Частотно-регулируемый асинхронный электропривод

Частотно-регулируемый асинхронный электропривод

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: различные механизмы, насосы, вентиляторы, компрессоры, нагрузочные стенды испытания дизелей. Сущность изобретения: входы блока 23 задания амплитуды потока соединены с выходом формирователя 15 аналогового сигнала выходной частоты и с выходом датчика фазных напряжений 6, причем указанный блок 23 выполнен с функциональным задатчиком частоты 24, блоками деления 25 и 26, ограничителем напряжения 27 с управляющим входом, сумматором 28 и нелинейным регулятором амплитуды напряжения 29. При этом улучшаются регулировочные характеристики привода по диапазону регулирования частоты вращения и предельным моментом. 6 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (s»s Н 02 P 7/42

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 1282302 (21) 4827624/07 (22) 10.04,90 (46) 23.11,92. Бюл. ¹ 43 (71) Научно-исследовательский электротехнический институт Научно-производственного объединения, "X3M3" (72) А.Ю.Бару, M.À.Ãèöçáóðã и И.И.Эпштейн (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1282302, кл. Н 02 P 7/42. 1985. (54) ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛ ЕКТРОПРИ ВОД (57) Использование: различные механизмы, насосы, вентиляторы, компрессоры, нагру„„5U, 1777227 А2 зочные стенды испытания дизелей, Сущность изобретения: входы блока 23 задания амплитуды потока соединены с выходом формирователя 15 аналогового сигнала выходной частоты и с выходом датчика фазных напряжений 6, причем указанный блок 23 выполнен с функциональным задатчиком частоты 24, блоками деления 25 и 26, ограничителем напряжения 27 с управляющим входом. сумматором 28 и нелинейным регулятором амплитуды напряжения 29, При этом улучшаются регулировочные характеристики привода по диапазону регулирования частоты вращения и предельным моментом. 6 ил.

1777227

10

20

40

Изобретение относится к электротехнике, а именно к асинхронным IBGToTHo-ðåгулируемым электроприводам с преобразователем частоты на основе автономных ин верторов тока.

В основной заявке описан частотно-регулируемый асинхронный электропривод, содержащий асинхронный короткозамкнутый двигатель, подключенный через датчики фазных токов и напряжений к преобразователю частоты с автономным инвертором тока; имеющим два входа управления: по амплитуде и частоте переменного выходного тока, причем к первому входу подключен выход блока задания амплитуды тока, вход которого соединен с устройством задания момента двигателя (в частности, это может быть регулятор скорости), а к второму входу преобразователя частоты подключен ключевой регулятор частоты с пятью входами, первый вход подключен к блоку аналогового сигнала задания выходной частоты (в частности, тахогенератор или сумматор сигналов тахогенератора и задатчика момента, или задатчик частоты вращения двигателя}, второй и третий входы соединены с выходами блока логического сравнения логических сигналов фактического тока двигателя и логических сигналов задания фазных токов, подключенного входами к датчикам тока и напря>кения, а четвертый и пятый входы ключевого регулятора частоты подключены к выходам формирователя логических сигналов управления амплитудой потока, входы которого соединены с выходом устройства задания момента и выходом релейного регулятора амплитуды потока, измеряемой по сигналам патокасцеплений двигателя, Недостатком прототипа является ограничение по верхнему значению частоты вращения двигателя и. как следствие, невозможность реализации приводов для ряда применений.

Цель изобретения — расширение области применения указанного устройства за счет улучшения регулировочных характеристик привода по диапазону регулирования частоты вращения и предельным моментом.

