RU2109397C1

RU2109397C1 - Electric drive control process

Info

Publication number: RU2109397C1
Application number: RU96109654A
Authority: RU
Inventors: Г.В. Грабовецкий; О.Г. Куклин; Е.И. Чудинов
Original assignee: Новосибирский государственный технический университет
Priority date: 1996-05-13
Filing date: 1996-05-13
Publication date: 1998-04-20

Abstract

FIELD: adjustable-speed commercial drives using induction motors. SUBSTANCE: speed setting generator controls frequency setting signal and generates three-phase sets of basic current and basic emf setting signals across speed governor output; threes values are in phase quadrature and their modules depend on respective setting signals; basic emf module setting signal is determined by multiplying basic current module setting signal by frequency setting signal; basic current module setting signal is determined by adding basic current module setting signal at no load to current setting signal increment signal and motor particular-phase emf setting signal; current setting signal is found by adding basic current setting signal for particular phase to respective current setting signal increment signal. EFFECT: enlarged motor speed control range due to increasing tightness of mechanical characteristics. 6 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в механизмах общепромышленного назначения, в частности в регулируемых электроприводах на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым или с фазовым ротором (в режиме двойного питания) и тиристорного преобразователя частоты с непосредственной связью и естественной коммутацией без датчика скорости или положения на валу двигателя. The invention relates to electrical engineering and can be used in general industrial machinery, in particular in controlled electric drives based on an asynchronous motor with squirrel-cage or with a phase rotor (in dual power mode) and a thyristor frequency converter with direct coupling and natural switching without a speed or position sensor motor shaft.

Известен способ управления (Cистемы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями /Слежановский О.В., Дацковский Л.Х. и др. - М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 130 - 137), заключающийся в том, что асинхронный двигатель, получающий питание от преобразователя частоты, снабженного регулятором фазных токов, подчиненным регулятору скорости, которым управляют в функции скольжения, измеренного с помощью импульсного датчика на валу двигателя, и формируют на выходе сигнал задания на модуль и частоту тока. A known control method (Systems of subordinate regulation of AC electric drives with valve converters / Sledzhanovsky OV, Datskovsky L.Kh. et al. - M .: Energoatomizdat, 1983, p. 130 - 137), which consists in the fact that the induction motor powered by a frequency converter, equipped with a phase current controller, subordinate to the speed controller, which is controlled in the slip function, measured using a pulse sensor on the motor shaft, and form the output signal of the reference to the module and current frequency.

Этот способ не позволяет оптимизировать механические и энергетические характеристики асинхронной машины при изменении ее скорости вращения и момента нагрузки и предполагает наличие датчика на валу двигателя, что в ряде случает неприемлемо. This method does not allow to optimize the mechanical and energy characteristics of an asynchronous machine when its rotation speed and load moment change and suggests the presence of a sensor on the motor shaft, which in some cases is unacceptable.

Наиболее близким к изобретению является способ управления (авт. св. СССР N1837379, кл. H 02 P 5/408, опублик. в БИ N 32 1993), заключающийся в том, что асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором питается от преобразователя частоты с непосредственной связью и естественной коммутацией, работающего в режиме источника тока, снабженного регулятором фазных токов, подчиненному регулятору скорости, которым управляют в функции разности мгновенных значений заданной и измеренной ЭДС двигателя. Векторная диаграмма, иллюстрирующая этот способ регулирования скорости в двигательном режиме, построена в относительных единицах. Closest to the invention is a control method (ed. St. USSR N1837379, class H 02 P 5/408, published in BI N 32 1993), which consists in the fact that the squirrel-cage induction motor is powered by a frequency converter with direct coupling and natural switching, operating in the mode of a current source equipped with a phase current controller, a slave speed controller, which is controlled as a function of the difference in instantaneous values of the given and measured motor EMF. A vector diagram illustrating this method of controlling speed in motor mode is plotted in relative units.

Регулятор работает следующим образом. The regulator operates as follows.

