Частотно-управляемый электропривод

Частотно-управляемый электропривод

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Частотно-управляемый электропривод. Использование: в общепромышленных механизмах . Сущность: введены сумматор, регуляторы составляющих ЭДС и блок поворота вектора тока, два входа которою подключены к выходам блока преобразователя координат, при этом первый вход сумматора подключен к выходу блока задания управляющего сигнала, а второй вход - к одному из выходов блока преобразования координат, другой выход которого подклю-. чен к входу дифференцирующего блока и к соответствующему входу блока определения составляющих ЭДС. При этом повышаются динамические показатели электропривод путем повышения быстродействия и стабилизируется угол между векторами тока статора и потокосцепления ротора.2 ил.

СОЮЗ СОВЕ ТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

SU < „1778906 A l (я)5 Н 02 Р 7/42

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ," ».-,,,",4,";

1 - < т <

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4842503/07 (22) 25.06.90 (46) 30.11.92. Бюл. ¹ 44 (71) Дне п ра петровский горн ы и институт им, Артема (72) В,Л.Соседка, B.Á.Âåðíèê, И,A.Áîðèñåí о, Ю,M.Ñåðäþêîâ и 10,И.Драбкин (56) Авторское свидетельство СССР № 1372581, кл. Н 02 Р 7/42, 1986.

Авторское свидетельство СССР

N. 1677840, кл, Н 02 P 7/42, l988, (54) ЧАСТОТНО-УПPAВЛЯЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД (57) Частотно-управляемый электропривод.

Использование: в общепромышленных механизмах. Сущность; введены сумматор, реИзобретение относится к электротехнике и может быть использовано B автоматизированном электроприводе переменного тока.

Структурные схемы управления двигателями переменного тока могут включать в се-. бя датчик скорости либо датчик ЭДС.

Системы с датчиками скорости (замкнутые системы по скорости) имеют лучшие динамические показатели по сравнению с системами, включающими датчик ЭДС, на требуют датчика скорости, что понижает.надежность.

Цель изобретения —. разработка системы управления асинхронными двигателями, которая, с одной стороны, имела бы высокие динамические показатели, как у систем, гуляторы составляющих ЭДС и блок поворота вектора тока, два входа которого подключены к выходам блока преобразователя координат, при этом первый вход сумматора подключен к выходу блока задания управляющего сигнала, а второй вход — к одному из выходов блока преобразования координат, другой выход которого подклю-. чен к входу дифференцирующего блока и к соответствующему входу блока определения составляющих ЭДС. При этом повышаются динамические показа ели электропривод путем повышения быстродействия и стабилизируется угол между векторами тока статара и потокосцепления ротора. 2 ил, замкнутых по скорости, а, с другой стороны, имела бы повышенную наде>кнасть.

Известен "частотно-управляемый электропривод" (В.Л,Соседка и другие, авт,св. N

1372581; опубликованное в бюл. ¹ 5 1988 r. и В.Л.Соседка и другие, положительное ре- 1О шение по заявке Nâ 4424654/07 (073561), которое наиболее близко к предлагаемому (..) изобретению и поэтому принято в качестве О; прототипа. Устройства содержит два регулятора составляющих тока, силовой преобрааоаатеаь частоты, датчики тока, датчики напряжения, асинхронный двигатель, диф- ференцирующий блок, три сумматора, блок задания управляющего сигнала, преобразователь "напряжение-частота", блок вычисления задающих переменных и блок вычисления текущих переменных, 1778906

35

Это устройство позволяет осуществлять

cTàáèëèçàöèþ угла между вектором ЭДС и век1ором тока, что приводит к стабилизации величины абсолютного скольжения и, следовательно, позволяет поддерживать на заданном уровне частоту вращения ротора при заданной частоте поля при изменении момента, Стабилизация угла между вектором

ЭДС и вектором тока и отсутствие тахогенератора является положительными качествами устройства.

К недостаткам прототипа следует отнести значительную сложность и относительно низкое быстродействие.

Сложность обьясняется значительным числом логических блоков для осуществления синхронизации и относительна сложным алгоритмом, для реализации которого требуются компараторы тока, срабатывающие при переходе тока через нуль. А так как кривая тока содержит пульсации, та момент перехода тока через нуль определяется с ошибкой, чта ухудшает динамические показатели системы. Применение фильтров стабилизирует работу нуль-органа, но усложняет устройство и ухудшает быстродействие.

Относительно низкое быстродействие связано с тем, что обьект регулирования, асинхронный двигатель, имеет две большие постоянные врсмени (электромеханическую и электромагнитную) и для их компенсации требуется два регулятора.

