RU2625720C1

RU2625720C1 - Устройство для управления двигателем двойного питания

Info

Publication number: RU2625720C1
Application number: RU2016111575A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Михайлович Тутаев; Игорь Васильевич Гуляев; Максим Андреевич Бобров; Антон Владимирович Волков
Original assignee: Геннадий Михайлович Тутаев
Priority date: 2016-03-28
Filing date: 2016-03-28
Publication date: 2017-07-18

Abstract

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводах, в которых требуются глубокое регулирование скорости, высокая перегрузочная способность, обеспечение тяжелого пуска из стопорного режима. Техническим результатом является обеспечение бездатчиковой идентификации магнитного потока воздушного зазора и минимальных потерь во всем диапазоне нагрузок. В устройство для управления двигателем двойного питания, содержащее асинхронный двигатель с фазным ротором, преобразователи частоты статора и ротора, датчик фазных токов статора, преобразователь числа фаз статора, наблюдатель результирующего магнитного потока, тригонометрический анализатор, обратный преобразователь координат токов статора, два синусно-косинусных преобразователя, обратный преобразователь координат токов ротора, преобразователь числа фаз ротора, датчики токов ротора, коммутатор задания магнитного потока, регулятор результирующего магнитного потока, блок компенсации ЭДС ротора, прямой преобразователь координат напряжений ротора, блок заданий амплитуды напряжения ротора, преобразователь частоты ротора, регулятор частоты возбуждения, задатчик угловой скорости ротора, регулятор угловой скорости ротора, блок вычисления угловой скорости ротора, датчик частоты токов статора, датчик фазных напряжений статора, функциональный преобразователь, блок задания параметров, регулятор составляющей тока статора i_sy, коммутатор задания магнитного потока, регулятор составляющей тока статора i_sy, блок компенсации ЭДС статора, прямой преобразователь координат напряжений статора, блок заданий амплитуды напряжения статора, интегратор, умножитель, сумматор, датчик частоты токов статора, первые три арифметических блока, блок вычисления угловой скорости ротора, компаратор частоты, задающий генератор двухфазного гармонического сигнала, управляемый аналоговый коммутатор, блок вычисления частоты токов ротора, делитель, датчик фазных напряжений ротора, дополнительно введены логический блок коммутации, второй наблюдатель результирующего магнитного потока, второй тригонометрический анализатор, а преобразователь числа фаз ротора имеет дополнительный второй вход и дополнительные третий и четвертый выходы. Вновь введенные элементы соединены с элементами и узлами устройства так, как указано в формуле изобретения. Использование предлагаемого изобретения позволяет осуществить создание электропривода на базе серийного асинхронного двигателя с фазным ротором, включенного по схеме двойного питания, обеспечивающего возможность тяжелых повторных пусков, обладающего жесткими механическими характеристиками, высокими энергетическими показателями в широком диапазоне изменения частоты вращения и нагрузок на валу благодаря изменению магнитного состояния двигателя в функции электромагнитного момента, а частоты возбуждения в функции заданной скорости ротора, глубокой и плавной регулировкой частоты вращения ротора посредством изменения напряжения статора аналогично электроприводу с двигателем постоянного тока. 1 ил.

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах, в которых требуются глубокое регулирование скорости, высокая перегрузочная способность, обеспечение тяжелого пуска из стопорного режима.

