RU1837379C - Электропривод - Google Patents

Abstract

Использование: частотно-управл емый электропривод с асинхронным короткозам- ш гтым двигателем в механизмах общепро- мь шлейного назначени  без датчика скорости на валу. Сущность: электропривод содержит трехфазный асинхронный двигатель , фазные обмотки статора которого под- ключены -к выходам преобразовател  частоты, датчики тока и напр жени , блок выделени  фазных ЭДС, входы которого подключены к выходам датчиков токов и напр жений , блок определени  модул  ЭДС, выход которого соединен с первым входом ПИ-регул тора, блок преобразовани  координат , входы которого подключены соответственно к первому выходу блока задани  частоты, к выходу задани  реактивного тока, блок задани  частоты вращени . Устройство также содержит первый и второй сумматоры , блок ограничени , блок задани  модул  ЭДС, отсекающий диод и блок переменного коэффициента усилени . 5 ил.

Description

Изобретение относитс  к электротехнике может быть использовано в механизмах общепромышленного назначени , в частно- в регулируемых электроприводах на ба- асинхронного двигател  с откозамкнутым ротором и преобразова- ем частоты с непосредственной св зью и ественной коммутацией без датчика скост зе ко те ее ро

ти на валу асинхронного двигател .

Целью изобретени   вл етс  повыше- ни точности регулировани  частоты вращени  асинхронного двигател , повышение его быстродействи  и максимальной частоты вращени  npj/i работе от преобразовател  частоты с непосредственной св зью и ее ественной коммутацией.

На фиг.1 представлена структурна схема электропривода; на фиг.2 - структурна  сх :ма блока задани  частоты; на фиг.З - ст уктурна  схема блока ограничени ; на

фиг.4 - принцип формировани  экскаваторных характеристик электропривода; на фиг.5 - примерный вид сигнала задани  на реактивный ток от частоты F на выходе преобразовател  частоты.

Электропривод содержит асинхронный двигатель АД с короткозамкнутым ротором 1, преобразователь частоты ПЧ с непосредственной св зь и естественной коммутацией 2, три датчика тока ДТ 3, три датчика напр жени  ДН 4 фаз асинхронного двигател , блок выделени  фазных ЭДС 5, блок определени  модул  МЭДС 6, ПИ-регул тор 7, блок задани  модул  ЗЭДС 8, отсекающий диод 9, блок переменного коэффициенты усилени  (У) 10, блок преобразовани  координат ПК 11, блок задани  реактивного тока ЗРТ 12, три первых сумматора С1 13, три вторых сумматора С2 14. блок задани 

00 СА Х| Сл VI Ю

корости БЗ 15, блок задани  частоты 16 и лок ограничени  БО 17.

Асинхронный двигатель 1 общепроышленного назначени  выполн етс  с ко- откозамкнутым ротором.

Преобразователь частоты 2 с непосредтвенной св зь и естественной коммутаией может быть выполнен по мостовой хеме с раздельным управлением вентильыми комплектами.

В качестве датчиков тока 3 и напр жеи  4 используютс  промышленные датчии .

Блок выделени  фазных ЭДС 5 может ыть выполнен по схеме фильтра на операционных усилител х,г

Блок определени  модул  ЭДС б представл ет собой обычный выпр митель фазных ЭДС.

ПИ-регул тор 7 выполн етс  по известной схеме на основе интегральных микросхем ,

Блок задани  модул  ЭДС 8 и блок переменного коэффициента усилени  10 могут быть реализованы на основе микросхемы 525 ПС2.

Блок преобразовани  координат 11 по известной схеме преобразовани  посто нного уровн  напр жени  в синусоидальный сигнал.

Блок задани  реактивного тока 12 представл ет собой схему регулировани  посто нного уровн  напр жени .

Сумматоры 13 и 14 представл ют собой обычные операционные усилители с суммирующими входами.

Блок задани  скорости 15 представл ет собой задатчик регулируемого посто нного уровн  напр жени .

