RU2039955C1

RU2039955C1 - Method of measurement of electromagnetic moment of induction motor

Info

Publication number: RU2039955C1
Authority: RU
Inventors: Александр Васильевич Волков
Original assignee: Александр Васильевич Волков
Priority date: 1991-07-01
Filing date: 1991-07-01
Publication date: 1995-07-20

Abstract

FIELD: induction motor regulation systems. SUBSTANCE: current is measured in DC section of frequency converter for measurement of electromagnetic moment of induction motor supplied from mains through frequency converter on basis of self-excited inverter at pulse-duration regulation of output voltage by means of current sensor and electromagnetic moment is calculated by the formula given in Description. EFFECT: enhanced efficiency. 5 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к частотно-управляемым электроприводам, и может быть использовано в качестве датчика электропривода (или способа его реализации) в системах регулирования асинхронных электроприводов с преобразователями частоты на основе автономных инверторов с широтно-импульсным регулированием напряжения. The invention relates to electrical engineering, in particular to frequency-controlled electric drives, and can be used as a sensor of an electric drive (or a method for its implementation) in regulation systems of asynchronous electric drives with frequency converters based on autonomous inverters with pulse-width voltage regulation.

Известен способ измерения электромагнитного момента асинхронного двигателя, питаемого от преобразователя частоты на основе автономного инвертора тока, заключающийся в том, что измеряют ток на входе преобразователя частоты, измеряют напряжение на входе инвертора и измеряют на входе системы управления инвертором преобразователя частоты сигнал, пропорциональный выходной частоте инвертора, а электромагнитный момент двигателя вычисляют как результат частного от деления произведения измеренных сигналов тока и напряжения на упомянутый сигнал, пропорциональный выходной частоте инвертора [1]
Недостатком известного способа измерения электромагнитного момента являются, во-первых, сложность, обусловленная наличием двух операций измерения высокопотенциальных электрических сигналов (тока и напряжения). Также недостатком известного способа является большая величина пульсаций выходного сигнала измеренного момента (вызванная коммутационными провалами напряжения на входе автономного инвертора тока), требующая, как правило, из условия сглаживания установки на выход устройства дополнительного фильтрующего звена, вносящего при этом запаздывание в измерение сигнала момента, неустойчивое измерение момента в области выходных низких (пусковых) частот электропривода, обусловленное необходимостью проведения множительно-делительным блоком операций умножения и деления малых сигналов (усугубляющееся влиянием указанных коммутационных провалов напряжения, присутствующих в одном из входных сигналов блока).A known method of measuring the electromagnetic moment of an induction motor supplied from a frequency converter based on an autonomous current inverter, which consists in measuring the current at the input of the frequency converter, measuring the voltage at the input of the inverter and measuring the signal proportional to the output frequency of the inverter at the input of the inverter control system of the frequency converter , and the electromagnetic moment of the motor is calculated as the result of the quotient of the product of the measured current and voltage signals by the above Igna proportional to the inverter output frequency of [1]
The disadvantage of this method of measuring the electromagnetic moment is, firstly, the complexity due to the presence of two operations of measuring high-potential electrical signals (current and voltage). Another disadvantage of this method is the large ripple of the output signal of the measured moment (caused by switching voltage dips at the input of an autonomous current inverter), which requires, as a rule, from the condition of smoothing the installation of an additional filter unit to the output of the device, which introduces a delay in the measurement of the moment signal, unstable moment measurement in the area of output low (starting) frequencies of the electric drive, due to the need for a multiplier-dividing unit to operations of multiplication and division of small signals (aggravated by the influence of the indicated switching voltage dips present in one of the input signals of the block).