Применение одного, чта имеет место в прототипе, уменьшает быстродействие.

Таким образом устройство, принятой в качестве прототипа, характеризуется пониженным быстродействием, Цель изобретения — улучшение динамических показателей путем повышения быстродействия, Поставленная цель достигается тем, что в устройство введены четвертый сумматор, два регулятора составляющих ЭДС и блок поворота вектора тока, два входа которого подключены к соответствующим выходам второго блока преобразования координат, при этом первый вход четвертого сумматора подключен к Ъыходу блока задания управляющего сигнала, а второй вход — к одному из выходов второго блока преобразования координат, другой выход которого подключен к входу дифференцирующего блока и четвертому входу блока определения составляющих ЭДС, выход четвертого сумматора подключен к объединенным между собой первым входом регуляторов составляющих

ЭДС, вторые входы которых подключены соответственно к выходам второго и третьего сумматоров, выходы регуляторов составляющих ЭДС, подключены к первым входам соответствующих регуляторов составляющих тока статора, вторые входы которых соединены с выходами блока поворота вектора тока, а выход преобразователя "напряжение-частота" подключен к объединенным между собой третьим входом первого, второго и третьего блоков преобразования координат.

На фиг, 1 представлена функциональная схема системы управления асинхронным двигателем, на фиг. 2 — векторная диаграмма, поясняющая его работу.

Частотно-управляемый электропривод (фиг,1) содержит асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором 1, статорные обмотки которого подключены к выходам силового преобразователя частоты 2, датчики фазных токов 3 и напря>кений обмотки статора двигателя 4, блок задания управляющих сигналов 5, два регулятора составляющих тока статора 6, 7, выходы которых подключены к первым двум входам первого блока преобразования координат 8, выходы которого подключены к управляющим входам силового преобразователя частоты 2.

Второй и третий блоки преобразования координат 9, 10, подключены первыми двумя входами через соответствующие преобразователи числа фаз 11, 12 к выходам датчиков фазных токов

3 и напря>кений 4. Кроме того, частотноуправляемый электропривод содержит преобразователь "напряжение-частота" 13, дифференцирующий блок 14, блок определения составляющих ЭДС 15 и три сумматора ",6, 17. Причем, первый сумматор 16 первым входом подключен к выходу блока задания управляющего сигнала 5, а первые входы BTopoI. 17 и третьего сумматоров подключены к соответствующим выходам блока определения составляющих ЭДС

15,вторые входы первого 16 и второго 17 сумматоров объединены между собой и подключены к первому выходу дифференцирующега блока 14, второй выход которого соединен со вторым входом третьего сумматора 18. а выход первого сумматора 16 соединен с входом преобразователя

"напряжение-частота" 13, выход которого подключен к первому входу блока определения составляющих ЭДС 15, второй и третий входы которого соединены с выходами третьего блока преобразования координат

10, В частотно-управляемый электропривод введены четвертый сумматор 19, два регулятора составляющих ЭДС 20, 21 и блок поворота вектора тока 22, 1778906

Е2Ч = Ug — !

l (3) Причем, два входа блока поворота вектора тока 22 подключены к соответствующим выходам второго блока преобразования координат 9, а первый вход четвертого сумматора 19 подключен к выходу блока задания управляющего сигнала 5, а второй вход — к одному из выходов второго блока преобразования координат 9, другой выход которого подключен к входу дифференцирующего блока 14 и четвертому входу блока определения составляющих ЭДС, 15, а выход четвертого сумматора 19 и >дключен к обьединенным между собой первыми входами регуляторов составляющих ЗДС

20, 21, вторые входы которых подключены соответственно к выходам второго и третьего сумматоров 17, 18, выходы регуляторов составляющих ЗДС 20, 21 подключены к первым входам соответствующих регуляторов составляющих тока статора 6, 7, вторые входы которых соединены с выходами блока поворота вектора тока 22, а выход преобразователя "напря>кение-частота" подключен к обьединенным между собой третьими Вхо дами перво о 8, второго 9 и третьего 10 блоков преобразования координат.

Все блоки, используемые при реализации функциональной схемы, кроме блока поворота вектора тока 22 и блока определения составляющих ЗДС 15 являются стандартными.

