Частотно-регулируемый электропривод

 

Изобретение относится к электротехнике . Целью изобретения является повьшение энергетических показателей путем уменьшения потребляемой от сети реактивной мощности. Частотно-регулируемый электропривод содержит блок 18 определения тока намагничивания , входами подключенный к выходам датчиков 2 и 3 напряжений и токов фаз статорной обмотки асинхронного двигателя 1, через которые двигатель подключен к преобразователю частоты 4. Выход блока 18 соединен с входом преобразователя 19 потока, другой вход которого подключен к выходу ре

СОЮЗ СОВ ЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИК

РЕСПУБЛИК (19) 01) (Д1 4 Н 02 Р 7/42

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР (21) 4142538/24-07 (22) 03.11.86 (46) 23. 01 89. Бюл. У 3 (71) Днепропетровский горный институт им. Артема (72) В.Л. Соседка, В. Б. Верник, Д.И. Пружанский и Г.К. Курлов .(53) 621.313.333(088.8) (56) Патент СССР Ф 548220, кл. Н 02 P 5/402, 1970.

Эпштейн И.И. Автоматизированный электропривод переменного тока.-М.:

Энергоиздат, 1982, с. 122-124. (54) ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕИЫИ ЭЛЕКТРОПРИВОД (57) Изобретение относится к электротехнике. Целью изобретения является повьппение энергетических показателей путем уменьшения потребляемой от сети реактивной мощности. Частотно-регулируемый электропривод содержит блок 18 определения тока намагничивания, входами подключенный к выходам датчиков 2 и 3 напряжений и токов фаз статорной обмотки асинхронного двигателя l, через которые двигатель подключен к преобразователю частоты

4 ° Выход блока 18 соединен с входом преобразователя 1 9 потока, другой вход которого подключен к выходу ре1453574 гулятора 7 частоты вращения, а выход — к входу блока 16 сравнения.

Второй вход блока 16 объединен с входом блока 6 сравнения, а выход через регулятор 17 потока связан с одним из входов задания составляющей тока формирователя 8 заданий тока статора, другими входами соединенного с выходом преобразователя 20 напряжение— частота и с выходом регулятора 7 ° Выход регулятора 7 через масштабный усилитель 13 соединен. с одним из входов сумматора 14, другим входом объединенного с вторым входом блока 6 и подключенного к тахогенератору 5, ус-: тановленному на валу двигателя 1.

Выход сумматора 14 подключен к преобразователю 20. Электропривод содержит блок умножения 15, входами соеИзобретение относится к электро технике, а .именно к частотно-управляемым электроприводам на основе асинхронных двигателей с коротко замкнутым ротором и может быть испольsoвано в системах, для которых определяющим являются повышенные энергетические показатели и простота конструкции.

Цель изобретения — повьппение энергетических показателей путем уменьшения потребляемой от сети реактивной мощности.

На фиг. 1 представлена функцио- . нальная схема частотно-регулируемого привода; на фиг. 2 — функциональная схема формирователя заданий тока статора, на фиг. 3 — функциональная схема функционального преобразователя тока намагничивания в поток, на фиг. 4 — векторная диаграмма асинхронного двигателя °

Частотно-регулируемый электропривод содержит асинхронный двигатель 1 (фиг. 1), подключенный через датчик

2 фазных напряжений и датчик 3 фазных токов к выходам силового преобразователя 4 частоты, тахогенератор 5, установленный на валу асинхронного двигателя 1, блок 6 сравдиненный с выходами сумматора 14 и регулятора потока, а выходом — с одним из входов блока 11 вычисления

ЭДС. Второй вход блока 11 соединен с выходом преобразователя 20. Управление преобразователя частоты осуществляется от формирователя 10 управляющих воздействий, на вход кото" рого поступают сигналы с формирователя 8 через преобразователь 9 числа фаэ и с преобразователя 12 числа фаз. В процессе работы при увеличении момента сопротивления увеличивается задание на две составляющие тока статора. Магнитный поток увеличивается, что улучшает ., динамические показатели. электропривода. 1 э.п. ф-лы, 4 ил; нения, подключенный выходом к входу регулятора 7 частоты вращения, формирователь 8 заданий тока статора с двумя входами составляющих тока и

5 входом частоты, преобразователь 9 двухфазного сигнала в трехфазный, подключенный входами к соответствующим выходам формирователя 8 заданий тока статора, а выходами через формирователь 10 управляющих воздействий — к управляющим входам силового преобразователя 4 частоты, блок

