SU553948A3 - Электропривод с синхронным двигателем - Google Patents

Description

синхронного электродвигател . В определенной ортогональной системе координат с ос ми b а, из которых последн   совпадает с осью R обмотки статора, в некий рассматриваемый момент обозначенна  буквой Р ось вращающегос  в направлении стрелки т  внополюсного ротора имеет угол а по отношению к оси R обмотки статора, в то врем  как моментальное положение вращающегос  пол  обозначено буквой р. В диаграмму врисована кроме того еще втора  ортогональна  система координат с ос ми d и q, причем ось d совпадает с вращающейс  осью Р  внополюсного ротора. Обозначенна  буквой / вращающа с  стрелка намагничивающей силы тока статОра может быть описана с одной стороны двум  ориентированными на поле составл ющими /1г и IB, из которых составл юща  IB посто нно лежит в направлении оси пол  F, и с другой стороны в отнесенной к статору сиетеме координат а, b составл ющими /« и 1ь. При этом /1г - образующа  вращающий момент составл юща , а /в - образующа  поле составл юща  тока статора. Дл  работы с косинусом ф, равным единице, /д должен был бы иметь значение нуль, и ток статора был бы следовательно чистым активным током. Электропривод согласно изобретению ( фиг. 1) содержит управл емые выпр мители / и 2 дл  питани  обмотки возбуждени  ротора и трехфазной обмотки статора синхронного двигател  3, регул тор 4 магнитного потока (пол ), выход которого подключен к выпр мителю /; вычислитель 5 магнитного потока Ф, выход 6 которого подключен к входу регул тора 4; выходы 7 и S гармонических функций sin J3 и cos (5 вычислител  5; вход 9 вычислител  5 тока возбуждени  te обмотки ротора; входы 10 и // вычислител  5 дл  двухфазных истинных токов г„ и 1ь статора двигател  5; преобразователь 12 трехфазной системы токов в двухфазную; входы 13 и 14 гармонических функций sin а и cos а вычислител  5; цифровой генератор 15 трехфазного тока; гальваномагнитный датчик 16 импульсов; импзльсный диск 17, св занный с  внополюсным ротором синхронного двигател  5; преобразователь 18 двухфазной системы токов в трехфазную; элемент сравнени  19; регул тор 20 фазных токов; преобразователь 21 трехфазной системы токов в двухфазную; устройство 22 поворота вектора. Буквой N обозначена промышленна  сеть переменного тока дл  питани  выпр мителей / и 2. Устройство поворота вектора (фиг. 3) состоит из двух суммирующих дифференциальных усилителей 23 и 24, к которым подведены выходы четырех умножителей 25-28. Все резисторы, соединенные с каждым из входов усплителей 23 и 24, обозначенных знаками минус или плюс, имеют одну и ту же величину сопротивлени . Клеммы 29, 30 и 31, 32  вл ютс  входными клеммами устройства поворота вектора, а клеммы 33, 34 - выходными. Преобразователь трехфазной системы токов в двухфазную (фиг. 4) содержит два дифференциальных усилител , к входам которых через резисторы под ведены, например, обозначенные буквами гл, is и IT трехфазные токи синхронного двигател  5, которые преобразуютс  в двухфазные токи la и ib на выходах усилителей 35 и 36. Преобразователь двухфазной ортогональной системы токов в трехфазную содержит три дифференциальных усилител  37, 38 и 39. к входам которых через резисторы подведены требуемые двухфазные токи ia -и /а, которые преобразуютс  в требуемые трехфазные токн , г/ ч г/. Вычислитель магнитного потока Ф (фиг. 6) содержит устройство 40 поворота вектора (см. фиг. 3); дифференциальные усилители 41, 42 и 43; блоки умножени  44-47; суммирующий усилитель 48; регулируемый резистор 49; пороговый диод 50; регулируемый делитель 51 напр жени , резисторы 52-55 с величинами сопротивлений Rid, Rig-, R q, R la, конденсаторы 56 и 57 с емкост ми Cd и С,; векториый анализатор 58 с входами 59, 60 и выходами 61, 62 и 63; устройство 64 поворота вектора. Векторный анализатор (фиг. 7) содержит блоки делени  65 и 66, входы делимых котоРьгх предназначены дл  составл ющих пол  Фсг и Ф,; блоки умножени  67 и 68, выходы которых подключены к суммирующему усилителю 69; пропорционально-интегральный регул тор 70, выход которого подключен к входам делителей блоков делени  65 и бб и к выходной клемме 61, на которой фор мируетс  величина пол  Ф; ограничитель 71 выхода регул тора 70. Буквой Е обозначен источник эталонного напр жени , подключенный ко входу суммирующего усилител  69. На фиг. 8 по.