодромное звено, выход которого соединен с сигнальным зходом усилителя с регулируемым уровнем ограничения, последовательно соединенные однополупериод- ный выпрямитель и усилитель,, выход которого соединен со вторым входом второго элемента сравнения, задатчик начальной частоты, выходом соединенный со вторым .входом второго сумматора, второй масштабирующий усилитель вход которого подключен к выходу датчика частоты вращения, а выход-к второму входу первого сумматора, причем выход изодромного звена подключен к входу однополупериодного выпрямителя, а выход усилителя с регулируемым уровнем ограничения - к амплитудному входу силового преобразующего блока. . „,

Достижение поставленной цели в предлагаемом устройстве осуществляется за счет формирования переменной структуры системы управления асинхронным электро- 5 двигателем с амплитудным управлением в зоне малых скоростей движения (от О...0,1- 0,2 Опах ) и амплитудно-частотным управлением в остальном диапазоне (от 0,1-0,2 Qnax . Отэх) в сочетании с нелинейным управлени10 ем в амплитудном канале, реализующим режим ждущего интегрирования, при котором в режиме регулирования скорости осуществляется интегральное регулирование, а при остановках на выходе интегратора удержи5 вается нулевой сигнал (интегратор находится в ждущем режиме), с принудительным снижением управляющего сигнала в амплитудном канале в переходных режимах при смене знака сигнала ошибки рассогласова0 ния контура регулирования скорости.

На фиг.1 показана функционально- структурная схема предлагаемого устройства для управления асинхронным электродвигателем.

5 Устройство для управления асинхронным электродвигателем содержит первый элемент сравнения 15первый вход котор ого является входом устройства, а выход соединен с входом разностного усилителя 2, вы0 ход разностного усилителя 2 соединен с входами формирователя частоты скольжения 3, нуль-органа 4 и первым входом второго элемента сравнения 5.

Выход формирователя частоты сколь5 жения 3 соединен с первым входом первого сумматора 6, второй вход которого соединен с выходом второго масштабирующего усилителя 7. Выход первого сумматора б соединен с входом формирователя зоны неQ чувствительности 8, выход которого соединен с входом усилителя-ограничителя 9. Выход усилителя-ограничителя 9 соединен с первым входом второго сумматора 10, второй вход которого соединен с выходом за5 датчика 11 начальной частоты. Выход нуль-органа 4 соединен с входом первого масштабирующего усилителя 12, выход которого соединен с первым входом третьего сумматора 13, второй вход которого под0 ключей к выходу второго сумматора 10. Вы- ход второго элемента сравнения 5 соединен со входом изодромного звена 14. Вход однополупериодного выпрямителя 15 подключен к выходу изодромного звена 14, а выход

5 соединен через усилитель 16 с вторым входом второго элемента сравнения 5. Выход изодромного звена 14 соединен с сигнальным входом усилителя с регулируемым уровнем ограничения 17, управляющий

уровнем ограничения 17, управляющий вход которого соединен с выходом третьего сумматора 13. Выходы усилителя с регулируемым уровнем ограничения 17 и второго сумматора 10 соединены соответственно с амплитудным и частотным входами силового преобразующего блока 18. Выходы силового преобразующего блока 18 подключены к фазным обмоткам статора асинхронного электродвигателя 19.

.Выходной вал электродвигателя 19 механически соединен с датчиком частоты вращения 20, выход которого соединен с другим входом первого элемента сравнения 1 и входом второго масштабирующего усилителя 7,

Устройство работает следующим образом.

Сигнал входного воздействия поступает по входному каналу на первый вход первого элемента сравнения 1, где производится его сравнение с сигналом обратной связи по скорости электродвигателя 19, измеряемым датчиком частоты вращения 20. Сигнал рассогласования (ошибки) с выхода первого - элемента сравнения 1 поступает на вход разностного усилителя 2, обеспечивающего его усиление. Сигнал с выхода разностного усилителя 2 поступает одновременно на входы формирователя 3 .частоты скольжения, нуль-органа 4 и первый вход второго элемента сравнения 5. С выхода формирователя 3 частоты скольжения усиленный, а в переходных режимах ограниченый на уровне величины ЗОНУ нечувствительности формирователя зоны нечувствительности 8, сигнал с полярностью, определяемой знаком сигнала рассогласования, поступает на первый вход первого сумматора 6, где он суммируется с сигналом положительной обратной связи по скорости, поступающим с выхода датчика частоты вращения 20 через второй масштабирующий усилитель 7 на его второй вход..