Известен также способ измерения электромагнитного момента асинхронного двигателя, питаемого от преобразователя частоты на основе автономного инвертора с широтно-импульсным регулированием выходного напряжения, заключающийся в том, что измеряют на выходе инвертора статорные токи двух фаз двигателя, вычисляют статорный ток третьей фазы двигателя путем суммирования измеренных сигналов двух фазных токов двигателя, системой управления инвертором преобразователя частоты формируют для трех выходных фаз преобразователя частоты сигналы задания знака полуволны основной гармоники выходного фазного напряжения: +1 для положительной полуволны, -1 для отрицательной полуволны, вычисляют произведения измеренных и вычисленных значений фазных токов двигателя на соответствующей данной фазе сигнал задания знака полуволны основной гармоники фазного напряжения инвертора, при этом электромагнитный момент двигателя находят в виде суммы полученных произведений сигналов [2]
Недостатками известного способа измерения электромагнитного момента являются сложность, обусловленная наличием двух операций измерения высокопотенциальных электрических сигналов (а именно, двух фазных токов), ограниченная область применения, а именно, электроприводами, в которых обеспечивается управление асинхронным частотно-регулируемым двигателем с постоянным магнитным потоком двигателя, так как измеряемый известным способом сигнал (активной составляющей статорного тока двигателя) пропорционален электромагнитному моменту асинхронного двигателя только при неизменном значении магнитного потока; в случае управления двигателем с изменяющимся магнитным потоком при известном способе вносится существенная ошибка в величину измеряемого электромагнитного момента (до 20-50%). Также недостатком известного способа является увеличение пульсаций измеренного момента на низкой выходной частоте электропривода, требующее дополнительной фильтрации для устойчивой работы в системе регулирования электропривода; это вносит значительное запаздывание (0,2-0,3 с), снижая быстродействие.There is also a method of measuring the electromagnetic moment of an induction motor, fed from a frequency converter based on an autonomous inverter with pulse-width regulation of the output voltage, which consists in measuring the stator currents of two phases of the motor at the inverter output, calculating the stator current of the third phase of the motor by summing the measured signals two phase currents of the motor, the inverter control system of the frequency converter generates signals for the three output phases of the frequency converter giving the sign of the half-wave of the main harmonic of the output phase voltage: +1 for the positive half-wave, -1 for the negative half-wave, calculate the products of the measured and calculated values of the phase currents of the motor at the corresponding given phase, the signal for setting the sign of the half-wave of the main harmonic of the phase voltage of the inverter, while the electromagnetic moment of the motor is found in the form of the sum of the received signal products [2]
The disadvantages of the known method of measuring the electromagnetic moment are the complexity due to the presence of two operations for measuring high-potential electrical signals (namely, two phase currents), a limited scope, namely, electric drives, which provide control of an asynchronous frequency-controlled motor with a constant magnetic flux of the motor, since the signal measured in a known manner (the active component of the stator current of the motor) is proportional to the electromagnetic moment Chron engine only at a constant value of the magnetic flux; in the case of controlling an engine with a changing magnetic flux with the known method, a significant error is introduced in the magnitude of the measured electromagnetic moment (up to 20-50%). Another disadvantage of this method is the increase in pulsations of the measured moment at a low output frequency of the electric drive, requiring additional filtering for stable operation in the control system of the electric drive; this introduces a significant delay (0.2-0.3 s), reducing speed.

Известен способ измерения электромагнитного момента асинхронного двигателя, подключенного к сети через преобразователь частоты на основе автономного инвертора с широтно-импульсным регулированием выходного напряжения, при котором измеряют ток, фазные напряжения с последующим вычислением электромагнитного момента через определенный интеграл от электромагнитной мощности, определяемой как произведение вычисленной путем суммирования фазных напряжений ЭДС на величину измеренного тока. Интегрирование производят в течение каждого полупериода основной гармоники фазного напряжения, при этом в начале каждого последующего периода времени результат интегрирования обнуляют [3]
Недостатками данного способа являются сложность, обусловленная наличием большого числа операций: измерение высокопотенциальных токов и напряжений, вычисление произведений этих параметров; невысокое быстродействие из-за запаздывания, равного полупериоду выходного напряжения (время запаздывания может достигать 0,5-1 с при низких значениях частот и питании двигателя от преобразователя частоты).A known method of measuring the electromagnetic moment of an induction motor connected to the network through a frequency converter based on an autonomous inverter with pulse-width regulation of the output voltage, at which current, phase voltages are measured, followed by calculation of the electromagnetic moment through a certain integral of electromagnetic power, defined as the product calculated by summing the phase voltage of the EMF by the value of the measured current. Integration is carried out during each half-period of the main harmonic of the phase voltage, and at the beginning of each subsequent period of time, the result of integration is reset [3]
The disadvantages of this method are the complexity due to the presence of a large number of operations: measuring high potential currents and voltages, calculating the products of these parameters; low speed due to a delay equal to the half-period of the output voltage (the delay time can reach 0.5-1 s at low frequencies and the motor is powered by a frequency converter).

Целью изобретения является упрощение и повышение быстродействия измерения электромагнитного момента. The aim of the invention is to simplify and increase the speed of measurement of electromagnetic moment.

Это достигается тем, что при способе измерения электромагнитного момента асинхронного двигателя, подключенного к сети через преобразователь частоты на основе автономного инвертора с широтно-импульсным регулированием выходного напряжения, при котором измеряют ток с последующим вычислением электромагнитного момента через определенный интеграл, измерение тока осуществляют в звене постоянного тока, а вычисление электромагнитного момента производят по формуле
M= U

I·dt=uIT/K где I измеренный ток в звене постоянного тока преобразователя частоты;
Т период основной гармоники выходного напряжения преобразователя частоты;
τ интервал интегрирования;
К коэффициент, определяемый соотношением между указанным периодом и пределами интегрирования, K ≥ 6;
U масштабный коэффициент, соответствующий среднесуточному или номинальному напряжению сети.This is achieved by the fact that with the method of measuring the electromagnetic moment of an induction motor connected to the network through a frequency converter based on an autonomous inverter with pulse-width regulation of the output voltage, at which the current is measured, followed by the calculation of the electromagnetic moment through a certain integral, the current is measured in the DC link current, and the calculation of the electromagnetic moment is carried out according to the formula
M = U