Возможна реализаци  блоков задани  частоты 16 и блока ограничени  17 приводитс  ниже в описании соответственно на фиг.2 и фиг.З.

Асинхронный электропривод работает следующим образом. Преобразователь час- тоты 2 работает в режиме источника тока и формирует три фазных тока асинхронного двигател  в соответствии с трем  входными сигналами задани  на ток 3, поступающих с трех выходов вторых сумматоров 14. В каждом из вторых сумматоров 14 производитс  суммирование ранее сформированных составл ющих сигнала задани  13, а именно активной составл ющей сигнала задани  la и реактивной составл ющей сигнала задани  Ip. Таким образом, в электроприводе осуществл етс  векторное управление, при котором активна  и реактивна  составл ющие сигнала задани  ортогональны. При этом в двигательном режиме работы электропривода 3 опережает ip, а в генераторном режиме 1а отстает приблизительно на 90 эл.град.

Электропривод реализован по бездатчиковому варианту, в котором используетс  косвенное измерение частоты вращени  асинхронного двигател  по модулю ЭДС двигател . Дл  этого информаци  о мгновенных значени х тока и напр жени  фаз асинхронного двигател , соответственно на выходах блоков 3 и 4, поступает на входы трехканального блока выделени  фазных ЭДС 5, на трех выходах которого формируетс  трехфазна  симметрична  система фазных ЭДС е, поступающа  на вход блока определени  модул  ЭДС 6, в котором осуществл етс  выпр мление входных напр жений . На выходе блока 6 сформировано посто нное напр жение - модуль ЭДС I EI, пропорциональное произведению частоты вращени  и потока асинхронного двигател .

Частота вращени  двигател  задаетс  посто нным и регулируемым по величине сигналом задани  частота 1)3р, вырабатываемым в блоке задани  частоты 16 и поступающим на первый вход блока преобразовани  координат 11, на второй вход которого поступает посто нный и регулируемый по величине сигнал задани  на амплитуду реактивного тока U3p с блока задани  реактивного тока 12, на третий вход блока 11 поступает посто нный и регулируемый по величине сигнал задани  на дополнительную составл ющую активного тока Уза с блока переменного коэффициента усилени  10. Блок преобразовани  координат . 11 вырабатывает две тройки симметричных

трехфазных сигналов дл  соответствующих трех каналов преобразовател  частоты. Частота этих сигналов определ етс  входным сигналом U3p. Перва  тройка сигналов вз представл ет собой задани  на мгновенные ЭДС асинхронного двигател , амплитуда

0

5

0

5

0

5

которых пропорциональна произведению сигналов U3p и (U3F + U3a). то есть еэ - (U3p + +Uaa) U3p. Втора  тройка сигналов ip представл ет собой сигналы задани  на реактивные токи фаз асинхронного двигател ,

амплитуды которых пропорциональны сигналу U3p. Перва  тройка сигналов е3 ортогональна второй Ip и опережает ее по фазе.

Обеспечение требуемого момента асинхронного двигател  осуществл етс  формированием задани  активной составл ющей тока la в первых сумматорах 13 и использованием двух каналов формировани ; канал слежени  по мгновенным значени м и канал слежени  по модулю. В результате

fa - Ка в3 (U3F) - ej + Ка е3 (Usa) в.

В канале по мгновенным значени м розница еэ(и3р) - е учитывает отклонение к по амплитуде, так и по фазе и  вл етс  .ютродействующей составл ющей в задали на активный ток, повышающей динами- ские показатели электропривода. Однако льсации в ЭДС ограничивают коэффициент усилени  первых сумматоров Ка, поэтому жесткость механических характеристик 1ектропривода низка. Дл  их повышени  вЬеден канал по модулю, формирующий сигнал U3a, которому пропорциональна допол- нительна  составл юща  задани  активного тока.