казана схема регулировани  скорости и потока синхронного двигател  3 применительно к задаче регулировани  скорости вращени  трубчатой мельницы без коробки передач. Узлы фиг. 8, аналогичные узлам фиг. 2, и.меют одинаковые с этими узлами цифровые и буквенные обозначени . В отличие от фиг. 2 на фиг. 8 между регул торами 20 и выпр мителем 2 показаны блоки управлени  72, а жду регул тором 4 и выпр мителем / управлени  75, регул тор 74 и элемент сравнени  75. На фиг. 8 показаны следующие узлы в контуре регулировани  скорости вращени  двигател  3: задатчик 76 требуемой скорости л, выполненный в виде потенциометра; датчик 77 истинной скорости вращени  ротора, выполненный в виде преобразовател  частоты / импульсов датчика 16 в напр жение, пропорциональное истинной скорости двигател  «; элемент сравнени  78 скоР -ен и /г; регул тор 79 скорости (пропорционально-интегральный ) и блок делени  80. Элемент сравнени  75 и регул тор 74 (фиг. 9) содержит по одному дифференциальному усилителю 81 и 82 соответственно, выходы которых обозначены цифрами 83 и 84. При этом в контуре обратной св зи усилител  82 применена цепь из последовательно соединенных конденсатора и резистора. Электропривод с синхронным двигателем работает следующим образом (фиг. 1). В .-вдс строприводе обеспечиваетс  раздельное управление вращающим моментом и магнитным потоком синхронного двигател  3 за счет регулировани  тока возбуждени  ig ротора и за счет регулировани  составл ющих тока статора Iw и /в (см. фиг. 1), ориентированных по оси F магнитного потока. В соответствии с этим входными величинами дл  привода фиг. 1  вл ютс  требуемое значение потока Ф и требуемые значени  составл ющих тока статора /w и IB- Дл  решени  поставленной задачи в приводе осуществл ютс  следующие изменени : измер етс  ток возбуждени  ig и сигнал, пропорциональный этому току, поступает на клемму 9 вычислител  5; измер ютс  трехфазные токи статора IT, is и гд, которые преобразуютс  с помощью устройства 12 в двухфазные токи ta и гь (см. фиг. 2), а затем сигналы, пропорциональные токам ia и ib, поступают на входные клеммы 10 и J1 вычислител  5; измер етс  угловое положение а продольной оси d ротора относительно оси а статора (см. фиг. 2) и формируютс  гармонические функции sin а и cos а, которые поступают на входные клеммы 13 и 14 вычислител  5. Формирование функций sin а и cos а происходит следующим образом. Цифровой генератор 15 трехфазного тока. состо щий по существу из счетчика, шагового переключател , распределительного функционального устройства, а цифро-аналогового преобразовател , формирует на своем трехфазном выходе три сдвинутых по отношению друг к другу на 120° синусоидальных напр жени , длительность периода которых обратно пропорциональна частоте подводимой к его входу серии импульсов. На вход цифрового генератора 15 подаютс  импульсы с выхода гальваномагнитпого датчика 16, выполценного , например, в виде реагирующей на магнитное поле пластинки или датчика ЭДС Холла, который, в свою очередь, активируетс  импульсным диском 17. Диск св зан с  внополюсным ротором синхронного двигател  3, по окружности которого встроены на одинаковых рассто ни х относительно д.руг друга маленькие посто нные магниты, количество которых составл ет целое кратное число количества полюсов ротора синхронного двигател  . При вращении ротора импульсы от датчика 16 поступают на вход генератора 15, при этом число импульсов определ ет угловое положение а ротора. Трехфазна  система токов на выходе генератора 15, фаза которой определ етс  угловым положением а ротора, преобразуетс  с помощью устройства 21 (см. фиг. 4) в двухфазную систему токов, фаза которых также определ етс  углом а. Сигналы на выходах устройства 21 используютс  в качестве гармонических функций sin а и cos а. Все полученные в результате упом нутых выше измерений сигналы используютс  в качестве входных сигналов вычислител  5, который предназначен дл  формировани  величины потока /Ф/ и дл  определени  гармонических функций sin р и cos р, характеризующих угловое положение оси F потока Ф относительно оси а (фазы R) статора. Как формируютс  указанные величины в вычислителе 5 рассмотрим несколько позже, а сейчас рассмотрим , как они используютс  в приводе (фиг. 1). Гармонические функции sin р и cos р используютс  дл  получени  требуемых составл ющих тока статора ia, i-b, которые в свою очередь преобразуютс  с помощью устройства 18 (см. фиг. 5) в требуемые трехфазные токи i-f, i/ и IK. Эти токи доллшы быть получены, так как регулирование токов статора ведетс  в фазных координатах, св занных со статором, т. е. каждый из токов ir, i/ и LK сравниваетс  в устройствах 19 с соответствующим истинным током tr, is и к фаз статора. Результаты сравнени  через регул торы 20 воздействуют на управл емый выпр митель 2 и питают статор двигател  3 требуемым по величине и фазе током / (см. фиг. 2). Преобразование составл ющих тока статора и /л в составл ющие ia и if, ведетс  устройством поворота вектора 22 (см. фиг. 3). Когда входна  клемма 29 устройства соединена в соответствии с устройством фиг. 1 с образующей вращающий момент составл ющей , т. е. с заданной вертикально к оси вращающегос  пол  составл ющей заданной величины /iJ/ тОКа статора, а входна  клемма 30 соединена с образующей поле составл ющей , т. е. с заданной параллельно к оси вращающегос  пол  составл ющей заданной величины // и гармоппчеса ие функции sin р и cos р присоединены к входным клеммам 31 и 32, па выходных клеммах 34 и 33 возникают напр жени , пропорциональные соответственно косинусу и синусу суммарного угла arctg При этом сумма квадратов их значений отвечает сумме квадратов входных величин /л и При таком присоединении устройство поворота вектора 22 поворачивает описанный величинами и IB входной вектор на угол Р вперед, т. е. образует следующпе, усматриваемые из фиг. 1, св зи между отнесенными к полю и отнесенными к статору требуемыми значени ми: ./ 3 - /,.17sin /ь IB sin 3 -L Д/ cos p. Принцип действи  вычислител  5 дл  определени  гармонических функций sin |3 и cos р заключаетс  в следующем. При построении вычислител  5 употреблен метод Парка дл  разложени  намагничивающих сил статора на две составл ющие, которые считаютс  вращающимис  вместе с ротором. В дальнейшем будет примен тьс  индекс «d дл  составл ющей , проход щей в направлении оси Р  внополюсного ротора (см. фиг. 2), и индекс «q дл  со-ставл ющей, проход щей поперек осн  внополюсного ротора. Сначала в вычислителе 5 преобразуютс  две отнесенные к статору ортогональные составл ющие тока статора i,, и Д посредством устройства поворота вектора 40, к входным клеммам которого 3 и 32 подведены две определ ющие мгновенное положение  внополюсного ротора со-ставл ющие sin а и cos а, в две соответствующие , но отнесенные к  внополюсному ротору составл ющие тока id и iq, которые по вл ютс  на выходных клеммах 33 и 34. Техническое внутреннее построение устройства поворота вектора 40 соответствует уже описанному устройству поворота вектора 22, но входные величины г„ и г подвод тс  к входным клеммам 29 и 30 так, что, как помечено в блочном знаке устройства поворота вектора 40, вектор тока статора поворачиваетс  на величину угла оси  внополюсного ротора а назад. При этом на выходных клеммах 33 и 34 возникают составл ющие id и iq, описывающие вектор статора в системе координат d, q. Отнесенные к  внополюсному ротору составл ющие тока статора la и iq подвод тс  к входам двух примененных дл  образовани  модели пол  дифференциальных усилителей 42 и 43. Предусмо тренный дл  образовани  модели потока в продольном направлении оси  внополюсного ротора дифференциальный усилитель 42 питаетс  дополнительно еще и пропорциоиальным току возбуждени  током to который подведен через входную клемму 9 к вычислителю потока 5. Дифференциальный усилитель 42 имеет три цепи обратной св зи: через резистор 55 , значение которого отвечает главной индуктивности Ld обмотки возбуждени  пол ; через последовательную цепь из резистора 52 и конденсатора 56, слулсащую дл  образовани  модели, относ щейс  к продольной оси демпфирующей цепи, а также через блок умножени  44, который предусмотрен дл  учета вли ни  насыщени . Если обозначить буквами rd омическое сопротивление демпфирующей цепи и буквами Id ее индукцию рассе ни , буквами R2(i омическое сопротивление и буквами Са ем.кость, осуществл ющую отрицательную обратную св зь дифференциального усилител  42 последовательной схемы, можно показать, что при равенстве коэффициентов и ld R2d дифференциальf- d