Сигнал с выхода первого сумматора 6 поступает на вход формирователя зоны нечувствительности 8, осуществляющего разделение областей управления асинхронным электродвигателем на амплитудную (в зоне нечувствительности по частоте питающего напряжения с управлением в диапазоне скоростей 0...0,1-0,2 Йпах ) и амплитудно- частотную (вне зоны нечувствительности с управлением в диапазоне скоростей (0,1- 0,2) х Опах...Олах) и пропускающего сигна- лы только положительной полярности. Сигнал с выхода формирователя зоны нечувствительности 8 поступает на вход усилителя-ограничителя 9, обеспечивающего в

совокупности с вторым масштабирующим усилителем 7 требуемое усиление по контуру частотного регулирования и ограничение максимальной частоты поля статора электродвигателя 19. Сигнал с выхода усилителя- ограничителя 9 поступает на первый.вход второго сумматора 10, где производится его суммирование с сигналом задатчика 11 начальной частоты, обеспечивающего при ам0 плитудном управлении в.зоне малых скоростей формирование начальной частоты вращающего электромагнитного поля двигателя.

Сигнал с выхода второго сумматора 10

5 поступает на частотный вход силового преобразующего блока 18 и второй вход третьего сумматора 13, где производится ее суммирование с промасштабированным первым масштабирующим усилителем 12

0 сигналом с выхода нуль-органа 4, обеспечивающего в переходных режимах в момент смены знака ошибки рассогласования принудительное снижение.сигнала на выходе регулируемого усилителя 17, внося опере5 жение по выдаче сигнала от изодромного звена 14 на торможение двигателя, что снижает перерегулирование и время переходного процесса, В амплитудном канале управления на втором элементе сравнения

0 5 производится сравнение сигнала ошибки привода с выхода разностного усилителя 2 и сигнала с выхода усилителя 16, что позволяет реализовать ждущий режим работы изодромного звена 14, при котором во вре5 мя отсутствия управляющих воздействий на входе привода и разрядке емкости мзодром- ного звена 14 до нуля происходит подключение глубокой отрицательной обратной связи с выхода изодромного звена через

0 однополупериодный выпрямитель 15, регистрирующий нулевое или малое отрицательное напряжение на выходе изодромного звена 14, и усилитель 16 со значительным коэффициентом усиления - на второй вход

5 второго элемента сравнения 5.

В результате изодромное звено 14 при повторно-кратковременных режимах задания входных воздействий всегда обладает нулевыми начальными условиями. В процессе

0 отработки заданных входных воздействий глубокая отрицательная обратная связь с выхода иэодромного звена 14 при появлении положительного сигнала на его входе размыкается, т.е. однополупериодный выпрямитель не про5 пускает положительный сигнал. Сигнал с выхода изодромного звена 14 поступает на сигнальный вход усилителя 17 с регулируемым уровнем ограничения, где осуществляется его усиление, а в переходных режимах ограниче- по управляющему входу на уровне

сигнала, поступающего с выхода третьего сумматора 13. Управляющий амплитудой питающего напряжения сигнал с выхода усилителя с регулируемым уровнем.ограничения 17 поступает на амплитудный вход силового преобразующего блока 18, где обеспечивается преобразование управляющих сигналов амплитудного и частотного регулирования с приведением параметров энергии от источника питания к виду, необходимому для управления асинхронным электродвигателем 19, статорная обмотка которого подключается к выходам трехфазного транзисторного инвертора преобразу- Kmiero блока 18. При этом асинхронный электродвигатель 19 отрабатывает заданные входные воздействия.

Таким образом, в предлагаемом устройстве управления по сравнению с известным за счет формирования переменной структуры управления с амплитудным управлением в зоне малых скоростей и амплитудно-частотным управлением в остальном диапазоне в сочетании с нелинейным управлением в амплитудном канале обеспечивается создание совокупности новых положительных свойств: существенное расширение диапазона регулирования скорости с получением меньшей устойчивости минимальной скорости и отсутствие зоны нечувствительности,привода, т.к. при подаче даже минимального входного сигнала, при наличии сколь угодно малой величины ошибки, на выходе изодромного звена сигнал будет увеличиваться до тех пор, пока амплитуда питающего напряжения достигнет необходимого для страгивания двигателя значения и скорость привода устанавливается необходимой для компенсации ошибки рассогласования, при этом в данном режиме осуществляется только амплитудное управление электродвигателем с высокой жестко- стыо механической характеристики; высокая стабильность установившейся скорости во всем диапазоне регулирования, т.к. она не зависит от момента сопротивления нагрузки, а зависит только от величины входного сигнала, Изменение величины момента сопротивления приводит лишь к кратковременному изменению скорости и ошибки рассогласования, которая компенсируется изодромным звеном практически до нуля; высокая равномерность движения двигателя за счет лучшей помехозащищенности привода, т.к. изодромное звено является фильтром нижних чатот, при этом резкие изменения момента нагрузки и ошибки привод компенсирует плавно без рывков, посредством плавного нарастания сигнала в амплитудном канале управления;

