RU1778906C

RU1778906C - Частотно-управл емый электропривод

Info

Publication number: RU1778906C
Application number: SU904842503A
Authority: RU
Inventors: Вилий Лукич Соседка; Владимир Борисович Верник; Иван Антонович Борисенко; Юрий Михайлович Сердюков; Юрий Исаакович Драбкин
Original assignee: Днепропетровский горный институт им.Артема
Priority date: 1990-06-25
Filing date: 1990-06-25
Publication date: 1992-11-30

Abstract

Частотно-управл емый электропривод. Использование: в общепромышленных механизмах . Сущность: введены сумматор, регул торы составл ющих ЭДС и блок поворота вектора тока, два входа которою подключены к выходам блока преобразовател координат, при этом первый вход сумматора подключен к выходу блока задани управл ющего сигнала, а второй вход - к одному из выходов блока преобразовани координат, другой выход которого подклю-. чен к входу дифференцирующего блока и к соответствующему входу блока определени составл ющих ЭДС. При этом повышаютс динамические показатели электропривод путем повышени быстродействи и стабилизируетс угол между векторами тока статора и потокосцеплени ротора.2 ил.

Description

Изобретение относитс к электротехнике и может быть использовано в автоматизированном электроприводе переменного тока.

Структурные схемы управлени двигател ми переменного тока могут включать в себ датчик скорости либо датчик ЭДС. Системы с датчиками скорости (замкнутые системы по скорости) имеют лучшие динамические показатели по сравнению с системами , включающими датчик ЭДС, но требуют датчика скорости, что понижает надежность .

Цель изобретени - разработка системы управлени асинхронными двигател ми, котора , с одной стороны, имела бы высокие динамические показатели, как у систем,

замкнутых по скорости, а, с другой стороны, имела бы повышенную надежность.

Известен частотно-управл емый электропривод (В.Л .Соседка и другие, авт.св. № 1372581, опубликованное в бюл. Мг5 1988г. и В,Л.Соседка и другие, положительное решение по за вке Ns 4424654/07 (073561), которое наиболее близко к предлагаемому изобретению и поэтому прин то в качестве прототипа. Устройство содержит два регул тора составл ющих тока, силовой преобразователь частоты, датчики тока, датчики напр жени , асинхронный двигатель, дифференцирующий блок, три сумматора, блок задани управл ющего сигнала, преобразователь напр жение-частота, блок вычислени задающих переменных и блок вычислени текущих переменных.

vj XI

со

&

Это устройство позвол ет осуществл ть стабилизацию угла между вектором ЭДС и вектором тока, что приводит к стабилизации величины абсолютного скольжени и, следовательно , позвол ет поддерживать на за- данном уровне частоту вращени ротора при заданной частоте пол при изменении момента

Стабилизаци угла между вектором ЭДС и вектором тока и отсутствие тахогене- ратора вл етс положительными качествами устройства.

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

Сложность объ сн етс значительным числом логических блоков дл осуществлени синхронизации и относительно сложным алгоритмом, дл реализации которою требуютс компараторы тока, срабатывающие при переходе тока через нуль. А так как крива гока содержит пульсации, то момент перехода.тока через нуль определ етс с ошибкой, что ухудшает динамические показатели системы. Применение фильтров ста- билизирует работу нуль-органа, но усложн ет устройство и ухудшает быстродействие

Относительно низкое быстродействие св зано с тем, что объект регулировани , асинхронный двигатель, имеет две большие посто нные времени (электромеханическую и электромагнитную) и дл их компенсации требуетс два регул тора. Применение одного, что имеет место в про- тотипе, уменьшает быстродействие.

Таким образом устройство, прин тое в качестве прототипа, характеризуетс пониженным быстродействием.

Цель изобретени - улучшение динами- ческих показателей путем повышени быстродействи .