В режиме холостого хода момент M^x=0, скольжение S^*= tgθ = 0 ,

и, следовательно,

с увеличением нагрузки в двигательном режиме M^x>0, S^x>0, следовательно,

Недостатком такого алгоритма работы регулятора скорости являются:
непостоянство коэффициента усиления регулятора при изменении частоты [ΔI

\binom{*}{з}

= f(F

\binom{*}{з}

)] , а также при переходе из двигательного в генераторной (рекуперативный) режим θ < 0 , что приводит к изменению жесткости механической характеристики двигателя при регулировании скорости (ограничение диапазона);
уменьшение сигнала задания на реактивную составляющую тока I

\binom{*}{зp}

в двигательном режиме с ростом момента, что приводит к смягчению механической характеристики, к ограничению опрокидывающего момента и вызывает необходимость введения в структуру дополнительных ПИ - регуляторов модуля сигнала задания на ЭДС [E

\binom{*}{зб}

= E

\binom{*}{збo}

+(E

\binom{*}{збo}

-E^*)] и сигнала задания на частоту (F

\binom{*}{з}

= F

\binom{*}{зo}

+ΔE^*);
неоптимальное и неконтролируемое соотношение сигналов задания на модули активного (I

\binom{*}{за}

) и реактивного (I

\binom{*}{зp}

) токов, снижающее КПД двигателя при изменения момента M^x.In idle mode, the moment M ^x = 0, slip S ^* = tgθ = 0,

and therefore

with increasing load in the motor mode M ^x > 0, S ^x > 0, therefore,

The disadvantage of this algorithm for the speed controller are:
the variability of the gain of the controller when the frequency changes [ΔI

\binom{*}{s}

= f (F

\binom{*}{s}

)], as well as in the transition from the motor to the generator (regenerative) mode θ <0, which leads to a change in the stiffness of the mechanical characteristics of the engine during speed control (range limitation);
reduction of the reference signal for the reactive component of current I

\binom{*}{sp}

in the motor mode with an increase in the moment, which leads to a softening of the mechanical characteristic, to a limitation of the overturning moment, and necessitates the introduction of additional PI - regulators of the signal module of the reference to the EMF [E

\binom{*}{zb}

= E

\binom{*}{zbo}

+ (E

\binom{*}{zbo}

-E ^* )] and frequency reference signal (F

\binom{*}{s}

= F

\binom{*}{zo}

+ ΔE ^* );
non-optimal and uncontrolled ratio of reference signals to active modules (I

\binom{*}{behind}

) and reactive (I

\binom{*}{sp}

) currents, reducing the efficiency of the motor when changing the moment M ^x .

Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о том, что задачей изобретения является создание способа управления электроприводом, позволяющего:
расширить диапазон регулирования скорости электропривода за счет увеличения жесткости механических характеристик асинхронного двигателя;
оптимизировать энергетические характеристики асинхронного двигателя (КПД, cos φ) при изменениях момента за счет контролируемого соотношения I $\binom{*}{за}$ и I $\binom{*}{зp}$ ;
сократить число элементов, входящих в состав регулятора скорости, и за счет этого упростить его настройку.The analysis of the prior art indicates that the objective of the invention is to create a method of controlling an electric drive, allowing:
expand the range of regulation of the speed of the electric drive by increasing the rigidity of the mechanical characteristics of the induction motor;
to optimize the energy characteristics of an induction motor (efficiency, cos φ) with changes in torque due to the controlled ratio I $\binom{*}{behind}$ and I $\binom{*}{sp}$ ;
reduce the number of elements that make up the speed controller, and thereby simplify its configuration.

Это достигается тем, что в известном способе управления электроприводом на базе трехфазного асинхронного двигателя, когда фазные обмотки статора двигателя запитывают от трехфазного тиристорного преобразователя частоты с непосредственной связью и естественной коммутацией, работающего в режиме источника тока, который реализуют регулированием фазных токов, обеспечивающим их пропорциональность сигналов задания на токи, формируемым на выходе регулятора скорости, на входе которого подают сигнал задания частоты вращения и фазные ЭДС двигателя - задающим генератором регулятора скорости, управляют сигналом задания на частоту, вырабатывая на его выходе трехфазные системы сигналов задания на базисные токи и базисные ЭДС, находящиеся соответственно в квадратуре, модули которых определяются соответствующими сигналами задания, при этом сигнал задания на модуль базисной ЭДС определяют умножения сигнала задания модуля базисного тока ни сигнал задания на частоту, сигнал задания на модуль базисного тока определяют суммированием сигнала задания на модуль базисного тока в режиме холостого хода и модуля сигнала приращения сигнала задания на ток, который получают интегрированием разности сигнала задания на базисную ЭДС данной фазы и ЭДС соответствующей фазы двигателя, а сигнал задания на ток каждой фазы определяют суммированием сигнала задания на базисный ток данной фазы и соответствующего сигнала приращения сигнала задания на ток. This is achieved by the fact that in the known method of controlling an electric drive based on a three-phase asynchronous motor, when the phase windings of the stator of the motor are powered from a three-phase thyristor frequency converter with direct coupling and natural switching, operating in the current source mode, which is implemented by adjusting the phase currents, ensuring their proportionality to the signals reference for currents generated at the output of the speed controller, at the input of which a speed reference signal and phase emf Atelier - the master generator of the speed controller, control the frequency reference signal, generating at its output three-phase systems of reference signals for basic currents and basic EMFs, which are respectively in quadrature, whose modules are determined by the corresponding reference signals, while the reference signal to the basic EMF module determines multiplications the reference signal of the base current module or the reference signal to the frequency, the reference signal to the base current module is determined by summing the reference signal to the base current module in the mode e idle and the signal signal increment module of the reference signal for the current, which is obtained by integrating the difference of the reference signal to the base EMF of this phase and the EMF of the corresponding phase of the motor, and the reference signal for the current of each phase is determined by summing the reference signal to the base current of this phase and the corresponding signal increment signal tasks for current.

