Устройство для управления электроприводом переменного тока Советский патент 1982 года по МПК H02P5/34 

Изобретение относится к электротехнике электроприводов переменного тока и может быть использовано для управления электроприводом с асин хронным, синхронным или асинхронизированным синхронным электродвигателем, многофазна:Я система обмоток которого питается от преобразователя частоты с непосредственной связью, имеющего раздельное илй совместное рассогласованное управление группами вентилей.

Известно устройство для управления электроприводом переменного тока, которое содержит непбсредственный преобразователь частоты, предназначенный для подключения к многоразной системе обмоток статора асинхронного электродвигателя, датчики токов этих обмоток, блок обратного преобразования, бЛок регулирования скорости, вычислительный блок, блок прямого преобразования и блок формирователя гармонических функций угла поворота системы координат, выход которого подключен к соответствующим входам блоков прямого и обратного преобразований, причем входы блока обратного преобразования соединены с выходами датчиков токов обмоток,

а выходы подключены к соответствующим входам блока регуляторов непосредственно или через блок формирования действительных значений потокосцеплений, при этом выходы блока регуляторов через блок прямого преобразования соединены с входами питакядего преобразователя частоты, а выход блока регулирования скорос10ти связан с соответствующими входами блока регуляторов токов или пото.косцеплений IJ.

Недостатками этого устройства являются сравнительно низкие быстро15действие и качество регулирования в случае применения непосредственного преобразователя частоты с раздельным или совместным paccoглacoвaннк управлением, что обусловлено наличи2iем в таких преобразователях режима прерывистых токов вентильных .

Наиболее близким к изобретению является устройство для управления электроприводом переменного тока,

2i содержащее непосредственный преобразователь частоты, предназначенный для подключения к многофазной системе обмотоК электродвигателя, датчи-. ки токов обмоток двигателя, блок

30 обратного преобразования, входы которого соединены с выходами датчиков тока, вычислительный блок, блок регулирования скорости, выход которого подключен к входу вычислительного блока, блок прямого преобразования, блок регуляторов, входы которого соединены с выходами вычислительного блока и с выходами блока формирования действительных потокосцеплений, входы которого подключены к соответствующим выходам блока обратных преобразований, -измеритель скорости вращения ротора двигателя, выход которого соединен с входами блока регулирования скорости и блока регуляторов токов или потокосцепле, НИИ, формирователь гармонических функций угла поворота системы коорди нат , выходы которого подключены к соответствующим входам блоков прямого и обратного преобразований i 2 J Однако известное устройство обеспечивает качественное регулирование и предельное быстродействие лишь в случае применения непосредственного преобразователя частоты с совместньам согласованным управлением, т.е. при наличии уравнительных токов между группами вентилей преобразователя 1ШЧ. В случае же применения непосред ственного преобразователя частоты с раздельным или с совместным рассо гласованным управлением без уравнительных токов устройство не обеспечи вает качественного регулирования. В таком приводе максимально достижимое быстродействие в несколько раз ниже предельного, форма фазных токов двигателя существенно отличается от синусоидальной, что вызывает повыше ный нагрев двигателя, уменьшает КПД электропривода и приводит к увеличе нию пульсаций момента на валу двигателя, что ускоряет механический износ рабочей машины, ухудшает качество выпускаемой продукции. Эти недостатки обусловлены наличием в непосредственных преобразо телях частоты режимов прерывистых токов вентильных групп, в которых резко изменяются характеристики преобразователя, являющиеся нелине ными функциями среднего значения тока и ЭДС нагрузки. Параметры регуляторов в таких системах приходится выбирать из условия получения оптимальных переходных процессов в режиме непрерывных токов. Однако при попадании в зону прерывистых токов быстродействие системы резко снижается, поскольку параметры регу ляторов остаются неизменными и в эт режиме, а характеристики объекта регулирования, которым является непосредственный преобразователь част ты, нагруженный на обмотки двигател резко изменяются, Целью изобретения является повышение быстродействия и ув.еличение КПД электродвигателя. Указанная цель достигается тем, что в устройство для управления злектроприводом переменного тока дополнительно введены блок нелинейных преобразователей, два блока прямого преобразования координат и два блока сукматоров, управлякяцие входы непосредственного преобразователя частоты подключены к выходам первого блока сумматора, переключающие входы непосредственного преобразователя частоты с раздельным управлением подключены к выходам второго блока сумматоров, первая система входов первого блока сумматоров подключена к выходам второго блока сумматоров, первая система входов которого подключена к. выходам блока нелинейных преобразователей, входы блока нелинейных преобразователей подключены через первый блок прямого преобразования координат к первой системе выходов блока регуляторов, вторая система входов первого блока сумматоров и дополнительные входы блока нелинейных преобразователей подключены через второй блок прямого преобразования координат к второй системе выходов блока регуляторов, при этом вторая система входов второго блока суколатора подключена через третий блок прямого преобразования координат к третьей системе выходов бйока регуляторов. IКроме того, в устройстве для управления электроприводом блок регуляторов содержит два множительных элемента, три пропорциональных и три интегральных регулятора, два сумматора причем входы множительных элементов, интегральных и пропорцио.нальных регуляторов соединены с выходами вычислительного блока и блока формирования сигналов действительных значений токов или потокосцеплений, выходы второго и третьего интегральных регуляторов соединены с входами обоих сумматоров, выходы которых и выход первого, интегрального регулятора образуют первую систему выходов блока регуляторов, ,выходы множительных элементов образуют систему выходов, а выходы пропорциональных регуляторов образуют третью систему выходов блока регуляторов. На .1 показан пример устройства для управления электроприводом переменного тока с непосредственным преобразователем частоты/ на фиг.2 функциональная схема одного из возможных вариантов выполнения блока регуляторов - блока регуляторов потокосцеплений синхронного двигателя.

