Частотно-регулируемый электропривод Советский патент 1993 года по МПК H02P7/42 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к автоматизированному асинхронному электроприводу с питанием от преобразователя частоты, и может быть использовано в различных отраслях промышленности: текстильной, металлообрабатывающей, металлургической и других для регулирования скорости механизмов.

Целью изобретения является упрощение частотно-регулируемого электропривода и снижение его чувствительности к изменениям параметров двигателя за счет организаций контуров регулирования компонент вектора потокосцепления ротора в неподвижной системе координат.

На чертеже приведена функциональная схема частотно-регулируемого электропривода.

Частотно-регулируемый электропривод .содержит асинхронный электродвигатель 1, обмотки статора которого подключены к преобразователю 2 частоты, к управляющим входам которого подключены соответственно первый, второй и третий выходы функционального преобразователя координат 3. за датчик 4 скорости, выход которого подключен к первому входу регулятора 5 скорости, второй сход которого соединен с выходом датчика 6 скорости, а выход - с первым входом первого суммирующего усилителя 7, задатчик 8 потокосцепления ротора, выход которого соединен с первым входом блока 9 деления, второй вход которого подключен к выходу функционального преобразователя 10, а выход - к первым входам блоков перемножения 11,12, вторые входы которых соединены соответственно с

первым и вторым выходами функционального преобразователя 13, вход которого подключен к выходу суммирующего усилителя 7, формирователь 14 угла поворота вектора потокосцепления, первый и второй входы которого подключены соответственно к первому и второму выходам формирователя 15 сигналов обратной связи, а выход- к второму входу пйрвого суммирующего усилителя 7, первый вход которого соединен с входом функционального преобразователя 10, выходы блоков перемножения 11, 12 соединены соответственно с первыми входами второго и третьего суммирующих усилителей 16, 17, вторые входы которых подключены к третьему и четвертому выходам формирователя 15 сигналов обратной связи соответственно, а выходы - к входам регуляторов проекций потокосцепления 18, 19, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входом функционального преобразователя координат 3. ;

Преобразователь 2 выполнен по общеизвестной схеме и содержит последовательно включенные неуправляемый выпрямитель, сглаживающий 1 С-фильтр и автономный инвертор, напряжения, а также систему управления автономным инвертором с ШИМ, Функциональный преобразователь координат из трехфазной системы в двухфазную 3 может быть выполнен по общеизвестной схеме на базе операционных усилителей, например 153 серии (Асинхронные электроприводы с векторным управлением)....

Задатчик 4 скорости и задатчик 8 потокосцепления ротора могут быть выполнены по общеизвестной схеме, например, на базе /ячейки СЗ-бАИ.

Регулятор 5 скорости может быть выполнен в виде интегрального регулятора; в цепи обратной связи по частоте вращения, согласно схеме регулятора, изображенной на чертеже, установлено форсирующее звено второго порядка, собранное на базе трех операционных усилителей.

В качестве датчика 6 скорости может быть использован тахогенератор,

В качестве суммирующих усилителей 7, 1.6;. 17 и усилителей, использованных в регуляторе 5 скорости, могут быть использованы операционные усилители, например, 140 серии.

Блок 9 деления может быть выполнен по известной схеме на базе операционного усилителя, например 153 серии с блоком умножения в обратной связи, . Этот блок умножения, как и блоки умножения 11, 12, могут быть выполнены на базе

цифроаналоговых преобразователей, например КР572ПА 1 А, при этом на управляющий кодовый вход подается один из умножаемых сигналов (цифровой), а на

опорный вход - второй умножаемый сигнал (аналоговый).

Функциональный преобразователь 10 может быть, например, выполнен в виде последовательно включенных аналого-цифро0 вого преобразователя и схемы постоянного запоминающего устройства. Он реализует операцию нахождения косинуса угла, пропорционального входному сигналу. Аналогично функциональный преобразователь 13

5 может представлять из себя последовательное соединение аналого-цифрового преобразователя и двух параллельно включенных схем постоянного запоминающего устройства, выходы которых являются выхо0 дами функционального преобразователя 13 и содержат коды косинуса и синуса входного сигнала. В качестве схем постоянного запоминающего устройства могут быть использованы микросхемы ПЗУ, на5 пример, К573РР11, в качестве аналого-цифровых преобразователей могут быть.