Известно устройство для управления двигателем двойного питания, содержащее асинхронный двигатель с фазным ротором (АДФР), статорные и роторные обмотки которого подключены соответственно к выходам преобразователя частоты статора и преобразователя частоты ротора, датчик фазных токов статора, подключенный выходами к входу преобразователя числа фаз статора, выходы которого соединены с первым и вторым входами наблюдателя результирующего магнитного потока, подключенного выходами к входам тригонометрического анализатора, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входом обратного преобразователя координат токов статора, третий и четвертый входы которого соединены с выходами преобразователя числа фаз статора. Выходы первого синусно-косинусного преобразователя подключены к первому и второму входам обратного преобразователя координат токов ротора, третий вход которого соединен с выходом преобразователя числа фаз ротора, соединенного входом с выходами датчика токов ротора, а выходы обратного преобразователя координат токов ротора соединены с третьим и четвертым входами наблюдателя результирующего магнитного потока. Выход коммутатора задания магнитного потока соединен с первым входом регулятора результирующего магнитного потока, второй вход которого соединен с третьим выходом тригонометрического анализатора, а выход - с входом блока компенсации ЭДС ротора, соединенного выходом с первым входом прямого преобразователя координат напряжений ротора, два других входа которого соединены с выходами второго синусно-косинусного преобразователя. Выход прямого преобразователя координат напряжений ротора соединен со входом блока заданий амплитуды напряжения ротора, выход которого соединен с первым входом преобразователя частоты ротора. Выход регулятора частоты возбуждения соединен со вторым входом преобразователя частоты ротора. Выход задатчика угловой скорости ротора соединен с первым входом регулятора угловой скорости ротора, второй вход которого соединен с выходом блока вычисления угловой скорости ротора, соединенного вторым входом с выходом датчика частоты токов статора, вход которого соединен с датчиком фазных напряжений статора. Выход блока вычисления угловой скорости ротора соединен также с входом первого синусно-косинусного преобразователя. Выход регулятора угловой скорости ротора соединен с первым входом функционального преобразователя, второй вход которого соединен с выходом блока задания параметров, вход которого подключен к выходу датчика частоты токов статора. Первый выход функционального преобразователя соединен с первым входом регулятора составляющей тока статора i_sy, второй вход которого соединен с первым выходом обратного преобразователя координат токов статора. Второй выход функционального преобразователя соединен с вторым входом коммутатора задания магнитного потока. Выход регулятора составляющей тока статора i_sy соединен с первым входом блока компенсации ЭДС статора, второй вход которого соединен с выходом регулятора составляющей тока статора i_sx, первый вход которого «занулен», а второй вход соединен со вторым выходом обратного преобразователя координат токов статора. Выход блока компенсации ЭДС статора соединен с первым входом прямого преобразователя координат напряжений статора, второй и третий входы которого соединены с первым и вторым выходами тригонометрического анализатора. Выход прямого преобразователя координат напряжений статора соединен с входом блока заданий амплитуды напряжения статора, соединенного выходом с первым входом преобразователя частоты статора, третий вход которого соединен с выходом интегратора, соединенного входом с выходом сумматора, к первому входу которого подключен выход умножителя, соединенного первым входом с первым выходом обратного преобразователя координат токов статора, а вторым - с четвертым выходом тригонометрического анализатора. Второй вход сумматора подключен к выходу умножителя, соединенного первым входом с третьим выходом тригонометрического анализатора, а вторым входом - со вторым выходом обратного преобразователя координат токов статора. Второй вход преобразователя частоты статора соединен с выходом датчика частоты токов статора. Вход первого арифметического блока соединен с выходом блока вычисления угловой скорости ротора, а выход первого арифметического блока подключен к первым входам третьего и второго арифметических блоков и к первому входу компаратора частоты. Выход задающего генератора двухфазного гармонического сигнала соединен со вторым входом второго арифметического блока и с вторым входом компаратора частоты. Вход управляемого аналогового коммутатора подключен к выходу второго арифметического блока, а управляющий вход - к выходу компаратора частоты. Второй вход третьего арифметического блока соединен с выходом управляемого аналогового коммутатора, а выход - с входом блока вычисления частоты токов ротора, который, в свою очередь, соединен с входом делителя, выход которого соединен с вторым входом регулятора частоты возбуждения. Выход блока ограничения магнитного потока соединен с первым входом коммутатора задания магнитного потока. Выход датчика частоты возбуждения соединен с первым входом блока вычислений угловой скорости ротора, а также с входом второго синусно-косинусного преобразователя и вторым входом регулятора частоты возбуждения. Вход же датчика частоты возбуждения соединен с датчиком фазных напряжений ротора (RU 2477562 С1, опубл. 10.03.2013. Бюл. №7).

Недостатком наиболее близкого аналога, обеспечивающего минимум потерь в стали базовой машины за счет регулирования частоты возбуждения в функции угловой скорости ротора и минимум электрических потерь в меди фазных обмоток, а также высокую перегрузочную способность за счет поддержания ортогональности векторов тока статора и результирующего магнитного потока воздушного зазора АДФР, который формируется в функции требуемого электромагнитного момента, является неточность идентификации магнитного потока наблюдателем в области малых нагрузок двигателя, что связано с нелинейной зависимостью взаимной индуктивности обмоток L_m от тока намагничивания. При уменьшении нагрузки необходимо снижать значение магнитного потока, что приводит к отклонению L_m от номинального значения, введенного в блок параметров схемы замещения базового двигателя. В предлагаемом варианте значение результирующего магнитного потока в области малых нагрузок определяется вторым наблюдателем, уравнения модели которого не связаны с параметром L_m. Применение этого наблюдателя при нагрузках, близких к номинальным, напротив нежелательно, поскольку изменение активного сопротивления ротора при нагреве обмоток возросшими токами вызовет ошибки в определении потока. Таким образом, оба наблюдателя чувствительны к параметрическим изменениям, но в разных диапазонах нагрузок.

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства для управления двигателем двойного питания в составе электропривода.