На фиг. 1 приведена структурная схема электропривода, реализующая предлагаемый способ; на фиг. 2 - функциональная схема регулятора скорости, реализующего предлагаемый алгоритм управления; на фиг. 3 - схема замещения, справедливая для рабочего участка механической характеристики асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (в диапазоне скольжений

), и векторные диаграммы, характеризующие его режимы при питании от источника тока; на фиг. 4 - векторные диаграммы, иллюстрирующие алгоритм работы регулятора скорости с постоянным модулем базисного тока и соответствующие режимы асинхронного двигателя; на фиг. 5 - векторная диаграмма, иллюстрирующая алгоритм работы регулятора скорости с переменным модулем базисного тока предлагаемый алгоритм); на фиг. 6 - векторная диаграмма асинхронного двигателя, иллюстрирующая режимы его работы с регулятором скорости, реализующим предлагаемый алгоритм, и механические характеристики асинхронного двигателя по алгоритмам фиг. 4 и 5 соответственно.In FIG. 1 shows a structural diagram of an electric drive that implements the proposed method; in FIG. 2 is a functional diagram of a speed controller that implements the proposed control algorithm; in FIG. 3 is an equivalent circuit valid for the working section of the mechanical characteristic of a squirrel-cage induction motor (in the slip range

), and vector diagrams characterizing its modes when powered by a current source; in FIG. 4 is a vector diagram illustrating the operation of a speed controller with a constant base current module and the corresponding modes of an asynchronous motor; in FIG. 5 is a vector diagram illustrating the algorithm of the speed controller with an alternating base current module proposed algorithm); in FIG. 6 is a vector diagram of an induction motor, illustrating its operation modes with a speed controller that implements the proposed algorithm, and the mechanical characteristics of the induction motor according to the algorithms of FIG. 4 and 5, respectively.

Электропривод содержит (фиг. 1) асинхронный двигатель (АД) 1, трехфазно-трехфазный тиристорный преобразователь частоты (ПЧНСЕК) 2, три регулятора тока (РТ) 3, регулятор скорости (РС) 4, в состав которого входят (фиг. 2) задающий генератор (ЗГ) 5, три первых сумматора 6, три интегратора 7, три входных сумматора 8, блок определения модуля сигнала приращения сигнала задания на ток 9, третий сумматор 10, умножитель 11 сигнала задания модуля базисного тока на сигнал задания на частоту. The electric drive contains (Fig. 1) an asynchronous motor (HELL) 1, a three-phase-three-phase thyristor frequency converter (ПЧНСЕК) 2, three current controllers (RT) 3, a speed controller (PC) 4, which includes (Fig. 2) a master generator (ZG) 5, three first adders 6, three integrators 7, three input adders 8, a module for determining the signal module of the increment of the reference current signal 9, a third adder 10, a multiplier 11 of the reference signal of the base current module by the frequency reference signal.

Асинхронный двигатель 1 общепромышленного применения с короткозамкнутым ротором. Asynchronous motor 1 of general industrial use with squirrel-cage rotor.

Преобразователь частоты 2 с непосредственной связью и естественной коммутацией может быть выполнен на тиристорах по трехфазно-трехфазной мостовой схеме с раздельным управлением. Frequency converter 2 with direct connection and natural switching can be performed on thyristors according to a three-phase-three-phase bridge circuit with separate control.