Поставленна цель достигаетс тем, что в устройство введены четвертый сумматор, два регул тора составл ющих ЭДС и блок поворота вектора тока, два входа которого подключены к соответствующим выходам второго блока преобразовани координат, при этом первый вход четвертого сумматора подключен к выходу блока задани управл - ющего сигнала, а второй вход - к одному из выходов второго блока преобразовани координат , другой выход которого подключен к входу дифференцирующего блока и четвертому входу блока определени составл - ющих ЭДС, выход четвертого сумматора подключен к объединенным между собой первым входом регул торов составл ющих ЭДС, вторые входы которых подключены соответственно к выходам второго и третьего

сумматоров, выходы регул торов составл ющих ЭДС, подключены к первым входам соответствующих регул торов составл ющих тока статора, вторые входы которых соединены с выходами блока поворота вектора тока, а выход преобразовател напр жение-частота подключен к объединенным между собой третьим входом первого, второго и третьего блоков преобразовани координат .

На фиг. 1 представлена функциональна схема системы управлени асинхронным двигателем, на фиг. 2 - векторна диаграмма, по сн юща его работу.

Частотно-управл емый электропривод (фиг.1) содержит асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором 1, статорные обмотки которого подключены к выходам силового преобразовател частоты 2, датчики фазных токов 3 и напр жений обмотки статора двигател 4, блок задани управл ющих сигналов 5, два регул тора составл ющих тока статора 6, 7, выходы которых подключены к первым двум входам первого блока преобразовани координат 8, выходы которого подключены к управл ющим входам силового преобразовател частоты 2. Второй и третий блоки преобразовани координат 9, 10, подключены первыми двум входами через соответствующие преобразователи числа фаз 11, 12 к выходам датчиков фазных токов

3 и напр жений 4. Кроме того, частотно- управл емый электропривод содержит преобразователь напр жечие-частота 13, дифференцирующий блг 14, блок определени составл ющих ЭДС 15 и три сумматора 16, 17. Причем, первый сумматор 16 первым входом подключен к выходу блока задани управл ющего сигнала 5, а первые входы второго 17 и третьего сумматоров подключены к соответствующим выходам блока определени составл ющих ЭДС 15,вторые входы первого 16 и второго 17 сумматоров объединен ы между собой и под- ключены к первому выходу дифференцирующего блока 14, второй выход которого соединен со вторым входом третьего сумматора 18. а выход первого сумматора 16 соединен с входом преобразовател напр жение-частота 13, выход которого подключен к первому входу блока определени составл ющих ЭДС 15, второй и третий входы которого соединены с выходами третьего блока преобразовани координат 10,

В частотно-управл емый электропривод введены четвертый сумматор 19, два регул тора составл ющих ЭДС 20, 21 и блок поворота вектора тока 22

Причем, два входа блока поворота вектора тока 22 подключены к соответствующим выходам второго блока преобразовани координэтЭ, а первый вход четвертого сумматора 19 подключен к выходу блока задани управл ющего сигнала 5, а второй вход - к одному из выходов второго блока преобразовани координат 9, другой выход которого подключен к входу дифференцирующего блока 14 и четвертому входу блока определени составл ющих ЭДС, 15, а выход четвертого сумматора 19 подключен к объединенным между собой первыми входами регул торов составл ющих ЭДС 20, 21, вторые входы которых подключены соответственно к выходам второго и третьего сумматоров 17, 18, выходы регул торов составл ющих ЭДС 20, 21 подключены к первым входам соответствующих регул торов составл ющих тока статора 6, 7, вторые входы которых соединены с выходами блока поворота вектора тока 22, а выход преобразовател напр жение-частота подключен к объединенным между собой третьими входами первого 8, второго 9 и третьего 10 блоков преобразовани координат.

Все блоки, используемые при реализации функциональной схемы, кроме блока поворота вектора тока 22 и блока определени составл ющих ЭДС 15 вл ютс стандартными .

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

d idcos a - iqsin a

d - iqcos a t- idsin a

0)

где id, iq - проекци вектора тока статора по вращающейс системе координат, действительна ось которой совпадает с действительной составл ющей вектора напр жени .

I d, i q - проекции вектора тока статора во вращающейс системе координат, повернутые относительно первоначального значени (id, iq) на фиксированный угол а.

При фиксированном значении угла а (блок 22) реализуетс с помощью четырех операционных усилителей, соединенных между собой согласно выражени (1), коэффициенты передачи которых определ ютс значением угла а. .