11 вычисления ЭДС, подключенный выходами к соответствующим входам преобразователя 12 двухфазного сигнала в трехфазный, масштабный усилитель 13, подключенный выходом к одному из входов сумматора 14, и блок 15 умножения. При этом первый вход блока 6 сравнения предназначен для подачи управляющего сигнала, второй вход объединен с другим входом сумматора

14 и подключен к выходу тахогенератора 5. Выход регулятора 7 частоты

25 вращения подключен к входу масштабного усилителя 13 и к соответствующему входу составляющей тока формирователя 8 заданий тока статора, Выход преобразователя 12 двухфазного сигнала в трехфазный и выход датчика 3 фазных токов подключены к дру53574

30

50

А4 = с (! — cosCp), 55

3 14 гим соответствующим входам формирова теля 10 управляющих воздействий.

В частотно-регулируемый электропривод введены блок 16 сравнения, ре гулятор 17 потока, блок 18 определения тока намагничивания, функциональ ный преобразователь 19 тока намагничивания в поток и преобразователь 20 напряжение — частота, подключенный входом к выходу сумматора 14, а выходом — к входу частоты формирователя 8 заданий тока статора. При этом первый вход блока 16 сравнения объединен с первым входом блока 6 сравнения, второй вход блока 16 сравнения подключен к выходу функционального преобразователя 19, а выход через регулятор 17 потока подключен к соответствующему входу составляющей тока формирователя 8 заданий тока статора. Входы блока 15 умножения подключены к выходам сумматора 14 и регулятора 17 потока, а выход — к одному из входов блока 11 вычисления ЗДС, другой вход которого подключен к выходу преобразователя 20 напряжение — частота. Входы блока

18 определения тока намагничивания подключены к выходам датчиков 2 и 3 фазных напряжений и токов, а выход к одному из входов функционального преобразователя 19, другой вход которого подключен к выходу регулятора

7 частоты вращения.

Формирователь 8 заданий тока статора снабжен двумя генераторами 21 и 22 (фиг. 2) функций Уолша для формирования синусоидальных и косинусоидальных функций, восемью блоками

23-30 аналоговых ключей, двумя инверторами 31 и 32, четырьмя блоками

33-36 задания весовых коэффициентов, вычитателем 37 и сумматором 38.

Объединенные между собой входы генераторов 21 и 22 и входы инверторов

31 и 32 образуют соответственно вход частоты и входы составляющих тока формирователя 8 заданий тока статора.

Выходы генератора 21 функций Уолша соединены с управляющими входами блоков 23-26 аналоговых ключей, а выходы генератора 22 функций Уолша соединены с управляющими входами блоков 27-30 аналоговых ключей. Выходы блоков 23 и 24 аналоговых ключей соединены с входами блока 33 задания весовых коэффициентов, выход которого соединен с первым входом вычитателя 37. Выходы блоков 25 и 26 аналоговых ключей соединены с входами блока 34 задания весовых коэффициентов, выход которого соединен с первым входом сумматора 38. Выходы генератора

22 соединены с управляющими входами блоков 27-30. аналоговых ключей. Выходы блоков 27 и 28 аналоговых ключей соединены с входами блока 35 задания весовых коэффициентов, выход которого соединен с вторым входом сумматора 38.

Выходы блоков 29 и 30 аналоговых ключей соединены с входами блока 36 задания весовых коэффициентов, вы-,ход которого соединен с вторым входом вычитателя. Неуправляющие входы блоков 24 и 28 соединены с входом инвертора 31, подключенного выходом к неуправляющим входам блоков 23 и

27 аналоговых ключей. Неуправляющие входы блоков 26 и 30 аналоговых клю25 чей соединены с входом инвертора 32, подключенного выходом к неуправляющим входам блоков 25 и 29 аналоговых ключей. Выходы вычитателя 37 и сумматора 38 образуют выходы формирователя 8 заданий тока статора.

Функциональный преобразователь 19 тока намагничивания в поток может быть выполнен с аналоговыми ключами

39-42 (фиг. 3), блоком 43 компараторов и сумматором, реализованном на операционном усилителе 44. Объединенные входы ключей 39-42 образуют один из входов преобразователя 19, другой вход которого образован входом блока компараторов 43, выходы которого подключены к управляющим входам ключей 39-42, соединенных выходами с входом сумматора 44.

Из векторной диаграммы (фиг.4) следует, что если ток намагничивания поддерживать на постоянном уровне, то при увеличении нагрузки потокосцепление ротора уменьшается на величину где (— угол между векторами тока намагничивания и потокосцепления ротора.