Поставленная цель достигается тем, что в частотно-регулируемом асинхронном электроприводе блок задания амплитуды потока выполнен с двумя дополнительными входами и снабжен функциональным задатчиком частоты, двумя блоками деления, ограничителем напряжения с управляющим входом, сумматором и нелинейным регулятором амплитуды фактического напряжения и блоху задания напряжения, пропорционального напряжению пита|ощей сети, при этом выход функционального задатчика частоты подключен к объединенным между собой входам делителей первого и второго устройства деления, вход делимого второго блока деления предназначен для подачи постоянного напряжения, выход первого блока деления подключен к входу ограничителя напряжения, управляющий вход которого соединен с выходом второго блока делений, выход ограничителя напряжения подключен к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с выходом нелинейного регулятора амплитуды напряжения, а выход сумматора образует выход блока задания амплитуды потока, основной вход которого образован входом делимого первого устройства деления, первый дополнительный вход блока задания амплитуды потока, образованный входом функционального задатчика частоты, подключен к выходу формирователя аналогового сигнала выходной частоты, а второй дополнительный вход блока задания амплитуды потока, образованный входом блока измерения амплитуды фактического напряжения, подключен к выходу датчика фазных напряжений.

Отличительными признаками изобретения является наличие новых связей блока задания амплитуды потока с выходом формирователя аналогового сигнала выходной частоты и с выходом датчика фазных напряжений, а также выполнение самого блока по изложенному выше принципу, что позволяет улучшить регулировочные характеристики привода по диапазону регулирования частоты вращения и предельным моментам, достигнув при этом расширения области его применения.

На фиг,1 изображена функциональная схема устройства управления асинхронным электроприводом; на фиг. 2 — функциональная схема блока задания амплитуды потока; на фиг, 3 — функциональная схема ключевого регулятора частоты; на фиг, 4 — функциональная схема формирователя логических сигналов управления амплитудой потока; на фиг. 5 — характеристика функционального преобразователя; на фиг. 6 — функциональная схема нелинейного регулятора напря>кения.

Устройство управления асинхронным электроприводом (см, фиг.1) состоит иэ преобразователя частоты 2 на основе автономного инвертора тока с двумя входами 3 и 4 по амплитуде и частоте соответственно, подключенного выходными зажимами через датчики фазных таков 5 и напряжений 6 к асинхронному двигателю 1. последовательно соединенных устройств задания момента

1777227

10

30

40

50 двигателя 7 и блока задания амплитуды тока

8, выход которого подключен к первому 3 входу преобразователя частоты 2, а к второму входу 4 подключен ключевой регулятор частоты 9 с пятыю входами 10 — 14.

Первый вход 10 соединен с блоком аналогового задания частоты 15, второй и третий входы 11 и 12 соединены с блоком логического сравнения 16, входы которого подключены к блоку формирования логических сигналов токов двигателя 18 по сигналам фаэных токов от датчика 5 и блоку формирования логических сигналов задания фазных токов 17, входы последнего соединены с выходом устройства задания момента 7 и выходами формирователя фазных потокосцеплений 19, подключенного входами к датчикам тока 5 и напря>кения 6.

Четвертый 13 и пятый 14 входы ключевого регулятора 9 соединены с выходами формирователя логических сигналов управления амплитудой потока 20, первый вход которого подключен к выходу устройства задания момента 7, а второй — к выходу релейного регулятора потока 21, на входе которого сравниваются сигнал амплитуды действительного потока с выхода блока 22, соединенного входами с выходами формирователя фазных потокосцеплений 19, и сигнал задания амплитуды потока с выхода блока 23.

Блок задания амплитуды потока 23 (см. фиг.2) содержит функциональный задатчик частоты 24, первый 25 и второй 26 блоки деления, ограничитель напряжения 27 с управляющим входом, сумматор 28 и нелинейный регулятор амплитуды напряжения 29, входы которого подключены к блоку измерения амплитуды фактического напряжения

31 и блоку задания напряжения 30, пропорционального напряжению питающей сети.

Выход блока 24 подключен к объединенным входам делителей блоков деления 25 и 26, а на вход делимого блока 26 подается постоянное напряжение, Выход блока 25 подключен к входу ограничителя 27, управляющий вход которого соединен с выходом олока 26.