Блок определени составл ющих ЭДС 15 реализует соотношени .

Ud-IR E2q Ug - IXi

(2) (3)

где lid, Uq - проекци вектор напр жени во вращающейс системе координат, определенные с помощью координатного преобразовател 10,

I - модуль тока, определенный с помощью координатного преобразовател 9.

R, Х| - активное сопротивление и переходное индуктивное сопротивление обмотки статора.

HS фиг. 2 изображена векторна диаграмма асинхронного двигател . Ток статора , в зависимости от нагрузки и подводимого напр жени , принимаем положение ОАч, ОАа или ОАз. Положение ОАа свидетельствует о перегрузке двигател

(скольжение больше заданного), так какугол между вектором тока статора и потокосцеп- лением ротора больше заданного), Положение ОАз свидетельствует о недогрузке двигател (скольжение меньше заданного).

При отклонении режима от оптимального (положени вектора ОАт) в системе по вл етс сигнал пропорциональный составл ющей iq, знак и величина которого свидетельствуют об отклонении режима от

оптимального.

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

Если вектор тока находитс 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 ОА). то двигатель работает в оптимальном режиме.

Следует отметить, что положение вектора ЭДС определ етс коэффициентом усилени регул торов ЭДС 20, 21. Угол между

вектором Е2 и 1 может принимать различные значени , но максимум момента достигаетс тогда, когда угол между вектором тока и потокосцеплением ротора равен 45°. Если настраивать систему на поддержание

этого угла, то к быстродействию системы требуетс предъ вить повышенные требовани , так как увеличение нагрузки приводит к увеличению угла и уменьшение момента двигател . Учитыва , что зависимость момента от угла в районе 45° имеет довольно плоскую вершину, то систему регулировани целесообразно настраивать на несколько меньший угол, например 40° (угол между векторами 1 и ipi равен 40°, а

между векторами Е2 и 2 - 50°). Эта точка по своим энергетическим показател м незначительно отличаетс от оптимальной, но зато при увеличении нагрузки двигатель будет обладать способностью саморегулирова- ни , т.е. при увеличении нагрузки наблюдаетс увеличение фазового сдвига, чю приводит (при увеличении фазового сдвига до 45°), к увеличению момента двигател благодар внутренним свойствам двигате- л , а не действию системы регулировани . Конечно, за врем увеличени фазового сдвига в системе вырабатываютс компен- сирующие сигналы, но требовани к быстродействию системы снижаетс . Зададим дл конкретности требуемый фазовый сдвиг между вектором тока и вектором потокос- цеплени ротора равный АО0. Тем самым задано расположение вектора Еа, т.е. отношение между Е и Е.2.

Электропривод переменного гока работает следующим образом.

Напр жение с выхода блока задани управл ющих сигналов 5 через первый сумматор 8 подаетс на вход преобразовател напр жение-частота 13 на выходе которого по вл етс последовательность импульсов , которые подаютс на третьи входы координатных преобразователей 8, 9 и 10. Одновременно напр жение с выхода блока задани управл ющих сигналов 5 через четвертый сумматор 19 подаетс на первые входы регул тор действительной 20 и мнимой 21 и составл ющих ЭДС. Коэффициенты усилени этих регул торов определ ют заданное положение вектора ЭДС. Выходные сигналы регул торов ЭДС 20,21 формируют задающий сигнал на входы соответствующих регул торов тока 6 и 7, на выходе которых формируютс сигналы за- дани по ос м d, q, (isd, isq) - задающие сигналы тока статора по ос м d, q). Первый блок преобразовани координат 8 из задающих сигналов isd и isq и синтезированных из последовательности импульсов опорных гармонических сигналов начинает формировать задающие сигналы силового преобразовател 2, амплитуда и фаза которых определ етс сигналами i3a и iaq. а частота - последовательностью импульсов с выхода преобразовател напр жение-частота 13. В силовом преобразователе 2 формируетс трехфазный ток заданной частоты, который через датчики фазных токов 3 подаетс на статорные обмотки асинхронного двигател 1. Фазные токи измер ютс датчиками токов 3 и через преобразователь фаз 11 подают сигналы на первый и второй входы второго координатного преобразовател 9, который осуществл ет перевод токов статора во вращающуюс систему координат. Аналогично напр жени измер ютс датчиками фазных напр жений 4 и через преобразователь фаз 12 подают сигнал на первый и второй входы третьего координатного преобразовател 10, который осуществл ет перевод напр жени статора во вращающуюс систему координат.

