Электропривод переменного тока

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для регулирования момента, скорости и положения рабочих органов производственных механизмов, для привода роботов, в станках с числовым программным управлением. Целью изобретения является повышение энергетических и динамических показателей. Указанная цель достигается тем, что в электропривод переменного тока введен адаптивный регулятор (АР) 7 момента с двумя входами и тремя выходами. АР 7 снабжен блоком 8 управляемого ограничения, двумя блоками 9,10 деления, четырьмя блоками 11,12,13,14 нелинейности, двумя блоками 15,16 выделения модуля, апериодическим звеном 17 и двумя сумматорами 18,19. Первый вход АР 7 подключен к выходу пропорционально-интегрального регулятора 6 скорости. Второй вход АР 7 подключен к выходу датчика 3 частоты вращения. Первый выход АР 7 подключен к управляющему входу импульсного преобразователя (ИП) 2 тока. В электроприводе обеспечивается инвариантное и оптимальное управление моментом во всем требуемом диапазоне изменения момента и частоты вращения. Это достигается адаптивным управлением в динамике и статике степенью использования магнитопровода путем связанного изменения момента и амплитуды потокосцепления ротора, взаимосвязанных действий над фазой, частотой и амплитудой тока статора с помощью АР 7. 6 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ.

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

PECflYEiflHH (51) 4 Н 02 P 7/42

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР (21) 3739068/24-07 (22) 11.05.84 (46) 15.10.89 Бюл. N 38 (71) Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по автоматизированному электроприводу в промышленности, сельском хозяйстве и на транспорте (72) В.А.Мищенко (53) 621.313.333.072.9(088,8) (56) Патент СССР В 548220, кл. Н 02 P 5/402, 1971 °

Авторское свидетельство СССР

У 1458962, кл. Н 02 P 7/42, 1984. (54) ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для регулирования момента, скорости и положения рабочих органов проиэводственньм механизмов, для привода роботов, в станках с числовым программным управлением. Целью изобретения является повышение энергетических и динамических показателей. Укаэанная цель достигается тем, что в электро„„Я0„„1515322 А 1

2 привод переменного тока введен адаптивный регулятор (АР) 7 момента с двумя входами и тремя вьмодами. АР 7 снабжен блоком 8 управляемого ограничения, двумя блоками 9 и 10 деления, четырьмя блоками 11, 12, 13 и

14 нелинейности, двумя блоками 15 и

16 вьщеления модуля, апериодическим звеном 17 и двумя сумматорами 18, 19.

Первый вход AP 7 подключен к выходу пропорционально-интегрального регулятора 6 скорости. Второй вход AP 7 подключен к выходу датчика 3 частоты вращения. Первый выход AP 7 подключен к управляющему входу импульсного преобразователя (ИП) 2 тока. В электро- с2 приводе обеспечивается инвариантное

9 и оптимальное управление моментом во всем требуемом диапазоне изменения момента и частоты вращения. Это дости- С гается адаптивным управлением в динамике и статике степенью использования магнитопровода путем связанного изме- фЫ пения момента и амплитуды потокосцеп- д ления ротора, взаимосвязанных действий над фазой, частотой и амплитудой тока статора с помощью АР 7. 6 ил. ©

3 151532

Изобретение относится к электротехнике, в частности к регулируемому асинхронному электроприводу, и может быть использовано для регулирования

5 момента, скорости и положения рабочих органов производственных механизмов, оснащенных асинхронными электроприводами, которые включают импульсный инвертор, асинхронный двигатель с ко- 10 роткозалкнутым ротором и датчик скорости, например для электроприводов роботов, электроприводов подачи и главного движения станков с числовым программным управлением. !5

Целью изобретения является повышение энергетических и динамических показателей за счет повышения развиваемого ускорения, уменьшения потерь и нагрева двигателя, увеличения исполь- 20 зования двигателя по моменту и мощности и расширения диапазона регулирования скорости .

На фиг. 1 представлена функциональная схема электропривода переменного тока; на фиг. 2-5 — характеристики блоков нелинейностей в адаптивном регуляторе момента; на фиг, 6 — диаграммы, поясняющие трехзонное изменение фазы тока статора и амплитуды 30 потокосцепления ротора в зависимости от требуемого момента и измеренной скорости.

Электропривод переменного тока со- 35 держит асинхронный двигатель 1 (фиг. 1), подключенный статорными обмотками к выходам импульсного преобразователя

2 тока, выполненный с управляющими входами для частоты и для ортогональ- 40 ных составляющих тока статора, датчик

3 частоты вращения, установленный на валу асинхронного двигателя 1, последовательно соединенные блок 4 задания скорости, элемент 5 сравнения и про- 45 порционально-интегральный регулятор

6 скорости, при этом другой вход элемента 5 сравнения подключен к выходу датчика 3 частоты вращения.

