УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ Советский патент 2006 года по МПК H02P7/42 

Предлагаемое устройство представляет собой систему регулирования трехфазного асинхронного двигателя, которая по внешним командам обеспечивает режимы разгона и рекуперативного торможения. Система запитывается от автономного источника постоянного напряжения, например химической батареи.

Устройство может быть применено для управления асинхронными двигателями силовых гиростабилизаторов с изменяемым кинетическим моментом, применяемых, в частности, в системах ориентации искусственных спутников Земли. В таких гиростабилизаторах двигатель-маховик (источник кинетического момента) разгоняется до номинальной скорости (первичный разгон), а затем по командам из системы управления разгоняется или тормозится относительно номинальной скорости. При этом диапазон изменения скорости составляет ±(10-40)% от номинальной.

В соответствии со сказанным предлагаемое устройство выполняет следующие операции управления двигателем:

1. Первичный разгон до номинальной скорости.

2. Разгон и рекуперативное торможение двигателя в ограниченных пределах изменения скорости относительно номинальной, например:±(10÷40)%.

Вторая операция осуществляется с нормированным моментом двигателя. Для осуществления разгона, торможения и стабилизации момента двигателя в предлагаемом устройстве регулируются частота и напряжением таким образом, что задаются определенные величины абсолютного скольжения, потока возбуждения машины и тока, потребляемого от источника. Известны устройства для разгона и торможения асинхронных двигателей с маховичной нагрузкой, в частности гироскопов. Такие устройства можно подразделить на две группы. К первой группе относятся устройства, в которых изменение частоты задается программой [Л1-7]. Темп изменения частоты может задаваться параметрически [Л6] или корректироваться в функции абсолютного скольжения.

В устройствах второй группы [Л8, 9] частота напряжения питания двигателя образуется как алгебраическая сумма частоты вращения ротора (частота выходного напряжения тахогенератора) и частоты абсолютного скольжения. Разновидностью этого способа является способ деления частоты тахогенератора [Л10]. Недостатком устройств обеих групп является сложность, обусловленная необходимостью применения задающего генератора с программно изменяемой частотой в устройствах первой группы и наличием блока суммирования частот в устройствах второй группы. Если суммирование частот осуществляется с помощью промежуточного преобразования частоты в напряжение, то в этом случае не удается получить достаточно высокую стабильность абсолютного скольжения, а следовательно, момента двигателя [Л11]. В случае непосредственного суммирования частот для устранения девиации частоты питания двигателя необходимо существенно повышать частоту тахогенератора и уменьшать девиацию частоты с помощью делителя частоты с большим коэффициентом деления. Применение устройства [Л10] также требует делителя частоты.

Предлагаемое устройство в значительной мере лишено отмеченных недостатков. Устройство отличается простотой, так как в нем отсутствуют блоки программного задания частоты, блоки суммирования частот или делители частоты. Изменение частоты, необходимое для режимов разгона и торможения двигателя, достигается с помощью магнито-транзисторного интегрирующего генератора, одна обмотка управления которого включается в цепь постоянного тока инвертора статического преобразователя, а другая, которая задает уставку тока, потребляемого двигателем от источника постоянного напряжения, подключается к выходу широтно-импульсного преобразователя, напряжение на выходе которого пропорционально скважности выходного напряжения статического преобразователя. Выходное напряжение питания инвертора (подаваемое на обмотки двигателя) стабилизируется. Этим однозначно задается величина потока возбуждения машины, а следовательно, и величина развиваемого ею момента, Таким образом, уменьшается второй из вышеназванных недостатков: нестабильность момента двигателя при изменении напряжения питания, температуры окружающей среды, хотя следует отметить, что остается нестабильность момента, вызываемая изменением параметров двигателя при нагреве или изменении окружающей температуры. Однако эта нестабильность незначительна (3-5%), так как диапазон изменения окружающей температуры гиростабилизаторов искусственных спутников Земли, размещаемых в гермоконтейнере, невелик (обычно 0-40°С), а собственный перегрев двигателя мал из-за слабого использования его активных частей.

В описании предлагаемого устройства приняты следующие обозначения чертежей:

фиг.1 - блок-схема устройства;

фиг.2 - принципиальная схема устройства;

фиг.3 - диаграммы напряжений;

фиг.4 - зависимость потребляемого двигателем тока от абсолютного скольжения;

фиг.5 - характеристика магнитотранзисторного генератора с управляемой частотой;

фиг.6 - экспериментальные характеристики.

Принципиальная схема, изображенная на фиг.2, представляет предмет предполагаемого изобретения.