Выход ограничителя 27 подключен к первому входу сумматора 28, второй вход которого соединен с выходом нелинейного регулятора 29, а выход сумматора 28 образует выход блока 23. При этом основной вход блока 23 образован входом делимого блока 25, первый дополнительный вход блока 23 образован входом функционального задатчика 24 и подключен к выходу формирователя 15, а второй дополнительный вход блока 23 образован входом блока 31 и подключен к выходу датчика фазных напряжений б, Устройство задания момента 7 может представлять собой ПИ-регулятор скорости в случае; если привод решает задачи управления частотой вращения механизма, или

И-регулятор момента, если приводом решается задача создания нагрузочного момента для механизма.

Блок аналогового задания частоты 15 может представлять собой датчик частоты вращения (см. прототип) или внешнее устройство задания частоты (cM. А.с. СССР 19

1334347, кл, Н 02 7 42).

Ключевой регулятор частоты 9 (см, фиг, 3) содержит операционный усилитель

32, на вход которого подается сигнал эадания частоты по входу 10, образуемого общей точкой соединенных резисторов 33, 35, 38 и

40, причем второй точкой резисторы подключаются к входу усилителя 32, 33 непосредственно, входу 35 — через управляемый ключ 34, входу 38 — через управляемый ключ

39, входу 40 — через управляемый ключ 41.

По цепи обратной связи усилитель 32 охвачен резистором 36, шунтированным управляемым ключом 37, Входы управляемых ключей образуют входы блока 9:34-11,37-12.

39-13, 41-14. Выход усилителя 32 образует выход блока 9, Формирователь логических сигналов управления амплитудой потока 20 (см, фиг.4) содер>кит нуль-орган 42, вход которого образует вход формирователя 20, подключаемого к выходу задания момента 7, а выход подключен к первому входу логического элемента 43 ОТРИЦАЮЩЕГО ИЛИ. а второй вход элемента 43 образует второй вход формирователя 20, подключаемый к выходу релейного регулятооа потока 21. Выход элемента 43 через логический элемент

И 47 образует первый выход 13 блока 20, а через последовательно включенные элементы И-НЕ 45 и 46 образует второй выход

14 блока 20, причем вторые входы элементов 46 и 47 соединены с релейным элементом 44, Устройство управления асинхронным электроприводом работает следующим образом.

Преобразователь частоты 2 генерирует переменный ток амплитудой, задаваемой выходным сигналом блока задания амплитуды тока 8, и частотой. задаваемой выходным сигналом ключевого регулятора частоты 9.

Двигатель 1. запитанный от преобраэовате ля частоты 20 развивает заданный устройством 7 момент, Момент асинхронного двигателя определяется амплитудой вектора тока статора и его ориентацией относительно вектора потокосцепления ротора. В частности, при реализации экономического

1777227

15 закона управления асинхронным двигателем (акад. М.П. Костенко) угол сдвига между вектором тока I> и потокосцепления Q остается неизменным и скачком меняется при изменении знака момента, Потокосцепление ротора двигателя определяется в блоке 19 по сигналам датчиков тока 5 и напряжения 6 двигателя. Сигналы фазных потоков совместно с сигналом задания момента двигателя блоке 17 формируют логические сигналы задания тока статора, т.е. определяют промежуток времени, в течение которого должны существовать токи двигателя, определенных фаз определенной полярности. Этими сигналами задается угол сдвига между векторами I< и ф, Несовпадение логических сигналов фактического тока двигателя, on ределяемых в блоке

18 по сигналам датчиков тока 5, по сравнению с заданными с выходов блока 17 свидетельствует о фазовой ошибке действительного вектора! у относительно задан.— ного. Данная ошибка выявляется в блоке логического сравнения 16 и в функции данной ошибки в блоке ключевого регулятора частоты 9 корректируется аналоговый сигнал задания частоты инвертора с выхода блока 15.

