SU1372581A1 - Частотно-управл емый электропривод - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к электротехнике . Целью изобретени   вл етс  упрощение конструкции. Указанна  цель достигаетс  введением в частотно-управл емый электропривод блока 8 определени  составл ющих напр жени  статора асинхронного двигател  1, блока 9преобразовани  разных токов, блока 10вычислени  текущих переменных и преобразовател  15 напр жение - частота . В результате по вл етс  возможность независимого регулировани  составл ющих тока, определ ющих поток и момент асинхронного двигател  1. При отработке задающих и возмущающих воздействий система стремитс  не только поддерживат.ь заданные соотношени  между векторами потокосцеплени  и тока , но и осуществл ть скачки фазы, что позвол ет обеспечить высокие динамические показатели. Исключаетс  необходимость в Установке тахогенера- тора на валу асинхронного двигател  1. 9 ил. Ф (Л

Description

Л.Л.С

цг. /

чей 16-20 (фиг.2), блоков 21-23 определени  составл ющих векторов ЭДС во вращающейс  системе координат,

( блока 24 определени  дейстнительной составл ющей вектора ЭДС в неподвижной системе координат, однопол рно- го усилител  25, инвертора 26, элемента И 27, детектора 28, блоков 29, 10 30 формировани  опорных гармоничес.- ких сигналов и сумматоров 31-3ч. Первые входы управл емых ключей 16-20 объединены между собой и образуют первьй вход 11 блока 10 вычислени 

If текущих переменных, подключенный к выходу преобразовател  15 напр жение - частота. Управл юоще входы управл емых ключей 16-18 образуют второй трехфазный вход 12 блока 10 вы20 числени  текущих переменных, подключенный к выходу блока 9 преобразовани  фазных токов. Выходы управл емых ключей 16-18 подключены к первым входам соответствующих блоков 21-23 оп25 ределени  составл ющих векторов ЭДС во вращающейс  системе координат, вторые входы которых образуют третий трехфазный вход 13 блока 10 вычислени  текущих переменных, подключенный 5 вычислени  задающих пере- 30 к выходам датчика 7 фазных токов.

Третьи и четвертые входы блоков 21- 23 определени  составл ющих векторов ЭДС образуют четвертый групповой вход 14 блока 10 вычислени  текущих перетг менных, подключенньш к выходу блока 8 определени  составл ющих напр жени  статора.

Первые и вторые выходы блоков определени  составл ющих векторов ЭДС 21-23 во вращающейс  системе координат подключены соответственно к входам первого и второго сумматоров 31 и 32. Первьм и второй выходы блока 21 определени  составл ющих вектора ЭДС соединены с первыми входами блока 24 определени  действительной составл ющей вектора ЭДС в неподвижной системе координат, третий вход которого подключен к выходу управл емого ключа 16, а выход - к входу од- нопол рного усилител  25.

Выход однопол рного усилител  25 соединен с управл ющим входом управл емого ключа 19 и с входом инверто ,-Р- ра 26, выход которого через элемент И 27 соединен с управл емым входом управл емого ключа 20. Выходы управл емых ключей 19 и 20 подключены соответственно к входам блоков 29 и 30

Изобретение относитс  к электротехнике , а именно к частотно-управл емым электроприводам на основе асин- двигателей с короткозамкнутым Р ором, и может быть использовано в системах, дл  которых определ ющим  вл ютс  высокие динамические показатели и простота конструкции.

Пель изобретени  - упрощение конструкции .

На фиг.1 представлена функциональна  схема частотно-управл емого электропривода; на фиг.2 - схема блока вычислени  текущих переменных; на 4)иг.З - схема блока определени  сос- ивл ющих вектора ЭДС во вращающейс  t: и с теме координат; на фиг. 4 - схема блока определени  составл ющих напр жени  статора; на фиг.5 и 6 - схема (мюка преобразовани  фазных токов и лиаг-рамма его работы; на фиг. 7 - схема замещени  асинхронного двигател , на фиг. 8 .1 9 - векторные диаграммы.

Частотно-управл емый электропри- гюд (фиг.1) содержит асинхронный дви- 1 а-14 иь, подключенный к выходам сило- иого преобразонател  2 частоты, регул торы 3 и 4 составл ющих тока статора , блок

менных с двум  основными и двум  опорными входами, блок 6 задани  управл ющего сигнала и датчик 7 фазных loKoB, Бььчод блока 6 задани  управл - и пкто И1 нала подключен к первым входам регул торов 3 и 4 составл ющих тока статора, выходы которых подключены к соответствующим основным входам блока 5 вычислени  задающих пе- itменных, соединенного выходами с управл ющими входами силового преобразовател  2 частоты.