например, использованы общеизвестные

схемы, построенные по компенсационно му принципу на базе реверсивного двоич0 ного счетчика (например, К155ИЕ7), микросхемы ЦАП (КР572ПА1), тактового генератора, компаратора (например, на базе операционного усилителя 140 серии) и логической схемы переключателя направления

5 счета. В качестве логических элементов могут быть, например, использованы элементы 155 серии.

Формирователь 14 угла поворота вектора потокосцепления содержит блок 20 выде0 ления модуля, первый и второй входы которого являются соответственно первым и вторым входами формирователя 14, а выход соединен с первым входом суммирующего усилителя 21, второй вход которого

5 соединен с первым входом блока 20 выделения модуля, а выход - с вторым входом блока 22 деления, первый вход которого является вторым входом формирователя

14, функциональный преобразователь 23,

0 выход которого является выходом формирователя 14 угла поворота вектора потокосцепления, а вход подключен к выходу блока 22 деления.

Формирователь 15 сигналов обратной

5 связи содержит вычислитель 24, первый и второй входы которого являются первым и вторым выходами формирователя 15 сигналов обратной связи и соединены соответст- венно с первым и вторым входами дифференциатора 25 и с первыми входами

суммирующих усилителей 26, 27, вторые входы которых подключены соответственно к первому и второму выходам дифференциатора 25, выходы суммирующих усилителей 26, 27 являются третьим и четвертым выхо- дами формирователя 15 сигналов обратной связи.

Регуляторы проекций потокосцепления 18, 19 могут быть выполнены в виде усилителей с большим коэффициентом, построен- ных по общеизвестной схеме на базе операционных усилителей, например, 140 серии.

Блок 20 выделения модуля может быть реализован по общеизвестной схеме.

В качестве суммирующих усилителей 21, 26, 27 могут быть использованы операционные усилители, например, 140 серии.

Блок 22 деления двух аналоговых сигналов может быть выполнен в виде операци- онного усилителя с блоком умножения аналоговых сигналов в обратной связи, где блок умножения выполнен по общеизвестной схеме четырехквадрантного умножителя.

Функциональный преобразователь 23 может быть реализован на базе операциом- ,ного усилителя, например, серии 140, с нелинейной обратной связью. Он реализует функцию вычисления арктангенса величи- . ны, пропорциональной входному сигналу.

Вычислитель 24 предназначен для оценивания потокосцепления ротора и может быть выполнен на базе датчиков токов фаз статора машины и датчиков Холла в расточке статора по общеизвестной схеме, включающей также масштабирующие операционные усилители.

Дифференциатор 25 содержит два идентичных независимых канала, каждый канал может быть, например, реализован в виде дифференцирующего усилителя, построенного на базе операционного усилителя по общеизвестной схеме.