Блок поворота вектора тока 22 поворачивает вектор тока статора на фиксированный угол а против часовой стрелки согласно выражения

I d = idcos а — iqsin а )

I (1)

i d — Iclcos а + Idsin а ) где id, iq — проекция вектора тока статора по вращающейся системе координат, действительная ось которой совпадает с действительной составляющей вектора напряжения, i d, i о — проекции вектора тока статора ! I во вращающейся системе координат, повернутые относительно первоначального значения (id, щ) на фиксированный угол а.

При фиксированном значении угла а (блок 22) реализуется с помощью четырех операционных усилителей, соединенных между собой согласно выра>кения (1), коэффициенты передачи которых определяются значением угла а, Блок определения составляющих ЭДС

15 реализует соотношения.

E2d =- Ud- IR (2) где Ug, Uq — проекция вектора напряжения во вращающейся системе координат, определенные с помощью координатного преобразователя 10, I — модуль тока, определенный с помощью координатного преобразователя 9.

R, Х вЂ” активное сопротивление и переI ходное индуктивное сопротивление обмотки статора.

Нй фиг, 2 изображена векторная диаграмма асинхронного двигателя. Ток статора «В зависимости от нагрузки и подводимого напряжения, принимаем положение ОА1, ОА2 или ОАз. Положение ОА2 свидетельствует .о перегрузке двигателя (скольжение больше заданного), так какугол между вектором тока статора и потокосцеплением ротора больше заданного), Положение ОАз свидетельствует о недогрузке двигателя (скольжение меньше заданного).

При отклонении режима от оптимального (положения вектора ОА1) в системе появляется сигнал пропорциональный составляющей iq, знак и величина которого свидетельствуют об отклонении режима ат оптимального.

Кроме того, на векторной диаграмме (фиг.2) изображено положение вектора тока статора. на выходе блока поворота вектора тока 22.

Если вектор тока находится выше осИ .

ОЕ2, то двигатель перегружен (скольжение больше заданного), если ниже — то двигатель недогружен (скольжение меньше заданного), а если вектор тока лежит на линии

ОЕ2 (сектор 0A), то двигатель работает в оптимальном режиме.

Следует отметить, что положение вектора ЭДС определяется коэффициентом усиления регуляторов ЭДС 20, 21. Угол между вектором Е2 и 1 может принимать различные значения, но максимум момента достигается тогда, когда угол между вектором тока и потокосцеплением ротора равен 450, Если настраивать систему на поддержание этого угла, то к быстродействию системы требуется предьявить повышенные требования, так как увеличение нагрузки приводит к увеличению угла и уменьшение момента двигателя, Учитывая, что зависимость момента от угла в районе 45 имеет довольно плоскую вершину, то систему регулирования целесообразно настраивать на несколько меньший угол, например 40 (угол между векторами 1 и ф равен 40, а

1778906 ме>кду векторами Ez и 2 — 50"). Эта точка по своим энергетическим показателям незначительно отличается от оптимальной, но зато при увеличении нагрузки двигатель будет обладать способносгью саморегулирования, т,е. при увеличении нагрузки наблюдается увеличение фазового сдвига, что приводит (при увеличении фазового сдвига до 45 ), к увеличению момента двигателя благодаря внутренним свойствам двигателя, а не действию системы регулирования, Конечно, за время увеличения фазового сдвига в системе вырабатываются компенсирующие сигналы, но требования к быстродействию системы снижается. Зададим для конкретности требуемый фазовый сдвиг между вектором тока и вектором потокосцепления ротора равный 40 . Тем самым задано расположение вектора Е2, т.е, отновение между Е22 и Е..

Электропривод переменного тока работает следующим образом.

Напряжение с выхода блока задания управляющих сигналов 5 через первый сумматор 8 подается на вход преобразователя

"напряжение-частота" 13 на выходе которого появляется последовательность импульсов, которые подаются на третьи входы координатных преобразователей 8, 9 и 10.

Одновременно напряжение с выхода блока задания управляющих сигналов 5 через четвертый сумматор 19 подается на первые входы регулятор действительной 20 и мнимой 21 и составляющих ЭДС. Коэффициенты усиления этих регуляторов определяют заданное положение вектора ЭДС. Выходные сигналы регуляторов ЭДС20,21 формируют задающий сигнал на входы соответствующих регуляторов тока 6 и 7, на выходе которых формируются сигналы задания по осям d, q, (4, Ьц) — задающие сигналы тока статора по осям d, q), Первый блок преобразования координат 8 из задающих сигналов i>d и Ь„и синтезированных из последовательности импульсов опорных гармонических сигналов начинает формировать задающие сигналы силового преобразователя 2, амплитуда и фаза которых определяется сигналами 4д и 4, а частота — последовательностью импульсов с выхода преобразователя "напряжение-частота" 13.