В частотно-управл емый электропривод введены блок 8 определени  составл ющих напр жени  статора, блок 9 преобразовани  фазных токов, блок 10 вычислени  текущих переменных с четырьм  входами 11-14 и двум  парами выходов и преобразоватсшь 15 напр жение - частота, подключенный входом к выходу блока 6 задани  управл ющего сигнала. Входы блока 8 определени  составл ющих напр жени  статора подключены к выходам силового преобразовател  2 частоты, а входы блока 9 преобразовани  фазных токов - к выходам датчика 7 фазных токов.

Блок 10 вычислени  текущих переменных составлен из управл емых клю40

45

50

формировани  опорных гармонических сигналов, первые и вторые выходы которых подключены соответственно к входам сумматоров 33 и ЗД.

Выход сумматора 33 через детектор 28 подключен к другому входу элемента И 27. Выходы сумматоров 31, 32 и 33, 34 образуют соответственно первую и вторую пары выходов блока 10 вычислени  текущих переменных, подключенных соответственно к вторым входам регул торов 3 и 4 составл ющих тока статора и к опорным входам блока 5 вычислени  задающих переменных.Блок 21 определени  составл ющих вектора ЭДС содержит блоки 35 и 36 умножени  косинусоидальных функций (фиг.З), блоки 37 и 38 умножени  синусоидальных функций, сумматоры 39- 42, детекторы 43 и 44, блок 45 умножени  и масштабные усилители 46 и 47. Входы блоков 35-38 объединены между собой и образуют первьй вход блока 21

10

372581

операционных усилител х 51, 52 и резисторах 53-62. Выходы операционных усилителей 51, 52 образуют соответствующие выходы блока 8 определени  составл ющих напр жени  статора.

Блок 9 преобразовани  фазовьтх токов содержит нуль-органы 63-65 (фиг.5), сумматоры 66-68, счетные триггеры 69-71 и дешифратор 72. Первые входы сумматоров 66-68 образуют входы блока 9 преобразовани  фазных токов. Второй вход сумматора 67 подключен к первому входу сумматора 66, второй вход сумматора 68 - к первому входу сумматора 67, а второй вход сумматора 66 - к первому входу сумматора 68. Выходы сумматоров 66-68 через соответствующие нуль-органы 63-65 и счетные триггеры 69-71 подключены к входам дешифратора 72, выходы которого образуют выходы блока 9 преобразовани  фазных токов.

Общие положени  работы частотно15

20

30

определени  составл ющих вектора ЭДС,25 управл емого электропривода заключа- второй вход которого образован соединенными между собой входами детектора 43 и блока 45 умножени .

Соединенные между собой попарно вторые входы блоков 35, 37 и 36, 38 образуют третий и четвертый входы блока 21 определени  составл ющих вектора ЭДС.

Выходы блока 35 умножени  косину- соидальной функции и блока 38 умножени  синусоидальной функции соединены должен вьщать импульс длительностью с входами сумматора 39, выход которо- 60 эл.град. и в то же врем  необходиютс  в следующем.

На фиг.9 изображена векторна  диаграмма асинхронного двигател  дл  момента времени, когда результирующий вектор тока совпадает с действительной осью системы координат. Дл  конкретности предположим, что положительное направление действительной оси координат совпадает с осью обмотки А. В это вре   блок управлени 

го подключен к первому входу сумматора 41. Выходы блока 37 умножени  синусоидальной функции и блока 36 умножени  косинусоидальной функции соединены с входами сумматора 40, выход которого подключен к первому входу сумматора 42. Выход дете.ктора 43 через масштабный усилитель 46 подключен к второму входу сумматора 41, а выход блока 45 умножени  через детектор 44 и масштабный усилитель 47 подключен к второму входу сумматора 42.

Блоки 22 и 23 определени  составл ющих вектора ЭДС выполнены аналогично блоку 21.

Блок 8 определени  составл ющих напр жени  статора содержит три одинаковых по выполнению узла, 48-50 (фиг.4), подключенных к фазам А, В, С (выходам силового преобразовател  2 частоты). Каждый узел построен на

управл емого электропривода заключа-

должен вьщать импульс длительностью 60 эл.град. и в то же врем  необходиютс  в следующем.

На фиг.9 изображена векторна  диаграмма асинхронного двигател  дл  момента времени, когда результирующий вектор тока совпадает с действительной осью системы координат. Дл  конкретности предположим, что положительное направление действительной оси координат совпадает с осью обмотки А. В это вре   блок управлени 

МО начать измер ть линейное напр жение . По измеренному току и напр жению в этот момент времени осуществл етс  переход от неподвижной систе -1Ы координат к вращающейс .