Частотно-регулируемый электропривод работает следующим образом. Управление преобразователем осуществляется автоматически в функции сигналов задатчика 4 скорости и датчика 6 скорости, сигнала задатчика 8 модуля вектора потокосцепле- ния ротора и сигналов действительных значений проекций вектора потокосцепления ротора на оси a, ft неподвижной системы координат, формируемых вычислителем 24, причем выходные сигналы системы регули- рования - сигналы задания проекций вектора напряжения статора на оси а, /9на выходах регуляторов 18. 19 проекций потокосцепления ротора преобразуются в сигналы задания напряжений фаз А. В, С статора машины с помощью функционального преобразователя координат 3, сигналы задания и обратной связи по скорости регулятором 5 скорости преобразуются в сигнал фазового сдвига между действительным и задаваемым векторами потокосцепления ротора, а сигнал модуля последнего формируется преобразованием сигналов задания модуля вектора потокосцепления ротора и сигнала фазового сдвига с помощью блока 9 деления и функционального преобразователя 10. С помощью первого суммирующего усилителя 7 сигнал регулятора скорости, пропорциональный фазовому сдвигу, и сигнал формирователя 14 угла поворота вектора потокосцепления ротора относительно оси а суммируются, и на выходе усилителя сигнал пропорционален углу поворота задаваемого вектора потокосцепления ротора относительно той же оси неподвижной системы координат. Функциональным преобразователем 13 он преобразуется в сигналы направляющих косинуса и синуса этого же вектора. Блоки 11, 12 умножения, умножая эти сигналы на сигнал модуля задаваемого вектора потокосцепления ротора, вырабатывают сигналы задания проекций вектора потокосцепления соответственно на оси a, ft неподвижной системы координат. Сигналы обратной связи по проекциям вектора потокосцепления ротора на оси a, ft вырабатываются суммирующими усилителями 26, 27 суммированием сигналов соответствующих проекций вектора потокосцепления ротора, производимых вычислителем 24, и сигналов, пропорциональных их производным, получаемых на выходах дифференциатора 25, а разности сигналов задания проекций вектора потокосцепления по осям a, ft и сигналов обратной связи по соответствующим проекциям вектора потокосцепления, получаемые на выходах суммирующих усилителей 16, 17, посредством регуляторов 18, 19 потокосцепления по осям a, ft преобразуются в сигналы задания проекций вектора напряжения статора машины на оси or, ft неподвижной системы координат, а затем с помощью функционального преобразователя координат 3 и преобразователя 2 частоты - в напряжения фаз.

Управляющими сигналами для электропривода являются сигналы задания и обратной связи по частоте вращения и сигнал, задания модуля вектора потокосцепления ротора.

В исходном состоянии при частоте вращения ротора (Op-Q и при величине сигнала

зэдатчика 4 скорости Ц 0 происходит установление заданного модуля потокосцепления ротора t/v т/ зад, где зад значение ipr, пропорциональное постоянному выходному сигналу задатчика 8 потокосцепления ротора. При этом регуляторы 18t 19 проекций вектора потокосцепления ротора на оси а, р работают по отклонению. Для упрощения выкладок предположим, что коэффициент передачи регуляторов велик, а следовательно, сигнал на входе регуляторов 18, 19 стремится к нулю. Тогда

V.r-Vwv; 1 (DV TV tgAy.J

To есть, потокосцепление ротора не зависит от параметров двигателя. При этом момент, развиваемый электродвигателем, можно определить по формуле:

М

или

3/2р|()р), $ ДО Ау

М 3/2Р

.к

Использование: в автоматизированном асинхронном электроприводе с питанием от преобразователя частоты для регулирования.скррости в различных механизмах. Сущность: в частотно-регулируемый электропривод с асинхронным двигателем введены формирователь угла поворота вектора потокосцепления, формирователь сигналов обратной связи, суммирующие усилители, блоки перемножения, блок деления, преобразователь, реализующий функцию косинуса, преобразователь кодов функций синуса и косинуса и два регулятора, проекций вектора потокосцепления ротора. При этом обеспечивается повышение точности работы путем снижения чувствительности к изменениям параметров двигателя за счет организации контуров регулирования компонент вектора потокосцеплення ротора в неподвижной системе координат. 1 ил.

S z-Vi Tv4|k 0; %1/fcz-Vb- т- 0;.

где ., - проекции задаваемого вектора потокосцепления ротора на оси а, /, сигнал модуля которого /Ј формируется блоком 9 деления, а сигналы направляющих косинуса и синуса - функциональным преобразователем 13; сигналы , формируются блоками 11/12 умножения.

-.

где А} - выходной сигнал регулятора 5 скорости;.

cos Ay - выходной сигнал функционального преобразователя 10;

&&

сигналы на

dt dt 3-м и 4-м выходах формирователя 15 сигна- лов обратной связи;

ifa, трд- сигналы проекций вектора потокосцепления ротора tp на оси а, /3, получаемые на выходах вычислителя 24;

TV

d гйе( т d 1/л

dt dt вых°Дные сигналы

дифференциатора 25;

TV- коэффициент передачи канала дифференциатора 25, постоянная времени.