Технический результат заключается в обеспечении бездатчиковой идентификации магнитного потока воздушного зазора АДФР, что способствует реализации законов управления, благодаря которым в электроприводе обеспечиваются минимальные потери во всем диапазоне нагрузок.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство для управления двигателем двойного питания, содержащее асинхронный двигатель с фазным ротором, статорные и роторные обмотки которого подключены соответственно к выходам преобразователя частоты статора и преобразователя частоты ротора, датчик фазных токов статора, подключенный выходами к входу преобразователя числа фаз статора, выходы которого соединены с первым и вторым входами наблюдателя результирующего магнитного потока, подключенного выходами к входам тригонометрического анализатора, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входом обратного преобразователя координат токов статора, третий и четвертый входы которого соединены с выходами преобразователя числа фаз статора, первый синусно-косинусный преобразователь, выходы которого подключены к первому и второму входам обратного преобразователя координат токов ротора, третий вход которого соединен с выходом преобразователя числа фаз ротора, соединенного входом с выходами датчика токов ротора, а выходы обратного преобразователя координат токов ротора соединены с третьим и четвертым входами наблюдателя результирующего магнитного потока, коммутатор задания магнитного потока, соединенный выходом с первым входом регулятора результирующего магнитного потока, второй вход которого соединен с третьим выходом тригонометрического анализатора, а выход - с входом блока компенсации ЭДС ротора, соединенного выходом с первым входом прямого преобразователя координат напряжений ротора, два других входа которого соединены с выходами второго синусно-косинусного преобразователя, прямой преобразователь координат напряжений ротора, соединенного выходом со входом блока заданий амплитуды напряжения ротора, выход которого соединен с первым входом преобразователя частоты ротора, регулятор частоты возбуждения, выход которого соединен со вторым входом преобразователя частоты ротора, задатчик угловой скорости ротора, соединенный выходом с первым входом регулятора угловой скорости ротора, второй вход которого соединен с выходом блока вычисления угловой скорости ротора, соединенного вторым входом с выходом датчика частоты токов статора, вход которого соединен с датчиком фазных напряжений статора, выход блока вычисления угловой скорости ротора соединен также с входом первого синусно-косинусного преобразователя, а выход регулятора угловой скорости ротора соединен с первым входом функционального преобразователя, второй вход которого соединен с выходом блока задания параметров, вход которого подключен к выходу датчика частоты токов статора, функциональный преобразователь, соединенный первым выходом с первым входом регулятора составляющей тока статора i_sy, второй вход которого соединен с первым выходом обратного преобразователя координат токов статора, а второй выход функционального преобразователя соединен с вторым входом коммутатора задания магнитного потока, регулятор составляющей тока статора i_sy, соединенный выходом с первым входом блока компенсации ЭДС статора, второй вход которого соединен с выходом регулятора составляющей тока статора i_sx, первый вход которого «занулен», а второй вход соединен со вторым выходом обратного преобразователя координат токов статора, блок компенсации ЭДС статора, соединенный выходом с первым входом прямого преобразователя координат напряжений статора, второй и третий входы которого соединены с первым и вторым выходами тригонометрического анализатора, прямой преобразователь координат напряжений статора, выход которого соединен с входом блока заданий амплитуды напряжения статора, соединенного выходом с первым входом преобразователя частоты статора, третий вход которого соединен с выходом интегратора, соединенного входом с выходом сумматора, к первому входу которого подключен выход умножителя, соединенного первым входом с первым выходом обратного преобразователя координат токов статора, а вторым - с четвертым выходом тригонометрического анализатора, второй вход сумматора подключен к выходу умножителя, соединенного первым входом с третьим выходом тригонометрического анализатора, а вторым входом - со вторым выходом обратного преобразователя координат токов статора, датчик частоты токов статора, выход которого соединен с вторым входом преобразователя частоты статора, первый арифметический блок, соединенный входом с выходом блока вычисления угловой скорости ротора, а выход первого арифметического блока подключен к первым входам третьего и второго арифметических блоков и к первому входу компаратора частоты, задающий генератор двухфазного гармонического сигнала, соединенный выходом со вторым входом второго арифметического блока и с вторым входом компаратора частоты, управляемый аналоговый коммутатор, вход которого подключен к выходу второго арифметического блока, а управляющий вход - к выходу компаратора частоты, второй вход третьего арифметического блока соединен с выходом управляемого аналогового коммутатора, а выход - с входом блока вычисления частоты токов ротора, который, в свою очередь, соединен с входом делителя, выход которого соединен с вторым входом регулятора частоты возбуждения, блок ограничения магнитного потока, соединенный выходом с первым входом коммутатора задания магнитного потока, датчика частоты возбуждения, соединенного входом с датчиком фазных напряжений ротора, а выходом - с первым входом блока вычислений угловой скорости ротора, а также с входом второго синусно-косинусного преобразователя и вторым входом регулятора частоты возбуждения, дополнительно введены логический блок коммутации, второй наблюдатель результирующего магнитного потока, второй тригонометрический анализатор, а преобразователь числа фаз ротора имеет дополнительный второй вход, соединенный с датчиком фазных напряжений ротора, и дополнительные третий и четвертый выходы, соединенные с третьим и четвертым входами второго наблюдателя результирующего магнитного потока, первый и второй входы которого соединены с первым и вторым выходами преобразователя числа фаз ротора, которые соединены с третьим и четвертым входами обратного преобразователя координат токов ротора, выходы второго наблюдателя результирующего магнитного потока соединены со входами второго тригонометрического анализатора, выходы которого соединены с третьим и четвертым входами логического блока коммутации, первый вход которого соединен с четвертым выходом тригонометрического анализатора, а второй вход - с третьим выходом тригонометрического анализатора, пятый вход логического блока коммутации соединен с выходом регулятора угловой скорости ротора, первый выход логического блока коммутации соединен со вторым входом умножителя, второй выход - со вторым входом другого умножителя и вторым входом регулятора результирующего магнитного потока.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

Введение в предлагаемое устройство логического блока коммутации второго наблюдателя результирующего магнитного потока, второго тригонометрического анализатора, а также организация новых связей между функциональными элементами позволили осуществить создание электропривода на базе серийного асинхронного двигателя с фазным ротором, включенного по схеме двойного питания, обеспечивающего минимальные потери во всем диапазоне нагрузок.

На чертеже представлена функциональная схема устройства.