В канал слежени  по модулю вход т Блок определени  модул  ЭДС 6, блок зада- ни  модул  ЭДС 8, ПИ-регул тор 7, отсекающий диод 9 и блок переменного коэффициента усилени  10.

Блок задани  модул  ЭДС 8 формирует г осто нный и регулируемый по амплитуде сигнал I Ез I, которой пропорционален про- I- зведению сигнала задани  на частоту UaF.i. следовательно, частоте тока статора, i сигналу задани  на реактивный ток U3p, С ледовательно, потоку асинхронного двига- ел , В статике при изменении нагрузки на 1алу асинхронного двигател  ПИ-регул тор юддерживает равенство его входных сиголов , обеспечива  практически идеальную кесткость механических характеристик. Из- е,стно, что в замкнутых по ЭДС электропри- юдах, работающих с посто нным потоком, :онтурный коэффициент усилени  по с-коро- ;ти увеличиваетс  пропорционально часто- е вращени  асинхронного двигател . Дл  1инеаризации динамических характеристик ю каналу ПИ-регул тора последовательно с ним введен блок переменного коэффициен- а усилени  10, выполненный на основе де тел , в котором сигнал выхода ТИ-регул тора, поступающий на вход блока О через отсекающий диод 9, делитс  на сигнал, пропорциональный частоте вращени  асинхронного двигател . В результате совместный коэффициент усилени  рассматриваемых двух последовательных звеньев измен етс  обратно пропорционально частоте вращени  асинхронного двигател , обуславлива  линеаризацию эассматривземого контура. Анализ фазовых соотношений ез и е в двигательном и операторном режимах работы электропривода вы вил нерациональность использовани  канала ПИ-регул тора в генераторном эежиме, в св зи с чем на выходе ПИ-регул тора установлен отсекающий диод, который соедин ет выход ПИ-регул тора с последующей схемой в двигательном режиме и отключает его в генераторном режиме, при

котором пол рность ПИ-регул тора измен етс  на противоположную.

Задание частоты вращени  осуществл етс  блоком задани  скорости 15, блоком 5 задани  частоты 16 и блоком ограничени 

17.Структурна  схема блока задани  частоты (фиг.2) содержит задатчик интенсивности

18,выпр митель 19, первый сумматор 20 и второй сумматор 21. Сигнал задани  на ско0 рость Uac проходит последовательно через задатчик интенсивности, выпр митель, первый и второй сумматоры и, как сигнал задани  частоты U3F, определ ет частоту выходных сигналов преобразовани  коор5 динат.Двухполупериодный выпр митель 19 согласует знакопеременный сигнал с выхода задатчика интенсивности с однопол р- ным управлением частоты в блоке преобразовани  координат 11. Дл  обеспе0 чени  жесткости механических характеристик в сигнал UsF входит составл юща , пропорциональна  частоте скольжени , путем суммировани  во втором сумматоре 21 с сигналом Use сигнала Уза, пропорциональ5 ного частоте скольжени .

В электроприводе предусмотрено ограничение токов статора асинхронного двигател , обуславливающее ограничение момента на валу асинхронного двигател 

0 как в двигательном, так и в генераторном режимах работы электропривода. Поставленную задачу выполн ет блок ограничени  17. На фиг.4 представлен предельный момент в двигательном Мп и генераторном (-Мп)

5 режимах работы электропривода в зависимости от частоты вращени  п. До номинальной частоты вращени  гы асинхронного двигател  поток его остаетс  посто нным и задаетс  сигналом изр, зависимость которого от

0 частоты на.выходе преобразовател  F представлена на фиг.5 (частота 50 Гц соответствует номинальной частоте вращени  асинхронного двигател ). Выше номинальной частоты вращени  поток в асинхронном

5 двигателе необходимо уменьшать ввиду ограничени  в преобразователе частоты с непосредственной св зью и естественной коммутацией. Примерный вид уменьшени  потока соответствует уменьшению U3p на

