RU2069034C1

RU2069034C1 - Frequency-controlled induction motor drive

Info

Publication number: RU2069034C1
Authority: RU
Inventors: Арипджан Адылович Хашимов; Абдукаххар Турабович Имамназаров; Шухрат Мирвахитович Сабиров
Original assignee: Арипджан Адылович Хашимов
Priority date: 1992-04-16
Filing date: 1992-04-16
Publication date: 1996-11-10

Abstract

FIELD: electrical engineering; induction motor drives using squirrel-cage induction motors. SUBSTANCE: frequency- controlled induction motor drive has induction motor 1, frequency changer, units 3, 4 controlling frequency changer frequency and voltage, adder 5, setting-point source 4. Introduced in electric drive are multiplying units 9, 10, 11, 14, 15, dividing units 12, 13, power and voltage differentiating units, speed sensor 8, functional transducer 16 implementing function η/(1-η), where η = P₂/P₁, P₂ is output power of induction motor, P₁ is full input power of induction motor. EFFECT: minimized total power depending on control frequency and motor shaft load which raises efficiency and simplifies design of drive due to elimination of motor flux and torque sensors as well as computing devices implementing flux changes with load and frequency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления частотно-регулируемым асинхронным электроприводом с короткозамкнутым двигателем. The invention relates to electrical engineering and can be used to control a frequency-controlled asynchronous squirrel-cage motor.

Известен асинхронный электропривод с экспериментальным управлением (1) с использованием микро ЭВМ, в которой сохраняется константы двигателя. Система привода содержит контур управления током статора и контур управления частотой статора. Known asynchronous electric drive with experimental control (1) using a microcomputer, which stores the engine constants. The drive system includes a stator current control loop and a stator frequency control loop.

При управлении измеряются скольжение, момент и магнитный поток в воздушном зазоре двигателя. На базе измеренных величин и хранящихся в памяти ЭВМ констант определяют потери в меди и ротора и потери в стали. When controlling, the slip, torque and magnetic flux in the engine air gap are measured. Based on the measured values and the constants stored in the computer memory, losses in copper and rotor and losses in steel are determined.

Рассчитывается КПД и в функции потока в воздушном зазоре и определяется направление изменения потока для увеличения КПД. Осуществляют необходимое изменение потока и соответствующие изменения частоты для поддержания постоянства момента. The efficiency is calculated as a function of the flow in the air gap and the direction of flow change is determined to increase the efficiency. Carry out the necessary change in flow and the corresponding changes in frequency to maintain a constant moment.

Контуры управления током и частотой выдаются надлежащие команды и все операции повторяются. The current and frequency control loops give proper commands and all operations are repeated.

Недостатком данного электропривода является использование вычислительного устройства (микро ЭВМ), которое приводит к необходимости составления и реализации алгоритма управления, а также значительно усложняет систему и повышает стоимость электропривода. The disadvantage of this electric drive is the use of a computing device (micro-computer), which leads to the need to compile and implement a control algorithm, and also significantly complicates the system and increases the cost of the electric drive.

Известен частотно-регулируемый асинхронный электропривод с экстремальным управлением по минимуму потерь (2), содержащий асинхронный двигатель, к статорным обмоткам которого подключен статический преобразователь частоты с каналом регулирования частоты и каналом регулирования напряжения, на входы которых подаются управляющий сигнал задания и решающее (вычислительное) устройство, на входы которого поступают сигналы от датчиков частоты и момента двигателя, а с выхода выдается сигнал, пропорциональный оптимальной величине потока и сравнивающийся с сигналом пропорциональным оптимальной величине потока и поступающим от датчика потока двигателя, а их разность подается на вход канала регулирования напряжения и отрабатывается системой. Known frequency-controlled asynchronous electric drive with extreme control to minimize losses (2), containing an asynchronous motor, to the stator windings of which is connected a static frequency converter with a frequency control channel and a voltage control channel, the inputs of which are supplied with a control signal of a task and a decisive (computing) device , the inputs of which receive signals from the frequency and torque sensors of the motor, and the output gives a signal proportional to the optimal value of the flow and arising with a signal proportional to the optimal value of the flow and coming from the engine flow sensor, and their difference is fed to the input of the voltage control channel and processed by the system.

Данный электропривод имеет недостатки, аналогичные недостаткам выше рассмотренного (1). This drive has drawbacks similar to the drawbacks discussed above (1).

