Способ управления двигателем двойного питания, выполненным на базе асинхронного двигателя с фазным ротором, и устройство для его осуществления

Способ управления двигателем двойного питания, выполненным на базе асинхронного двигателя с фазным ротором, и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к электротехнике, может быть использовано для управления двигателем двойного питания на базе асинхронного двигателя с фазным ротором, например, в тяговом электроприводе. Целью изобретения является повышение КПД путем снижения потерь в стали статора после перехода на встречное вращение магнитного поля и ротора. Эта цель достигается путем поддержания одинаковых частот токов в обмотках статора и ротора асинхронного двигателя 1, равных половине частоты вращения ротора при превышении указанной частотой вращения ротора частоты задающего генератора 31 двухфазного синусоидального напряжения. В устройство, реализующее предложенный способ управления двигателем двойного питания, введены третий арифметический блок 28, частотный компаратор 30, управляемый аналоговый коммутатор 32, второй интегратор 21, второй сумматор 20, умножители 18,19, блок 5 преобразований токов статора и датчик 4 фазных токов статора. При этом обеспечивается минимальность суммарных потерь в стали статора и ротора и минимальность электрических потерь в меди обмоток поддержанием ортогональности векторов тока статора и результирующего магнитного потока в воздушном зазоре машины, благодаря чему повышается КПД. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ . СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (61) 1515323 (21) 429.7304/24-07 (22) 06.07.87 (46) 30.11.90. Бюл. Р 44 (71) Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева (72) Ю.П. Сонин, Ю.Г. Шакарян, Ю.И. Прусаков, С.А. Юшков и И.,В. Гуляев. (53):- 621.313,3.072.9 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 1515323, кл. Н 02 P 7/42, 11.02.8?.

„,Я0„„1610589 А 2 (51) 5 Н 02 P 7/42

2 (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ

ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ, ВЫПОЛНЕННЫМ НА

БАЗЕ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ФАЗНЫИ

РОТОРОМ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к электротехнике, может быть использовано для управления двигателем двойного питания на базе асинхронного двига-, теля с фазным ротором, например, в тяговом электроприводе, Целью изобретения является повышение КПД путем али статора по16 10589

30 сл е пер ехода на встр ечное вращение магнитного поля и ð îðà. Эта цель достигается путем поддержания одинаковых частот токов в обмотках статора и ротора асинхронного двигателя

1, равных половине частоты вращения ротора при превышении указанной частотой вращения ротора частоты задающего генератора 31 двухфазного синусоидального напряжения. В устройство, реализующее предложенный способ управления двигателем двойного питания, введены третий арифметический блок 28, частотный компаратор

Из обр ет ени е относится к эл ектр отехнике и может быть использовано для управл ения двигателем двойного питания на базе асинхронного двигателя с фазным ротором, например в тяговом электроприводе, гребном (в судах ледокольного типа).

Целью изобретения является повышЕние КПД путем снижения потерь в стали статора после перехода на встречное вращение магнитного поля и ротора.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для управления двигателем двойного питания, рЕализующего предложенный способ; на фиг. 2 показана зависимость частот статора (якоря) Я и ротора (возбуждения) (д от частоты вращення ротора 47 40

Устройство для управления двигателем двойного питания содержит асинхронный двигатель 1 (фиг. 1) с фазным ротором, статорные и роторные обмотки которого подключены к выхо- 45 дам пр еобр а зоват ел ей 2, 3 частоты статора и частоты ротора соответственно. Датчик 4 фазных токов статора подключен выходами к управляющим входам блока 5 преобразования токов статора, Датчик 6 фазных напряжений статора подключен выходами к входам для опорных сигналов блока 5 преобразования токов статора и к входам датчика 7 частоты токов статора, вы- ход которого подключен к второму управляющему входу преобразователя 2 частоты статора. Блоки 8 и 9 задания амплитуд напряжений ста"ора и ротора

30, управляемый аналоговый коммутатор 32, второй интегратор 21, второй сумматор 20, умножители 18, 19, блок