В электропривод переменного тока 5р введен адаптивный регулятор 7 момента, выполненный с двумя входами и тремя выходами и снабженный блоком 8 управляемого ограничения, двумя блоками 9 и 10 деления, четырьмя блоками 55

11-14 нелинейности, двумя блоками

15 и 16 выделения модуля, апериодическим звеном 17 и двумя сумматорами 18 и 19.

Вход блока 8 управляемого ограничения, образующий первый вход адаптивного регулятора 7 момента, подключен к выходу пропорционально-интегрального регулятора 6 скорости.

Выход блока 8 управляемого ограничения подключен к входу делимого первого блока 9 деления, а его управляющий вход — к выходу первого блока 11 нелинейности. Выход первого блока 9 деления подключен к входу делимого второго блока 10 деления, соединенного выходом с первым входом первого сумматора 18.

Входы делителей блоков 9 и 10 деления объединены между собой и подключены к выходу второго блока

12 нелинейности, соединенного входом с выходом апериодического звена 17.

Выход первого блока 9 деления подключен к входу третьего блока 13 нелинейности, соединенного выходом с входом первого блока выделения модуля, входы первого и четвертого блоков нелинейностей 11 и 14 объединены между собой и подключены к выходу второго блока 16 выделения модуля, вход которого объединен с вторым входом первого сумматора 18 и образует второй вход адаптивного регулятора 7 момента, подключенный к выходу датчика

3 частоты вращения.

Выход «етвертого блока 14 нелинейности и выход первого блока 15 выделе ыя модуля подключены к соответствующим входам второго сумматора 19, соединенного выходом с входом апериодического звена 17.

Выходы первого 18 и второго 19 сумматоров и выход первого блока 9 деления, образующие соответственно первый, второй и третий выходы адаптивного регулятора 7 момента, подключены соответственно к управляющим входам для частоты и для ортогональных составляющих тока статора импульсного преобразователя 2 тока.

Импульсный преобразователь 2 тока содержит преобразователь 20 аналогкод, выход которого соединен с входами двух постоянных программирующих запоминающих устройств 21 и 22. Выходы первого постоянного программирующего запоминающего устройства 21 соединены с цифровыми входами первого и второго цифроаналоговых преобразователей 23 и 24. Выходы второго постоянного программирующего запоминающего

322

5 515 устройства 22 подключены к цифровым входам третьего и четвертого цифроаналоговых преобразователей 25 и 26. Выходы четырех цифроаналоговых преобра-. зователей 23-26 подключены к входам

5 блока 27 сумматоров, три выхода которого через соответствующие узлы 28, 29 и 30 сравнения соединены с входами регуляторов тока 31, 32 и 33, выходы последних подключены к входам импульсного инвертора 34, три выхода которого через датчики 35, 36 и 37 мгновенного фазного тока подсоединены к асинхронному двигателю 1, вход преобразо- 15 вателя 20 аналог-код и объединенные между собой попарно аналоговые входы цифроаналоговых преобразователей 23, 25 и 24, 26 образуют соответственно управляющие входы для частоты и для 20 ортогональных составляющих тока статора импульсного преобразователя 2 тока.

Сущность функционирования электропривода переменного тока заключается в том, что скорость асинхронного двигателя 1 регулируют за счет адаптивного связанного регулирования момента двигателя и потокосцепления ротора и изменяемой степени насыщения магнитопровода путем адаптивного регулирования и трехэонного переключения струк. структуры регулирования фазы тока статора, При этом фазу тока изменяют с помощью четырех блоков нелинейности

11-14, характеристики которых показаны соответственно на фиг. 2-5, как сумму двух взаимосвязанных составляющих фазы, одну из которых образуют разверткой синхронной частоты, соот- 40 ветствующей требуемой частоте потокосцепления ротора и равной сумме величины измеренной частоты вращения и управляемой составляющей синхронной частоты, а вторую образуют трехзонным пе-15 ремещением связи между моментообразующей и потокообразующей составляющими тока в зависимости от требуемого момента, измеренной частоты вращения и граничных уровней требуемого момента и измеренной частоты вращения (фиг.6), причем вторую составляющую фазы, равную фазе тока статора относительно потокосцепления ротора, задают постоянной и равной +45 при превышении граничного момента до достижения граничной частоты вращения (фиг.б,в,г), а в зонах ниже граничного момента и выше граничной частоты вращения вторую составляющую фазы изменяют в за-, висимости от требуемого момента (фиг.