Наиболее близким к изобретению является асинхронный электропривод с экстремальным управлением (3), содержащий асинхронный электродвигатель, к статорным обмоткам которого подключены выходы статического преобразователя частоты, блоки регулирования частоты и напряжения, выходами подключенные к соответствующим управляющим входам статического преобразователя частоты, сумматор, выход которого соединен с входом блока регулирования напряжения, а вход блока регулирования частоты соединен с выходом источника задания. Электропривод содержит два функциональных преобразователя, вход одного из которых соединен с выходом датчика момента, а выход, на котором получается сигнал Δα_μ,, подключен к одному входу второго сумматора, на второй вход которого поступает сигнал a с датчика частоты, на вход сумматора соединен с входом второго функционального преобразователя, на выходе которого образуется сигнал, пропорциональный величине потока v_оп и который подается на один из входов первого сумматора, второй вход которого соединен с выходом датчика потока (3).Closest to the invention is an asynchronous drive with extreme control (3), comprising an asynchronous electric motor, to the stator windings of which are connected the outputs of the static frequency converter, frequency and voltage control units, outputs connected to the corresponding control inputs of the static frequency converter, the adder, the output of which is connected to the input of the voltage control unit, and the input of the frequency control unit is connected to the output of the reference source. The electric drive contains two functional converters, the input of one of which is connected to the output of the torque sensor, and the output at which the signal Δα _μ is received is connected to one input of the second adder, to the second input of which the signal a from the frequency sensor is supplied, to the input of the adder is connected to the input of the second functional converter, the output of which produces a signal proportional to the value of the flow v _op and which is fed to one of the inputs of the first adder, the second input of which is connected to the output of the flow sensor (3).

Недостатками данного устройства является сложность схемы, обусловленное наличием датчиков момента и магнитного потока, которое приводит к сложной конструктивной связи с двигателем и узлами регулирования. The disadvantages of this device is the complexity of the circuit, due to the presence of torque and magnetic flux sensors, which leads to complex constructive communication with the engine and control units.

Кроме того, в прототипе не учитываются механические потери, а минимизирующая лишь электромагнитные потери состоящие из потерь в меди обмотки статора и ротора, а также потери в стали статора. In addition, the prototype does not take into account mechanical losses, and minimizes only electromagnetic losses consisting of losses in the copper of the stator and rotor windings, as well as losses in the stator steel.

Механические потери, обусловленные наличием вентиляции и трением механических частей электродвигателя, начинают сильно влиять на суммарные потери электродвигателя в зоне регулирования частоты выше номинального. Это видно по формуле,
ΔP_мех•f= ΔP_мех•н•F^3/2
где ΔP_мех•f механические потери двигателя, состоящие из потерь в подшипниках и вентиляционных потерь
ΔP_мех•н значение механических потерь при номинальной частоте
F=f/f_н относительная частота.Mechanical losses due to the presence of ventilation and friction of the mechanical parts of the motor begin to strongly affect the total loss of the motor in the frequency control zone above the nominal. This is seen by the formula,
ΔP _{fur • f} = ΔP _{fur • n} • F ^3/2
where ΔP _{mech • f} mechanical losses of the engine, consisting of losses in bearings and ventilation losses
ΔP _{mech • n} value of mechanical losses at rated frequency
F = f / f _n relative frequency.

В результате все вышесказанные недостатки в общем снижают КПД электродвигателя и электропривода. As a result, all the above disadvantages generally reduce the efficiency of the electric motor and electric drive.

Целью изобретения является повышение К.П.Д. и упрощение электропривода. The aim of the invention is to increase K.P.D. and simplification of the electric drive.

Указанная цель достигается тем, что в частотно-регулируемый асинхронный электропривод, содержащий асинхронный двигатель, к статорным обмоткам которого подключены входы статического преобразователя частоты, блоки регулирования частоты и напряжения, входами подключенные к соответствующим управляющим входам статического преобразователя частоты, сумматор, выход которого соединен с входом блока регулирования напряжения, вход блока регулирования частоты соединен с выходом источника задания, введены три блока умножения, два блока деления, два блока дифференцирования соответственно сигнала напряжения и мощности, датчик мощности и датчик напряжения, включенные в цепи статорных обмоток, датчик скорости, механически связанный с асинхронным двигателем, выход датчика напряжения подключен к входам блока дифференцирования сигнала напряжения и первого блока умножения, выходы датчика мощности и второго блока умножения подключены к входам первого блока деления, выходы датчика скорости и первого блока умножения подключены к входам второго блока умножения, выход первого блока деления подключен к входу функционального преобразователя, к входам третьего блока умножения подключены выходы второго блока умножения и функционального преобразователя, выход третьего блока умножения подключен к входу блока дифференцирования сигнала мощности, с входом второго блока деления подключены выходы блоков дифференцирования сигналов напряжения и мощности, выход второго блока деления подключен к одному из входов сумматора, а функциональный преобразователь выполнен с возможностью реализации функции