Если логический сигнал действительного тока отстает от логического сигнала задания тока, то на время несовпадения логических сигналов замыкается ключ 34 и выходной сигнал усилителя 32 увеличивается по сравнению с входным сигналом в точке 10. Если логический сигнал действительного тока опережает логический сигнал задания тока, то на время несовпадения логических сигналов замыкается ключ 37 и выходной сигнал усилителя 32 становится равным нулю. В результате работы ключевого корректора 9 среднее значение напряжения на выходе операционного усилителя 32 отличается от входного сигнала в точке 10.

Данное среднее напряжение и определяет частоту инвертора, В результате изменения частоты инвертора и, следовательно, частоты тока статора, вектор l1 устанавливается в заданное положение, чем обеспечивается воспроизведение заданного момента двигателя. Погрешности датчиков 5 и 6 погрешности в работе блоков 17, 18, 16 и 19 приводят, как правило, к тому, что задаваемый угол сдвига между векторами 11 и fQ должен корректироваться, но непосредственное измерение момента двигателя затруднено. Поэтому корректировка выполняется в функции сигнала ошибки амплитуды потока ф, которая также обусловлена двумя параметрами, ам?О

55 плитудой тока статора I > и углом сдвига между векторами О. Сигнал амплитуды потока фг определяется в блоке 22 по сигналам фазных потоков с выходов блока 19 и сравняется с заданием амплитуды потока, которое формируется в функции амплитуды тока в блоке 23. Релейный регулятор 21 определяет знак ошибки. Если фактическая амплитуда потока меньше заданной, необходимо уменьшить абсолютное значение угла 0 между векторами Т1 и ф, что в двигательном режиме обеспечивается уменьшением частоты инвертора, а в генераторном режиме увеличением частоты. В первом случае ключи 39 и 41 должны отключаться, а во втором случае замыкаться.

При коммутации ключей 39 и 41 происходит преднамеренное изменение выходной частоты инвертора, которая восстанавливается автоматически за счет рассогласования между логическими сигналами задания и фактического тока двигателя, иными словами за счет отклонения действительного значения угла О от заданного. Так, при снижении амплитуды потока 0 2 относительно задаваемого блоком 23 значения в двигательном режиме ключи 39 и 41 отключаются, выходная частота инвертора снижается, появляется сигнал ошибки и на выходе блока 16, который замыкает ключ 34, восстанавливая частоту. Введение постоянной ошибки между логических сигналами токов в данном случае означает уменьшение абсолютного значения угла д, что при заданной амплитуде тока приводит кувеличению амплитуды потока. Соответствующее управление ключами 39 и 41 осуществляется в блоке 20, куда заводятся сигналы релейного регулятора потока и сигнал момента (для выделения его знака), Управление потоком отключается при появлении нулевого сигнала на выходе блока 44 (в наладочном режиме), в результате чего один из ключей 39 и 41 замыкается, другой размыкается. В строгой формулировке закон M.Ï.Êîñòåíêî имеет ограниченную область применения в силу того, что

1. Он не учитывает. магнитную нелинейность двигателя, При больших моментах угол О между векторами tq и ф должен меняться.

2. При регулировании частоты вращения двигателя ослаблением потока (в данном случае имеется в виду увеличение выходной частоты преобразователя при фиксированном напряжении) соотношение между амплитудами I> и Qz меняется, иными словами должен меняться угол О.

17?7227

3. При работе электропривода в качестве нагружающего устройства, когда асинхронный двигатель работает в режиме генератора, автономный инвертор работает в режиме компенсированного выпрямителя, а выпрямитель — в режиме ведомого сетью инвертора, существует опасность аварийного режима опрокидывания сетевого инвертора, что предотвращается только управлением амплитудой напряжения двигателя через регулирование амплитуды потока.