5 преобразований токов статора и датчик 4 фазных токов статора. При этом обеспечивается минимальность суммарных потерь в стали статора и ротора и минимальность электрических потерь в меди обмоток поддержанием ортогональности векторов тока статора и результирующего магнитного потока в воздушном зазоре машины, благодаря чему повышается КПД. 2 с.п. ф-лы, 2 ил. подключены выходами к первым управляющим входам преобразователей 2, 3 частоты статора и ротора соответственно. Блок 10 преобразования магнитных потоков подключен входами к выходам датчика 11 ЭДС Холла и датчика 6 фазных напряжений, а выходами соединен с входами квадраторов 12 и 13. Первый сумматор 14 входами подключен к выходам квадраторов 12 и 13, а выходом соединен с первым входом блока 15 сравнения, второй вход которого подключен к выходу блока 16 задания амплитуды магнитного потока. Первый интегратор 17 соединен входом с выходом блока 15 сравнения, а выходом подключен к третьему управляющему входу преобразователя

3 частоты ротора, Умножители 18 и 19 подключены входами к выходам блока

5 преобразования токов статора и блока 10 преобразования магнитных потоков. Входы второго сумматора

20 соединены с выходами умножителей

18 и 19, а выход через второй интегратор 21 подключен к третьему управляющему входу преобразователя 2 частоты статора. Вход первого фильтра

22 подключен к выходам датчика б фазных напряжений статора, а выход соединен с входом первого блока 23 прямого преобразования координат. Вход второго фильтра 24 соединен с выходами датчика 25 фазных напряжений ротора, а выход подключен к входу второго блока 26 прямого преобразования координат .. Первый вход первого арифметического блока 27 соединен с выходом первого блока 23 прямого пре10589

На силовые входы преобраэоват;лей

2, 3 частоты статора и ротора и блоки управления подают напряжение питания.

От сигналов блоков 8, 9 задания амп- литуд напряжений статора и ротора начинают работать выпрямительные звенья соответствующих преобразователей частоты. е

1О

20

singlet cosQ„t — cos63 t sin4)„t = з1п(1О g„) = singlet;

cos Ю t ° cos63>t — sin 9,t sing„t соз(УО -Я ) t = cos63,t, ше, чем на втором, на выходе формируется сигнал логической единицы. Р> начальный момент ротор двигателя непод- вижен (Q»- =0), соответственно сигнал на входе частотного компаратора

30 имеет уровень логической единицы.

Если на управляющем входе коммутатора 32 присутствует уровень логической единицы, то коммутатор замкнут и входной сигнал без изменений поступает на выход. Если управляющий. сигнал имеет уровень логического нуля, управляемый аналоговый коммутатор разомкнут и сигнал на его выходе равен нулю.

При нулевой частоте вращения ротора (Я = О) на управляющем входе управляемого аналогового коммутатора

32 присутствует уровень логической единицы, поэтому сигнал на его выходе повторяет входной сигнал .

С выхода управляемого аналогового коммутатора 32 сигнал поступает на второй вход третьего арифметического

16 образования координат, а второй вход с выходом второго блока 26 прямого преобразования координат. Выход первого арифметического блока 27 подключен к первым входам третьего 28 и второго 29 арифметических блоков и к первому входу частоты компаратора 30.

Выход задающего генератора 31 двухфазного гармонического сигнала соединен с вторым входом второго арифметического блока 29 и с вторым входом частотного компаратора 30. Вход управляемого аналогового коммутатора

32 подключен к выходу второго арифметического блока 29, а управляющий вход — к выходу частотного компаратора 30. Второй вход третьего арифметического блока 28 соединен с выходом управляемого аналогового коммутатора

32, а выход — с входом блока 33 обратного преобразования координат, который в свою очередь соединен с входом блока 34 формирования управляющих импульсов, выход которого через делитель 35 подключен к второму управляющему входу преобразователя

3 частоты ротора.

Устройство для управления двигателем двойного питания работает следующим об раз ом, где. Я вЂ” выходная частота задающего генератора двухфазного синусоидального напряжения;.