P₂ мощность на валу асинхронного двигателя;
P₁ полная мощность, потребляемая асинхронным двигателем.This goal is achieved by the fact that in a frequency-controlled asynchronous electric drive containing an induction motor, to the stator windings of which are connected the inputs of the static frequency converter, frequency and voltage control units, the inputs connected to the corresponding control inputs of the static frequency converter, the adder, the output of which is connected to the input voltage control unit, the input of the frequency control unit is connected to the output of the reference source, three multiplication units, two dividing units are introduced I, two differentiation units of the voltage and power signal, respectively, a power sensor and a voltage sensor included in the stator winding circuits, a speed sensor mechanically connected to an induction motor, the output of the voltage sensor is connected to the inputs of the voltage signal differentiation unit and the first multiplication unit, the outputs of the power sensor and the second multiplication block are connected to the inputs of the first division block, the outputs of the speed sensor and the first multiplication block are connected to the inputs of the second multiplication block, the output of the first block is The output is connected to the input of the functional converter, the outputs of the second multiplication unit and the functional converter are connected to the inputs of the third multiplication unit, the output of the third multiplication unit is connected to the input of the power signal differentiation unit, the outputs of the voltage and power signal differentiation blocks are connected to the input of the second division unit, the output of the second block division is connected to one of the inputs of the adder, and the functional Converter is configured to implement the function

P ₂ power on the shaft of the induction motor;
P _{1 is the} total power consumed by the induction motor.

На фигуре представлена блок-схема частотно-регулируемого асинхронного электропривода с экстремальным управлением. The figure shows a block diagram of a frequency-controlled asynchronous electric drive with extreme control.

Частотно-регулируемый асинхронный электропривод с экстремальным управлением содержит асинхронный двигатель 1, к статорным обмоткам которого подключены выходы статического преобразователя 2 частоты, блоки 3, 4 регулирования соответственно напряжения и частоты, выходами подключенные к соответствующим управляющим входам статического преобразователя 2 частоты, сумматор 5, выход которого соединен с входом блока 3 регулирования напряжения, вход блока 4 регулирования частоты подключен к выходу источника задания. В электропривод введены датчики 6, 7 соответственно мощности и напряжения, включенные в цепи статорных обмоток, асинхронного двигателя, датчик 8 скорости, механически связанный с асинхронным двигателем. В электропривод также введены три блока 9, 10, 11 умножения, два блока 12, 13 деления, два блока 14, 15 дифференцирования соответственно сигналов напряжения и мощности и функциональный преобразователь 16, реализующий функцию

,
где

, P₂ мощность на валу асинхронного двигателя, P₁ полная мощность, потребляемая асинхронным двигателем.The frequency-controlled asynchronous drive with extreme control contains an asynchronous motor 1, to the stator windings of which are connected the outputs of the static frequency converter 2, control units 3, 4 of voltage and frequency, respectively, the outputs connected to the corresponding control inputs of the static frequency converter 2, adder 5, the output of which connected to the input of the voltage control unit 3, the input of the frequency control unit 4 is connected to the output of the reference source. Sensors 6, 7, respectively, of power and voltage, included in the circuit of the stator windings, asynchronous motor, speed sensor 8, mechanically connected to the asynchronous motor, are introduced into the electric drive. The drive also introduced three blocks 9, 10, 11 multiplication, two blocks 12, 13 division, two blocks 14, 15 differentiation, respectively, of voltage and power signals and a functional converter 16 that implements the function

,
Where

, P _{2 the} power on the shaft of the induction motor, P _{1 the} total power consumed by the induction motor.