Коэффициенты передачи регул торов ЭДС 20 и 21 формируют задающий сигнал таким образом, что составл юща id будет иметь значение близкое к максимуму. Если положение вектора тока статора не совпадает с действительной осью (фиг.2), то по вл етс составл юща iq, котора через четвертый сумматор 19 подаетс на регул торы ЭДС 20 и 21 и корректирует задание таким образом, чтобы составл юща id имела бы максимальное значение.

Выходной сигнал id второго блока преобразовани координат 9 подаетс на дифференцирующий блок 14, блок определени составл ющих ЭДС 15 и блок поворота вектора тока 22, а выходной сигнал iq блока 14 подаетс на второй вход четвертого сумматора 19 и блок поворота вектора тока 22, который осуществл ет поворот вектора тока статора согласно выражени (1) на угол а против часовой стрелки, что позвол ет на входе регул торов тока осуществить сравнение задающих сигналов (выходы регул торов ЭДС) и фактических сигналов (выходы блока поворота вектора тока).

На выходе третьего координатного преобразовател 10 по вл ютс сигналы Ud и Uq, характеризующие вектор напр жени во вращающейс системе координат, которые подаютс на второй и третий входы блока определени составл ющих ЭДС 15, в котором по -измеренным составл ющим напр жени Ud и Uq и по падению напр жени на активном и индуктивном сопротивлении , определ ютс составл ющие ЭДС ротора согласно выражени (2) и (3). Выходные сигналы блока определени составл ющих ЭДС через второй 17 и второй 18 сумматора образуют сигналы обратных св зей , которые подаютс на вторые входы регул торов ЭДС 20, 21 на первые входы которых подаетс задающий сигнал с выхода четвертого сумматора 19, что обеспечивает на выходе регул торов ЭДС 20 и 21 задание по формированию требуемого значени напр жени силового преобразовател 2 дл поддержани на заданном уровне составл ющих ЭДС.

Приувеличении нагрузки в системе происход т следующие процессы. Обороты двигател уменьшаютс , начинает умень- ЛЈатьс составл ющие ЭДС, начинает расти

ток статора и измен етс угол между вектором ЭДС ротора и вектором тока статора, что приводит к по влению составл ющий iq на выходе второго блока преобразовани координат 9. Сигнал, пропорциональный iq, через четвертый сумматор 19 подаетс на вход регул торов ЭДС 20, 21, что увеличивает задание на напр жение, подводимое к двигателю, Кроме того, при набросе нагрузки на выходе дифференцирующего блока 14 по вл етс сигнал, который через второй и третий сумматоры 17, 18 по цепи обратной св зи подаютс на входы регул торов ЭДС 20, 21, что приводит к более интенсивному росту задающих сигналов на выходе регул торов ЭДС 20, 21. Одновременно через первый сумматор 16 выходной сигнал дифференцирующего блока 14 подаетс на первый сумматор 16, что увеличивает напр жение на входе преобразовател напр жение-частота 13, что способствует увеличению частоты пол двигател и уменьшению динамических посадок скорости при увеличении нагрузки

Следует указать, что между вектором ЭДС ротора и вектором тока статора существует некоторый угол, дл исключени которого введен блок поворота вектора тока статора 22. Тогда при набросе нагрузки вектор тока статора поворачиваетс против часовой стрелки (на векторной диаграмме он будет расположен выше линии ОЕа). В этом случае, даже при одинаковых выходных сигналах регул торов ЭДС 20, 21 сигналы ошибок на входах регул торов тока 6, 7 будут разными, за счет поворота вектора тока статора сигнал шибки на входе регул тора тока 6 по оси d будет больше сигнала ошибки на входе регул тора тока 7 по оси q, что увеличит сигнал i3d в большей степени, чем сигнал i3q. Следовательно отработка сигнала ошибки будет происходит не только за счет увеличени модул напр жени , но и за счет изменени его фазы.