I · dt = uIT / K where I is the measured current in the DC link of the frequency converter;
T is the period of the fundamental harmonic of the output voltage of the frequency converter;
τ integration interval;
K is a coefficient determined by the ratio between the indicated period and the integration limits, K ≥ 6;
U is a scale factor corresponding to the average daily or rated mains voltage.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства, в котором реализуется способ измерения электромагнитного момента асинхронного двигателя; на фиг. 2 то же, вариант исполнения; на фиг.3 временные диаграммы функционирования элементов структурных схем, представленных на фиг.1 и 2; на фиг.4 функциональная схема устройства для измерения электромагнитного момента асинхронного двигателя; на фиг.5 временные диаграммы работы элементов устройства. Figure 1 presents a structural diagram of a device in which a method for measuring the electromagnetic moment of an induction motor is implemented; in FIG. 2 the same option; figure 3 timing diagrams of the functioning of the elements of the structural diagrams presented in figures 1 and 2; figure 4 is a functional diagram of a device for measuring the electromagnetic moment of an induction motor; figure 5 timing diagrams of the elements of the device.

Структурная схема устройства, реализующего способ измерения электромагнитного момента асинхронного двигателя, содержит преобразователь частоты 1, состоящий из последовательно включенных выпрямителя 2, силового фильтра 3 и автономного инвертора 4 с широтно-импульсным регулированием выходного напряжения, соединенного своими входами с основными выходами системы 5 управления инвертором 4, а выходами с асинхронным двигателем. Также блок-схема содержит последовательно соединенные датчик тока 6, аналого-цифровой преобразователь 7, блок интегрирования 8 и запоминающее устройство 9, при этом установочный вход блока интегрирования 8 и разрешающий вход запоминающего устройства 9 соединены с одним из выходов системы управления инвертором 5, задающим последовательность импульсов частотой, связанной постоянным соотношением с частотой основной гармоники выходного напряжения инвертора, вход датчика тока 6 подключен к выходу выпрямителя 2 преобразователя частоты 1, а выход запоминающего устройства 9 является выходом структурной схемы, иллюстрирующей предложенный способ управления. The structural diagram of a device that implements a method of measuring the electromagnetic moment of an induction motor, contains a frequency converter 1, consisting of a series-connected rectifier 2, a power filter 3 and an autonomous inverter 4 with pulse-width regulation of the output voltage connected to the main outputs of the inverter 4 control system 5 by its inputs and outputs with an induction motor. The block diagram also contains a series-connected current sensor 6, an analog-to-digital converter 7, an integration unit 8 and a storage device 9, while the installation input of the integration unit 8 and the enable input of the storage device 9 are connected to one of the outputs of the control system of the inverter 5, which sets the sequence pulses with a frequency associated with a constant ratio of the fundamental frequency of the inverter output voltage, the input of the current sensor 6 is connected to the output of the rectifier 2 of the frequency converter 1, and the output The memory device 9 is the output of a block diagram illustrating the proposed control method.

Согласно другому варианту структурная схема устройства для реализации способа с повышенной точностью измерения момента дополнительно содержит множительный блок 10, датчик напряжения 11 и аналого-цифровой преобразователь 12, при этом первый вход множительного блока 10 соединен с выходом запоминающего устройства 9, второй вход связан через последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь 12 и датчик напряжения 11 с входом инвертора 4, а выход множительного блока 10 является выходом структурной схемы, представленной на фиг.2. According to another embodiment, the block diagram of the device for implementing the method with increased accuracy of measuring the moment further comprises a multiplier unit 10, a voltage sensor 11 and an analog-to-digital converter 12, while the first input of the multiplier unit 10 is connected to the output of the storage device 9, the second input is connected through series-connected analog-to-digital Converter 12 and the voltage sensor 11 with the input of the inverter 4, and the output of the multiplying unit 10 is the output of the structural diagram shown in figure 2.

На приведенных временных диаграммах (см.фиг.3) используются следующие обозначения: U₆ и U₈ выходные сигналы соответственно датчика тока 6 и блока интегрирования 8; U₅ и U₉ сигналы соответственно на частотно-задающем выходе системы управления инвертором 5 и на выходе запоминающего устройства 9; f_т сигнал внутренней тактовой частоты цифровой системы (с периодом дискретности квантования Δt).The following notation is used in the time diagrams (see Fig. 3): U ₆ and U ₈ output signals, respectively, of the current sensor 6 and the integration unit 8; U ₅ and U ₉ signals, respectively, at the frequency-setting output of the control system of the inverter 5 and at the output of the storage device 9; f _{t is the} signal of the internal clock frequency of the digital system (with a quantization period Δt).

На фиг.4 приведена функциональная схема устройства для измерения электромагнитного момента асинхронного двигателя, питающегося от преобразователя частоты 1, содержащая датчик тока 6, фильтр 13, интегратор 14 и ключ 15, соединенный управляющим входом с дополнительным выходом системы управления инвертором 5, на котором задается последовательность импульсов частотой, связанной постоянным соотношением с частотой основной гармоники выходного напряжения инвертора 4. Figure 4 shows a functional diagram of a device for measuring the electromagnetic moment of an induction motor powered by a frequency converter 1, containing a current sensor 6, a filter 13, an integrator 14 and a key 15 connected by a control input to an additional output of the inverter 5 control system, on which the sequence pulses with a frequency associated with a constant ratio of the fundamental frequency of the inverter output voltage 4.