Регуляторы фазных токов асинхронного двигателя 3 выполняются по авт.св. СССР NN 1012402, 1023620, 1117817, 1261079 и 1343514. Regulators of phase currents of an asynchronous motor 3 are carried out by ed. USSR NN 1012402, 1023620, 1117817, 1261079 and 1343514.

В состав регулятора 4 скорости входят:
задающий генератор 5, который выполняется по известной схеме преобразования постоянного уровня напряжения в синусоидальные сигналы;
сумматоры 6, 8 и 10 - операционные усилители с суммирующими входами;
интеграторы 7 - интегрирующие операционные усилители;
блок определения модуля 9 - трехфазный выпрямитель переменных сигналов;
умножитель 11 - выполняется на основе микросхемы, например 525ПС2.The speed controller 4 includes:
a master oscillator 5, which is performed according to the known scheme for converting a constant voltage level into sinusoidal signals;
adders 6, 8 and 10 - operational amplifiers with summing inputs;
integrators 7 - integrating operational amplifiers;
module definition unit 9 - three-phase rectifier of alternating signals;
the multiplier 11 - is based on a microcircuit, for example 525PS2.

Управление электроприводом осуществляется следующий образом. Electric drive control is carried out as follows.

Преобразователь частоты 2 (фиг. 1) работает в режиме источника тока, т. е. полезные составляющие токов i_a, i_b, i_c на его выходе, являющиеся соответствующими токами фаз двигателя 1, пропорциональны соответствующим сигналам задания на выходе регуляторов фазных токов 3 i_за, i_зв, i_зс, которые являются выходными сигналами регулятора скорости 4.The frequency converter 2 (Fig. 1) operates in the current source mode, i.e., the useful components of the currents i _a , i _b , i _c at its output, which are the corresponding currents of the phases of the motor 1, are proportional to the corresponding reference signals at the output of the phase current regulators 3 i _for , i _sv , i _ss , which are the output signals of the speed controller 4.

Особенности режимов асинхронного двигателя, получающего питание от источника тока, иллюстрируются схемой замещения фиг. 3а и соответствующими ей векторной диаграммой для режима холостого хода (фиг. 3,б) и векторной диаграммой для двигательного режима (фиг. 3,в), из анализа которых следует, что с ростом момента (θ>0) и ростом, следовательно, активной составляющей тока I_a - реактивная составляющая тока I_p, определяющая магнитный поток, уменьшается, а это приводит к ограничению критического момента на уровне, не превышающем при номинальном токе номинальный момент ( M $\binom{*}{к}$ = 2sinφ_н, , где знак (^*) преписывается величинам в относительных единицах). В связи с этим алгоритм работы регулятора скорости 4 должен обеспечивать с ростом θ преимущественное увеличение активной составляющей тока двигателя.The features of the modes of an induction motor powered by a current source are illustrated by the equivalent circuit of FIG. 3a and its corresponding vector diagram for idle mode (Fig. 3b) and a vector diagram for motor mode (Fig. 3c), from the analysis of which it follows that with increasing moment (θ> 0) and increasing, therefore, the active component of the current I _a - the reactive component of the current I _p , which determines the magnetic flux, decreases, and this leads to the limitation of the critical moment at a level not exceeding the rated moment at the rated current (M $\binom{*}{to}$ = 2sinφ _n ,, where the sign ( ^* ) is assigned to the values in relative units). In this regard, the operation algorithm of the speed controller 4 should provide with an increase in θ a predominant increase in the active component of the motor current.

Возможная реализация такого алгоритма иллюстрирует фиг. 4; задающий генератор вырабатывает сигнал задания на базисный ток

, определяющий реактивную составляющую тока двигателя в режиме холостого хода

, и сигнал задания на базисную ЭДС

, соответствующий ЭДС двигателя в режиме холостого хода E_o, тогда управляющий сигнал определится разностью

и может быть преобразован через

в сигнал задания на ток

.A possible implementation of such an algorithm is illustrated in FIG. 4; the master oscillator generates a reference current reference signal

determining the reactive component of the motor current in idle mode

, and the reference signal for the base EMF

corresponding to the EMF of the engine in idle mode E _o , then the control signal is determined by the difference

and can be converted through

into the current reference signal

.