Выход датчика напряжения подключен к входам блока 14 дифференцирования сигнала напряжения и первого блока 9 умножения. Выходы датчика 6 мощности и второго блока 10 умножения подключены к входам первого блока 12 деления. Выходы датчика 8 скорости и первого блока 9 умножения подключены к входам второго блока 10 умножения. Выход первого блока 12 деления подключен к входу функционального преобразователя 16. К входам третьего блока 11 умножения подключены выходы второго блока 10 умножения и функционального преобразователя 16, а выход третьего блока 11 умножения соединен с входом блока 15 дифференцирования сигнала мощности, выход которого и выход блока дифференцирования 14 сигнала напряжения соединены с входами второго блока 13 деления, выходом соединенного с одним из входов сумматора 5, другим входом соединенное с источником задания. The voltage sensor output is connected to the inputs of the voltage signal differentiation unit 14 and the first multiplication unit 9. The outputs of the power sensor 6 and the second multiplication unit 10 are connected to the inputs of the first division unit 12. The outputs of the speed sensor 8 and the first multiplication unit 9 are connected to the inputs of the second multiplication unit 10. The output of the first division unit 12 is connected to the input of the functional converter 16. The outputs of the second multiplication unit 10 and the functional converter 16 are connected to the inputs of the third multiplication unit 11, and the output of the third multiplication unit 11 is connected to the input of the power signal differentiation block 15, the output of which and the output of the differentiation block 14, the voltage signal is connected to the inputs of the second division unit 13, the output connected to one of the inputs of the adder 5, the other input connected to the source of the job.

Электропривод работает следующим образом. The electric drive operates as follows.

В установившемся режиме работы частотно-регулируемого асинхронного электропривода потери являются функцией трех независимых переменных: момента нагрузки, магнитного потока двигателя и частоты. In the steady state mode of operation of a frequency-controlled asynchronous electric drive, losses are a function of three independent variables: load moment, motor magnetic flux, and frequency.

Поэтому в общем случае минимум потерь определяется системой трех равенств. Therefore, in the general case, the minimum loss is determined by a system of three equalities.

(1)
где

потери мощности в асинхронном двигателе.

(one)
Where

power loss in an induction motor.

α = f/f_н относительное значение момента на валу асинхронного двигателя.α = f / f _{n the} relative value of the torque on the shaft of the induction motor.

Φ = φ/φ_н относительное значение частоты.Φ = φ / φ _{n is the} relative value of the frequency.

ΔP относительное значение магнитного потока. ΔP is the relative value of the magnetic flux.

Выполнение второго и третьего условий означает, что потери будут наименьшими при отсутствии нагрузки и нулевой частоте, т. е. при неработающей машине. Поэтому единственным условием минимума потерь работающей машины является выполнение первого условия

Магнитный поток с напряжением связан следующей зависимостью:

(2)
f_1н частота напряжений n-ной обмотки
β = δ₂/δ_1н абсолютное скольжение
Uн номинальное напряжение статора
С 4,44 ω₁•K•ω конструктивная постоянная фазной обмотки статора
γ = U/U_н относительное напряжение
B(β) и A(α,β) математические обозначения, выраженные через параметры схемы замещения фазы асинхронного электродвигателя при частотном управлении.The fulfillment of the second and third conditions means that the losses will be the smallest in the absence of load and zero frequency, i.e., when the machine is idle. Therefore, the only condition for minimizing the loss of a running machine is the fulfillment of the first condition

Magnetic flux with voltage is related by the following relationship:

(2)
f _1n voltage frequency of the n-th winding
β = δ ₂ / δ _1n absolute slip
Un rated voltage of the stator
C 4.44 ω ₁ • K • ω design constant of the stator phase winding
γ = U / U _n relative stress
B (β) and A (α, β) are mathematical designations expressed in terms of the parameters of the phase equivalent circuit of an asynchronous electric motor with frequency control.

(3)
на основании (3) запишем первое условие из (1)

(4)
Для реализации минимума потерь в частотном электроприводе разыскивается экстремальная поисковая система с изложением производной

которая позволяет поддерживание минимума потерь при изменении момента и частоты.

(3)
on the basis of (3) we write the first condition from (1)

(4)
To realize the minimum losses in a frequency electric drive, an extreme search system with a derivative statement is sought

which allows maintaining a minimum of losses when changing the moment and frequency.

В рабочем режиме электродвигателя сигналы с датчиков мощности 6, напряжения 7 и скорости 8 поступают на блоки 9, 10, 14, 12 арифметических операций управления. In the operating mode of the electric motor, signals from power sensors 6, voltage 7, and speed 8 are supplied to blocks 9, 10, 14, 12 of arithmetic control operations.