Работа предлагаемого устройства может быть понята из фиг.1-3, на которых показаны соответственно блок-схема, принципиальная схема устройства и диаграммы напряжений.

Устройство состоит из двух контуров: регулирования напряжения и регулирования тока двигателя. В состав первого контура входят статический преобразователь СП, состоящий из фазорасщепителя 5 и инвертора 2, выпрямитель цепи обратной связи по напряжению 3, задающий генератор (ЗГ) 8 и широтно-импульсный модулятор (ШИМ) 6. Второй контур состоит из магнитотранзисторного генератора с управляемой частотой (ТУЧ) 7 и широтно-импульсного преобразователя (ШИП) 4.

Оригинальной частью устройства, по мнению автора, является контур регулирования тока, выделенный на фиг.2 пунктиром.

Выходные напряжения инвертора U_А, U_В, U_С (фиг.3), поступающие на обмотки двигателя 1, стабилизируются широтно-импульсным регулятором, в состав которого входит широтно-импульсный модулятор. Схема такого регулятора описана в [Л12]. Схема фазорасщепителя может быть взята из [Л6]; схемы ШИМ и ГУЧ описаны соответственно в [Л13] и [Л4]. Широтно-импульсный модулятор запитывается напряжением задающего генератора 8, собранного, например, по схеме Ройера.

Для наглядности на фиг.2 показаны рабочие обмотки ШИМ W_p, короткозамкнутая обмотка W_кз и обмотка управления W_у, которая включена между средними точками делителей выходного напряжения выпрямителя 2 и напряжения уставки U₀. Выходное напряжение выпрямителя U_в имеет вид однополярных импульсов. Вследствие сравнительно большой (несколько периодов напряжения U_в) из-за наличия короткозамкнутой обмотки W_кз постоянной времени ШИМ воспринимает среднее значение напряжения U_в. Следовательно, на обмотке W_у сравнивается напряжение уставки U₀ и среднее значение выходного напряжения выпрямителя U_в.ср., которое пропорционально выходному напряжению инвертора. Разность (U₀-U_в.ср.), как обычно в подобных регуляторах, определяет скважность выходного напряжения ШИМ, а следовательно, величину выходного напряжения инвертора. Стабилизация последнего позволяет при фиксированной частоте и скорости задать строго определенное значение потока возбуждения двигателя.

Рассмотрим контур регулирования тока. Сущность его работы заключается в том, что посредством изменения частоты напряжения питания регулируется величина тока, потребляемого двигателем от источника постоянного напряжения 9. При фиксированной скорости двигателя изменение частоты его питания вызовет изменение абсолютного скольжения, а это, в свою очередь, приводит к возрастанию или уменьшению тока двигателя и в том числе его активной составляющей, которая потребляется от источника питания 9. На фиг.4 приведены расчетная (1) и экспериментальная (2) зависимости тока, потребляемого двигателем (от источника питания) от абсолютного скольжения. Кривая 1 построена в координатах I/Iн - относительное значение потребляемого тока; β - параметр абсолютного скольжения; кривая 2 - в координатах I - потребляемый ток, Δf - абсолютное скольжение. Кривая 1 рассчитана для двигательной (β>0) и генераторной (β<0) областей. Из фиг.4 видно, что при больших пределах изменения β зависимость I/Iн (β) неоднозначна. Например, I/Iн=0,5 может быть при β₁=0,2 и β₂=0,6, иначе говоря, возможна стабилизация одного и того же значения тока при разных скольжениях. Для устранения этой возможности генератор с управляемой частотой 7 имеет ограничения по частоте при изменении управляющих ампервитков (IW_у) в широких пределах, что видно из экспериментально снятой характеристики фиг.5. Генератор с управляемой частотой синхронизирует фазорасщепитель 5, поэтому [Л6] его частота в 3 раза больше частоты статического преобразователя.

