SU1663734A1 - Устройство дл управлени асинхронным электродвигателем - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к электротехнике, а именно к устройствам дл  управлени  частотно-регулируемыми асинхронными электроприводами на основе преобразователей частоты с автономными инверторами тока. Целью изобретени   вл етс  улучшение динамических и энергетических характеристик. Указанна  цель достигаетс  тем, что блок 5 формировани  задающих сигналов дополнительно снабжен двухвходовым коммутатором 13, а блок 12 управлени  частотой выполнен с преобразователем координат 14, формирователем 15 сигналов задани  частоты, узлом 16 широтно-импульсного управлени , узлом 17 коррекции частот, задающим генератором 18, селектором 19 и пересчетным кольцом 20. При этом обеспечиваетс  сочетание двух режимов управлени  - в зоне малых и в зоне более высоких скоростей, переключаемых в функции заданной частоты вращени . 3 ил.

Description

О

о

со

VJ CJ

4

Изобретение относитс  к электротехнике , а именно к устройствам дл  управлени  частотно-регулируемыми асинхронными электроприводами на основе преобразователей частоты с автономными инверторами тока, и может быть использовано в механизмах; требующих высоких динамических свойств в широком диапазоне регулировани  частоты вращени , включа  значени , близкие к нулевым , и при реверсах.

Цель изобретени  - улучшение динамических и энергетических характеристик.

На фиг, 1 представлена функциональна  схема устройства дл  управлени  асинхронным электродвигателем; на фиг, 2 - схема формировани  сигналов задани  частоты; на фиг. 3 - схема узла широтно-им- пульсного управлени .

Устройство дл  управлени  асинхронным электродвигателем содержит преобразователь 1 частоты (фиг. 1) на основе автономного инвертора тока с управл ющими входами тока и частоты и с соответствующими выводами, предназначенными дл  подключени  к сети переменного тока и к обмоткам асинхронного электродвигател , датчики 2 и 3 фазных токов и напр жений, подключенные выходами к соответствующим входам датчика 4 потока, блок 5 формировани  задающих сигналов, выполненный с регул тором 6 частоты вращени , задатчиком 7 потока, формирователем 8 задани  амплитуды тока, сумматором 9 и генератором 10 опорных сигналов, регул тор 11 тока и блок 12 управлени  частотой с п тью входами. При

этом задающий вход с сигнадом V1 и вход обратной св зи с сигналом v регул тора 6 частоты вращени  образуют соответствующие входы блока 6 формировани  задающих сигналов. Выход регул тора 6 и выход задат- чика 7 потока подключены к входам формировател  8 задани  амплитуды тока. Входы сумматора 9 подключены соответственно к выходу и входу обратной св зи регул тора 6 частоты вращени .

Выход формировател  8, образующий выход блока 5 формировани  задающих сигналов , подключен к входу регул тора 11 тока и к первому входу блока 12 управлени  частотой.

Выходы задатчика 7 потока и регул тора 6 образуют первую группу выходов, а выходы генератора 10 опорных сигналов вторую группу выходов блока 5, подключенные соответственно к второму и третьему входам блока 12 управлени  частотой, четвертый и п тый входы которого подключены соответственно к выходу датчика 4 потока и к выходу датчика 2 фазных токов. Выходы

блока 12 управлени  частотой и регул тора 11 тока подключены соответственно к управл ющим входам частоты и тока преобразовател  1 частоты.

Блок 5 формировани  задающих сигналов дополнительно снабжен двухвходовым управл емым коммутатором 13. Блок 12 управлени  частотой снабжен дополнительным выходом и выполнен с

преобразователем 14 координат, формирователем 15 сигналов задани  частоты, узлом 16 широтно-импульсного управлени  и с последовательно соединенными узлом 17 коррекции частоты, задающим генератором

18, селектором 19 и пересчетным кольцом 20, выход которого образует основной выход блока 12.

Первые и вторые входы преобразовател  14 координат и формировател  15 сигналов задани  частоты соединены попарно между собой и образуют второй и третий входы блока 12, четвертый вход которого образован третьим входом формировател  15. а п тый вход - первым входом узла 17

коррекции частоты, второй вход которого объединен с первым входом узла 16 и подключен к выходу преобразовател  14 координат .