Осуществляя кусочно-линейную ап" проксимацию, учитывающую кривую намагничивания, можно перейти от потокосцепления к току:

K(I„) I „(1-соя Ч), (2) 5 145 где K(I„) — коэффициент пропорциональности между током и потокосцеплением, зависящий от формы кривой намагничивания и величины тока намагничивания I>.

Для того, чтобы по мере увеличения нагрузки потокосцепление ротора оставалось неизменным„ а асинхронный двигатель работал с пониженными потерями, необходимо регулировать составляющую тока намагничивания в соответствии с выражением

° e К(Т )Т + gj 1ж н) Ти) 2- cos(p) (3) где К(Т„)Т < — слагаемое, обеспечивающее потокосцепление воздушного зазора на постоянном уровне вне зависимости от режима работы двигателя;

ki1 - слагаемое, обеспечивающее увеличение потокосцепления воздушного зазора на величину, обеспечивающую постоянство потокосцепления ротора при изменении загрузки двигателя.

Учитывая соотношение

tgq " p (4)

К где х - переходное индуктивное со в противление ротора, R †. активное сопротивление ротора, S — скольжение, определяют значение q и подставляют

его в выражение (3) К(Тв)Тн)2 cosarctg R

< 1., В Н и

Из выражения (5) следует, что при S = О, 1,1 K(I„)I>, а при увеличении скольжения значение должно расти до нелинейной зависимости, которую и аппроксимирует функциональный преобразователь 19. При

8 О на всех выходах блока 43 компараторов появляется сигнал, ключи

39-42 срабатывают и коэффициент передачи операционного усилителя 44 имеет максимальную величину. При увеличении загрузки скольжение увеличивается, часть компараторов блока

43 срабатывает, часть ключей 39-42 разрывает свои цепи и сигнал на выхо3574

6 де операционного усилителя 44 падает при неизменном сигнале задания, что приводит к росту сигнала ошибки на входе регулятора 17 потока ° Причем

5 изменение коэффициента передачи операционного усилителя 44 осуществляется таким образом, чтобы задание на ток намагничивания изменялось при изменении скольжения в соответствии с выражением (5).

Функции Уолша,. использованные при синтезе формирователя 8, позволяют аппроксимировать гармонические колебания и осуществлять .умножение гармонических функций на произвольные функции, что позволяет относительно простыми средствами осуществить преобразование. Парка, т.е, для

20 составляющих токов, 1 и х„ перейти от вращающейся системы координат к неподвижной системе координат.

В блоке вычисления тока намагничивания по измеренным фазным токам и напряжениям и известным параметрам

2 двигателя определяются KQI „или

KuI„, где g — круговая частота. питания обмоток двигателя, I> — ток намагничивания. Так как функциональ30 ный преобразователь 19 является нелинейным элементом, ток на его вход можно подать как сигнал KQI „, так и в сигнал KQI Если подать сигнал KtdI „, то этот сигнал определяет магнитный

З5 поток воздушного зазора асинхронного двигателя. Причем магнитный поток воздушного зазора будет поддерживаться на заданном уровне как при изменении частоты, так и при измене40 нии нагрузки. А так как магнитный поток определяется через реактивную мощность и индуктивные константы машины, то величина тока намагничивания не будет чувствительна к дейст45 вню дестабилизирующих факторов (изменению активного сопротивления в зависимости от теплового режима двигателя), Кроме того, изменение коэффициента передачи функционального преобразователя 19 в функции скольжения ,позволяет получить на выходе этого преобразователя сигнал, пропорцио55 нальный потокосцеплению ротора.

Частотно-регулируемый электропривод работает следующим образом.

На входы блоков 6 и 16 сравнения поступает сигнал задания U» а на

1453574 второй вход блока 6 сравнения и сумматора 14 поступает сигнал с выхода тахогенератора 5. На выходе блока

6 сравнения появляется сигнал ошиб-.

5 ки, поступающий на вход регулятора

7 частоты вращения, на выходе которого появляется сигнал, определяющий моментообразную составляющую двигателя i< Одновременно сигнал зада- 10 ния постуйает на первый вход блока

l6 сравнения, на второй вход которого подается сигнал с выхода функционального преобразователя 19 тока намагничивания в потокосцепление ротора. На выходе блока 16 сравнения появляется сигнал ошибки между заданным значением потока ротора и фактическим, которое подается на вход регулятора 17 потока, выход которого 2О определяет потокообразную составляющую двигателя i, . Таким образом, на входе блока формирователя 8 заданий тока статора подаются сигналы и, . Кроме этого, сигнал с 25 выхода регулятора 7 частоты вращения через масштабный усилитель 13, в котором выходной сигнал блока 7 умножается на R

i и, для неподвижной системы координат согласно известному преобразованию Парка.