Устройство для управления двигателем двойного питания содержит асинхронный двигатель 1 с фазным ротором, статорные и роторные обмотки которого подключены соответственно к выходам преобразователя частоты статора 2 и преобразователя частоты ротора 3, датчик 4 фазных токов статора, подключенный выходами к входу преобразователя числа фаз статора 5, выходы которого соединены с первым и вторым входами наблюдателя результирующего магнитного потока 6, подключенного выходами к входам тригонометрического анализатора 7, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входом обратного преобразователя координат токов статора 8, третий и четвертый входы которого соединены с выходами преобразователя числа фаз статора 5. Выходы первого синусно-косинусного преобразователя 9 подключены к первому и второму входам обратного преобразователя координат токов ротора 10, третий и четвертый входы которого соединены с первым и вторым выходами преобразователя числа фаз ротора 11, соединенного первым входом с выходами датчика токов ротора 12, а выходы обратного преобразователя координат токов ротора 10 соединены с третьим и четвертым входами наблюдателя результирующего магнитного потока 6. Выход коммутатора задания магнитного потока 13 соединен с первым входом регулятора результирующего магнитного потока 14, выход которого соединен с входом блока компенсации ЭДС ротора 15, соединенного выходом с первым входом прямого преобразователя координат напряжений ротора 16, два других входа которого соединены с выходами второго синусно-косинусного преобразователя 17. Выход прямого преобразователя координат напряжений ротора 16 соединен со входом блока заданий амплитуды напряжения ротора 18, выход которого соединен с первым входом преобразователя частоты ротора 3. Выход регулятора частоты возбуждения 19 соединен со вторым входом преобразователя частоты ротора 3. Выход задатчика угловой скорости ротора 20 соединен с первым входом регулятора угловой скорости ротора 21, второй вход которого соединен с выходом блока вычисления угловой скорости ротора 22, соединенного вторым входом с выходом датчика 23 частоты токов статора, вход которого соединен с датчиком 24 фазных напряжений статора. Выход блока вычисления угловой скорости ротора 22 соединен также с входом первого синусно-косинусного преобразователя 9. Выход регулятора угловой скорости ротора 21 соединен с первым входом функционального преобразователя 25, второй вход которого соединен с выходом блока задания параметров 26, вход которого подключен к выходу датчика 23 частоты токов статора, соединенного со вторым входом преобразователя частоты статора 2. Первый выход функционального преобразователя 25 соединен с первым входом регулятора 27 составляющей тока статора i_sy, второй вход которого соединен с первым выходом обратного преобразователя координат токов статора 8. Второй выход функционального преобразователя 25 соединен с вторым входом коммутатора задания магнитного потока 13. Выход регулятора 27 составляющей тока статора i_sy соединен с первым входом блока компенсации ЭДС статора 28, второй вход которого соединен с выходом регулятора 29 составляющей тока статора i_sx, первый вход которого «занулен», а второй вход соединен со вторым выходом обратного преобразователя координат токов статора 8. Выход блока компенсации ЭДС статора 28 соединен с первым входом прямого преобразователя координат напряжений статора 30, второй и третий входы которого соединены с первым и вторым выходами тригонометрического анализатора 7. Выход прямого преобразователя координат напряжений статора 30 соединен с входом блока заданий амплитуды напряжения статора 31, соединенного выходом с первым входом преобразователя частоты статора 2, третий вход которого соединен с выходом интегратора 32, соединенного входом с выходом сумматора 33, к первому входу которого подключен выход умножителя 34, соединенного первым входом с первым выходом обратного преобразователя координат токов статора 8. Второй вход сумматора 33 подключен к выходу умножителя 35, соединенного вторым входом со вторым выходом обратного преобразователя координат токов статора 8. Вход первого арифметического блока 36 соединен с выходом блока вычисления угловой скорости ротора 22, а выход первого арифметического блока 36 подключен к первым входам третьего 37 и второго 38 арифметических блоков и к первому входу компаратора частоты 39. Выход задающего генератора двухфазного гармонического сигнала 40 соединен со вторым входом второго арифметического блока 38 и с вторым входом компаратора частоты 39. Вход управляемого аналогового коммутатора 41 подключен к выходу второго арифметического блока 38, а управляющий вход - к выходу компаратора частоты 39. Второй вход третьего арифметического блока 37 соединен с выходом управляемого аналогового коммутатора 41, а выход - с входом блока 42 вычисления частоты токов ротора, который, в свою очередь, соединен с входом делителя 43. Выход блока ограничения магнитного потока 44 соединен с первым входом коммутатора задания магнитного потока 13. Выход датчика частоты возбуждения 45 соединен с первым входом блока вычислений угловой скорости ротора 22, а также с входом второго синусно-косинусного преобразователя 17 и вторым входом регулятора частоты возбуждения 19. Вход датчика частоты возбуждения 45 соединен с датчиком фазных напряжений ротора 46 и вторым входом преобразователя числа фаз ротора 11. Первый, второй, третий и четвертый входы второго наблюдателя результирующего магнитного потока 47 соединены с соответствующими выходами преобразователя числа фаз ротора 11. Выходы второго наблюдателя результирующего магнитного потока 47 соединены со входами второго тригонометрического анализатора 48, выходы которого соединены с третьим и четвертым входами логического блока коммутации 49, первый вход которого соединен с четвертым выходом тригонометрического анализатора 7, второй вход - с третьим выходом тригонометрического анализатора 7, а пятый - с выходом регулятора угловой скорости ротора 21. Первый выход логического блока коммутации 49 соединен со вторым входом умножителя 34, второй выход - со вторым входом регулятора результирующего магнитного потока 14.

Электропривод с двигателем двойного питания работает следующим образом.

На силовые входы преобразователей частоты 2 и 3 подают напряжение питания. По сигналам с выходов блоков задания амплитуд напряжений статора 31 и ротора 18 начинают работать выпрямительные звенья преобразователей частоты 2 и 3. В первый момент сигналы управления инверторными звеньями преобразователей 2, 3 частоты статора и ротора отсутствуют. Соответственно сигнал на входе первого арифметического блока 36 равен нулю. Задающий генератор 40 двухфазного гармонического сигнала вырабатывает двухфазный синусоидальный низкочастотный сигнал частотой порядка 6-10 Гц, который подается на второй вход второго арифметического блока 38. На первый вход третьего арифметического блока 37 поступает сигнал с выхода первого арифметического блока 36. Во втором арифметическом блоке 38 двухфазные синусоидальные сигналы преобразуются согласно выражениям:

sinω₀t⋅cosω_et-cosω₀t⋅sinω_et=sin(ω₀-ω_e)t=sinω₁t;

cosω₀t⋅cosω_et+sinω₀t⋅sinω_et=cos(ω₀-ω_e)t=sinω₁t,

где ω₀ - выходная частота задающего генератора двухфазного синусоидального напряжения; ω_е- электромагнитная угловая скорость вращения ротора;

ω₁=ω₀-ω_е.