Третий вход узла 17 коррекции частоты

объединен с вторым входом селектора 19 и подключен к первому выходу формировател  15. Второй вход узла 16 широтно-импульсного управлени  образует первый вход блока 12, а третий вход узла 16 соединен с

выходом пересчетного кольца 20. Два выхода узла 16 подключены соответственно к третьему и четвертому входам селектора 19. Второй выход формировател  15, образующий дополнительный выход блока 12,

подключен к одному из входов управл емого коммутатора 13, другой вход которого и управл ющий вход соединены между собой и подключены к выходу сумматора 9. Выход управл емого коммутатора 13 соединен с

входом генератора 10 опорных сигналов.

Формирователь 15 сигналов задани  частоты содержит векторный умножитель 21 (фиг. 2) сигналов 1 и $,на выходе которого образуетс  сигнал, определ емый углом сдвига между входными векторами (мнима  часть векторного произведени ), соединенный с его выходом пропорционально-интегральный (ПИ) регул тор 22, делитель 23 задающих сигналов а и Ip1,

выходом соединенный с входом функционального преобразовател  24, реализующего функцию arctg, дифференцирующий конденсатор 25 и сумматор 26, первый вход которого соединен с выходом ПИ-регул тоpa 22, а второй через конденсатор 25 - с выходом функционального преобразовател  24. На выходе ПИ-регул тора 22, образующем второй выход формировател  15, формируетс  сигнал от у задани  частоты потокосцеплени  ротора. Сумматор 26 осуществл ет суммирование сигнала а и производной угла сдвига задающего вектора тока Ti2 в системе координат потокосцеплени  ротора, на его выходе формируетс  сигнал а, задани  частоты тока двигател  (частоты переключени  инвертора).

Узел 16 широтно-импульсного управлени  (фиг. 3) содержит резисторы 27, первые выводы которых предназначены дл  подключени  фазных составл ющих Ид , Ив1, Не задающего вектора тока И , а вторые выводы через управл емые ключи 28 подключены к входам сумматора 29.

Управл ющие входы ключей 27 предназначены дл  подачи фазных составл ющих А, В, С выходного сигнала ПК пересчетного кольца 20. Выход сумматора 29 подключен к первому входу делител  30, второй вход которого предназначен дл  подключени  задани  амплитуды тока И с выхода формировател  6.

Выход делител  30 через интегратор 31 соединен с входами двух компараторов 32 и 33, на вторые входы которых подаетс  разнопол рный сигнал U уставки. Выходы компараторов 32 и 33 ВП и НЗ образуют выход узла 16 с сигналом Н - направлени  работы схемы пересчетного кольца 20. Выходные сигналы компараторов 32 и 33 подаютс  также на входы логической схемы 34, между выходом которой с импульсным сигналом U, образующим также импульсный выход узла 16, и входом включен элемент 35 задержки. Логическа  схема 34 реализует функцию U UV(BnVH3).

Датчик 4 потока содержит три аналогичных схемы интеграторов на операционных усилител х, входы которых через резистор соединены с выходами датчика 3 фазных напр жений двигател , а через параллельную цепь конденсатор - резистор - с выходом усилител -инвертора, резисторный вход которого в свою очередь соединен с соответствующим выходом датчика 2 фазного тока двигател . На выходе датчика 4 формируетс  трехфазный сигнал фг. вектора потокосцеплени  ротора в неподвижной системе координат.

Регул тор 6 частоты вращени , пропорционально-интегральный на основе операционного усилител , выдел ет сигнал

рассогласовани  заданной v1 и фактической V частоты вращени  двигател  Выходной сигнал регул тора 6  вл етс  сигналом задани  активной составл ющей 1а тока двигател .

Задатчик 7 потока в простейшем случае

представл ет потенциометрический зэдат- чик, формирующий сигнал задани  реактивной составл ющей 1Р тока двигател , определ ющий в свою очередь величину потокосцеплени  ротора. Совокупностьсигналов 1а и 1р представл ют собой задающий вектор 112 тока двигател  в системе координат потокосцеплени  ротора.

Формирователь 8 задани  амплитуды тока  вл етс  функциональным преобразователем , реализующим функцию Н

ч а)2 + (Ip)2 , и по входным сигналам задани  1а и р формирует сигнал И задани  амплитуды тока.

Регул тор 11 тока - замкнута  система

автоматического регулировани  тока выпр мител , вход щего в состав преобразовател  1 частоты, выполненна  на основе пропорционально-интегрального регул тора .