Таким образом, отработка возмущени идет по трем каналам:

увеличение модул напр жени силового преобразовател (сигнал ошибки приложен одновременно к двум регул торам ЭДС 20,21);

увеличение частоты пол двигател ;

изменение фазы задающего сигнала, которое происходит как за счет изменени сигналов обратной св зи составл ющих ЭДС Had, E2q, так и за счет изменени сигналов обратной св зи составл ющих токов i d, i q.

По окончании переходного процесса угол между вектором тока статора и вектором ЭДС ротора остаетс прежним, но между вектором напр жени статора и током статора уменьшилс , что свидетельствует о том, что система регулировани будет поддерживать оптимальный режим при изменении нагрузки.

При изменении частоты положени задающего вектора QE2 не изменилось, а измен ютс сигналы обратной св зи Ead и E2q Так как составл юща ЭДС Eaq зависит от

частоты, а составл юща Ead зависит только оттока статора, то при уменьшении частоты составл юща ошибка на входе регул тора ЭДС 20 действительной составл ющей тока будет больше ошибки на входе регул тора

ЭДС 21 мнимой составл ющей тока.

Следовательно, задание на ток регул тора тока 6 действительной составл ющей тока будет больше задани на ток регул тора 7 мнимой составл ющей. А это приведет

к тому, что система будет поддерживать оптимальный угол между током статора и по- токосцеплением ротора и при изменении частоты.

Из описани работы системы регулировани видно, что в последней отсутствуют сложные и ненадежно работающие при помехах блоки синхронизации, что упрощает устройство. Кроме того, применение двух регул торов в каждом канале и ввод в систему регулировани блока поворота вектора тока позвол ет повысить динамические показатели путем повышени быстродействи и стабилизировать угол между током статора и потокосцеплением ротора, ч го позвол ет 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, потребл емой силовым преобразователем от сети.

Claims

Формула изобретени

Частотно-управл емый электропривод, содержащий асинхронный двигатель с ко- роткозамкнутым ротором, статорные обмотки которого подключены к выходам силового преобразовател частоты, датчики фазных токов и напр жений обмотки стато- ра двигател , блок задани управл ющего сигнала, два регул тора составл ющих тока статора, выходы которых подключены к первым двум входам nepsoi о блока преобразовани координат, выходами подключенного к управл ющим входам силового преобразовател частоты, второй и третий блоки преобразовани координат, подключенные первыми двум входами через соответствующие преобразователи числа фаз к выходам датчиков фазных токов и напр жений, преобразовзтель напр жение-частота, дифференцирующий блок, блок определени составл ющих ЭДС и три сумматора, первый из которых первым входом подключен к выходу блока задани управл ющего сигнала, гервые входы второго и третьего сумматоров подключены к соответствующим выходам блока определени составл ющих 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 преобразовател напр жение-частота, выход которого подключен к первому входу блока определени составл ющих ЭДС, второй и третий входы которого соединены с выходами третьего блока преобразовани координат , отличающийс тем, что, с целью улучшени динамических показателей путем повышени быстродействи , введены четвертый сумматор, два регул тора составл ющих ЭДС и блок поворота вектора тока,

0

5

0

5

два входа которого подключены к соответствующим выходам второго блока преобразовани координат, при этом первый вход четвертого сумматора подключен к выходу блока задани управл ющего сигнала, а второй вход - к одному из выходов второго блока преобразовани координат, другой выход которого подключен к входу дифференцирующего блока и четвертому входу блока определени составл ющих ЭДС, выход четвертого сумматора подключен к объединенным между собой первым входам регул торов составл ющих ЭДС, вторые входы которых подключены соответственно к выходам второго и третьего сумматоров, выходы регул торов составл ющих ЭДС подключены к первым входам соответствующих регул торов составл ющих тока статора , вторые входы которых соединены с выходами блока поворота вектора тока, а выход преобразовател напр жение-частота подключен к объединенным между собой третьим входам первого, второго и третьего блоков преобразовани координат.

Фиг. 7

О

2-2

&