Ключ 15 подсоединен своими двумя выходными выводами параллельно емкостному элементу 16 интегратора 14, соединенного своим выходом с входом фильтра 13 и связанного своим входом через датчик тока 6 с выходом выпрямителя 2 преобразователя частоты 1, а выход фильтра 13 является выходом устройства. В качестве одного из возможных вариантов выполнения, система управления инвертором 5 на фиг.4 показана выполненной в виде последовательно соединенных задающего генератора 17, блока задания алгоритма модуляции 18, кольцевого счетчика 19, логического блока 20 и блока формирования импульсов 21. Второй выход блока задания алгоритма модуляции 18 подключен к первому входу модулятора 22, подсоединенного своим выходом к второму входу логического блока 20. При этом вход задающего генератора 17 и второй вход модулятора 22 являются соответственно задающими входами системы 5 по частоте и напряжению, а выход блока формирования импульсов 21 и выход задающего генератора 17 являются соответственно основным выходом системы управления инвертором 5 и дополнительным выходом системы 5, задающим последовательность импульсов частотой, связанной постоянным соотношением с частотой основной гармоники выходного напряжения инвертора 4. The key 15 is connected by its two output terminals parallel to the capacitive element 16 of the integrator 14, connected by its output to the input of the filter 13 and connected by its input through the current sensor 6 to the output of the rectifier 2 of the frequency converter 1, and the output of the filter 13 is the output of the device. As one of the possible embodiments, the control system of the inverter 5 in Fig. 4 is shown made in the form of series-connected master oscillator 17, modulation algorithm task unit 18, ring counter 19, logic unit 20 and pulse generating unit 21. Second output of the algorithm task unit modulation 18 is connected to the first input of the modulator 22, connected by its output to the second input of the logic unit 20. The input of the master oscillator 17 and the second input of the modulator 22 are respectively the inputs of the system 5 in frequency and voltage, and the output of the pulse-forming unit 21 and the output of the master oscillator 17 are the main output of the inverter 5 control system and the additional output of the system 5, which sets the pulse sequence with a frequency associated with a constant ratio of the fundamental frequency of the inverter 4 output voltage.

На временных диаграммах работы элементов устройства (см.фиг.5) используются следующие обозначения: U₆ выходной сигнал датчика тока 6; U₁₇ выходной сигнал задающего генератора 17; U₁₃ и U₁₄ выходные сигналы соответственно фильтра 13 и интегратора 14.On the time diagrams of the operation of the elements of the device (see figure 5), the following notation is used: U ₆ output signal of the current sensor 6; U _{17 the} output signal of the master oscillator 17; U ₁₃ and U ₁₄ output signals, respectively, of filter 13 and integrator 14.

Способ измерения электромагнитного момента заключается в следующем: датчиком тока 6 измеряют ток на выходе выпрямителя 2 преобразователя частоты 1, системой управления инвертором 5 задают импульсным сигналом U₅ последовательность временных интервалов τ, по своей длительности связанных постоянным соотношением К с периодом Т основной гармоники выходного напряжения инвертора: τ=Т/K. В течение каждого данного интервала времени τ интегрируют цифровым блоком интегрирования 8 поступающий на его информационный вход (через аналого-цифровой преобразователь 7) сигнал, измеренный датчиком тока 6. При этом в начале каждого последующего интервала времени результат интегрирования U₈ на выходе блока интегрирования 8 обнуляется (при воздействии на его установочный вход фронта изменения импульса из лог. "1" в лог. "0" сигнала U₅, поступающего с дополнительного выхода системы 5). В блоке интегрирования 8 операция интегрирования реализуется программным образом на основе программы суммирования в следующем виде:
u_8(i)

u_7(i)·Δt_(i+1)
u_8(i)=0, при

> 0 (1)
u

u_7(i)·Δt_(i+1) где Δt интервал дискретности квантования цифровой системы;
U₇ выходной сигнал аналого-цифрового преобразователя 7;
U'_8(i) значение выходного сигнала U₈ блока интегрирования в конце интервала τ;
i порядковый номер следования интервала квантования Δt от начала заданного интервала τ;
[τ/Δt] операция выделения целого числа.The method of measuring the electromagnetic moment is as follows: the current sensor 6 measures the current at the output of the rectifier 2 of the frequency converter 1, the inverter 5 control system sets the pulse signal U _{5 to a} sequence of time intervals τ, in their duration connected by a constant ratio K to the period T of the fundamental harmonic of the inverter output voltage : τ = T / K. During each given time interval τ, the signal measured by the current sensor 6 is fed into its information input (via an analog-to-digital converter 7) by a digital integration unit 8. At the beginning of each subsequent time interval, the integration result U ₈ at the output of the integration unit 8 is reset (when a pulse changes from the log. "1" to the log. "0" signal U ₅ coming from the additional output of system 5 on its installation input). In the integration unit 8, the integration operation is implemented programmatically based on the summation program in the following form:
u _{8 (i)}