На фиг.2 показаны рабочие обмотки W_р и обмотки управления W_у1-W_у3 ГУЧ. Обмотка W_у1 включена последовательно с инвертором 2, т.е. по ней протекает ток, потребляемый двигателем от источника питания 9 и регулируемый с помощью ГУЧ. Обмотки управления W_у2, W_у3 подключены к выходу фильтра ДрС широтно-импульсного преобразователя при помощи переключателя режимов 10. В одном положении переключателя к фильтру ДрС подключена обмотка W_у2, при этом создается режим разгона; в другом положении подключается обмотка W_у3, этом создается режим торможения. Ток через обмотки W_у2, W_у3 задает величину стабилизируемого тока двигателя и называется током уставки. Ампервитки, создаваемые этим током, стремятся увеличить (см. фиг.5) частоту ГУЧ в режиме разгона (на фиг.5 Iw_разг) и уменьшить в режиме торможения (IW_т). Рассмотрим режим разгона. Предположим, что скорость двигателя находится в диапазоне рабочих скоростей, т.е. в том диапазоне, в котором ее необходимо изменять относительно номинальной. Режим первоначального пуска будет рассмотрен отдельно. Под воздействием (IW_разг) частота ГУЧ и, следовательно, СП возрастает, что приводит к увеличению абсолютного скольжения двигателя. В соответствии с фиг.4 это вызывает рост потребляемого тока, который создает ампервитки IW_ст, направленные встречно ампервиткам IW_разг Результирующие ампервитки ΔIW_у=IW_разг-IW_ст определят частоту ГУЧ f и величину тока, потребляемого двигателем

Очевидно, что при IW_разг=const устройство стабилизирует потребляемый двигателем ток. Например, если по каким-либо причинам ток I_g уменьшится, то это вызовет рост ΔIW_у, что приведет к росту частоты и абсолютного скольжения, в результате чего I_g возрастет. Описанный порядок работы возможен, если быстродействие ГУЧ больше, чем у двигателя. Так как здесь рассматривается двигатель с маховичной нагрузкой, то указанное соотношение постоянных времени выполняется с большим запасом.

В режиме торможения переключателем 10 вместо W_у2 к выходу широтно-импульсного преобразователя 4 подключается W_у3, которая включена встречно по отношению к W_у2 и создает отрицательные ампер-витки IW_т. Следовательно, частота ГУЧ уменьшается (фиг.5); при этом частота СП становится меньше частоты вращения ротора двигателя, т.е. последний работает с отрицательным скольжением, что вызывает его рекуперативное торможение (с отдачей мощности в источник 9). Ток двигателя изменяет знак и создает ампервитки IW_ст., направленные встречно IW_т Ампер-витки IW_ст, как видно из фиг.5, стремятся увеличить частоту ГУЧ. Поэтому наступает устойчивое равновесие:

ΔIW_т=IW_ст-IW_т.

Однако, в отличие от режима разгона, при котором IW_разг>IW_ст, в режиме торможения IW_т<IW_ст. Если по каким-либо причинам ток I_g увеличится, то это (см. фиг.5) вызовет возрастание частоты ГУЧ и уменьшение абсолютного скольжения (так как частота вращения ротора двигателя больше частоты СП), что приводит к уменьшению тока I_g, компенсирующему первоначальное возрастание. Отсюда видно, что режим торможения так же устойчив, как и режим разгона. При разгоне двигателя (в рабочем диапазоне скоростей) его эквивалентное сопротивление возрастает вследствие увеличения эдс вращения, что порождает тенденцию уменьшения тока I_g._{Так как Ig стабилизируется изменением частоты ГУЧ, то частота питания двигателя возрастает, что и требуется для частотного разгона. При этом, если напряжение питания двигателя постоянно, то статическая ошибка ΔIWр и абсолютное скольжение возрастают. При торможении двигателя его эквивалентное сопротивление уменьшается, что приводит к возрастанию тока Ig. Так как Ig стабилизируется, то частота питания двигателя в режиме торможения уменьшается; при этом статическая ошибка ΔIWт и абсолютное скольжение также уменьшаются.}

Так как частота ГУЧ ограничена диапазоном f₂-f₁, то даже при динамических забросах исключается переход в неустойчивую зону характеристики фиг.4.

Момент М двигателя связан с величиной потребляемой мощности Р очевидным соотношением

где Ω - скорость, ε - кпд двигателя.

В свою очередь:

P=I_g·U_п,

где U_п - напряжение источника питания.

Отсюда видно, что если I_g=const, a U_п, изменяется в широких пределах (например, U_п=22÷35 В), то момент двигателя также изменяется. В большинстве случаев это недопустимо. В предлагаемом устройстве нестабильность момента при изменении U_п устраняется тем, что обмотки W_у3, W_у2 подключаются к выходу широтно-импульсного преобразователя 4, который состоит из транзисторов T1, T2 и фильтра ДрС. Транзисторы запитываются постоянным напряжением уставки U₀. На их входы подаются с выхода выпрямителя 3 импульсы напряжения U_в (фиг.3). Эти импульсы имеют скважность

где U_g - среднее значение выходного напряжения СП.