Сумматор 9 представл ет собой операционный усилитель с двум  резисторными входами, на которые поданы сигнал v обратной св зи по частоте вращени 

и выходной сигнал регул тора 6, пропорциональный величине скольжени  двигател . Выходной сигнал сумматора 9 пропорционален частоте потокосцеплени  ротора ш™. Коммутатор 13, осуществл ющий подключение входа генератора 10 опорных сигналов либо к выходу сумматора 9 в области низких частот а)ц/, либо к дополнительному выходу блока 12 в области более высоких частот My в функции выходного сигнала

со ц/сумматора 9, содержит переключающий элемент с двум  входами и компаратор, на входе которого сравниваютс  по модулю некоторый посто нный сигнал уставки, определ ющий границу области низких частот, и

выходной сигнал Шу сумматора 9.

Генератор 10 опорных сигналов  вл етс  генератором парофазных гармонических сигналов, частота которых определ етс  значением входного сигнала.

Преобразователь 14 координат представл ет собой векторный умножитель, на выходе которого присутствует сигнал И задающего вектора тока в неподвижной системе координат, полученный в результате

векторного умножени  сигналов ТЪ .

Узел 17 коррекции частоты осуществл ет импульсное преобразование сигнала а задани  частоты тока в функции угла рассогласовани  между задающим вектором Н

тока двигател  и вектором И фактического тока двигател . В качестве задающего генератора 18 может быть использована схема преобразовател  аналог - код, в частности на основе генератора пилообразного напр жени .

Пересчетное кольцо 20 представл ет собой реверсивную кольцевую схему распределени  импульсных сигналов и осуществл ет преобразование входного импульсного сигнала U в систему трехфазных импульсных сигналов ПК, пор док следовани  которых (Вперед или Назад) определ етс  значением входного единичного сигнала Н (направление).

Селектор 19, осуществл ющий выбор режима управлени  пересчетного кольца 20 от узла 16 в области низких частот либо от задающего генератора 18 в области более высоких частот в зависимости от значени  выходного сигнала а формировател  15, содержит логическую переключающую схему , управл емую компаратором, на входах которого сравниваютс  сигнал а и сигнал уставки.

Устройство дл  управлени  асинхронным электродвигателем работает следующим образом.

Управление режимом работы асинхронного двигател  осуществл етс  управлением амплитуды и частоты тока статора. Задание амплитуды тока h формируетс  блоком 8 формировани  задающих сигналов по двум составл ющим тока. а - по выходному сигналу регул тора 6; Ip - по выходному сигналу задатчика 7 потока двигател .

При изменении момента двигател  мен етс  составл юща  а , а р , как правило, остаетс  неизменной, что влечет за собой изменение выходного сигнала И на выходе блока 8, которое отрабатываетс  регул тором 11 тока и силовым управл емым выпр мителем преобразовател  1 частоты. Одновременно с изменением момента двигател  измен етс  частота потокосцепле- ни  ротора ш на выходе сумматора 9 и сигнал задани  частоты потокосцепле- ни  ротора на выходе формировател  15 в блоке 12, которые поступают на входы коммутатора 13 блока 5. В зависимости от величины выходного сигнала 0)р сумматора 9, т. е. от величины частоты вращени , на выход крммутатора 13 передаетс  либо сигнал 6)уС выхода сумматора 9 при малых скорост х , либо сигнал с выхода блока 12 при более высоких скорост х, каждый из которых в соответствующем диапазоне скорости определ ет параметры (частоту и

фазовый сдвиг) выходного сигнала fy генератора 10,  вл ющегос  опорным вектором потокосцеплени  ротора в неподвижной системе координат.

Использование двух источников сигнала задани  частоты опорного вектора потокосцеплени  ротора позвол ет существенно расширить диапазон регулировани  скорости двигател  и улучшить его динамические характеристики при одновременном снижении требований и упрощении датчика 4 потока и устройства измерени  скорости в системе электропривода (при этом в отсутствие тахометрического устройства вместо

сигнала v возможно использование сигнала а задани  частоты тока с выхода формировател  15). Это обусловлено тем, что в области низких частот невозможна качественна  работа общеприн тых простых схем

датчика потока, а также тем, что именно в области более высоких частот дл  качественной работы привода повышаютс  требовани  к тахометрическому устройству,

Как уже упоминалось, блок 12 управлени  частотой в данном устройстве в части управлени  пересчетным кольцом 20 работает в двух режимах, выбираемых селектором 19 в зависимости от величины сигнала «| задани  частоты тока на выходе формировател  15: в области малых частот управление осуществл етс  узлом 16 ШИМ-управлени , в области более высоких частот - узлом 17 коррекции частоты через задающий генератор 18.