u _{7 (i)} Δt _{(i + 1)}
u _{8 (i)} = 0, for

> 0 (1)
u

u _{7 (i)} · Δt _{(i + 1)} where Δt is the quantization sampling interval of a digital system;
U ₇ output signal of the analog-to-digital Converter 7;
U ' _{8 (i) the} value of the output signal U ₈ of the integration unit at the end of the interval τ;
i is the sequence number of the quantization interval Δt from the beginning of the specified interval τ;
[τ / Δt] integer extraction operation.

Конечный результат интегрирования U₈ (полученный в блоке 8 за весь интервал времени τ) по окончании указанного интервала при воздействии уровня лог. "1" сигнала U₅ на разрешающий вход запоминающего устройства 9 передается в данный момент времени в запоминающее устройство 9. При этом вычисленное значение U'₈ записывается в запоминающее устройство 9 (т.е. U₉U'₈) и хранится на его выходе до прихода (через очередной интервал τ) следующего импульсного сигнала U₅, равного лог. "1", в момент появления которого информация в запоминающем устройстве 9 обновляется. Таким образом, выходной сигнал U₉ cтруктурной схемы на фиг.1 (пропорциональный электромагнитному моменту двигателя) вычисляют как результат интегрирования цифрового сигнала U₇ (соответствующего аналоговому измеренному сигналу U₆ датчиком тока 6) в конце временного интервала τ.The final result of the integration of U ₈ (obtained in block 8 for the entire time interval τ) at the end of the specified interval when the log level is applied. "1" of the signal U ₅ to the enable input of the storage device 9 is currently transmitted to the storage device 9. In this case, the calculated value U ' _{8 is} written to the storage device 9 (i.e., U ₉ U' ₈ ) and stored at its output before the arrival (through the next interval τ) of the next pulse signal U ₅ equal to the log. "1", at the time of occurrence of which information in the storage device 9 is updated. Thus, the output signal U _{9 of the} structural circuit in Fig. 1 (proportional to the electromagnetic torque of the motor) is calculated as the result of integrating the digital signal U ₇ (corresponding to the analog measured signal U ₆ by the current sensor 6) at the end of the time interval τ.

Покажем, что измеренный предложенным способом сигнал пропорционален электромагнитному моменту асинхронного двигателя. В преобразователе частоты на основе автономного инвертора с широтно-импульсным регулированием выходного напряжения активная мощность Р, потребляемая инвертором и двигателем, описывается формулой
Р U I Р_эм + ΔР, (2) где U напряжение на входе инвертора;
I ток на выходе выпрямителя;
Р_эм электромагнитная мощность двигателя;
ΔР электрические потери в инверторе и двигателе.We show that the signal measured by the proposed method is proportional to the electromagnetic moment of the induction motor. In a frequency converter based on an autonomous inverter with pulse-width regulation of the output voltage, the active power P consumed by the inverter and the motor is described by the formula
P UI P _em + ΔP, (2) where U is the voltage at the inverter input;
I current at the output of the rectifier;
P _{em the} electromagnetic power of the engine;
ΔР electric losses in the inverter and motor.

С учетом пренебрежения величиной электрических потерь в инверторе и двигателе (составляющих в современных приводах не более 5-7% от их номинальной мощности) получим
Р_эм ≈ UI (3)
Электромагнитный момент двигателя вычисляется из выражения
μ Р_эм/f UIТ, (4) где f и Т соответственно частота и период основной гармоники выходного напряжения инвертора.Given the neglect of the magnitude of the electrical losses in the inverter and motor (components in modern drives is not more than 5-7% of their rated power), we obtain
P _em ≈ UI (3)
The electromagnetic moment of the engine is calculated from the expression
μ P _em / f UIT, (4) where f and T are respectively the frequency and the period of the fundamental harmonic of the inverter output voltage.

Измеренный предложенный способом сигнал электромагнитного момента описывается через аналоговые величины сигналов формулой
u₉

I·dt (5) а с учетом условия постоянства значения тока (в течение каждого временного интервала):
U₉ ≈ IТ/K (6)
Последнее условие на практике абсолютно справедливо в установившихся режимах работы электропривода, а также может достаточно точно быть допущено в динамических режимах работы электропривода при условии незначительного изменения сигнала тока за время интервала τ, т.е. для малых значений интервалов τ (составляющих, например, не более 20-30 мс). Требуемое уменьшение величины временного интервала τ достигается соответствующим выбором коэффициента К системы управления инвертором 5.The measured electromagnetic signal of the electromagnetic moment is described through analog signal values by the formula
u ₉

I · dt (5) and taking into account the condition of constancy of the current value (during each time interval):
U ₉ ≈ IT / K (6)
The last condition in practice is absolutely true in the steady-state modes of operation of the electric drive, and can also be quite accurately allowed in the dynamic modes of operation of the electric drive provided that the current signal changes insignificantly over the time interval τ, i.e. for small values of the intervals τ (components, for example, no more than 20-30 ms). The required decrease in the value of the time interval τ is achieved by the corresponding choice of the coefficient K of the control system of the inverter 5.