С выхода второго арифметического блока 38 сигнал поступает на вход управляемого аналогового коммутатора 41, на управляющий вход которого поступает сигнал управления с выхода компаратора частоты 39. На первый и второй входы компаратора частоты 39 подаются сигналы с выходов соответственно первого арифметического блока 36 cosω_et и задающего генератора двухфазного гармонического сигнала 40 cosω₀t. Когда частота синусоидального сигнала на первом входе компаратора частоты 39 становится больше частоты синусоидального сигнала на втором его входе, на выходе формируется сигнал логического нуля. При частоте сигнала на первом входе компаратора частоты 39 меньше, чем на втором, на выходе формируется сигнал логической единицы. В начальный момент ротор двигателя неподвижен (ω_e=0) и соответственно сигнал на входе компаратора частоты 39 имеет уровень логической единицы.

Если на управляющем входе управляемого аналогового коммутатора 41 присутствует уровень логической единицы, то он замкнут, и входной сигнал без изменений поступает на выход. Если управляющий сигнал имеет уровень логического нуля, управляемый аналоговый коммутатор 41 разомкнут и сигнал на его выходе равен нулю.

С выхода управляемого аналогового коммутатора 41 сигнал поступает на второй вход третьего арифметического блока 37, на первый вход которого подается сигнал с выхода первого арифметического блока 36. В третьем арифметическом блоке 37 двухфазные синусоидальные сигналы преобразуются 12 согласно выражениям:

sinω₁t⋅cosω_et-cosω₁t⋅sinω_et=sin(ω₁-ω_e)t=sin(ω₀-2ω_e)t;

cosω₁t⋅cosω_et+sinω₁t⋅sinω_et=cos(ω₁-ω_e)t=sin(ω₀-2ω_e)t,

где ω₁ - частота на выходе второго арифметического блока 38.

С выхода третьего арифметического блока 37 сигнал поступает на вход блока 42 вычисления частоты токов ротора. После преобразования в блоке 42 вычисления частоты токов ротора сигнал проходит через делитель 43 с коэффициентом деления К=2 и поступает на первый вход регулятора частоты возбуждения 19. Так как в начальный момент времени частота вращения поля ротора ω_e=0, то после прохождения через второй 38 и третий 37 арифметические блоки и деления делителем 43 сигнал будет иметь частоту

Частота

является начальной частотой возбуждения (частотой тока ротора).

При включении инверторного звена преобразователя частоты ротора 3 в обмотках неподвижного ротора асинхронного двигателя 1 начинает протекать трехфазный низкочастотный ток возбуждения частотой

, создающий вращающееся магнитное поле, наводящее ЭДС той же частоты в обмотках статора

,

где ω_c - угловая (синхронная) частота токов статора.

Сигналы с датчика токов ротора 12 и датчика фазных напряжений ротора 46 подвергаются преобразованиям в преобразователе числа фаз ротора 11. Затем токи переводятся в систему координат статора α, β в преобразователе координат токов ротора 10 с помощью сигналов sinθ и cosθ из первого синусно-косинусного преобразователя 9, вычисляющего эти значения по сигналу с блока вычисления угловой скорости ротора 22. Наблюдатель результирующего магнитного потока 6 формирует составляющие вектора потока в системе координат статора α, β:

Так как в начальный момент задатчик угловой скорости ротора 20 установлен в положение, соответствующее нулевой скорости, то вентили инверторного звена преобразователя частоты статора 2 заперты ЭДС статорной цепи. Ток в этой цепи отсутствует и составляющие вектора магнитного потока в системе координат статора формируются только за счет токов ротора и преобразуются тригонометрическим анализатором 7 в систему координат х, y и поступают на входы логического коммутатора 49. С выходов преобразователя числа фаз ротора 11 двухфазные сигналы токов и напряжений ротора поступают на входы второго наблюдателя результирующего магнитного потока 47, на выходах которого формируются составляющие вектора потока в системе координат статора d, q:

Затем эти сигналы преобразуются вторым тригонометрическим анализатором 48 в систему координат х, y и поступают на входы логического коммутатора 49, на логический вход которого приходит сигнал задания электромагнитного момента

с выхода регулятора угловой скорости ротора 21. Коммутация входов в логическом блоке коммутации 49 осуществляется в соответствии с условиями (3):

если

, то коммутируются третий и четвертый входы на первый и второй выходы соответственно;

если

, то коммутируются первый и второй вход на первый и второй выходы соответственно.

Составляющая ψ_δх с выхода логического коммутатора 49 сравнивается регулятором результирующего магнитного потока 14 с выходным сигналом коммутатора задания магнитного потока 13. Сигнал рассогласования с выхода регулятора результирующего магнитного потока 14, проходя через блок компенсации ЭДС ротора 15, поступает на вход прямого преобразователя координат напряжений ротора 16, где подвергается преобразованиям из системы координат x, y в систему координат ротора d, q с помощью выходных сигналов второго синусно-косинусного преобразователя 17. Сигнал с выхода прямого преобразователя координат напряжений ротора 16 поступает на вход блока заданий амплитуды напряжения ротора 18, выходной сигнал которого изменяет амплитуду напряжения ротора таким образом, что составляющая магнитного потока ψ_δх, определяющая модуль вектора потока, остается равной величине, установленной на выходе коммутатора задания магнитного потока 13.