Целесообразность двух режимов работы блока 12 обусловлена тем, что в зоне малых частот ШИМ-улравление обеспечивает необходимые быстродействие и точность отработки сигнала задающего

вектора тока двигател , а в зоне больших частот, где из-за свойств силовой схемы автономного инвертора тока ШИМ-управле- ние принципиально невозможно, высокое качество регулировани  обеспечиваетс  импульсным управлением сигнала а задани  частоты тока посредством узла 17 коррекции частоты,

На выходе преобразовател  14 координат блока 12, осуществл ющего векторное

умножение задающих сигналов, Й21 и у , формируетс  векторный сигнал И1 задани  тока двигател  в неподвижной системе координат , который  вл етс  входным сигналом как узла 16 ШИМ-управлени , так и

узла 17 коррекции частоты, т. е. используетс  качество задающего сигнала в обоих режимах работы блока 12.

В формирователе 15 задающих сигналов частоты (фиг. 2) посредством векторного

умножител  21 вычисл етс  угловое рассогласование опорного сигнала Тувектора потокосцеплени  ротора, синтезированного в блоке 5 задающих сигналов, с фактическим сигналом jk вектора потокосцеплени  ро- тора, определенного датчиком 4 потока, которое на выходе ПИ-регул тора 22 преобразуетс  в сигнал &ы задани  частоты потокосцеплени  ротора (дл  режима больших скоростей). Здесь же с помощью делител  23 задающих сигналов а и lp , функционального преобразовател  24, реализующего функцию arctg, и конденсатора 25 вычисл етс  производна  угла сдвига задающих сигналов тока и потока, котора  в сумматоре 26 добавл етс  к сигналу а.

На выходе сумматора 26 получаем сигнал а задани  частоты тока двигател , подаваемого на вход узла 17 коррекции частоты (используетс  в зоне больших частот).

Узел 17 коррекции частоты совместно с задающим генератором 18 и пересчетным кольцом 20 воздействием импульсного сигнала на сигнал а задани  частоты осуществл ет быстродействующее согласование по фазе вектороных сигналов Ti фактическо/о тока двигател  с выхода датчика 2 тока и И задани  тока двигател  с выхода преобразовател  14 координат на каждом такте работы инвертора, в том числе и при резких изменени х угла запаздывани  инвертора тока при изменении режима работы двигател .

В зоне больших частот на вход пересчетного кольца 20 селектор 19 подает им- пульсы задающего генератора 18, блокиру  выходные сигналы узла 16 ШИМ-управле- ни . В этом режиме имеютс  поочередные переключени  пересчетного кольца с частотой задающего генератора с однонаправ- ленным пор дком чередовани  фаз, определ емым заданным направлением вращени  двигател .

В зоне малых частот селектор 19 блокирует импульсы задающего генератора 18 и подает на вход пересчетного кольца 20 выходные сигналы узла 16 ШИМ-управлени : И - импульсный сигнал, определ ющий частоту переключений, и Н (ВП - вперед, НЗ - назад) - потенциальный сигнал направле- ни , определ ющий пр мой либо обратный пор док переключений пересчетного кольца . Режим работы селектора 19 определ етс  величиной входного сигнала а задани  частоты тока двигател .

Узел 16 ШИМ-управлени  (фиг. 3) работает следующим образом.

Трехфазный сигнал И вектора задани  тока двигател  через резисторы 27 и управл емые ключи 28 поступает на зход сумматора 29. На управл ющие входы ключей 28 поступает выходной трехфазный сигнал ПК (А, В, С) пересчетного кольца 20. Поскольку в зоне малых частот выходной ток инвертора тока и, следовательно, фактический ток И двигател  определ етс  исключительно диаграммой включенных вентилей инвертора, котора  в свою очередь однозначно определ етс  сигналом ПК, последний используетс  в качестве сигнала единичной амплитуды вектора Н - фактического тока двигател . Вследствие этого, разделив выходной сигнал сумматора 29 на сигнал И1 задани  амплитуды тока посредством делител  30, на выходе последнего получаем сигнал, пропорциональный синусу угла рассогласовани  векторов И и И . Полученный сигнал угловой ошибки интегрируетс  интегратором 31 и сравниваетс  на входах двух компараторов 32 с разнопол рными сигналами уставки +UU - UL При достижении выходного сигнала интегратора 31 величины той или иной уставки на выходе соответствующего коммутатора 32 и 33 формируетс  соответствующий сигнал напр жени  переключени  (ВП или НЗ) пересчетного кольца 20, а на выходе логической схемы 34 с помощью элемента 35 временной задержки - импульсный сигнал И, осуществл ющий подключение пересчетного кольца. В результате в течение одного такта работы инвертора (1 /6 часть периода сигнала Ti ) осуществл ютс  многократные переключени  пересчетного кольца между двум  соседними (по фазе) состо ни ми так, что при каждом подключе- ии мен етс  знак угла сдвига векторов Н и И , чем обеспечиваетс  режим ШИМ-управлени .