Из схемы замещени , представленной на фиг.7, имеем

Jai FcJ

(1)

Ui I,г, +

Di I.r, + , + Juj

где 0,, 1, - фазные напр жение и ток; V , Vj потокосцеплени  статора

и воздушного зазора, г,, х - активное и индуктивное сопротивлени  рассе ни  статора; 1х) - частота.

Уравнение (1) и векторна  диаграмма покаэьшают, что по измеренным значени м напр жени  можно определить соответствующие составл ющие ЭДС.

513

Через 60 эл.град, положительное направление действительной оси совпадает с осью обмотки фазы В и процесс определени  составл ющих ЭДС повто- р етс .

Таким образом, за один оборот результирующего вектора шесть раз определ ютс  составл ющие ЭДС, которые по цеп м обратных св зей передаютс  на входы соответствующих регул торов.

Кроме составл ющей ЭДС необходимо определить положение потокосцеплени  ротора Vj Это также определ етс  на основании векторной диаграммы (фиг.9) и уравнени  (1). В момент времени, когда ток фаз А совпадает с действительной осью, определ етс  соответствующее значение ЭДС, и от вращающейс  системы координат переход т к неподвижной. В этом случае проекци  соответствующего значени  ЭДС ( J UJ V или .jaiVfl) на действительную ось уменьшаетс , и в момент равенства ее нулю можно формировать гармонические функции, которые будут соответствовать опорным сигналам дл  перехода задающих воздействий с выходов регул торов из вращающейс  системы координат в неподвижную.

Из схемы (фиг.7) и диаграммы (фиг.8) дл  режима t const видно, что треугольники, составленные из составл ющих токов, подобны треугольникам , составленным из составл ющих ЭДС е j,j, е „, т.е.

п (2) Из выражени  (2) следует, что обратные св зи по составл ющим токов

можно заменить на обратные св зи по

составл ющим ЭДС. Так как составл ющие ЭДС могут быть определены без применени  тахогенератора, то это позволит создать систему регулировани  с высокими показател ми качества.

Рассмотрим работу остальных блоков частотно-управл емого электропривода

В блоке 8 определени  составл ющих напр жени  статора в узле 48 (фиг.4) резисторы 53-55, равные по величине ЗКу, соединены с фазами А, В, С и образуют нейтральную точку, котора  соединена с неинвертирующим входом усилител  51. Резистор 57, равньп) по величине R,, соедин ет инвертирующий вход усилител  51 с фазой А. При этом выходной сигнал усилител  51 равен о, (К - коэффициент), т.е. он пропорционален проекции напр жени  U

0 5 Q

и

5

5

5

16

на действительную ось d. На выходе усилител  52 имеем сигнал, равный т.е. пропорциональный проекции напр жени  U, на мнимую ось q. Указанные сигналы формируютс , когда положительное направление оси d совпадает с осью фазы А. Аналогично определ ютс  составл ющие напр жени  статора в узлах 49, 50 при совпадении действительной оси с осью фаз В и С соответственно.

В блоке 9 преобразовани  фазных токов (фиг.5) сумматоры 66-68 формируют линейные токи. На выходах нуль- органов 63-65 по вл ютс  импульсы в момент переходов линейных токов через нуль.

На выходе счетных триггеров 69-71 по вл ютс  импульсы, диаграмма которых приведена на фиг.6. Дешифратор 72 по закону, приведенному на фиг.6, формирует управл ющие импульсы. Каждый управл ющий импульс 1, Ij, 1 имеет длительность 60 эл.град. (фиг. (фиг.6).

В блоке 21 (фиг.З) определени  составл ющих вектора ЭДС составл ющие напр жени  статора поступают на входы соответствующих блоков 35-38 умножени  косинусоидальньк и синусоидальных функций, осуществл ющих синтез гармонических колебаний с одновременным их умножением на входные сигналы (с использованием, например, функции Уолша). На выходе сумматора 39 имеем

Ujj UjCOswt + U sinut, (3) а на выходе сумматора 40

U(j, -и, sinwt + UjCostjt, С4) где UJ - частота синтезируемых колебаний .