Устройство для управления электроприводом переменного тока (фиг.1) содержит непосредственный преобразова тель 1 частоты, к которог у подключены многофазная система обмоток статора ( или ротора) электродвигателя 2, датчики 3 токов указанных обмоток, блок 4 обратного преобразования координат, блок 5 регулирования скорости, на входы которого подаются сигналм заданного ) и действительного значеНИИ скорости, для фОЕ лирования которого используется измеритель например тахогенератор 6 скорости, вычислительный блок 7, предназначенный для вычисления заданных величин токов и пото косцеплений ф% , блок 8 регуляторов токов или потокосцеплениП (в зависимости от требования внутренний контур может быть замкнут либо по токам, либо по тoкocцeплeния) / блок 9 формирования сигналов действительных потокосцеплениЛ ф (указанный блок 9 не используется, если контур замкнут по току), три блока 10-12 прямого преобразования, блок 13 нелинейных преобразователей, два блока 14 и 15 сумматоров и формирователь 16 гармонических функций угла поворота продольной оси ротора. Если применен синхронный электродвигатель, то для питания обмотки возбуждения использует ся возбудитель 17, причем ток возбуждения измеряется с помощью датчика 18 тока, а сигнал управления возбудителем поступает с выхода сумматора 19. В зависимости от предъявляемых к электроприводу требований и применяемого электродвигателя, блок 8 регуляторов может выполняться поразному. В случае применения синхронного двигателя Олок 8 регуляторов потокосцеплений (фиг.2 содержит три интегральных регулятора 20-22 и два сумматора 23 и 24 с перекрестнвлми связями, образующие многосвязанный интегральный регулятор, два множительных элемента 25 и 26, образующие узел формирования компенсирующих сигналов ЭДС и три пропорциональных регулятора 27-29, образующих многомерный пропорциональный регулятор.

1--;-

Управляющие входы непосредственного преобразователя 1 частоты подключены к выходам блока 15 сумматоров. Переключакадие входы преобразователя 1 с раздельным управлением и первая система входов блока 15 подключены к выходам блока сумматоров 14. Первая система входов блока сумматоров 14 подключена к выходам блока нелинейных преобразователей 13. Входы блока13 соединены через блок прямого преобразования координат 10 с первой системой выходов блока 8 регуляторов. Вторая система входов блочка 15 и дополнительные входы блока 13 подключены через первый блок 11 прямого преобразования координат к второй системе выходов блока 8 регулят6ро1. Вторая система входов блока 14 сумматоров через второй блок 12 прямого преобразования координат подключена к третьей системе выходов блока 8 регуляторов. В случае применения синхронного электродвигатедя СФиг.2; в блоке 8 регуляторов первые входы пропорциональных регуляторов 27-29 и интегральных регуляторов 20-22 подключены к выходам вычислительного блока 7, вторые входы этих регуляторов подключены к выходам блока 9 формирования сигналов действительных потокосцеплений. Входы каждого из сумматоров 23 п 24 подключены к выходам интегральных регуляторов 20 и 22. Входы множительных элементов 25 и 26 подключены к выходам блока 9 формирования сигналов потокосцеплений и к измерителю 6 скорости электродвигателя. При этом выходы интегрального регулятора 20, сумматоров 23 и 24 образуют первую систему выходов выходы множительных элементов 25 и 26 вторую систему выходов, выходы про- ; порциональных регуляторов 27-29 - третью систему выходов блока 8 регуляторов.