ßr - угловая частота вращения ротора; 40 и = (о 6 °

С выхода вторor о арифметического блока 29 сигнал поступает на вход управляемого аналогового коммутатора

32, на управляющий вход которого по- 45 ступает сигнал управления с выхода частотного компаратора 30, На первый и второй входы компаратора подаются сигналы с выходов соответственно первого арифметического блока 27 cosQ t 50 и задающего генератора 31 двухфазного гармонического сигнала cos Coдt.

Когда частота синусоидального сигнала ° на первом входе компараторе 30 становится больше частоты синусоидального сигнала на втором его входе, на выходе формируе- я сигнал логического нуля ° При частоте сигнала на первом входе частотного компаратора 30 меньВ первый момент сигналы управления инверторными звеньями преобразо-, вателей 2, 3 частоты статора и ротора отсутствуют. Соответственно сигнал на входе первого арифметического блока 27 равен нулю. Задающий генератор 31 двухфазного гармонического сигнала вырабатывает двухфазный синусоидальный низкочастотный сигнал частотой порядка 6-10 Гц, который подается на второй вход второго арифметического блока 29. На первый вход блока 20 поступает сигнал с выхода первого арифметического блока 27. Во втором арифметическом блоке 29 двухфазные синусоидальные сигналы преобразуются согласно выражениям:

3 6 10589

sing,t cbsg„t — cosU,t sing„t = sin(G3,-Ó„) t, cosg,t cosg t — sinQ,t sing,t = сов(Я-Q ) t.

3(Q=Qg =Я /2„

sing t cosg t — cosgt ° sinQLt = sin(43 0 ) t = singlet;

1 с °

osQt cosQ t s1ngt sIn03 t = cos (g -ю ) с = cosg блока 28, на первый вход которого подается сигнал с выхсда первого арифметического блока 27, В третьем

С выхода третьего арифметического блока 28 сигнал поступает на вход блока 33 обратного преобразования координат. После преобразования в блоке 33 обратного преобразования координат трехфазный синусоидальный сигнал проходит через формирователь 34 управляющих импульсов и делитель 35 с коэффициентом деления К = 2 и по20 ступает на второй управляющий вход преобразователя .3 частоты ротора.

Так как в начальный момент времени частота вращения ротора C0< = О, то после прохождения через второй

29 и третий 28 арифметические блоки и деления делителем 35 сигнал будет иметь частоту () = ц,/г.

Частота Я является начальной частотой возбуждения (частотой тока. ротора) .

По обмотке неподвижного ротора начина ет пр от екать п ер еме нный тр ехфазный ток частотой Я = Qo/2, в

3. результате чего в обмотке статора наводится ЭДС той же частоты где Я вЂ” частота токов ротора (частота возбуждения); (g — частота токов статора (якоря)э

Ор = я- У - частота вращения ротора.

Так как при неподвижном роторе частоты токов статора и ротора равйы (д = Qy то частота двухфазного сигнала на выходе первого арифметического блока 27 равна нулю (Я,= О).

:IpH неподвижном роторе по обмоткам

"татора и ротора протекает переменарифметическом блоке 28 двухфазные синусоидальные сигналы преобразую— ся согласно выражениям: где И вЂ” частота тока статора (якоря) .

Сигнал с выхода датчика 6 фазных напряжений статора поступает на вход датчика 7 частоты токов статора, который формирует управляющие сигналы для инверторного звена преобразователя 2 частоты статора. По обмотке статора начинает протекать переменный трехфазный ток частотой

=(1) = uÎ, Сигналы с датчиков 6, 25 фазных напряжений статора и ротора поступают на фильтры 22 и 24, которые выделяют первые гармоники напряжений, совпадающие по фазе с напряжениями на обмотках статора и ротора соответственно. С выходов фильтров сигналы поступают на входы первого 23 и второго 26 блоков прямого преобразования координат соответственно„После преобразования в указанных блоках двухфазные синусоидальные сигналы поступают соответственно на первый и второй входы первого арифметического блока 27, в котором сигналы преобразуются согласно выражениям: ный трехфазный ток, который создает в статоре и роторе вращающиеся магнитные поля. При вращении магнитного поля статора в одном направлении с одинаковой частотой с магнитным полем ротора поля взаимодействуют между собой, создавая вращающий электромагнитный момент. Когда последний превысит момент сопротивления нагрузки на валу, ротор двигателя начнет вращаться, С выхода датчика 7 частоты токов статора снимается после этого сиг1610589 l0 блока 28, а именно sin(Q — Я„) t меняет знак на противоположный. Это приводит к изменению чередования фаз с выхода блока 33 обратного пре5

Ъ ,образования координат на обратное, что обеспечивает изменение направления вращения магнитного поля ротора. При этом результирующее магнитное поле в воздушном зазоре машины вращается с частотой Ы = M„-Ó .