Дл  определени  ЭДС, св занной с потокосцеплением ф, Vo или v , необходимо из напр жений U , и U о

а (J TO

вычесть падение напр жени  на активных и индуктивных сопротивлени х двигател . Это достигаетс  с помощью масштабных усилителей 46 и 47. Коэффициент передачи масштабного усилител  46 равен г, а коэффициент передачи масштабного усилител  47 равен L. Так как осуществл етс  переход от неподвижной системы координат к вращающейс , то сигналы на выходах сумматоров 41, 42 в течение времени работы блока 21 мен ютс  только за счет изменени  амплитуды тока или напр жени . На выходах сумматоров 41, 42 получают требуемые дл  обратных св зей регул торов составл ющие ЭДС е

3о1

Н

Из диаграммы фиг.9 видно, что век- - тора потокосцеплений отстают от действительной оси. Дл  определени  фазового сдвига вектора потокосцепле- ни  переход т от вращающейс  системы координат к неподвижной, и определ ют момент времени, когда проекци  вектора

fd

на действительную ось, определ ема  по выражению

1о1 e cosLot - e,)t, (5) будет равна нулю.- jj

Дл  синтеза гармонических колебаний из функции Уолша в блоках 35-38 умножени  целесообразно, чтобы частота , поступающа  на управл емый ключ

16, была в 16 или 32 раза выше часто-2о Когда на выходе блока 24 напр жение

помен ет знак (станет положительным) откроетс  ключ 20 и в блоке 30 на второй половине периода начнетс  про цесс формировани  опорных гармоничес ких сигналов. Сигналы с выходов блока 29 и 30 суммируютс  с помощью сум маторов 33 и 34 и подаютс  на опорные входы блока 5 вычислени  задающих переменных, в котором формируютс  трехфазные управл ющие сигналы дл  силового преобразовател  2 частоты .

ты, котора  формируетс  на выходе силового преобразовател  2 частоты.

Блок 24 (фиг.2), в котором осуществл етс  переход в неподвижную систему координат, выполнен аналогично -блоку 21, т.е. синтез гармонических колебаний и умножение их на выходные сигналы блока 21 осуществл ютс  на функци х Уолша. В момент времени, когда выражение (5) станет равным нулю , срабатывает однопол рный усилитель 25, и начинают формироватьс  опорные гармонические сигналы.

В блоке 10 вычислени  текущих переменных (фиг.2) формируютс  обратны св зи дл  регул торов 3, 4 тока и формируютс  опорные гармонические сигналы дл  перехода задающих воздействий от вращающейс  системы координат к неподвижной.

Частотно-управл емый электропривод в целом работает следующим образом.

На входы регул торов 3, 4 составл ющих тока статора и вход преобразовател  напр жение - частота 15 подаетс  сигнал задани . Блок 10 вычислени  текущих переменных в соответствии с нагрузкой и величиной задающего сигнала определ ет значени  ЭДС

Чз блока

Причем, когда на выходе 9 действует сигнал 1 составЯо (

л ющие ЭДС определ ютс  в блоке 21, когда на выходе блока 9 по вл етс  сигнал Ij, составл юпще ЭДС определ ютс  в блоке 22, а при по влении сигнала I с составл ющие ЭДС определ ют- с  в Блоке 23.

Сигналы с первых выходов блоков 21-23 суммируютс  на входах суммато

- jj

ра 31, выход которого образует обратную св зь дл  регул тора 3 составл ющей тока статора, формирующей поток, а сигналы с вторых выходов блоков 21-23 суммируютс  на входах сумматора 32, выход которого образует обратную св зь дл  регул тора 4 составл ющей тока статора, формирующей момент .

Когда на выходе блока 24 (фиг.2) напр жение перейдет через нуль и станет отрицательным, сработает усилитель-ограничитель 25, откроетс  ключ 19 и начинаетс  в блоке 29 процесс формировани  опорных гармонических сигналов. Причем блок 29 формирует из функций Уолша siniJt и cosut, а блок 30 - sin(jC + wtj и cos(jC + wt) .

о Когда на выходе блока 24 напр жение

5

0

5

0

5

0

5

помен ет знак (станет положительным), откроетс  ключ 20 и в блоке 30 на второй половине периода начнетс  процесс формировани  опорных гармонических сигналов. Сигналы с выходов блока 29 и 30 суммируютс  с помощью сумматоров 33 и 34 и подаютс  на опорные входы блока 5 вычислени  задающих переменных, в котором формируютс  трехфазные управл ющие сигналы дл  силового преобразовател  2 частоты .