4, Особенностью автономных инверторов тока при работе на асинхронном двигателе является принципиальное ограничение верхнего значения выходной частоты инвертора из условий завершенности коммутационных процессов в инверторе, существенная длительность которых обусловлена сравнительно большой емкостью коммутирующих конденсаторов. Увеличение верхнего значения рабочей частоты возможно при соответствующем увеличении угла О. Необходимый закон управления углом Ов функции тока, частоты, напряжения двигателя осуществляется на счет организации в блоке 23 сигнала задания амплитуды потока, которое отрабатывается замкнутой системой регулирования величины потока воздействием на угол О. Рассмотрим функционирование блока 23 (см. фиг.2) с учетом укаэанных выше режимов работы привода, требующих специального управления углом и потоком двигателя.

Задание амплитуды потока меняется с изменением тока. В режиме О =const укаэанные величины пропорциональны, иными словами сигнал на входе блока 23 от устройства задания тока 7 проходит на выход блока 23.

Однако при больших значениях тока сигнал на выходе блока 23 ограничивается ограничителем 27. Это означает, что ток двигателя растет при неизменной амплитуде потока, что обеспечивается увеличением модуля угла О. Коэффициент пропорциональности между током и потоком зависит от частоты инвертора. Одно из наиболее простых и эффективных решений по функционалу 24 показано на фиг,5, При частотах. меньших f1, коэффициент пропорциональности между потоком и током, равный Ft(f) (выходной сигнал блока 25 равен ), не1

Р1 иэменный и максимальный. При частотах, больших fp коэффициент пропорциональности снижается, что соответствует режиму ослабления поля, одновременно решается задача увеличения угла О при повышенных

40

55

20 частотах для обеспечения коммутационной работоспособности инвертора. Кроме того, с ростом частоты ограничивается предельное значение потока — сигнал ограничителя обратно пропорционален выходному сигналу функционала 24.

Дополнительно задание амплитуды потока с выхода сумматора 28 ограничивается выходным сигналом регулятора напряжения 29 для предотвращения опроКидывания сетевого инвертора при работе двигателя в режиме электромагнитного тормоза при павы шен н ых частотах.

Если величина выходного напряжения инвертора (выходной сигнал блока 31) превышает предельное значение, пропорциональное напряжению сети (выходной сигнал блока 30), вступает в работу нелинейный регулятор 29 (см. фиг.6) и снижает амплитуду напряжения двигателя путем уменьшения амплитуды потока за счет увеличения модуля.

Формула изобретения

Частотно-регулируемый асинхронный электропривод по авт. св. ¹ 1282302, о тличающийся тем,что,сцелью улучшения регулировочных характеристик привода по диапазону регулирования частоты вращения и предельным моментам, блок задания амплитуды потока выполнен с двумя дополнительными входами и снабжен функциональным эадатчиком частоты, двумя блоками деления, ограничителем напряжения с управляющим входом, сумматором и нелинейным регулятором амплитуды напряжения, входы которого подключены к блоку измерения амплитуды фактического напряжения и блоку задания напряжения, пропорционального напряжению питающей сети, при этом выход функционального задатчика частоты подключен к объединенным между собой входам делителей первого и второго блоков деления, вход делимого второго блока деления предназначен для подачи постоянного напряжения, выход первого блока деления подключен к входу ограничителя напряжения, управляющий вход которого соединен с выходом второго блока деления, выход ограничителя напряжения подключен к первому входу суммато. ра, второй вход которого соединен с выходом нелинейного регулятора амплитуды напряжения, а выход сумматора образует выход блока задания амплитуды потока, основной вход которого образован входом делимого первого блока деления, первый дополнительный вход блока задания амплитуды потока, образованный входом функционального эадатчика частоты, подключен к

1777227 выходу формирователя аналогового сигнала выходной частоты, а второй дополнительный вход блока задания амплитуды потока. образованный входом блока измерения амплитуды фактического напряжения, подключен к выходу датчика фазных напряжений.

1777227

Составитель А. Бару

Редактор М. Кузнецова Техред М.Моргентал Корректор О. Густи

Заказ 4127 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул.Гагарина, 101