ный усилитель 42 с его элементами обратной св зи 55, 52 и 56 рещает дифференциальное

уравнение дл  проход щей в продольном направлении осн  внополюсного ротора составл ющей Фd, которое в операционном способе d

написани  { Р т имеет вид

Ihdird + pld)

Фd

idtie rd+p(ihd + id)

Дл  дифференциального усилител  43 и проход щей поперек оси  внополюсного ротора составл ющей пол  Ф справедливо аналогичное уравнение с соответствующими значени ми параметров поперечной оси. Вал ным  вл етс  то, что при этом способе образовани  модели пол  дл  симулировани  составл ющих магнитного потока Фа и Фд требуетс  в каждом случае лищь один единственный усилитель , и все параметры обмотки возбуждени  и обмотки демпфировани  можно устанавливать независимо один от другого отдельными конструкционными элементами.

Дл  определени  вли ни  насыщени  соответствующие потокам продольной и поперечной осей выходные напр жени  Ф и Фд обоих дифференциальных усилителей 42 и 43 возвод тс  в квадрат в каждом из блоков умиол ени  46 Я 47 и суммируютс  в усилителе 48, так что образуетс  квадрат значени  вектора пол , составл емого из обеих составл ющих пол  Фй и Фд. Выход звена 48 воздействует через звено порогового значени  на входы мультипликаторов блоков умножени 

43 и 45, расположенных в дополнительной цепи обратной св зи усилителей 42 и 43. Звено порогового значени  состоит из усилител  41, коэффициент усилени  которого может устанавливатьс  посредством входного регулируемого резистора 49, и во входной цепи которого расположен имеющий предварительное напр жение пороговый диод 50. Катод этого диода подключеи к помещенному мелсду положительным и отрицательным напр л ни ми регулируемому делителю напр жени  51. Одно из сопротивлений этого делител  напр л ени  регулируетс  так, что им можно измен ть высоту порога пропускани . К обоим другим входам блоков умнолсени  44

и 45 подключены выходные напр л ени  дифференциальных усилителей 42 и 43. Выходные напр л ени  этих блоков умножени  действуют как отрицательна  обратна  св зь на оба усилител  42, 43 модели пол .

Принцип действи  описанного вли ни  насыщени  следующий. До определенного значени  результирующего общего потока выходное напр жение усилител  48 не достигает порога диода 50. При этом на входах