Поскольку в начальный момент ротор асинхронного двигателя 1 неподвижен, то от датчика 23 частоты токов статора, подключенного к датчику 24 фазных напряжений статора, на управляющий вход преобразователя частоты статора 2 (на управляющий вход инвертора тока) поступает сигнал управления с частотой токов ротора ω₂. Этот же сигнал подается на вход блока вычисления угловой скорости ротора 22, а выходной сигнал, пропорциональный угловой механической скорости ротора ω_r, поступает на вход регулятора угловой скорости ротора 21, где сравнивается с сигналом задатчика угловой скорости ротора 20, а результат сравнения (требуемое значение электромагнитного момента

) поступает на первый вход функционального преобразователя 25. На второй его вход приходит сигнал с выхода блока задания параметров 26, в котором устанавливают необходимые для определения задающих воздействий параметры базовой машины. В функциональном преобразователе 25 реализуется один из алгоритмов энергоэффективного управления АВД -минимум токов или минимум суммарных потерь. В первом случае на его выходах необходимо формировать следующие задающие воздействия во всем диапазоне скоростей:

на первом

на втором

Пороговое значение электромагнитного момента, по достижению которого осуществляется переход к ортогональному управлению, определяется по соотношению

.

При реализации управления по минимуму суммарных потерь задающие воздействия определятся соотношениями

;

где

- фаза вектора тока ротора относительно опорного вектора основного магнитного потока

. При превышении намагничивающей составляющей тока ротора i_rx номинального значения

осуществляется переход к ортогональному управлению при ψ_δx=const. Значение электромагнитного момента при этом превышает пороговое

.

В этом случае оптимальные задающие воздействия на выходе функционального преобразователя 25 необходимо формировать в соответствии с системой

Таким образом, на первом выходе функционального преобразователя 25 формируется задающий сигнал для регулятора 27 составляющей тока статора i_sy, где сравнивается с выходным сигналом обратного преобразователя координат токов статора 8. Сигнал рассогласования составляющей тока статора Δi_sy подается на первый вход блока компенсации ЭДС статора 28. Сигнал рассогласования второй составляющей тока статора Δis_ix, поступающий на второй вход блока компенсации ЭДС статора 28, вычисляется в регуляторе 29 составляющей тока статора i_sx по сигналу с выхода обратного преобразователя координат токов статора 8. Выходной сигнал блока компенсации ЭДС статора 28 преобразуется прямым преобразователем координат напряжений статора 30 в систему координат статора α, β и управляет блоком заданий амплитуды напряжения статора 31, регулирующим амплитуду напряжения выпрямительного звена преобразователя частоты статора 2.

На втором выходе функционального преобразователя 25 формируется задающее воздействие

, которое поступает на второй вход коммутатора задания магнитного потока 13.

Выходные сигналы логического коммутатора 49 и обратного преобразователя координат токов статора 8 поступают на входы умножителей 34 и 35, осуществляющих перемножение одноименных составляющих потока ψ_δ и тока i_s, и таким образом на выходе умножителя 34 получают сигнал, пропорциональный произведению ψ_δу⋅i_sy, а на выходе умножителя 35-ψ_δx⋅i_sx.

В электроприводе осуществляется контроль ортогональности векторов тока статора и результирующего магнитного потока в воздушном зазоре, что выполняется при условии равенства нулю их скалярного произведения ψ_δ⋅i_s=0 или в координатах х, y

Это условие реализуется при помощи сумматора 33 и интегратора 32, сигнал с выхода которого поступает на управляющий вход преобразователя частоты статора 2 (управляющий вход инвертора тока) и определяет смещение фазы управляющих импульсов до тех пор, пока не будет выполнено условие (4). При этом достигается максимум электромагнитного вращающего момента базовой машины M_мaкc=ψ_δ⋅i_s при текущих значениях тока статора и результирующего магнитного потока в воздушном зазоре, или при данной нагрузке на валу и заданном значении магнитного потока будет обеспечен минимальный ток статора, т.е. минимальные электрические потери в обмотках статора и силовой части преобразователя частоты статора 2.

Для пуска электропривода необходимо задать значение угловой механической скорости ротора

, отличное от нуля. Это приведет к появлению сигналов рассогласования на выходах регулятора угловой скорости ротора 21, регулятора 27 составляющей тока статора i_sy, сигналов задающих воздействий на выходах функционального преобразователя 25 и сигналов управления на выходах блока компенсации ЭДС статора 28, прямого преобразователя координат токов статора 30 и блока заданий амплитуды напряжения статора 31. В результате начнет увеличиваться амплитуда напряжения на выходе выпрямительного звена преобразователя частоты статора 2, что приведет к пуску инверторного звена и возникновению тока в статорной цепи асинхронного двигателя 1. На выходе датчика 4 фазных токов статора появляются сигналы, пропорциональные протекающим токам, которые, поступая в преобразователь числа фаз статора 5, переводятся из 3-фазной естественной системы координат в 2-фазную систему координат статора α, β. Нарастающий ток статора приводит к появлению статорной составляющей результирующего магнитного потока, вычисляемого наблюдателем результирующего магнитного потока 6 в соответствии с (1). Это вызывает появление сигнала рассогласования на выходе регулятора результирующего магнитного потока 14, который воздействует на преобразователь частоты ротора 3, изменяя амплитуду напряжения ротора таким образом, что результирующий магнитный поток останется равным заданному значению, которое формируется на выходе коммутатора задания магнитного потока 13 по алгоритму

. Блок ограничения магнитного потока 44 обеспечивает его минимальное значение на уровне ψ_δxmin=0,1÷0,21-0,2ψ_δxном во избежание полного размагничивания базовой машины при пуске привода и в режиме холостого хода.