Система регулирования предлагаемого привода построена с учетом изменения характеристик непосредственного преобразователя -частоты в зоне прерывистых токов. Известно, что тиристорный преобразователь, питакидий обмотку электрической мгицины, в первом приближении может рассматриваться как источник ЭДС с нелинейным внутреннем активным сопротивлением. Эквивалентная ЭДС преобразователя пропорциональна управляимцему напряжению:

.

И)

где К - коэффициент передачи тиристорного преобразователя по. напряжению. Процессы, происходящие в силовой

цепи,описываются уравнением

), (1)

где и - напряжение на обмотке двигателя р

)- падение напряжения на внутреннем активном сопротивлении преобразователя при токе ii Дифференциёшьное сопротивление

преобразователя

о..:ЭШ. .) 9,в .зоне непрерывных токов неизменно и определяется параметрс1ми преобразователя, при переходе в зону преряывистых токов оно резко возрастает И существенно зависит от тока ЭДС и индуктивности цепи нагрузки. Напряжение на обмотке электрической машины переменного тока ац) U-R где R - сопротивление обмотки/ dHIdt - переходная ЭДС обмотки; е - ЭДС вращения (скольжения обмотки. Отсюда напряжение управления пре обраэователем может быть представле но в виде суммы трех слагаемых -1 Дф -1 V т-лТ ire, C5h Кп .2. К.П at iv I (гдеЪ - суммарное напряжение на активных сопротивлениях обмотки и преобразователя UjCi,e)--f2.U,e)--R:,f-Ue) (б; Высококачественно ; регулирование может быть обеспечено, если слагаемое е создается компенсирующей обратной связью по ЭДС впащения (скол жения ), слагаемое поступает от пропорционального регулятора через координа ный преобразователь, а сла гаемое jT- и - от интегрального регу лятора координатный и нелиней ный преобразователи. Если функция, реализуемая нелинейным преобразова телем, имеет вид 4Bb,(bvO где Rj - суммарное дифференциальное сопротивление цепи в режиме непреры ного тока, то сигнал, поступающий на вход нелинейного преобразователя должен быть О V Kn Таким образом, необходимые выход ные сигналы регуляторов имеют такой же вид, как для управления электродвигателем, питаемого от преобразов теля с неизменным внутренним сопротивлением, т.е. например, с совмест ным согласованным управлением с ура нительными токами, а значит и процессы, происходящие в -таком приводе не будут отличаться от стандартных. Устройство работает следующим образом. Сигнал задания скорости 1)- с выхода задающего блока (не показан) пбступает на вход блока 5 регулиров ния скорости, рде сравнивается с сигналом действительного значения скорости -i) , поступающим от тахоге нератора 6. Зещанное значение момен та vni, электродвигателя с выхода бло ка 5 поступает в вычислительный бло который обеспечивает формирование зпданиик значений потокосг1епле1Шй . Фс. (или токов %,1а|г ) подаваемых на входы интегральны:: 20-22 и пропорциональных 27-29 регуляторов, где они сравниваются с сиг-, Налами действительных значений noTOv косцеплений, формируэмых блоком 9. На входы блока 9 подаются преобразованные с помощью блока 4 обратного Г1реобразования сигналы токов i(i , t , i указанных обмоток электродвигателя 2, и сигнал 1у-, с выхода измерителя 18 тока ротора. Выходные сигналы блока 8 регуляторов преобразуются в системе координат, связанной с обмотками электродвигателя, с помощью блоков 10-12 прямого преобразования. Преобразованные сигналы многосвязного 1нтегрального регулятора с выхода блока 10 прямого преобразования подаются на вход блока 13 нелинейных преобразователей, имеющих характеристику входвыход .описываемую уравнением (. 1) . Для создания требуемой зависимости (7) на второй вход блока 13 подаются сигналы соответствуняцих фазных ЭДС Gq/eb б с выхода блока 11 прямого преобразования. Выходные сигналы блока 13 нелинейных преобразователей подаются-на вход блока 14, .где суммируются с преобразованными с помощью блока 12 прямого преобразования выходными сигналами многомерного пропорциональногоблока 3. Выходные сигналы Ор(5( Орс блока 14 сумматоров подаются на входы логических переключающих элементов соответствующих фаз непосредственного преобразователя частоты (в случае его выполнения с раздельны / управлением группами вентилейJ. Переключение групп вентилей преобразователя 1 осуществляются в зависимости от знака соответствующего выходного сигнала блока 14 сумматоров. Преобразованные сигналы фазных ЭДС суммируются блоком 15 сумматоров с-со отвефствуклцими выходными сигналами блока 14 сумматора. Выходные сигналы Uo Ъ Uc- блока 15 сумматоров подаются на входы систем импульсно- фазного управления вентилями соответствующих фаз преобразователя 1 частоты. Нормальная работа блоков 4 обратного и блоков 10-12 прямого преобразований обеспечивается с помощью формирователя 16 гармонических функций Ginx п СОбТ угла поворота продольной оси ротора электродвигателя 2.