Формирователь 8 выполняют с использованием функций Уолша. Частотный сигнал подается на входы генераторов 21 и 22 функций Уолша (фиг. 2).

В генераторе 21 формируются функции

Уолша для аппроксимации синусоидальных колебаний, а в генераторе 22— функции Уолша для формирования косинусоидальных колебаний. В блоках 2330 аналоговых ключей и в блоках 3336 задания весовых коэффициентов осуществляется умножение гармонических функций на соответствующие токи.

В вычитателе 37 и сумматоре 38 осуществляется сложение полученных произведений согласно преобразованию

Парка, и на выходе появляются сигналы «, и <„,!, определяющие задание тока статора в неподвижной системе координат. В преобразователе 9 осуществляется переход от двухфазной системы координат к трехфаэной что обеспечивает подачу на формирователь 10 управляющих воздействий заданий на ток каждой фазы. Для компенсации влияния ЭДС в формирователь

10 управляющих воздействий подаются сигналы задания фазнык ЭДС ел, е» е с выходов преобразователя !2. Определение фазных ЭДС осуществляется блоками 11, 12 и 15. В блоке 15 умножения задание на частоту вращения тока статора <х,<, умножается на ток за. дания потока i

Х0

2 1 (<<) К 4г <2d х

В блоке 1! вычисления ЭДС по выходу блока 15 умножения и частотному сигналу <, формируются ЭДС в неподвижной системе координат. Причем этот блок выполнен по той же функциональной схеме, что и формирователь 8 заданий, но проще последнего, так как в блоке 11 осуществляется умножение гармонических функций на один входной сигнал (выход блока 15).

Таким образом блок 11 может быть выполнен как часть блока 8, если испольэовать только вход по каналу на который подается сигнал выхода блока 15, а на выход блока 11 взять выход блока 33 задания весовых коэффициентов (фиг. 2) и выход блока 35 задания весовых коэффициентов 35. Выходной сигнал блока 11 определяет значения ЭДС в двухфазной неподвижной системе координат, которые с помощью блока 12 преобразуются в сигналы, действующие в трехфазной системе координат ед, е>, е . Указанные сигналы подаются в формирователь 10 управляющих воздействий и компенсируют отрицательное влияние ЭДС двигателя.

Информация с датчиков 3 фазных токов и датчиков 2 фазных напряжений поступает на входы блока 18 определения тока намагничивания, в котором с учетом известных параметров двигателя определяется сигнал KRIЦ, определяющий магнитный поток в воздушном зазоре. Если скольжение двигателя близко к нулю, то на выходе функционального преобразователя 19 присут1453574

40 ствует сигнал, пропорциональный магнитному потоку воздушного зазора.

Этот сигнал в блоке 16 сравнения сравнивается с сигналом задания, и ошибка поступает на регулятор 17 потока. При увеличении нагрузки. сигнал на выходе регулятора 7 частоты вращения увеличивается, срабатывают некоторые из компараторов 43 (фиг.3), 10 соответствующие ключи 39-42 разрываются и сигнал на выходе функционального преобразователя 19 уменьшается, что приводит к росту ошибки на выходе регулятора 17 потока ° Сос- 15 тавляющая тока i< увеличивается, что увеличивает магнитный поток двигателя.

Изменение коэффициента передачи функционального преобразователя 19 20 в функции скольжения меняется практически безынерционно. Таким образом, при увеличении момента увеличивается задание на две составляющие и i, что улучшает динамические показатели привода. В то же время, при уменьшении момента сопротивления составляющая тока i<< не остается неизменной (уменьшается при уменьшении нагрузки), что повышает 30 энергетические показатели системы регулирования.

Таким образом, более точное поддержание составляющей тока двигателя Определяющей магнитный потОК и регулирование этой составляющей в функции нагрузки обеспечивают уменьшение потребляемой от сети реактивной мощности и повышение энергетических показателей электропривода в сравнении с известным электроприводом. Кроме того, улучшаются динамические показатели привода за счет увеличения динамического момента двигателя, который возрастает, так как 5 отработка динамического падения частоты вращения идет при возрастании двух составляют тока;, i<>d и х,.