0 фиг.5 в диапазоне частот 50-100 Гц. В той же мере уменьшаетс  предельный момент Мр на фиг.4- выше РН. Реализаци  ограничени  момента в двигательном режиме выпол- нена в блоке ограничени  17 на

5 выпр мителе22, сумматоре 23, отсекающем диоде 24, сумматоре 25 и з адэтчике интенсивности 28. В сумматоре 23 осуществл етс  операци  вычитани  из модул  сигнала задани  на тек I i3 I сигнала задани  на реактивней ток U3p. пропорционального

Мп. Сигнал Г13 формируетс  путем выпр млени  соответствующих сигналов задани  з на ток фаз асинхронного двигател  в выпр мителе 22, В случае превышени  I I3 I установленного уровн  1)зр положительна  разность I Ы - Uap +Uorp через отсекающий диод 24, сумматор 25 и задатчик интенсивности 28 поступает в блок задани  частоты 16, где вычитаетс  из сигнала Use и определ ет уменьшение выходного сигнала U3F. В свою очередь, уменьшение U3F определ ет уменьшение амплитуды ез и частоты на выходе блока преобразовани  координат 11 и стабилизирует с учетом коэффициента усилени , рассматриваемого канала блока ограничени , амплитуду активной составл ющей сигнала задани  а и, следовательно, амплитуду токов в фазах асинхронного двигател  и его момент. Примерный вид механических характеристик, сформированных рассматриваемым каналом блока ограничени , приведен в первом квадранте на фиг.4. Если I 13 I меньше U3p, то отсекающий диод 24 не пропускает отрицательную разницу на выход блока ограничени .

Реализаци  ограничений токов статора асинхронного двигател  и момента в генераторном режиме выполнена на сумматоре 27, отсекающем диоде 26, сумматоре 25 и задатчике интенсивности 28. Поскольку в генераторном режиме ПИ-регул тор не участвует , то активна  составл юща  тока определ етс  разницей еэ и е, которой пропорциональна разница модулей I Ез и I Е I .Работа блока ограничени  в генераторном режиме происходит следующим образом. В режиме холостого хода коэффициент суммировани  в сумматоре 27 дл  сигнала I E3I установлен с превышением над сигналом I EI .С увеличением нагрузки I EI увеличиваетс  и при его превышении сигнала Ез вырабатываетс  отрицательный сигнал, который через отсекающий диод.26, как сигнал (-Uorp), через сумматор 25 и задатчик интенсивности 28 поступает в блок задани  частоты 16, где (-U0rp) суммируетс  с сигналом Use, в результате чего увеличиваетс  сигнал задани  на частоту U3F, который через блок преобразовани  координат 11 увеличивает сигнал е3, уменьша  разницу (е - ез) и ограничива  активную составл ющую тока, а следовательно, момент асинхронного двигател . Примерный вид механических характеристик в генераторном режиме приведен на фиг.4 во втором квадранте.

Роль задатчика интенсивности заключаетс  в обеспечении плавного регулировани  и повышени  устойчивости электропривода в зоне ограничени  момента.

Использование сигнала U3p.2 в блоке переменного коэффициента усилени  10 и недопустимость использовани  последующих сигналов этого блока UaF.1 или U3p обусловлено необходимостью исключени  положительной обратной св зи по контуру: ПИ-регул тор - сигнал Uorp и получени  устойчивой работы электропривода на участке формировани  экскаваторных характери0 стик.

Блок задани  реактивного тока 12 формирует сигнал задани  на реактивный ток Usp на основе входного сигнала 113р,1, пропорционального частоте вращени , путем

5 кусочно-линейной аппроксимации, При этом в диапазоне частот вращени  от нул  до номинальной (в диапазоне частот преобразовател  частоты от нул  до 50 Гц) регули- рование асинхронного двигател 

0 осуществл етс  с посто нством потока и сигнал Кзр остаетс  неизменным и задает номинальный поток в асинхронном двигателе . В диапазоне частот вращени  от номинальной до двойного номинального

5 значени , соответственно дл  выходных частот преобразовател  частоты от 50 до 100 Гц, необходимо уменьшать поток асинхронного двигател  в св зи с ограничением выходного напр жени  преобразовател 

0 частоты и уменьшением кратности выходной частоты преобразовател  и его частоты пульсаций-. Примерный вид U3p в зависимости от частоты на выходе преобразовател  частоты F приведен на фиг.5.