Таким образом, в сравнении с известным решением устройство обеспечивает более качественное управление асинхронным двигателем в широком диапазоне регулировани  скорости с повышенным быстродействием и улучшенными энергетическими показател ми, в том числе в динамичных режимах разгона, торможени  и реверса, путем сочетани  двух режимов управлени  - в зоне малых и в зоне более высоких скоростей за счет введени  дополнительных узлов и элементов в блок управлени  частотой и новых св зей между ними, образующих два соответствующих канала управлени , автоматически переключаемых в функции заданной частоты вращени .

Claims (1)

1. Формула изобретени  Устройство дл  управлени  асинхронным электродвигателем, содержащее преобразователь частоты на основе автономного инвертора тока с управл ющими

   входами тока и частоты и соответствующими выводами дл  подключени  к сети переменного тока и к обмоткам асинхронного электродвигател , датчики фазных токов и напр жений асинхронного электродвигател , подключенные выходами к соответствующим входам датчика потока, блок формировани  задающих сигналов, выполненный с регул тором частоты вращени , задатчиком потока, формирователем задани  амплитуды тока, сумматором, и генератором опорных сигналов, регул тор тока и блок управлени  частотой с п тью входами, при этом задающий вход и вход обратной св зи регул тора частоты вращени  образуют соответствующие входы блока формиро- вани  задающих сигналов, выход регул тора частоты вращени  и выход за- датчика потока подключены к входам формировател  задани  амплидуты тока, входы сумматора подключены соответственно к выходу и входу обратной св зи регул тора частоты вращени , выход формировател  задани  амплитуды тока, образующий выход блока формировани  задающих сигналов , подключен к входу регул тора тока и к первому входу блока управлени  частотой, выходы эадатчика потока и регул тора частоты вращени  образуют первую группу выходов , а выходы генератора опорных сигналов - вторую группу выходов блока формировани  задающих сигналов, подключенные соответственно по второму и третьему входам блока управлени  частотой , четвертый и п тый входы которого подключены соответственно к выходу датчика потока и к выходу датчика фазных токов, выходы блока управлени  частотой и регул тора тока подключены к управл ющим входам частоты и тока преобразовател  частоты, отличающеес  тем, что, с целью улучшени  динамических и энергетических характеристик, блок формировани 

   задающих сигналов дополнительно снабжен двухвходовым управл емым коммутатором , а блок управлени  частотой снабжен дополнительным выходом и выполнен с

   преобразователем координат, формирователем сигналов задани  частоты, узлом ши- ротно-импульсного управлени  и с последовательно соединенными узлом коррекции частоты, задающим генератором, селектором и пересчетным кольцом, выход которого образует основной выход блока управлени  частотой, при этом первые и вто- рце входы преобразовател  координат и формировател  сигналов задани  частоты

   соединены попарно между собой и образуют второй и третий входы блока управлени  частотой, четвертый вход которого образован третьим входом формировател  сигналов задани  частоты, а п тый вход - первым

   входом узла коррекции частоты, второй вход которого объединен с первым входом узла широтно-импульсного управлени  и подключен к выходу преобразовател  координат , третий вход узла коррекции частоты

   объединен с вторым входом селектора и подключен к первому выходу формировател  сигналов задани  частоты, второй вход узла широтно-импульсного управлени  образует первый вход блока управлени  частотой , а третий вход указанного узла соединен с выходом пересчетного кольца, два выхода узла широтно-импульсного управлени  подключены соответственно к третьему и четвертому входам селектора, второй

   выход формировател  сигналов задани  частоты , образующий дополнительный выход блока управлени  частотой, подключен код- ному из входов управл емого коммутатора, другой вход которого и управл ющий вход

   соединены между собой и подключены к выходу сумматора, а выход управл емого коммутатора соединен с входом генератора опорных сигналов.

   Фиг. I

   т Jf

   fefcdr

   П 28