В блоке 9 умножения (квадратор) сигнал датчика 7 напряжения увеличивается квадратично. Далее умноженный сигнал напряжения поступает на блок 10 умножения с постоянным коэффициентом "к", где происходит умножение квадратичного сигнала U² напряжения на коэффициент "к" и выходной сигнал ω датчика скорости 8. Соответственно на выходе блока 10 умножения выделяется сигнал, пропорциональный величине мощности на валу асинхронного двигателя

. Этот сигнал поступает на блоки 12 и 11. В блоке 12 деления производится деление двух сигналов, пропорциональных

. Функциональный преобразователь 16 осуществляет арифметическую операцию

.In block 9 multiplication (quad), the signal of the voltage sensor 7 increases quadratically. Next, the multiplied voltage signal is supplied to the multiplication unit 10 with a constant coefficient “k”, where the quadratic voltage signal U ² is multiplied by the coefficient “k” and the output signal ω of the speed sensor 8. Accordingly, a signal proportional to the power value by induction motor shaft

. This signal is supplied to blocks 12 and 11. In block 12 division is the division of two signals proportional to

. Functional Converter 16 performs the arithmetic operation

.

Далее в блоке 11 умножения производятся умножения сигналов, пропорциональных

, при этом на выходе блока 11 образуются суммарные потери DP двигателя.Further, in the block 11 multiplications are multiplied signals proportional to

while at the output of block 11, the total losses DP of the engine are formed.

В блоках дифференцирования 14 и 15 дифференцируются сигналы U и ΔP, которые поступают на блок 13 деления. In the differentiation units 14 and 15, the signals U and ΔP are differentiated, which are fed to the division unit 13.

На выходе этого блока получаем сигнал равный

. Величина сигнала

может иметь разнополярное значение в зависимости от величины нагрузки. При изменении нагрузки на валу двигателя от нуля до номинальной знак сигнала

положительный, а при увеличении нагрузки выше номинального
отрицательный. При суммировании сигналов задания и обратной связи в сумматоре 5, получаем на его выходе сигнал управления, который изменяет выходное напряжение преобразователя 2 частоты до экстремального значения. Причем экстремальная величина напряжения всегда будет обеспечивать минимум потребления активной мощности асинхронного двигателя.At the output of this block we get a signal equal to

. Signal value

may have a bipolar value depending on the magnitude of the load. When the load on the motor shaft changes from zero to the nominal sign of the signal

positive, and when the load increases above the nominal
negative. When summing the reference and feedback signals in the adder 5, we obtain at its output a control signal that changes the output voltage of the frequency converter 2 to an extreme value. Moreover, the extreme value of the voltage will always provide a minimum of the active power consumption of the induction motor.

Таким образом, вследствие минимизации суммарной мощности в зависимости от управляющей частоты и нагрузки на валу двигателя повышается КПД двигателя и снижается установленная мощность питаемого преобразователя частоты. Thus, due to minimization of the total power, depending on the control frequency and the load on the motor shaft, the motor efficiency increases and the installed power of the supplied frequency converter decreases.

В системе экстремального управления заметно улучшается конструктивное исполнение двигателя в связи с отсутствием датчика потока двигателя, датчика момента и решающих устройств, реализующих изменение потока в зависимости от нагрузки и частоты. In the extreme control system, the engine design is noticeably improved due to the lack of an engine flow sensor, a torque sensor, and deciding devices that implement a change in flow depending on load and frequency.

Claims

A frequency-controlled asynchronous drive with extreme control, comprising an asynchronous motor, to the stator windings of which are connected the outputs of the static frequency converter, frequency and voltage control units, the outputs are connected to the corresponding control inputs of the static frequency converter, the adder, the output of which is connected to the input of the voltage control unit, the input of the frequency control unit is connected to the output of the reference source, characterized in that in order to increase the efficiency and easier Three input multiplication units, two division units, two differentiation units of a voltage and power signal, a power sensor and a voltage sensor included in the stator winding circuits, a speed sensor mechanically connected to an induction motor, the output of the voltage sensor is connected to the inputs of the signal differentiation unit, voltage and the first block of multiplication, the outputs of the power sensor and the second block of multiplication are connected to the inputs of the first block of division, the outputs of the speed sensor and the first block of multiplication are connected to the input of the second multiplication block, the output of the first division block is connected to the input of the functional converter, the outputs of the second multiplication block and the functional converter are connected to the inputs of the third multiplication block, the output of the third multiplication block is connected to the input of the power signal differentiation block, the outputs of the differentiation blocks are connected to the inputs of the second division voltage and power signals, the output of the second division block is connected to one of the inputs of the adder, the other input is connected to the reference source, and the function national converter is configured to implement the function

where h = P ₂ / P ₁ ;
P ₂ power on the shaft of the induction motor;
P _{1 is the} total power consumed by an induction motor.