При изменении фазового угла вектора ф относительно вектора i измен етс  врем  откры того состо ни  ключей 19 и 20 (в статическом режиме ключи 19 и 20 открыты одинаковое врем ), что приведет к скачку фазы опорного сигнала. Действительно, если стационарный режим сменилс  динамическим (в это врем  открыт, например, ключ 19), то врем  его открытого состо ни  по сравнению со стационарным режимом увеличиваетс . Поэтому блок 29 сформирует функции sinut и coswt, у которых шt т . В блоке 30, как указьшалось выше, формируютс  функции sin( и + lOt) и cos( n + (jOt). Так как u)t й , то произойдет скачок фазы опорного сигнала. Это  вл етс  положительным качеством устройства, так как дополнительно дл  целей регулировани  используетс  относительна  фаза, определ юща  скольжение пото- косцеплени  относительно тока. Причем , скачок фазы имеет место всегда, когда u)t 7 .

В электроприводе измерение относительной фазы осуществл етс  два раза за период, но можно осуществить измерение относительно фазы и шесть раз за период при аналогичном построении структуры. Это повысит точ- ность синхронизации и позволит более эффективно использовать фазу в процессе регулировани .

Дл  правильной работы блоков фор-; мировани  сигналов необходимо, чтобы процесс формировани  начиналс  с блока 29. Дл  этого служат элемент И 27 и детектор 28. Если напр жение на выходе блока 29, 30 равно нулю, то ключ 20 не пропустит частотный сиг- нал, и поэтому процесс формировани  опорных сигналов может начинатьс  только с блока 29.

В предлагаемом электроприводе осуществл етс  независимое регулирование составл ющими тока, определ ющими поток и момент двигател . Кроме того, при обработке задающих и воемущающих воздействий система стремитс  не только поддерживать заданные соотно- шени  между векторами потокосцепле- ни  и тока, но и осуществл ет скачки фазы, что позвол ет получать в этой системе высокие динамические показатели , при этом нет необходимости в установке тахогенератора, что упрощает конструкцию в сравнении с известным электроприводом.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Частотно-управл емый электропривод , содержащий асинхронный двигатель , подключенный к выходам силового преобразовател  частоты, регул - торы составл ющих тока статора, блок вычислени  задающих переменных с двум  основными и двум  опорными входами , блок задани  управл ющего сигнала и датчик фазных токов, при этом выход блока задани  управл ющего сигнала подключен к первым входам регул торов составл ющих тока статора, выходы которых подключены к соответствующим основным входам блока вычисле

   ни  задакмцих переменных, соединенногс выходами с управл ющими входами силового преобразовател  частоты, отличающийс  тем, что, с целью упрощени  конструкции, в него введены блок определени  составл ющих напр жени  статора, блок преобразовани  фазных токов, блок вычислени  текущих переменных с четырьм  входами

   0 5 О

   5

   Q

   0

   5

   и двум  парами выходов и преобразователь напр жение - частота, подключенный входом к выходу блока задани  управл ющего сигнала, при этом входы блока определени  составл ющих напр жени  статора подключены к выходам силового преобразовател  частоты, а входы блока преобразовани  фазных токов - к выходам датчика фазных токов , блок вычислени  текущих переменных составлен из первого, второго , третьего, четвертого и п того управл емых ключей, первого, второго и третьего блоков определени  составл ющих векторов ЭДС во вращающейс  системе координат, блока определени  действительной составл ющей вектора ЭДС в неподвижной системе координат, однопол рного усилител , инвертора, элемента И, детектора, первого и второго блоков формировани  опорных гармонических сигналов и первого, второго , третьего и четвертого сумматоров , причем первые входы названных управл емых ключей объединены между собой и образуют первый вход блока вычислени  текущих переменных, подключенный к вькоду преобразовател  напр жение - частота, управл ющие входы первого, второго и третьего управл емых ключей образуют, второй трехфазный вход блока вычислени  текущих переменньк, подключенный к выходу блока преобразовани  фазных токов, выходы первого, второго и третьего управл емых ключей подключены к первым входам соответствующих блоков определени  составл юпщх векторов ЭДС во вращающейс  системе координат, вторые входы которых образуют третий трехфазный вход блока вычислени  текущих переменных, подключенный к выходам датчика фазных токов, третьи и четвертые входы блоков определени  составл ющих векторов ЭДС во вращающейс  системе координат образуют четвертьш групповой вход блока вычислени  текущих переменных, подключенный к выходу блока определени  составл ющих напр жени  статора, первые и вторые выходы блоков определени  составл кнцих векторов ЭДС во вращающейс  системе координат подключены соответственно к входам первого и второго сумматоров, первый и второй выходы первого блока определени  составл ющих вектора ЭДС во вращающейс  системе координат соединены с первыФиг 2

   -K u l-A-rV

   c 4

   p pTTfi -r.,

   Фиг. 6

   Фиг. 7

   . f .

   (Риг.8

   л //fl i,

   j:r

   а/г