Так как при питании преобразователя частоты 1 от стабильной питающей сети входное напряжение U инвертора 4 с широтно-импульсным регулированием выходного напряжения остается в процессе работы практически неизменным (меняется менее 5% от своего номинального значения U_н в функции нагрузки двигателя)
U сonst U_н, (7) то с учетом этого выражения (4) и (6) пропорциональны между собой. Это означает, что предложенным способом вычисляется сигнал (в цифровом виде U'₈ из выражения (1) или в аналоговом виде из выражения (6), пропорциональный фактическому электромагнитному моменту двигателя, описываемому выражением (4).Since when the frequency converter 1 is powered from a stable supply network, the input voltage U of the inverter 4 with pulse-width regulation of the output voltage remains almost unchanged during operation (less than 5% of its nominal value U _n as a function of the motor load)
U const U _n , (7) then, taking into account this expression, (4) and (6) are proportional to each other. This means that the proposed method calculates the signal (in digital form U ' ₈ from expression (1) or in analog form from expression (6), proportional to the actual electromagnetic torque of the engine described by expression (4).

При реализации способа по структурной схеме, представленной на фиг.2, дополнительно датчиком напряжения 11 измеряют сигнал U напряжения на входе инвертора 4, который преобразуют из аналогового в цифровой вид преобразователем 12. Уточненное значение U₁₀ электромагнитного момента двигателя вычисляют на выходе множительного блока 10 из выражения
U₁₀ U₉ U UIT/K (8) (т.е. в виде произведения, полученного в результате интегрирования сигнала U₉ на значение U измеренного напряжения). Очевидно, как следует из выражений (4) и (8), последний способ обеспечивает более точное измерение электромагнитного момента двигателя, так как учитывает влияние изменения входного напряжения U инвертора (от изменения нестабильной питающей сети, от изменения нагрузки двигателя) на значение вычисляемого электромагнитного момента двигателя.When implementing the method according to the structural diagram shown in FIG. 2, an additional voltage sensor 11 measures a voltage signal U at the input of the inverter 4, which is converted from analog to digital by a converter 12. The updated value of the motor electromagnetic torque U _{10 is} calculated at the output of the multiple unit 10 from expressions
U ₁₀ U ₉ U UIT / K (8) (i.e., as the product obtained by integrating the signal U ₉ by the value U of the measured voltage). Obviously, as follows from expressions (4) and (8), the latter method provides a more accurate measurement of the electromagnetic moment of the motor, since it takes into account the effect of changes in the input voltage U of the inverter (from changes in the unstable power supply, from changes in the load of the motor) on the value of the calculated electromagnetic moment engine.

Точность предложенного способа может быть еще более повышена, если в блоке 10 программно реализуется вычисление
U₁₀ (U IR) IТ/K, (9) где R эквивалентное сопротивление активных потерь в инверторе и двигателе.The accuracy of the proposed method can be further improved if, in block 10, the calculation is implemented programmatically
U ₁₀ (U IR) IT / K, (9) where R is the equivalent resistance of active losses in the inverter and motor.

Очевидно, в этом случае электромагнитный момент вычисляется с учетом потерь энергии в инверторе и двигателе, что повышает точность измерения момента в области низких значений частот. Obviously, in this case, the electromagnetic moment is calculated taking into account the energy losses in the inverter and motor, which increases the accuracy of measuring the moment in the low frequency range.

Устройство для измерения электромагнитного момента асинхронного двигателя (см.фиг.4) работает следующим образом: в преобразователе частоты 1 питающее переменное трехфазное напряжение сети выпрямляется с помощью неуправляемого выпрямителя 2, сглаживается силовым фильтром 3 и инвертируется в переменное трехфазное напряжение регулируемой частоты инвертором 4, питающим асинхронный двигатель. Выходные частота и амплитуда основной гармоники выходного напряжения инвертора 4 задаются пропорциональными входным сигналам системы управления 5, соответственно поступающим на вход задающего генератора 17 и второй вход модулятора 22. На выходе задающего генератора 17 формируется импульсный сигнал U₁₇ частотой kf (где f частота основной гармоники выходного напряжения; K ≥ 6 постоянное целое число), поступающий на вход блока задания алгоритма модуляции 18, формирующего на своем первом выходе импульсный сигнал частотой 6f, на втором выходе пилообразное опорное напряжение частотой kf/m (где m целое число).A device for measuring the electromagnetic moment of an induction motor (see Fig. 4) works as follows: in a frequency converter 1, the supply alternating three-phase voltage of the network is rectified using an uncontrolled rectifier 2, smoothed by a power filter 3 and inverted into an alternating three-phase voltage of an adjustable frequency by an inverter 4 supplying induction motor. The output frequency and amplitude of the fundamental harmonic of the output voltage of the inverter 4 are set proportional to the input signals of the control system 5, respectively, fed to the input of the master oscillator 17 and the second input of the modulator 22. At the output of the master oscillator 17, a pulse signal U _{17 with the} frequency kf is formed (where f is the frequency of the fundamental harmonic of the output voltage; K ≥ 6 is a constant integer), fed to the input of the unit for specifying the modulation algorithm 18, which generates a pulse signal with a frequency of 6f at its first output, and at the second output different voltage reference frequency kf / m (where m is an integer).