блоков умножени  44 и 45 напр жение равно нулю и отсутствуют сигналы отрицательной обратной св зи с выходов блоков умножени  44 и 45. Это соответствует ненасыщенному состо нию синхронного двигател  3. При перещагивании выще упом нутого порога чувствительности имеет место квадратичное изменение степени отрицательной обратной св зи вследствие расположенных в цеп х отрицательной обратной св зи блоков умножени  44 и 45. Таким образом возможно определение действительных характеристик намагничивани , иричем изменением переменной части делител  напр жени  можно устанавливать момент наступлени  насьвдени , а изменением величины сопротивлени  входного резистора 49 - изгиб кривой намагничивали  в области насыщени  в широких пределах и в достаточной степени в соответствии с действительностью. Важным  вл етс  при учете насыщени  всегда исходить от векторной суммы обеих составл ющих пол  Фа и Ф-,. Отнесенные к  вноиолюсному ротору напр жени  составл ющих пол  Ф и Ф подвод тс  к входным клеммам 59 и 60 векторного анализатора 58, который имеет задачей образование на своей выходной клемме 61 напр жени , пропорционального величине вектора пол , а на своих выходных клеммах 62 и 63 напр жений, пропорциональных синусу и косинусу угла v между осью  вноиолюсного ротора Р и осью магнитного потока F. Входами векторного анализатора  вл ютс  входы делимых блоков 65 и 66. Сигналы с выходов блоков делени  65 и 66 возвод тс  в квадрат посредством блоков умножени  67 и 68, выходные сигналы которых в звене (69) суммируютс  между собой и вычитаютс  относительно нормированного сигнала Е, величина которого принимаетс  за единицу. Сигнал с выхода звена (69) подаетс  на вход пропорционально-интегрального регул тора 70, выход .которого соединен со входами делителей блоков делени  65 и 66. Пропорционально-интегральный регул тор получает из соображений стабильности ограничитель 71, например, в форме ограничительного диода , который опраничивает выходное напр жение интегратора с одной стороны иа нуль и допускает таким образом только положительные значени  этого выходного напр Если выходна  величина пропорционально-интегрального регул тора 70 будет обозначена буквой X и будет учтено, что выходна  величина пропорционально-интегрального регул тора не изменитс  только тогда, когда сумма его входных величин исчезнет, то представленное на фиг. 7 устройство достигает стационарного, т. е. уравновещенного состо ии , при условии ( Ф,/х)+{Ф,/х). Выходна  величина интегратора отвечает в этом случае точно значению /Ф/ вектора вращающегос  пол . При этом достигаемом автоматически стационарном состо нии возникают на соединенных с выходами блоках 65 и 66 клеммах 63 и 62 сигналы Ф . г smG, 7W--« на клемме 6 сигнал, пропорциональный веичине /Ф/. Сигналы на выходах 62 и 63 векорного анализатора 58 описывают в ос х d q нормированный вектор, который соориенирован в направлении вектора вращающего  магнитного пол . Посредством устройства оворота вектора 64, которое подключено со тороны входа тем же способом, что и устойство поворота вектора 22 и осуществл ет оэтому поворот подключенного к его клеммам 29 и 30 вектора вперед, получаютс  в итоге на его выходных клеммах 34 и 35 два напр жени , которые пропорциональны косинусу и синусу угла р. Рассмотрим теперь в целом работу синхронного электропривода трубчатой мельницы (фиг. 8). В приводе имеетс  два канала регулировани : канал регулировани  ско-рости ротора и канал регулировани  магнитного потока синхронного двигател  3. Напр жение с выхода задатчика скорости 76, пропорциональное заданной скорости п, сравниваетс  в элементе 78 с напр жением преобразовател  77, пропорциональным истинной скорости п ротора синхронного двигател  3. . Результат сравнени  через пропорционально-интегральный регул тор 79 поступает на вход делимОГО блока -80, на вход делител  которого поступает сигнал с клеммы 6 вычислител  5, пропорциональный модулю магт нитного потока /Ф/. Выходной сигнал блока делени  80 используетс  в качестве одной из составл ющих тока статора, ориентированных по полю. В частности, выходной сигнал блока 80, определ емыи выходным сигналом регул тора скорости 79, задает располол енную вертикально к оси вращающегос  пол  F составл ющую требуемого значени  v тока статора. Выходной сигнал регул тора - скорости 79 пропускаетс  через блок 80 дл  того, чтобы сохранить неизменным коэффициент усилени  в контуре регулировани  скорости и тем самым исключить вли ние канала регулировани  потока на канал регулировани  скорости в тех случа х, когда возможны изменени  величины потока /Ф/ вектора вращающегос  пол  двигател  3. Изменение величины /Ф/ будет происходить, например, при изменении заданного значени  потока Ф. Таким образом, канал регулировани  вращающегос  момента, изображенный на фиг. 1, оказываетс  включенным в канал регулировани  скорости привода по фиг. 8. При этом истинное значение скорости п получаетс  путем преобразовани  числа импульсов датчика 16 в напр л ение в блоке 77. В канале регулировани  магнитного потока результат сравнеЕш  сигналов, пропорциональных величинам /Ф/ и Ф, поступает на