Когда частота вращения ротора G3 становится равной частоте задающего генератора 31 двухфазного синусоида15 льного напряжения Е ь 1 частота сигнала на выходе второго арифметического блока 29 нал с частотой, равной сумме или разности частот вращения и возбуждения г+ +j и обеспечивающей одинаковую скорость вращения магнитных полей статора и ротора.

Регулирование частоты вращения ротора осуществляется путем изменения величины напряжения якоря при помощи блока 8 задания амплитуды напряжения статора.

Когда ротор начинает вращаться, сигнал частотой

У =Яр+ 63 — Е с выхода датчика 6 фаэных напряжений статора проходит через первый фильтр 22 и после преобразования в первом блоке 23 прямого преобразования координат поступает на первый вход первого арифметического блока

27. На второй вход первого арифметического блока 27 поступает с выхода второго блока 26 прямого преобразования координат сигнал частотой (jDg .

Частота сигнала на входе первого арифметического блока 27 равна частоте вращения ротора

У, = Е о- г

Ир= Я -Qg °

При увеличении частоты вращения ротора Qt, частота сигнала на выходе второго арифметического блока 29, равная

М, = 4)()- И„, начинает уменьшаться. Уменьшается также частота на выходе третьего арифметического блока 28:

И =Я, Юр =Уф У„Е р = Е о 2Я е где Я вЂ” частота на выходе третьего l арифметического блока, Частота возбуждения соответственно равна

У2 ИО

63< = — = — -ю.

2 2 0

Когда (1 = — частота возбуждения г 2 1

ЯЕ равна нулю — в обмотке ротора т еч ет .пост оя нный т ок „При дал ьнейшем увеличении частоты вращения ротора

Ир частота возбуждения О изменяет знак и начинает возрастать, но уже с отрицательным знаком. В момент изменения знака ЫЕ один иэ сигналов с выхода третьего арифметического и, следовательно, на выходе управляемого аналогового коммутатора 32 равна нулю. Одновременно происходит изменение логического сигнала на выходе частотного компаратора 30— логический уровень становится равным нулю. Как только сигнал на управляющем входе управляемого аналогового коммутатора 32 становится равным логическому нулю, управляемый аналоговый(коммутатор прекращает пропускать входной сигнал на выход, поэтому на втором входе третьего арифметического блока 28 сигнал равен нулю.

Когда частота .вращения ротора Я„ становится больше выходной частоты задающего генератора двухфазного синусоидального сигнала Яд, с выхода третьего арифметического блока

40 снимается двухфазный сигнал частотой — „, так как на втором входе третьего арифметического блока сигнал равен нулю. После деления частоты делителем 35 сигнал частотой Ug =

= — 63 /2 поступает на второй управляющий вход преобразователя 3 частоты ротора„

При дальнейшем увеличении скорости вращения ротора частота возбуждения поддерживается равной половине частоты вращения ротора.

В электроприводе имеется автоматическая система поддержания постоянства результирующего магнитного потока в воздушном зазоре двигателя. Выходные сигналы с датчика 11

ЭДС Холла, пропорциональные величинам магнитных потоков Фду, Фу, Ф воздушного зазора по осям фаз oGMoг

16 10589

1О

15 ток статора, преобразуются с помощью блока 10 преобразований магнитных потоков в составляющие Фр„, Ф р, нулевой частоты, представлейные в осях