значительное снижение потребляемой мощности привода в установившемся режиме за счет стабилизации величины скольжения как при изменяющихся входных воздейст- 5 виях, так и при изменений момента сопротивления нагрузки, посколбку частота питающего двигатель напряжения в установившихся режимах зависит только от скорости двигателя. Поэтому в предолженной

0 структуре системы управления появляется возможность обеспечения оптимальной (близкой к расчетной) величины скольжения, при которой привод при фиксированной амплитуде питающего напряжения

5 развивает максимальный момент, что по сравнению с известным устройством эквивалентно уменьшению амплитуды питающего напряжения -и, соответственно потребляемой мощности.

0 Формула из обретения

Устройство для управления асинхронным электродвигателем, содержащее силовой преобразующий блок с амплитудным и частотным входами, выходы которого пред5 назначены для подключения к фазным.обмоткам статора асинхронного электрод в и гател я, д атч и ст от ы в ра ще н и я ротора асинхронного двигателя, выход которого связан через последовательно сое0 диненные первый элемент сравнения, разностный усилитель, формирователь частоты скольжения с первым входом первого сумматора, усилитель с регулируемым уровнем ограничения, отличающееся тем,

5 что, с целью повышения равномерности движения двигателя при одновременном расширении диапазона регулирования частоты вращения и снижении потребляемой мощности, введены последовательно сое0 диненные формирователь зоны нечувствительности, вход которого соединен с выходом сумматора, усилитель-ограничитель и второй сумматор, выход которого соединен с частотным входом силового пре5 образующего блока, последовательно соединенные нуль-орган, первый масштабирующий усилитель и третий сумматор, выход которого соединен с управляющим входом усилителя с регулируемым

0 уровнем ограничения, а второй вход третьего сумматора соединен с выходом второго сумматора, последовательно соединенные второй элемент сравнения, первый вход которого объединен с входом нуль-органа и

5 подключен к выходу разностного усилителя, и изодромное звено, выход которого соединен с сигнальным входом усилителя с регулируемым уровнем ограничения, последовательно соединенные однополупе- риодный выпрямитель и усилитель, выход

которого соединен с вторым входом второго элемента сравнения, задатчик начальной частоты, выходом соединенный с вторым входом второго сумматора, второй масштабирующий усилитель, вход которого подключен к выходу датчика частоты вращения,

а выход - к второму входу первого сумматора, причем выход изодррмного звена подключен к входу однопрлупериодного выпрямителя, а выход усилителя с регулируемым уровнем ограничения - к амплитудному входу силового преобразующего блока.

Использование: регулирование частоты вращения асинхронных электродвигателей нереверсивных электроприводов переменного тока различных бытовых и промышленных приборов, систем. Сущность изобретения: устройство содержит первый элемент сравнейеия 1, выход которого соединен с входом разностного усилителя. Выход разностного усилителя 2 соединен с входами формирователя 3 частоты скольжения, нуль-органа 4.и первым входом второго элемента сравнения 5. Выход формирователя частоты скольжения соединен с первым входом первого сумматора 6, второй вход которого соединен с выходом второго масштабирующего усилителя 7. Выход первого сумматора 6 связан через формирователь 8 зоны нечувствительности и усилитель-ограничитель 9 с первым входом второго сумматора 10, второй вход которого соединен с выходом задатчика 11 начальной частоты. Выход нуль-органа 4 через первый масштабирующий усилитель 12 связан с первым входом третьего сумматора 13, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора 10. Выход второго элемента сравнения 5 связан через иэодромное звено 14, однополупериодный выпрямитель 15с входом усилителя 16, выходом соединенного с вторым, входом элемейта сравнения 5. Вы1-. ход изодромного звена 14 соединен с сигнальным входом усилйтёл я 17 с .регулируемым уровнем ограничёния.управ- ляющий вход которого соединен с выходом третьего сумматора 13, а выход - с амплитудным входом силового преобразующего блока 18, частотный вход которого подключен к выходу второго сумма тора 10. Выходной вал электродвигателя 19 механически соединён с датчиком частоты в р ащёнйя 20, выходом соединенным с другим входом элемента сравнения1. 1 ил. ел С xj Ю Ч СЛ го

S

-+9

h