Этот алгоритм, однако, не является оптимальным в энергетическом смысле, выраженном известным критерием М.П.Костенко

из которого (фиг. 4) следует

т. е. для оптимизации характеристик асинхронного двигателя при регулировании следует во всех режимах f^*, M^* поддерживать постоянным отношение активной и реактивной составляющих тока двигателя, при этом будет поддерживаться постоянство коэффициента мощности, абсолютного скольжения, минимизировать ток и потери.This algorithm, however, is not optimal in the energy sense expressed by the well-known criterion of M.P. Kostenko

from which (Fig. 4) follows

i.e., to optimize the characteristics of an induction motor during regulation, in all f ^* , M ^* modes, the ratio of the active and reactive components of the motor current should be kept constant, while the power factor, absolute slip will be kept constant, and current and losses should be minimized.

Предлагаемая реализация такого алгоритма иллюстрируется фиг. 5, где
I $\binom{*}{зб}$ = I $\binom{*}{збo}$ +ΔI $\binom{*}{з}$ , I $\binom{*}{збо}$ = I $\binom{*}{збн}$ -ΔI $\binom{*}{зн}$
и определяет ток двигателя в режиме холостого хода I_ро. Фиг. 6 иллюстрирует формирование механических характеристик двигателя при постоянном I $\binom{*}{б}$ = I $\binom{*}{бн}$ - в соответствии с фиг. 4 и при I $\binom{*}{б}$ - переменном в соответствии с фиг. 5. При сопоставлении этих характеристик видны отмеченные выше преимущества предлагаемого алгоритма, а именно расширен диапазон регулирования скорости, оптимизированы энергетические характеристики, упрощена настройка.The proposed implementation of such an algorithm is illustrated in FIG. 5 where
I $\binom{*}{zb}$ = I $\binom{*}{zbo}$ + ΔI $\binom{*}{s}$ , I $\binom{*}{zb}$ = I $\binom{*}{zbn}$ -ΔI $\binom{*}{knowledge}$
and determines the motor current in idle mode I _ro . FIG. 6 illustrates the formation of the mechanical characteristics of the engine at a constant I $\binom{*}{b}$ = I $\binom{*}{bn}$ - in accordance with FIG. 4 and at I $\binom{*}{b}$ - variable in accordance with FIG. 5. When comparing these characteristics, the above-mentioned advantages of the proposed algorithm are visible, namely, the range of speed regulation is expanded, energy characteristics are optimized, and setup is simplified.

Функциональная схема регулятора скорости, реализующая алгоритм, соответствующий фиг. 5, представлена на фиг. 2. Functional diagram of the speed controller implementing the algorithm corresponding to FIG. 5 is shown in FIG. 2.

Настройка регулятора в системе электропривода сводится к установке максимального K (коэффициента интегратора 7), при котором не возникают колебательные режимы, и затем, к регулировке уставки I $\binom{*}{збo}$ на минимум тока нагруженного двигателя. Механическая характеристика двигателя на рабочем участке будет описываться при этом уравнением

Результаты экспериментальных исследований системы электропривода, в которой был реализован предлагаемый способ управления, подтвердили изложенные выше эффекты.The adjustment of the controller in the electric drive system is reduced to setting the maximum K (integrator coefficient 7), at which oscillatory modes do not occur, and then, to adjust the setpoint I

\binom{*}{zbo}

to the minimum current of the loaded motor. The mechanical characteristics of the engine at the work site will be described by the equation

The results of experimental studies of the electric drive system, in which the proposed control method was implemented, confirmed the above effects.

Claims

A method of controlling an electric drive based on a three-phase asynchronous motor, which consists in the fact that the phase windings of the motor stator are fed from a three-phase thyristor frequency converter with direct coupling and natural switching, operating in the current source mode, which is implemented by regulating the phase currents, which ensures their proportionality to the current reference signals formed at the output of the speed controller, the inputs of which supply a signal for setting the speed and phase EMF of the engine, different I mean that the speed generator is controlled by a frequency reference signal, generating three-phase systems of reference signals for basic currents and basic EMF at its output, which are respectively in quadrature, whose modules are determined by the corresponding reference signals, for example, the reference signal to the basic EMF module is determined by multiplying the reference signal of the base current module by the reference signal by the frequency, the reference signal by the base current module is determined by summing the reference signal to the base current module into idle and the signal signal increment module of the reference signal for the current, which is obtained by integrating the difference of the reference signal to the base EMF of this phase and the EMF of the corresponding phase of the motor, and the reference signal for the current of each phase is determined by summing the reference signal to the base current of this phase and the corresponding signal signal increment on current.