Питание Обмотки ротора электродвигателя 2 осуществляется от возбудителя 17, управляемого выходным сигналом сумматора 19, на вход которого подаются сигналы пропорциональной Ur и интегральной uV составляющих, вычисляеглых блоком 8 регулятор В режиме прерывистого тока какойлибо вентильной группы преобразова теля 1 частоты соответствующий нелинейный преобразователь блока 13 работает на участке с большим коэффициентом передачи, что необходимо для компенсации увеличения в этом режиме эквивалентного сопротивления преобразователя. С увеличением тока данной вентильной группы увеличивае ся соответствукяций выходной сигнал блока 10 прямого преобразования, а коэффициент передачи соответствующе нелинейного преобразователя блока 13 уменьшается и становится минимальньм в режиме непрерывного ток4 данной вентильной группы. Поскольку зона прерывистых токов уменьшается с ростом ЗДС нагрузки, то на дополнительный вход нелинейного преобразователя подается сигнал соответств кяцей фазной ЭДС вд , е, е который уменьшает участок характеристики нелинейного преобразователя с большим коэффициентом согласно выражению 17}.. Предлагаемое устройство позволяе улучшить качество регулирования . электроприводов переменного тока на основе непосредственных преобразователей частоты с раздельным или с совместным рассогласованным управ лением: ускоряется прохождение зоны прерывистых токов в каждой из обмоток электродвигателя, питаемых от непосредственных преобразователей частоты за счет этого улучшается форма.фазных токов, уменьшается потеря энергии в меди и в стали от высших гармоник тока, уменьшаются пульсации момента двигателя,. . за счет чего возрастает надежность и долговечность как самого двигателя, так и приводимой им рабочей . машины. Появляется возможность повысить быстродействие контура регулирования скорости, чтго в конкрет ных применениях обеспечивает повышение производительности рабочих машин и(.или} качества продукции. Формула изобретения 1. Устройство для управлени-я эле роприводом переменного тока, содержащее непосредственный преобразователь частоты, предназначенный для подключения к многофазной системе обмоток электродвигателя, датчики токов обмоток электродвигателя, блок обратного преобразования, входы которого соединены с выходами датчиков тока, вычислительный блок, блок регулирования скорости, выход которого подключен к входу вычислительного блока, блок прямого преобразования, блок регуляторов, входы которого соединены с выходами вычислительного блока и с выходами бло-. ка формирования действительных потокосцеплений, входы которого подключены к соответствукяцим входам блока обратных преобразований, измеритель скорости вращения ротора электродвигателя, выход которого соединен с входами блока регулирования скорости и блока регуляторов, формирователь гармонических функций угла поворота системы координат, выходы которого подключены к соответствующим входам блоков прямого и обратного преобразований, . отличающеес-я тем, что, с целью повышения быс1 родействия, дополнительно введены блок нелинейных преобразователей, два блока прямого преобразования координат и два блока сумматоров, управляющие входы непосредственного преобразователя частоты подключены к выходам первого блока сумматора, переключающие входы непосредственного преобразователя частоты с раздельным, управлением подключены к выходам второго блока сум14аторов, первая систе - ма входов первого блока сумматоров подключена к выходам второго блока сумматоров, первая система входов которого подключена к выходам блока нелинейных преобразователей, входы блока нелинейных преобразователей подключены через первый блок прямого преобразования координат к первой системе выходов блока регуляторов, вторая система входов первого блока су1уматоров и дополнительные входы блока нелинейных преобразователей подключены через второй блок прямого преобразования координат к второй системе выходов блока регуляторов, причем вторая система входов второго блока сумматора подключена через третий блок прямого преобразования координат к третьей системе выходов блока регуляторов, I 2. Устройство по п.1, о т л и- ч а ю щ -е е с я тем, что блок регуляторов содержит два множительных элемента, три пропорциональных и три . интегральных регулятора, два сумматора, причем входы множительных элементов, интегральных и пропорционал.ных регулятбров соединены с выходами вычислительного блока и блока формирования сигналов действительных знаений токов или потокосцеплений, выходы второго и третьего интегральных регуляторов соединены с входами обоих сумматоров, выходы которых выход первого интегрального регулятора образуют первую систему выходов блока регуляторов, выходы множительных элементов образуют вторую систему выходов, а выходы пропорциональных регуляторов образуют третью сиетему выходов блока регуляторов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Siemens-Zeitschrift, 1971,. 45 N 10, s. 757-760. 2. Авторское свидетельство СССР № 520682, кл, Н 02 Р 5/40, 1970,

Фиг, /