6 а,б) и измеренной частоты вращения (фиг. 6, д,е) соответственно °

При этом управляемую составляющую синхронной частоты, асинхронную частоту, равную скорости изменения второй составляющей фазы, амплитуду тока статора и потокообраэующую составляющую тока образуют процессом выполнения взаимосвязанных действий над требуемым моментом электропривода, измеренной частотой вращения и потокообразующей-составляющей тока путем вычисления текущей амплитуды потокосцепления ротора в зависимости от потокообразующей составляющей тока и От характеристики намагничивания двигателя (фиг.3) и путем вычисления управляемой составляющей синхронной частоты и моментообразующей составляющей тока в обратной зависимости от вычисленной амплитуды потокосцепления ротора, а потокообразующую составляющую тока изменяют в зависимости от вычисленной моментообраэующей составляющей тока путем переключения их связи в зависимости от граничных величин и частоты вращения (фиг. 4 и 5), причем вектор тока статора i5 задают с помощью адаптивного регулятора 2 момента тремя параметраии (фиг, 6), требуемой синхронной частотой и", требуемой моментообразующей составляющей тока статора i сдвинутой по фазе отноSx сительно потокосцепления ротора о на + 90, и требуемой потакообразующей составляющей тока статора

5у 1 синфазной по Отноше. ию к потокосцеплению ротора y . Цифроаналоговым способом преобразуют указанные параметры тока статора в требуемые величины мгновенных фазных токов которые отрабатывают способ широтно-импульсной модуляции расс Огласования заданного i+ i« i* и дей5ць 5y SC ствительного мгновенного фазного тока

is 1 5$ 1 Sc с пОмощью внутреннего контура регулирования вектора тока статора и импульсн ого инвертора.

При этом адаптивное регулирование фазой тока статора производят по двум критериям одновременно (что определяет характеристики блоков нелинейности и переключений связей параметров в структуре электропривода): по динамическому критерию инвариантного управления моментом дви1ателя (равен1515322 ство требуемого момента М» и действительного момента М во всех режимах) ММ* и по энергетическому критерию оптимального по максимуму момента двигателя управления магнитным полем (потокосцепление ротора V„) при ограни- 10 чениях по току статора i и напряженйю статора U> (2) М макс

15 5 1 5 Co AS%. 5 маркс (4) з П д макс

20 где 1 заданная максимальная или текущая величина мгновенной амплитуды тока статора;

U „ „; максимально достигаемая мгновенная амплитуда напряжения статора. указанным процессом взаимосвязанных действий над электроприводом достигают одновременного выполнения усло-30 вий (1)-(4) во всем диапазоне изменения момента и частоты вращения до значений, в несколько раэ превышающих номинальные величины момента и частоты вращения, с учетом энергетических 5 воэможностей импульсного преобразователя тока.

Электропривод переменного тока работает следующим образом.

В начальном состоянии электропри- 40 вода отсутствуют напряжения на входах элемента 5 сравнения U = О, U „ = О и на выходе пропорционапьноийтегрального регулятора скорости

6 получают U „ = О. На входах адаптив-. 45 ного регулятора 7 момента напряжения равны нулю (U = О,U „, О), в связи с чем напряжения на выходах блока 8 управляемого ограничения, первого 9 и второго 10 блоков деления также равны нулю (U,,„=- О, Бд„, О). Как следует из характеристики "вход-выход" первого блока 11 нелинейности (фиг. 2), его выходное напряжение Од„ при U О также равно нУлю. Напряже- 55 ние на выходе второго блока нелинейности 12 определяется характеристикой "вход-выход", изображенной на фиг. 3, в функции потокообразукицей составляющей тока статора i, которая в начальном состоянии электропривода определяется начальным участком

i* „, третьего блока 13 нелинейности. Начальное выходное напряжение блока 13 нелинейности

1з

U ю ЬУс К

1 пропорциональное начальной потокообразующей составляющей тока статора в зависимости от коэффициента пекло редачи по току К ., устанавливают, как

1 показано на характеристике фиг. 4, в несколько раз меньше максимального напряжения задания потокообраэующей составляющей тока статора i „ в эависиЯУмакс мости от требуемой форсировки потокообразующей составляющей тока статора ц 1 у ма с

К т (5) (0) Ь 1 < YO +0 13

При отсутствии измеренной частоты вращения напряжение на выходе четвертого блока 14 нелинейности равно нулю, что следует из характеристики, представленной на фиг. 5.