В силовом преобразователе 2 формируется трехфазный ток заданной частоты, который через датчики фазных токов 3 подается на статорные обмотки асинхронного двигателя

1. Фазные токи измеряются датчиками токов 3 и через преобразователь фаз 11 подают сигналы на первый и второй входы второго координатного преобразователя 9, который осуществляет перевод токов статора во вращающуюся систему координат.

Аналогично напряжения измеряются датчиками фазных напряжений 4 и через преобразователь фаз 12 подают сигнал на первый и второй входы третьего координатного преобразователя 10, который осуществляет перевод напряжения статора во вращающуюся систему координат.

Коэффициенты передачи регуляторов

ЭДС 20 и 21 формируют задающий сигнал таким образом, что составляющая i<< будет иметь значение близкое к максимуму. Если положение вектора тока статора не совпадает с действительной осью (фиг,2), то появ5

15. ляется составляющая iq, которая через четвертый сумматор 19 подается на регуляторы ЭДС 20 и 21 и корректирует задание таким образом, чтобы составляющая ig имела бы максимальное значение, Выходной сигнал 4 второго блока преобразования координат 9 подается на дифференцирующий блок 14, блок определения

20 составляющих ЭДС 15 и блок поворота вектора тока 22, а выходной сигнал 1ц блока 14 подается на второй вход четвертого сумматора 19 и блок поворота вектора тока 22, который осуществляет поворот вектора тока статора согласно выражения (1) на угол а против часовой стрелки, что позволяет на входе регуляторов тока осуществить сравнение задающих сигналов (выходы регуляторов ЭДС) и фактических сигналов (выходы

30 блока поворота вектора тока).

На выходе третьего координатного преобразователя 10 появляются сигналы 1.4 и

Uq, характеризующие вектор напря>кения во вращающейся системе координат, которые подаются на второй и третий входы блока определения составляющих ЭДС 15, 35

40 в котором по измеренным составляющим напряжения Ua u Uq и по падению напряжения на активном и индуктивном сопротивлещих ЭДС через второй 17 и второй 18 сумматора образуют сигналы обратных связей, которые подаются на вторые входы регуляторов ЭДС 20, 21 на первые входы которых подается задающий сигнал с выхода четвертого сумматора 19, что обеспечивает на выходе регуляторов ЭДС 20 и 21 задание по формированию требуемого значения напряжения силового преобразователя 2 для поддер>кания на заданном уровне составляющих ЭДС.

При увеличении нагрузки в системе происходят следующие процессы. Обороты двигателя уменьшаются, начинает уменьшаться составляющие ЭДС, начинает расти нии, определяются составляющие ЭДС ротора согласно выражения (2) и (3), Выход45 ные сигналы блока определения составляю1778906

10

25

40

50 ток статора и изменяется угол между вектором ЭДС ротора и вектором тока статора, что приводит к появлению составляющий iq на выходе второго блока преобразования координат 9. Сигнал, пропорциональный iq, через четвертый сумматор 19 подается на вход регуляторов ЗДС 20, 21, что увеличивает задание на напряжение, подводимое к двигателю, Кроме того, при набросе нагрузки на выходе дифференцирующего блока 14 появляется сигнал, который через второй и третий сумматоры 17, 18 по цепи обратной связи подаются на входы регуляторов ЗДС

20, 21, что приводит к более интенсивному росту задающих сигналов на выходе регуляторов ЭДС 20, 21. Одновременно через первый сумматор 16 выходной сигнал дифференцирующего блока 14 подается на первый сумматор 16, что увеличивает напря>кение на входе преобразователя "напряжение-частота" 13, что способствует увеличению частоты поля двигателя и уменьшению динамических посадок скорости при увеличении нагрузки, Следует указать, что между вектором

ЭДС ротора и вектором тока статора существует некоторый угол, для исключения которого введен блок поворота вектора тока статора 22. Тогда при набросе нагрузки вектор тока статора поворачивается против ча-. 30 совой стрелки (на векторной диаграмме он будет расположен выше линии ОЕр). В этом случае, да>ке при одинаковых выходных сигналах регуляторов ЭДС 20, 21 сигналы ошибок на входах регуляторов тока 6, 7 будут разными: за счет поворота вектора тока статора сигнал шибки на входе регулятора тока

6 по оси d будет больше сигнала ошибки на входе регулятора тока 7 по оси q, что увеличит сигнал i3d в большей степени, чем сигнал

i>q. Следовательно отработка сигнала ошибки будет происходит не только зэ счет увеличения модуля напряжения, но и за счет изменения его фазы.