С выхода кольцевого счетчика 19 на входы логического блока 20 поступает трехфазная система импульсных сигналов, задающих фазовый сдвиг и длительности положительной и отрицательной полуволны основных гармоник выходных фазных напряжений инвертора. На другой вход логического блока 20 с выхода модулятора 22 поступает импульсный сигнал, задающий скважность включенного состояния и выключенного состояния силовых ключей инвертора. На выходе логического блока 20 формируются с необходимыми временными сдвигами и длительностями импульсы управления силовыми ключами инвертора, которые с помощью блока формирования импульсов 21 усиливаются, гальванически разделяются от цепей управления и подаются к управляющим переходам силовых ключей (транзисторов, тиристоров) инвертора 4. From the output of the ring counter 19, a three-phase system of pulse signals is supplied to the inputs of the logic unit 20, specifying the phase shift and the duration of the positive and negative half-waves of the main harmonics of the inverter output phase voltages. At the other input of the logic unit 20, an impulse signal is supplied from the output of the modulator 22, which sets the duty cycle of the on state and off state of the inverter power switches. At the output of the logic unit 20, the inverter power switch control pulses are formed with the necessary time shifts and durations, which are amplified using the pulse forming unit 21, are galvanically separated from the control circuits, and fed to the control transitions of the power keys (transistors, thyristors) of the inverter 4.

Измеренный сигнал U₆ тока на выходе выпрямителя 2 с выхода датчика тока 6 поступает на вход интегратора 14 (выполненного, например, на операционном усилителе, в отрицательной обратной связи которого включен емкостной элемент 16 конденсатор). В течение основной части интервала τ, характеризуемой нулевым значением сигнала U₁₇, поступающего с выхода задающего генератора 17 на управляющий вход ключа 15, указанный ключ 15 закрыт. При этом выходной сигнал U₁₄ интегратора 14 изменяется в функции интеграла от входного сигнала U₆ (пропорционального току I выпрямителя 2) и в конце интервала τ достигает значения, описываемого формулой (5). По окончании интервала τ в сигнале U₁₇ на выходе задающего генератора формируется узкий сигнал лог. "1", при поступлении которого на вход ключа 15 указанный ключ открывается, разряжая до нуля емкостной элемент 16 интегратора 14, выходное напряжение интегратора 14 обнуляется. После изменения уровня лог. "1" на лог. "0" в сигнале U₁₇ ключ 15 закрывается и дальнейшая работа устройства повторяется.The measured current signal U ₆ at the output of the rectifier 2 from the output of the current sensor 6 is fed to the input of the integrator 14 (made, for example, on an operational amplifier, in the negative feedback of which a capacitive element 16 is connected to a capacitor). During the main part of the interval τ, characterized by a zero value of the signal U ₁₇ coming from the output of the master oscillator 17 to the control input of the key 15, the specified key 15 is closed. In this case, the output signal U _{14 of the} integrator 14 changes as a function of the integral of the input signal U ₆ (proportional to the current I of the rectifier 2) and at the end of the interval τ reaches the value described by formula (5). At the end of the interval τ, a narrow log signal is generated in the signal U ₁₇ at the output of the master oscillator. "1", upon receipt of which the input of the key 15, the specified key is opened, discharging to zero the capacitive element 16 of the integrator 14, the output voltage of the integrator 14 is reset. After changing the level of the log. "1" to the log. "0" in the signal U ₁₇ key 15 is closed and the further operation of the device is repeated.

Выходной сигнал пилообразной формы U₁₄ интегратора 14 поступает на вход фильтра низкой частоты 13, посредством которого выделяется постоянная составляющая сигнала U₁₃, пропорциональная электромагнитному моменту двигателя. За счет высокой частоты kf пилообразного напряжения U₁₄, достигнутой выбором большого значения коэффициента К задающего генератора 17, хорошее сглаживание выходного сигнала U₁₃ в предложенном устройстве обеспечяивается малой постоянной времени фильтра 13, а следовательно, при высоком быстродействии измерения электромагнитного момента двигателя.The output signal of the sawtooth shape U _{14 of the} integrator 14 is fed to the input of a low-pass filter 13, through which a constant component of the signal U ₁₃ is proportional to the electromagnetic moment of the motor. Due to the high frequency kf of the sawtooth voltage U ₁₄ achieved by selecting a large value of the coefficient K of the master oscillator 17, good smoothing of the output signal U ₁₃ in the proposed device is ensured by a small time constant of the filter 13, and therefore, with a high speed measurement of the electromagnetic moment of the engine.