Увеличение тока статора приводит к возникновению электромагнитного момента. Как только он превысит значение момента сопротивления на валу, ротор начнет вращаться. Частота токов в статоре начинает возрастать

где ω_с - угловая (синхронная) частота токов статора;

ω₂ - угловая частота токов ротора;

ω_e=ω_r⋅р_П - электромагнитная угловая скорость вращения ротора;

ω_r - механическая угловая скорость вращения ротора;

р_П - число пар полюсов АД,

что фиксируется датчиком 24 фазных напряжений статора и датчиком 4 фазных токов статора и продолжается до тех пор, пока рассчитанное в блоке вычисления угловой скорости ротора 22 значение не сравняется с сигналом задатчика угловой скорости ротора 20. В процессе этого происходит вычисление требуемых значений магнитного потока

, проекций тока статора i_sx, i_sy и сравнение их с задаваемыми значениями в соответствующих регуляторах. Выходные сигналы регуляторов воздействуют на амплитуду напряжения преобразователя частоты статора 2. Одновременно сигнал с выхода блока вычисления угловой скорости ротора 22 поступает на вход первого арифметического блока 36.

При увеличении частоты вращения поля ротора ω_е частота сигнала на выходе второго арифметического блока 38, равная

ω₁=ω₀-ω_e,

начинает уменьшаться. Уменьшается также частота на выходе третьего арифметического блока 37:

,

Частота возбуждения соответственно равна

.

Когда скорость ротора достигнет значения

и частота возбуждения ω₂=0, то в обмотке ротора течет постоянный ток. При дальнейшем увеличении частоты вращения поля ротора ω_e частота возбуждения ω₂ изменяет знак и начинает возрастать, но уже с отрицательным знаком. В момент изменения знака ω₂ один из сигналов с выхода третьего арифметического блока 37, а именно

, меняет знак на противоположный. Это приводит к изменению чередования фаз с выхода блока 42 вычисления частоты токов ротора на обратное, что обеспечивает изменение направления вращения магнитного поля ротора. При этом результирующее магнитное поле в воздушном зазоре машины вращается с частотой ω_с=ω_e-ω₂.

Когда частота вращения поля ротора ω_e становится равной частоте ω₀ задающего генератора двухфазного гармонического сигнала 40, частота сигнала на выходе второго арифметического блока 38 ω₁=ω₀-ω_e и, следовательно, на выходе управляемого аналогового коммутатора 41 равна нулю. Одновременно происходит изменение логического сигнала на выходе компаратора частоты 39 - он становится равным логическому нулю, и управляемый аналоговый коммутатор 41 перестает пропускать входной сигнал на выход. В результате на втором входе третьего арифметического блока 37 сигнал равен нулю.

Когда частота вращения поля ротора ω_е превысит выходную частоту ω₀ задающего генератора двухфазного гармонического сигнала 40, с выхода третьего арифметического блока 37 будет сниматься двухфазный сигнал частотой - ω_е. После деления частоты делителем 43 сигнал частотой со

поступает на вход регулятора частоты возбуждения 19, с выхода которого сигнал рассогласования Δω₂ поступает на второй управляющий вход преобразователя частоты ротора 3.

При дальнейшем увеличении скорости вращения ротора частота возбуждения поддерживается равной половине частоты вращения поля ротора (фиг. 2).

При изменении нагрузки электропривода скорость ротора начинает меняться, в результате частота токов в статоре асинхронного двигателя 1 также изменится, что приводит к изменению выходного сигнала блока вычисления угловой скорости ротора 22. Это, в свою очередь, приводит к соответствующему изменению сигналов управления на выходах регулятора скорости 21, блока компенсации ЭДС статора 28, прямого преобразователя координат токов статора 30 и блока задания амплитуды напряжения статора 31. В результате начнет изменяться амплитуда напряжения на выходе выпрямительного звена преобразователя частоты статора 2, вызывая изменение тока статора и соответственно электромагнитного момента и скорости ротора таким образом, что она будет стремиться к заданной. Контур регулирования результирующего магнитного потока в соответствии с условиями (3) отрабатывает изменения тока статора таким образом, что поток остается равным заданному.

Использование предлагаемого изобретения позволяет осуществить создание электропривода на базе серийного асинхронного двигателя с фазным ротором, включенного по схеме двойного питания, обеспечивающего возможность тяжелых повторных пусков, обладающего жесткими механическими характеристиками, высокими энергетическими показателями в широком диапазоне изменения частоты вращения и нагрузок на валу благодаря изменению магнитного состояния двигателя в функции электромагнитного момента, а частоты возбуждения в функции заданной скорости ротора глубокой и плавной регулировкой частоты вращения ротора посредством изменения напряжения статора аналогично электроприводу с двигателем постоянного тока.