Таким образом, отработка возмущения идет по трем каналам: увеличение модуля напряжения силового преобразователя (сигнал ошибки приложен одновременно к двум регуляторам ЭДС

20, 21); увеличение частоты поля двигателя;, изменение фазы задающего сигнала, которое происходит как за счет изменения сигналов обратной связи составляющих

ЭДС E2di E2ql так и за счет изменения сигналов обратной связи составляющих токов ! б, I!q.

По окончании переходного процесса угол между вектором тока статора и вектором ЗДС ротора остается прежним, но между вектором напряжения статора и током статора уменьшился, что свидетельствует о том, что система регулирования будет поддерживать оптимальный режим при изменении нагрузки.

При изменении частоты положения задающего вектора OEz не изменилось, а изменяются сигналы обратной связи E2d и E2q.

Так как составляющая ЗДС Egq зависит от частоты, а составляющая Е2! зависит только от тока статора, то при уменьшении частоты составляющая ошибка на входе регулятора

ЭДС 20 действительной составляющей тока будет больше ошибки на входе регулятора

ЭДС 21 мнимой составляющей тока.

Следовательно, задание на ток регулятора тока 6 действительной составляющей тока будет больше задания на ток регулятора 7 мнимой составляющей. А это приведет к тому, что система будет поддерживать оптимальный угол между током статора и потокосцеплением ротора и при изменении частоты.

Из описания работы системы регулирования видно, что в последней отсутствуют сло>кные и ненадежно работающие при помехах блоки синхронизации, что упрощает устройство. Кроме того, применение двух регуляторов в каждом канале и ввод в с»стему регулирования блока поворота вектора тока позволяет повысить динамические показатели путем повышения быстродействия и стабилизировать угол между током статора и потокосцеплением ротора, что позволяет работать двигателю с максимальным КПД вне зависимости от частоты и момента нагрузки. Увеличение КПД приводит к уменьшению потери в преобразователе частоты и снижению реактивной мощности, потребляемой силовым преобразователем от сети.

Формула изобретения

Частотно-управляемый электропривод, содержащий асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, статорные обмотки которого подключены к выходам силового преобразователя частоты, датчики фазных токов и напряжений обмотки статора двигателя, блок задания управляющего сигнала, два регулятора составляющих тока статора, выходы которых подключены к первым двум входам перво!.о блока преобразования координат, выходами подключенного к управляющим входам силового преобразователя частоты, второй и третий блоки преобразования координат, подключенные первыми двумя входами через соответствующие преобразователи числа фаз к выходам датчиков фазных токов и напряжений, пре". 778906

12 образователь напряжение-частота, дифФеренцирующий блок, блок определения составляющих ЭДС и три сумматора, первый из которых первым входом подключен к выходу блока задания управляющего сигнала, первые входы второго и третьего сумматоров подключены к соответствующим выходам блока определения составляющих ЭДС, вторые входы первого и второго сумматоров объединены между собой и подключены к первому выходу дифференцирующего блока, второй выход которого соединен с вторым входом третьего сумматора, а выход первого сумматора соединен с входом преобразователя напряжение-частота, выход которого подключен к первому входу блока определения составляющих ЭДС, второй и третий входы которого соединены с выходами третьего блока преобразования координат, отличающийся тем, что, с целью улучшения динамических показателей путем повышения быстродействия, введены четвертый сумматор. два регулятора составляющих ЭДС и блок поворота вектора тока, два входа которого подключены к соответствующим выходам второго блока преобразования координат, при этом первый вход четвертого сумматора подключен к выходу

5 блока задания управляющего сигнала, а второй вход — к одному из выходов второго блока преобразования координат, другой выход которого подключен к входу дифференцирующего блока и четвертому входу

10 блока определения составляющих ЭДС, выход четвертого сумматора подключен к объединенным между собой первым входам регуляторов составляющих ЭДС, вторые входы которых подключены соответственно

15 к выходам второго и третьего сумматоров, выходы регуляторов составляющих ЭДС подключены к первым входам соответствующих регуляторов составляющих тока статора. вторые входы которых соединены с

20 выходами блока поворота вектора тока, а выход преобразователя напряжение-частота подключен к объединенным между собой третьим входам первого, второго и третьего блоков преобразования координат.

1778906

Составитель B,Ñîcåäêý

Техред М.Моргентал Корректор С. Юско

Редактор

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

Заказ 4201 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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