Изобретение позволяет расширить область применения способа измерения электромагнитного момента асинхронного двигателя. Упрощение способа достигается за счет сокращения общего числа сложных операций, а именно: измерения высокопотенциальных электрических сигналов (тока) до одной (вместо двух по способу-прототипу) и исключения нелинейных операций умножения (вместо трех в прототипе). Расширение области применения способа, в частности на частотно-управляемые электроприводы с изменяющимся магнитным потоком асинхронного двигателя, достигается за счет того, что при предложенном способе измеренное значение электромагнитного момента двигателя пропорционально и однозначно определяет фактический электромагнитный момент двигателя при любом значении магнитного потока двигателя (в прототипе только при постоянном магнитном потоке двигателя). Благодаря указанной расширенной области применения предложенный способ измерения электромагнитного момента позволяет использование в высококачественных частотно-управляемых асинхронных электроприводах с экономичным законом управления и повышенным диапазоном регулирования скорости (характеризуемых изменяемым магнитным потоком двигателя). The invention allows to expand the scope of the method of measuring the electromagnetic moment of an induction motor. The simplification of the method is achieved by reducing the total number of complex operations, namely: measuring high potential electrical signals (current) to one (instead of two using the prototype method) and eliminating non-linear multiplication operations (instead of three in the prototype). The extension of the scope of the method, in particular to frequency-controlled electric drives with a changing magnetic flux of an induction motor, is achieved due to the fact that with the proposed method, the measured value of the electromagnetic moment of the motor proportionally and unambiguously determines the actual electromagnetic moment of the motor for any value of the magnetic flux of the motor (in the prototype only with constant magnetic flux of the motor). Due to this extended scope, the proposed method for measuring the electromagnetic moment allows the use of high-quality frequency-controlled asynchronous electric drives with an economical control law and an increased range of speed control (characterized by variable magnetic flux of the motor).

При способе для условий питания преобразователя частоты от нестабильной питающей сети достигается повышение (на 5-15%) точности измерения момента, обеспечиваемое за счет уточнения измеряемого значения электромагнитного момента двигателя в зависимости от контролируемого текущего значения входного напряжения инвертора. Повышение быстродействия измерения электромагнитного момента двигателя достигается уменьшением времени интервала измерения момента (за счет увеличения краткости частоты импульсов задающего генератора системы управления инвертором) и уменьшением постоянной времени фильтра, сглаживающего измеренный сигнал (за счет в этом случае высокочастотного спектра пульсаций в измеренном предложенным устройством сигнале момента). В частности, при выборе коэффициента К (соотношения между выходной частотой задающего генератора и частотой основной гармоники выходного напряжения инвертора) равным 72, на выходной низкой частоте 3 Гц преобразователя частота пульсаций измеренного сигнала момента составляет 216 Гц (с временным интервалом τ= 1/216 5 мс). При этом с учетом эффективного сглаживания фильтром выходного сигнала момента общее время запаздывания при измерении электромагнитного момента предложенным устройством составляет не более 30 мс (по прототипу до 0,2-0,3 с). With the method, for conditions of power supply of the frequency converter from an unstable mains supply, an increase (by 5-15%) in the accuracy of the moment measurement is achieved by improving the measured value of the electromagnetic moment of the motor depending on the controlled current value of the input voltage of the inverter. An increase in the speed of measuring the electromagnetic moment of the motor is achieved by decreasing the time of the interval of measuring the moment (by increasing the brevity of the frequency of the pulses of the master oscillator of the inverter control system) and by decreasing the time constant of the filter that smooths the measured signal (due to the high-frequency pulsation spectrum in the moment signal measured by the proposed device) . In particular, when choosing the coefficient K (the ratio between the output frequency of the master oscillator and the fundamental frequency of the inverter output voltage) equal to 72, at the output low frequency of 3 Hz of the converter, the ripple frequency of the measured moment signal is 216 Hz (with a time interval of τ = 1/216 5 ms). Moreover, taking into account the effective smoothing by the filter of the output signal of the moment, the total delay time when measuring the electromagnetic moment of the proposed device is not more than 30 ms (according to the prototype, up to 0.2-0.3 s).

Claims

METHOD FOR MEASURING THE ELECTROMAGNETIC MOMENT OF AN ASYNCHRONOUS MOTOR connected to the network through a frequency converter based on an autonomous inverter with pulse-width regulation of the output voltage, in which the current is measured with subsequent calculation of the electromagnetic moment through a certain integral, characterized in that the current in the DC link of the converter is measured , and the electromagnetic moment is calculated by the formula

where I is the current in the DC link of the frequency converter;
T is the period of the fundamental harmonic of the output voltage of the frequency converter;
τ integration interval;
K is a coefficient determined by the ratio of the specified period and the limits of integration, K ≥ 6;
U is a scale factor corresponding to the average daily or rated mains voltage.