11

вход пропорционально-интегрального регул тора 4, выходной сигнал которого играет роль сигнала задани  тока возбуждени  /е ротора . Сигналы, пропорциональные токам 4 и io (истинное значение тока возбуждени ) сравниваютс  в элементе 75 и результат сравнени  через регул тор 74 и блок управлени  73 воздействует на выпр митель 1, который питает обмотку возбуждени  ротора током возбзждени  4Сигнал с выхода элемента сравнени  75 поступает на вход 30 устройства 22 и определ ет расположенную параллельно оси пол  F составл ющую требуемого значени  IB тока статора. Если истинна  скорость п не соответствует заданной скорости п, то возникает сигнал Iw, который определ ет величину момента на валу привода, который в свою очередь стремитс  изменить скорость нагрузки до значени , равного заданному значению п.

Примененное в рассмотренном изобретении ориентированное на поле задание составл ющих тока статора дает возможность как бы уменьшить значительн}ю посто нную времени в контуре регулировани  тока возбуждени  при толчках нагрузки, т. е. пр.и переходе из одного стационарного состо ни  в другое, и достигнуть этим более быстрого протекани  переходного процесса, а также избежать нежелательных перенапр жений на обмотка-х двигател . Дл  этого подлежащее все равно устранению посредством регул тора тока возбуждени  74 регзлировочное отклонение на его входе используетс  в качестве сигнала задани  параллельной к пол.ю составл ющей тока статора /в. В установившемс  режиме входна  величина регул тора тока возбуждени  74 равна нулю. Поэтому равна нулю и составл юща  тока статора IB, и синхронный двигатель работает с косинусом ф, близким к единице. Если же возникает, например, вследствие толчков нагрузки , временное понижение или повышение магнитного потока электродвигател , которое рег л тор магнитного потока стремитс  скомпенсировать , однако действует вследствие сравнительно высокой инертности подчиненной ему цепи рег лировани  тока возбуждени  недостаточно быстро, то на входе регул тора тока возбуждени  возникает временное регулировочное отклонение, которое вызывает через вход SO устройства поворота вектора 22 параллельную к полю составл ющую тока статора, действующую в том же направлении, что и выходной сигнал регул тора тока воз12

буждени  74, и таким образом регул торы в статорной цепи начинают помогать регул тору тока возбуждени , благодар  чему достигаетс  высокое быстродействие.

Из рассмотрени  работы привода с синхронным двигателем следует, что этот привод обладает более высокими динамическими свойствами, чем известные приводы с синхронными двигател ми. Привод может быть использован дл  регулировани  скорости вращени  нагрузки без коробки передач, в частности нагрузкой привода может служить трубчата  мельница. В этом случае ротор синхрОНного двигател  целесообразно выполн ть как единое целое с мелющим барабаном мельницы.

Claims (2)

1.Электропривод с синхронным двигателем , содержащий блоки пр мого и обратного преобразовани , вычислитель магнитного потока с двум  операционными зсилител ми, регзл тор скорости, выход которого подключен через делительное устройство к блоку пр мого преобразовани , датчик гармонических функций, аргументом котОрых  вл етс  угловое положение продольной оси ротора двигател , регул тор тока возбуждени  ротора , отличающийс  тем, что, с целью улучщени  динамических характеристик электропривода, выходы операционных усилителей подключены к введенному анализатору вектора, выходы которого подсоединены к блоку пр мого преобразовани  через делительное устройство и дополнительный блок пр мого преобразовани , подключенный к датчику гармонических функций, при этом вход регул тора тока возбуждени  ротора соединен со входом блока пр мого преобразовани .

2.Электропривод по п. 1, о т л и ч а toщ и и с   тем, что, с целью улучшени  динамических характеристик электропривода с синхронным двигателем с демпфирующими обмотками, операционные усилители содержат контур обратной отрицательной св зи, состо щий из последовательно соединенных резистора и конденсатора.

Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе:

1.За вка N° 1398754, по которой имеетс  решение о выдаче авторского свидетельства.

2.Stemmber Н. Antriebssystem und elektronische Regeleinrichtung der getriebelosen Rohrmuhle, «Brown Boveri Mitt, 1976, 3.

77

a.

Риг 2