Из уравнений (1) при переходе к полярной системе координат получаем;

+ cos Ay, V Wtc TV 1/5 sin Ay ,

где Шу, - угловая частота вращения вектора потокосцепления ротора, приведенная к числу пар полюсов , Так как tyi ч/Ъад/cos Ay, то после окончания переходного процесса по потокосцеп- лению при любых Ay yv/2+ylf,

где Rr - приведенное активное сопротивле 15 ние ротора;

р - число пар полюсов. Очевидно, что при А у 0 и 0 М 0.

Электродвигатель находится в состоя- 20 нии покоя.

Формирователь 14 угла поворота вектора потокосцепления реализует формулутан- генса половинного угла, в соответствии с которой угол поворота вектора потокосцеп- 25 ления ротора относительно оси а можно определить следующим образом;

2arct9vrl

где V-V сигнал модуля действительного вектора потокосцепления ротора на выходе блока 20 выделения модуля.

При подаче на вход системы ненулевого

выходного сигнала задатчика 4 скорости на выходе интегрального регулятора 5 скорости возникает ненулевой сигнал А у . который приводит к появлению ненуленого электромагнитного момента электродвигателя. Двигатель переходит во вращение, и рассогласование по скорости уменьшается.

В установившемся режиме по скорости а)р мэ за счет интегрального регулятора 5

скорости момент двигателя равен моменту нагрузки, а сигнал на выходе регулятора 5 скорости равен

А у - arctg Vty P +

Rr-IVU

arp

3/2 р Vl

).

Для формирования заданных переходных процессов по скорости электропривода в регуляторе 5 скорости предусмотрено форсирующее звено второго порядка в цепи обратной связи по частоте вращения, с помощью которого ограничивается темп нарастания и абсолютная величина сигнал Ау регулятора 5 скорости.

Таким образом, частотно-регулируемый электропривод не содержит блоков прямого и обратного преобразования координат, что и обусловливает его упрощение,

Кроме того, как следует из формулы мо- мента двигателя и равенства чрс трза/, и в статических и в динамических режимах каналы формирования потокосцепления ротора и момента двигателя независимы друг от друга при любых параметрах маши- ны, для которых справедливы приближенные равенства (1), благодаря чему достигается вторая часть цели изобретения, заключающаяся в обеспечении малой чувствительности электропривода к изменени- ям параметров двигателя.

Формул а изобретения

Частотно-регулируемый электропривод, содержащий асинхронный электродвигатель, обмотка статора которого подклю- чена к преобразователю частоты, зэдатчик потокосцепления ротора, регулятор скорости, первый вход которого соединен с выходом задатчика скорости, а второй - с выходом датчика скорости, установленного на валу электродвигателя, функциональный преобразователь двухфазной системы-коор- .динат в трехфазную, выходы которого подключены к входам преобразователя частоты, о тли чающийся тем, что, с целью упрощения и повышения точности путем снижения чувствительности к изменениям параметров электродвигателя, введены формирователь угла поворота вектора потокосцепления, формирователь сигналов

обратной связи, три суммирующих усилителя, два блока перемножения, блок деления, преобразователь, реализующий функцию косинуса, преобразователь кодов функций синуса и косинуса и два регулятора проекций вектора потокосцепления ротора на оси -неподвижной декартовой системы координат, соединенные входами соответственно С выходами первого и второго суммирующих усилителей, первый вход каждого из которых подключен к выходу соответствующего блока перемножения, а второй вход соединен с соответствующим выходом формирователя сигналов обратной связи, входы третьего суммирующего усилителя соединены с выходом формирователя угла поворота вектора потокосцепления и выходом регулятора скорости, подключенным к входу функционального преобразователя, реализующего .функцию косинуса/ выход третьего суммирующего усилителя подключен к входу преобразователя кодов функций синуса и косинуса, выходы которого соединены соответственно с первыми входами первого и второго блоков перемножения, вторые входы которых подключены к выходу блока деления, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом задатчика потокосцепления ротора и выходом преобразователя, реализующего функцию косинуса, а выходы регуляторов проекций потокосцепления подключены к входам функционального преобразователя двухфазной системы координат в трехфазную.