Формула изобретения

1 ° Частотно-регулируемый электропривод, содержащий асинхронный двигатель, подключенный через датчик фазных напряжений и датчик фазных токов к выходам силового преобразо5 вателя частоты, тахогенератор, установленный на валу асинхронного двигателя, первый блок сравнения, подключенный выходом к входу регулятора частоты вращения, формирователь заданий тока статора с двумя входами составляющих тока и входом частоты, первый преобразователь двухфазного сигнала в трехфазный, подключенный входами к соответствующим выходам формирователя заданий тока статора, а выходами через формирователь управляющих воздействий — к управляющим входам силового преобразователя частоты, блок вычисления ЭДС, подключенный выходами к соответствующим входам второго преобразователя двухфазного сигнала в трехфазный, масштабный усилитель, подключенный выходом к одному из входов сумматора, и блок умножения, при этом первый вход первого блока сравнения предназначен для подачи управляющего сигнала., второй вход объединен с другим входом сумматора и подключен к выходу тахогенератора, а выход регулятора частоты вращения подключен к входу масштабного усилителя и к одному входу составляющей тока формирователя заданий тока статора, выход второго преобразователя двухфазного сигнала в трехфазный и выход датчика фазных токов подключены к другим соответствующим входам формирователя управляющих воздействий, отличающийся тем, что, с целью повышения энергетических показателей путем уменьшения потребляемой от сети реактивной мощности, введены второй блок сравнения, регулятор потока, блок определения тока намагничивания, функциональный преобразователь тока намагничивания в поток и преобразователь напряжение — частота, подключенный входом к выходу сумматора, а выходом — к входу частоты формирователя заданий тока статора, при этом первый вход второго блока сравнения объединен с первым входом первого блока сравнения, второй вход второго блока сравнения подключен к выходу функционального преобразователя тока намагничивания в поток, а выход через регулятор потока подключен к другому входу составляющей тока формирователя заданий тока статора, входы блока умножения подключены к выходам сумматора и регулятора потока, а выход — к одному из входов блока вычисления ЭДС, другой вход которого подключен к выходу преобразователя

1453574 напряжение — частота, входы блока определения тока намагничивания подключены к выходам датчиков фазных напряжений и токов а выход — к од9

5 .ному из входов функционального преобразователя тока намагничивания в поток, другой вход которого подклю- . чен к выходу регулятора частоты вращения. 10

2. Электропривод по п. 1, о т л ич а ю шийся тем, что формирова тель заданий тока статора снабжен двумя генераторами функций Уолша для формирования синусоидальных и косинусоидальных колебаний соответственно, восемью блоками аналоговых ключей, четырьмя блоками задания весовых коэффициентов, двумя инвертораий, :вычитателем и сумматором, при этом обьединенинные между собой входы указанных генераторов функций Уолша и входы инверторов образуют соответственно вход частоты и входы составляющих тока формирователя заданий 25. тока статора, выход первого генератора Уолша для формирования синусоидальных функций соединен с управляющими входами первого, второго, третьего и четвертого блоков анало- gg говых ключей, выходы первого и вто- рого блоков аналоговых ключей соединены с входами первого блока задания весовых коэффициентов, выход которого соединен с первьпк входом вычитателя, выходы третьего и четвертого блоков аналоговых ключей соединены с входами второго блока задания весовых коэффициентов, выход которого соединен с первым входом сумматора, выходы второго генерато- . ра функций Уолша для формирования косинусоидальных функций соединены с управляющими входами пятого, шестого, седьмого и восьмого блока аналоговых ключей, выходы пятого и шестого блока аналоговых ключей соединены с входами третьего блока задания весовых коэффициентов, выход которого соединен с вторым входом сумматора, выходы седьмого и восьмого блока аналоговых ключей соединены с входами четвертого блока задания весовых коэффициентов, выход которого соединен с вторым входом вычитателя, неуправляющие входы второго и шестого блока аналоговых ключей соединены с входом первого инвертора, подключенного выходом к неуправляющим входам первого и пятого блока. аналоговых ключей, неуправляющие входы четвертого и восьмого аналоговых ключей соединены с входом второго инвертора, подключенного выходом к неуправляющим входам третьего и седьмого блока аналоговых ключей, а выходы вычитателя и сумматора образуют выходы формирователя заданий тока статора.

1 453574

Фие.

Составитель А. Жилин

Редактор Н. Яцола Техред М.Дидык

Корректор 3. Романенко

Эаказ 7300/54 Тираж 548

ВНКПШ ии. Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4