Claims

Устройство для управления двигателем двойного питания, содержащее асинхронный двигатель с фазным ротором, статорные и роторные обмотки которого подключены соответственно к выходам преобразователя частоты статора и преобразователя частоты ротора, датчик фазных токов статора, подключенный выходами к входу преобразователя числа фаз статора, выходы которого соединены с первым и вторым входами наблюдателя результирующего магнитного потока, подключенного выходами к входам тригонометрического анализатора, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входом обратного преобразователя координат токов статора, третий и четвертый входы которого соединены с выходами преобразователя числа фаз статора, первый синусно-косинусный преобразователь, выходы которого подключены к первому и второму входам обратного преобразователя координат токов ротора, третий вход которого соединен с выходом преобразователя числа фаз ротора, соединенного входом с выходами датчика токов ротора, а выходы обратного преобразователя координат токов ротора соединены с третьим и четвертым входами наблюдателя результирующего магнитного потока, коммутатор задания магнитного потока, соединенный выходом с первым входом регулятора результирующего магнитного потока, выход которого соединен с входом блока компенсации ЭДС ротора, соединенного выходом с первым входом прямого преобразователя координат напряжений ротора, два других входа которого соединены с выходами второго синусно-косинусного преобразователя, прямой преобразователь координат напряжений ротора, соединенного выходом с входом блока заданий амплитуды напряжения ротора, выход которого соединен с первым входом преобразователя частоты ротора, регулятор частоты возбуждения, выход которого соединен со вторым входом преобразователя частоты ротора, задатчик угловой скорости ротора, соединенный выходом с первым входом регулятора угловой скорости ротора, второй вход которого соединен с выходом блока вычисления угловой скорости ротора, соединенного вторым входом с выходом датчика частоты токов статора, вход которого соединен с датчиком фазных напряжений статора, выход блока вычисления угловой скорости ротора соединен также с входом первого синусно-косинусного преобразователя, а выход регулятора угловой скорости ротора соединен с первым входом функционального преобразователя, второй вход которого соединен с выходом блока задания параметров, вход которого подключен к выходу датчика частоты токов статора, функциональный преобразователь, соединенный первым выходом с первым входом регулятора составляющей тока статора i_sy, второй вход которого соединен с первым выходом обратного преобразователя координат токов статора, а второй выход функционального преобразователя соединен с вторым входом коммутатора задания магнитного потока, регулятор составляющей тока статора i_sy, соединенный выходом с первым входом блока компенсации ЭДС статора, второй вход которого соединен с выходом регулятора составляющей тока статора i_sx, первый вход которого «занулен», а второй вход соединен со вторым выходом обратного преобразователя координат токов статора, блок компенсации ЭДС статора, соединенный выходом с первым входом прямого преобразователя координат напряжений статора, второй и третий входы которого соединены с первым и вторым выходами тригонометрического анализатора, прямой преобразователь координат напряжений статора, выход которого соединен с входом блока заданий амплитуды напряжения статора, соединенного выходом с первым входом преобразователя частоты статора, третий вход которого соединен с выходом интегратора, соединенного входом с выходом сумматора, к первому входу которого подключен выход умножителя, соединенного первым входом с первым выходом обратного преобразователя координат токов статора, а вторым - с четвертым выходом тригонометрического анализатора, второй вход сумматора подключен к выходу умножителя, соединенного первым входом с третьим выходом тригонометрического анализатора, а вторым входом - со вторым выходом обратного преобразователя координат токов статора, датчик частоты токов статора, выход которого соединен с вторым входом преобразователя частоты статора, первый арифметический блок, соединенный входом с выходом блока вычисления угловой скорости ротора, а выход первого арифметического блока подключен к первым входам третьего и второго арифметических блоков и к первому входу компаратора частоты, задающий генератор двухфазного гармонического сигнала, соединенный выходом со вторым входом второго арифметического блока и со вторым входом компаратора частоты, управляемый аналоговый коммутатор, вход которого подключен к выходу второго арифметического блока, а управляющий вход - к выходу компаратора частоты, второй вход третьего арифметического блока соединен с выходом управляемого аналогового коммутатора, а выход - с входом блока вычисления частоты токов ротора, который, в свою очередь, соединен с входом делителя, выход которого соединен со вторым входом регулятора частоты возбуждения, блок ограничения магнитного потока, соединенный выходом с первым входом коммутатора задания магнитного потока, датчика частоты возбуждения, соединенного входом с датчиком фазных напряжений ротора, а выходом - с первым входом блока вычислений угловой скорости ротора, а также с входом второго синусно-косинусного преобразователя и вторым входом регулятора частоты возбуждения, отличающееся тем, что оно снабжено логическим блоком коммутации, вторым наблюдателем результирующего магнитного потока, вторым тригонометрическим анализатором, а преобразователь числа фаз ротора выполнен с дополнительным вторым входом, соединенным с датчиком фазных напряжений ротора, и дополнительные третий и четвертый выходы, соединенные с третьим и четвертым входами второго наблюдателя результирующего магнитного потока, первый и второй входы которого соединены с первым и вторым выходами преобразователя числа фаз ротора, которые соединены с третьим и четвертым входами обратного преобразователя координат токов ротора, выходы второго наблюдателя результирующего магнитного потока соединены с входами второго тригонометрического анализатора, выходы которого соединены с третьим и четвертым входами логического блока коммутации, первый вход которого соединен с четвертым выходом тригонометрического анализатора, а второй вход - с третьим выходом тригонометрического анализатора, пятый вход логического блока коммутации соединен с выходом регулятора угловой скорости ротора, первый выход логического блока коммутации соединен со вторым входом умножителя, второй выход - со вторым входом другого умножителя и вторым входом регулятора результирующего магнитного потока.