Транзистор T2 постоянно открыт отрицательным смещением, подаваемым через сопротивление R; транзистор T1 закрыт от источника смещения U_см. Амплитуда импульсов U_в, как видно из фиг.3, больше, чем U₀. Поэтому, при наличии импульса U_в транзистор T1 открывается, а T2 закрывается положительным относительно эмиттера T2 напряжением (U_в-U₀). При отсутствии импульса U_в транзисторы T1, T2 находятся в исходном состоянии, при котором вход фильтра ДрС замкнут накоротко транзистором T2. Такая схема обеспечивает линейность преобразования скважности γ в выходное напряжение фильтра U_ф.

Если пренебречь статизмом контура регулирования тока, то можно считать, что в представленной схеме

I_g=K_Iγ, (4)

где K_I - коэффициент пропорциональности, так как ток уставки в обмотках W_у2 или W_у3 пропорционален U_ф, которое, в свою очередь, пропорционально γ.

Подставляя (3) в (4), а (4) в (2), а (2) в (1), получим

Так как U_g=const (стабилизируется регулятором напряжения), то приближенно можно считать, что для данного значения Ω M=const при изменении U_п.

Итак, в рассматриваемом устройстве уставка тока, а следовательно, и ток, потребляемый двигателем от источника питания, изменяется пропорционально скважности импульсов несшей частоты стабилизатора напряжения двигателя. Поэтому момент двигателя остается постоянным для данной скорости при изменении напряжения питания.

Ток асинхронного двигателя i_g в при широтно-импульсном регулировании имеет сложную форму (фиг.3). Поэтому регулирование среднего значения этого тока представляет значительные трудности, которые в предлагаемом устройстве преодолены с помощью магнито-транзисторного генератора [Л14]. В таком генераторе длительность каждого полупериода пропорциональна интегралу тока управления. Так как на каждый полупериод напряжения U_г (фиг.3) этого генератора приходится один период низкочастотной составляющей пульсаций тока i_g, то генератор реагирует на среднее значение тока I_g.

Пуск двигателя, при котором частота вращения ротора двигателя изменяется от 0 до рабочих значений (лежащих в области номинальной скорости), осуществляется подключением обмотки W_у2 к выходу ШИП. При этом переключателем 10 задается уставка IW_разг (фиг.5). Так как частота ГУЧ ограничена снизу, а частота вращения ротора изменяется от нуля, то двигатель в процессе пуска работает при больших скольжениях. Поэтому ампер-витки IW_П>IW_разг, и рабочая точка при пуске перемещается слева направо по горизонтальному участку характеристики f(IW_у). При выполнении равенства IW_разг=IW_п рабочая точка выходит на наклонный участок характеристики, и начинается стабилизация тока. Таким образом, пуск двигателя происходит при постоянной частоте.

Результаты испытаний (фиг.6) подтверждают работоспособность устройства. На фиг.6:

1.2 - зависимости М(n) при разгоне и торможении соответственно;

3 - зависимость М(U_п) при постоянной уставке тока;

4 - зависимость М(U_п) при подключении обмоток к выходу ШИП.

Из фиг.6 видно, что характеристика М(n) имеет падающий характер. Объясняется это, в основном, уменьшением потока возбуждения машины при возрастании частоты. Кривая 3 подтверждает, что момент двигателя при неизменной уставке тока I_g возрастает с увеличением напряжения питания U_п инвертора. При уменьшении уставки пропорционально γ момент изменяется незначительно (кривая 3). Падающий характер зависимости М(n) иногда бывает полезным, так как вносит дополнительное демпфирование в систему стабилизации объекта.

Изобретение относится к области электротехники и может быть применено для управления асинхронными двигателями силовых гиростабилизаторов с изменяемым кинетическим моментом. Технический результат заключается в упрощении устройства и стабилизации момента двигателя. Для этого устройство содержит статический преобразователь, широтно-импульсный модулятор, выпрямитель и широтно-импульсный преобразователь, при этом одну из обмоток управления интегрирующего генератора включают последовательно в цепь питания инвертора статического преобразователя, а другую обмотку подключают к выходу фильтра широтно-импульсного преобразователя. 6 ил.

Устройство для управления асинхронным электродвигателем, содержащее статический преобразователь, широтно-импульсный модулятор, выпрямитель и широтно-импульсный преобразователь, отличающееся тем, что, с целью упрощения устройства и стабилизации момента двигателя, одну из обмоток управления интегрирующего генератора включают последовательно в цепь питания инвертора статического преобразователя, а другую обмотку подключают к выходу фильтра широтно-импульсного преобразователя.