Х, Y вращающихся синхронно с полем двигателя. После возведения в. квадрат составляющих магнитного потока в квадраторах 12 и 13 и суммирования их сумматором 14 выходной сигнал с последнего, пропорциональный квадрату амплитуды магнитного потока Ф х в воздушном зазоре двигателя, поступает на первый вход блока 15 сравнения. На второй вход блока 15 сравнения поступает сигнал с блока 16 задания квадрата амплитуды магнитного потока Ф в воздушном зазоре двига8 А теля. С выхода блока 15 сравнения сигнал рассогласования+ Ф с помощью астатического регулятора 17, выношненного в виде интегратора, преобразуется в сигнал напряжения смещения

4 dU ®, подается на третий вход преобразователя 3 частоты ротора и так изменяет величину тока возбуждения

i и тока намагничивания д = + ig, чтобы обеспечить постоянство результирующего магнитного потока в воздушном зазоре машины (Ф р = Ф р const) в соответствии с заданной величиной.

Кроме того, в электроприводе имеется система поддержания ортогональности векторов тока якоря и результирующего магнитного потока.. Условие ортогональности векторов. тока якоря и результирующего магнитного потока выполняется при равенстве нулю их скалярного произведения i.-Ф = О, или, в координатах Х, У х@ х+ рФSy= О.

Выходные сигналы с датчика 4 фазных токов статора преобразуются. с помощью блока 5 преобразований токов статора в составляющие нулевой частоты i i, представленные в осях

Х, У, вращающихся синхронно с полем двигателя. На умножители 18 и 19 поступают выходные сигналы с блока 10 преобразования магнитных потоков, представляющие собой составляющие нулевой частоты Фр„, Ф, и токи

Умножители 18 и 19 осуществляют перемножение одноименных составляющих потока Ф и тока i после чего сигнал суммируются первым сумматором 20 и через астатический регулятор 21, выполненный в виде интегратора, поступают на третий управляю20

55 щий вход преобразователя 2 частоты статора, Сигнал с выхода второго интегратора 21 определяет смещение фазы управляющих импульсов до тех пор, пока не будет выполнено условие ор т or онал ь нос ти в ект ор о в т ока якоря и магнитного потока. При этом достигается максимальное значение электромагнитного вращающего момента двигателя при данных значениях тока статора и результирующего магнитного потока в воздушном зазоре.

С учетом изложенного в двигателе обеспечивается минимум потерь в стали статора и ротора, а также минимум электрических потерь в меди обмоток, благодаря чему повышается КПД в сравнении с основным изобретением.

Формула из обр ет ения

1. Способ управления двигателем двойного литания, выполненным на базе асинхронного двигателя с фазным ротором по авт, св. N - 1515323, о т личающийся тем,что,с целью повышения КПД путем снижения потерь в стали статора, после изменения чередования фаз обмотки ротора частоты токов в обмотках статора и ротора устанавливают равными.

2. Устройство для управления двигателем двойного питания, выполненным на базе асинхронного двигателя с фаэным ротором, по авт. св.

1515323 отличающееся тем, что введены третий арифметический блок, частотный компаратор, управляемый аналоговый коммутатор, второй интегратор, второй сумматор, два умножителя,. блок преобразования токов статора, датчик фазных токов статора, выходом соединенный с управляющим входом блока преобразования токов статора, вход для опорных сигналов которого подключен к выходу датчика фазных напряжений статора, первый и второй выходы блока преобразования токов статора соединены с первыми входами соответственно первого и второго умножителей, вторые входы которых подключены к первому и второму выходам блока преобразований магнитных потоков, выходы умножителей соединены с входами второго сумматора, подключенного выходом через второй интегратор к третьему управляемому входу преобразователя частоты статора, первый вход частот1610589!

©иг.2

Ъ

Составитель А. Жилин

Техред M,дндык Корректор С. Черни

Редактор А. Маковская

Заказ 3744 Тираж 457 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101 ного компаратора соединен с соответствующим выходом первого арифметического блока второй вход подклюt б чен к соответствующему выходу зада-.ющего. генератора двухфазного гармонического сигнала, при этом между. парой выходов второго арифметического блока и парой входов блока. обратного преобразования координат включены последовательно соединенные между собой управляемый аналоговый коммутатор и третий арифметический блок, другая пара входов которого подключена к. выходам первого арифметическо; го блока, а управляющий вход управляемого аналогового коммутатора подключен к выходу частотного компара- . тора.