5 Таким образом, за счет жесткого задани  частоты преобразовател  в соответствии с сигналом задани  на скорость в данном электроприводе по сравнению с прототипом повышаетс  точность установ0 ки заданной частоты вращени , а введение частоты скольжени  в сигнал задани  частоты обеспечивает поддержание заданной частоты вращени  и под нагрузкой.

В предложенном электроприводе суще5 ствует два канала управлени  активной составл ющей тока: канал управлени  по модулю, быстродействие которого ограничено фильтрацией при выделении модул  ЭДС, и канал управлени  по мгновенным

0 значени м, наиболее быстродействующий в котором осуществл етс  слежение как за фазой ЭДС двигател , так и за амплитудой, что  вл етс  более совершенным по сравнению с прототипом и позвол ет повысить

5 устойчивость электропривода и.его быстродействие .

Предложенное решение позвол ет в более полной мере использовать возможности электропривода с преобразователем часто- ты с непосредственной св зью и естественню и коммутацией, что позволило подн ть частоту вращени  асинхронного двигател  До двойного значени  от номинальной. ф о рм у л а и зо б р ете н и  .

Электропривод, содержащий трехфаз- н ый асинхронный двигатель с короткозамк- нутым ротором, фазные обмотки статора которого подключены к входам трехфазного преобразовател  частоты с непосредственной св зью и естественной коммутацией, Елок выделени  фазных ЭДС, входы которого подключены к выходам датчиков фазных токов и напр жений, включенных в цепи фазных обмоток статора, а выходы соединены с входами блока определени  модул  ЭДС, выход которого соединен с первым Е ходом П М-регул тора активного тока статора , блок преобразовани  координат, входы которого подключены соответственно к первому выходу блока задани  частоты, соединенного одним из входов с выходом бло- :а задани  частоты вращени , к выходу блока задани  реактивного тока, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности регулировани  частоты вращени  Двигател  и быстродействи , введены первые и вторые фазнь1е сумматоры, блок ограничени , блок задани  модул  ЭДС, отсекающий диод и блок переменного коэффициента усилени , причем первые выхо- ды блока преобразовани  координат подключены к первым входам первых фазных сумматоров, вторые входы которых подключены к выходам блока выделени  фазных ЭДС, выходы первых фазных сумматоров подключены к первым входам вторых фазных сумматоров, а их вторые входы - к

вторым выходам блока преобразовани  координат , выходы вторых фазных сумматоров подключены к управл ющим входам преобразовател  частоты с непосредственной св зью и естественной коммутацией,

второй выход блока задани  частоты подключен к входу блока задани  реактивного тока и к первому входу блока задани  модул  ЭДС, второй вход которого соединен с выходом блока задани  реактивного тока, а

выход блока задани  модул  ЭДС соединен с вторым входом ПИ-регул тора, выход которого соединен с анодом отсекающего диода , катод которого соединен с-первым входом блока переменного коэффициента

усилени , второй вход которого соединен с третьим выходом блока задани  частоты, выход блока переменного коэффициента усилени  соединен с третьим входом блока преобразовани  координат и вторым входом блока задани  частоты, первый, второй, третий и четвертый входы блока ограничени  соединены соответственно с выходом блока задани  реактивного тока, выходами вторых фазных сумматоров, с выходом бло0 ка задани  модул  ЭДС v с выходом блока определени  модул  ЭДС. выход блока ограничени  соединен с третьим входом блока задани  частоты,

Фиг.г

W

/&/Cj7 5. t5 -%

п

/ т

%.

-vH

У М

Рм4

Фиг. У