Напряжение с выхода первого блока

15 выделения модуля поступает через сумматор 19 на вход апериодического где Кф,=2-20 — коэффициент форсировки потокообразующей составляющей тока статора, определяемый требуемым диапазоном изменения амплитуды потокосцепления ротора lv в зависимости от диапазона изменения требуемого момента М*.

Напряжение на входе второго блока

12 нелинейности, равное выходному напряжению апериодического звена 17, зависит от времени, постоянной времени апериодического звена и выходного напряжения третьего блока нелинейности 13 следующим образом.

На вьмоде первого блока 15 выделения модуля образуется напряжение положительной полярности, равное по величине начальному напряжению задания потокообразующей составляющей тока статора

I0 (9).

0,05 - н (10) (7) 5

9 1515322 звена 17, имеющего передаточную функцию: ил г где Т = — — — электромагнитная постоRã янная времени ротора, L„ — индуктивность ротора, R активное сопротивление ротора.

Установившееся значение выходного напряжения апериодического звена 17

U равно величине начального напря 5 жения потокообразующей составляющей тока U „„„= I U;,„!, а на выходе блока

"о

12 устанавливается начальное напряжение задания амплитуды потокосцепления ротора U+, в несколько раэ меньшее 20

Го максимального напряжения U„„ соответствующего требуемому максимальному потокосцеплению ротора М г макс при насыщении магнитопровода

% %

U9f макс 4 го г макс

U (8)

Кф, К Кф К„, где К ф„=2-10 — коэффициент форсировки амплитуды потока сцегления ротора 1 30

К вЂ” коэффициент передачи по потокосцеплению ротора.

При отсутствии измеренной частоты вращения (U „> = О) напряжение на выхо35 де второго блока 16 выделения модуля равно нулю.

Таким образом, в начальном состоянии электропривода на выходе адаптивного регулятора 7 момента, образован- 40 ном выходом сумматора 18, напряжение

0,,отсутствует, на втором выходе, образованном выходом первого блока 9 деления, напряжение U „ также отсутствует, а на третьем выходе, образо- 4 ванном выходом сумматора 19, устанавливается постоянное положительное напряжение IUisv I, в несколько раз

"о меньшее максимально возможного напряжения на третьем выходе. В резуль 50 тате этого импульсный преобразователь

2 тока формирует постоянный выходной ток is» в несколько раз меньший но о минального тока намагничивания создающего но нальн и ма тн и по- 55 ток в воздушном зазоре „ = Ь,„ i " н при этом величина i gv, составляет малую величину от номинального тока статора (порядка 5-207) Постоянный фаэный ток образуется вследствие того, что преобразователь

20 аналог-код и постоянные программируемые запоминающие устройства 21 и 22 не переключают дискретные выборки синус ной и косинус ной функции, ввиду отсутствия напряжения U на

ld S входе. Напряжения на выходах цифроаналоговых преобразователей 23-26 не изменяются, равны нулю на выходах цифроаналоговых преобразователей 23 и

25 и равнь: напряжению IU;,I на выходах цифроаналоговых преобразователей

24 H 26. В результате этого на выходе блока 27 сумматоров образуются три напряжения задания постоянных фазных токов U;,, U; b U которые поступают через узлы 28, 29 и 30 сравнения на входы регуляторов 31, 32 и 33 тока и отрабатываются импульсным инвертором 34 благодаря пофаэной отрицательной обратной связи по мгновенному фазному току, реализуемой с помощью датчиков 35, 36 и 37 мгновенного фазного тока, выходные напряжения которых поступают на входы элементов 28, 29 и 30 сравнения.

В фазных обмотках статора асинхронного двигателя 1 устанавливается постоянный ток, соответствующий неподвижному начальному состоянию вектора тока статора iz при этом модуль вектора тока статора равен начапьной потокообразующей составляющей тока статора i с =,, в результате чего в асинхронном двигателе 1 образуется постоянное начальное потокосцепление ротора, амплитуда которого в несколько раз меньше максимальной амплитуды г макс r макс фп

Так как векторы тока статора i и потокосцепления ротора „ неподвижны и совпадают по направлению, ro фазовый угол между ними равен нулю, начальный момент равен нулю (И=О), частота вращения равна нулю, напряжение на выходе датчика 3 частоты вращения отсутствует (U = О).

При подключении к входу элемента

5 сравнения напряжения задания час!

2 3)(i lsx (14) M*, = Kм Uìэ

15 (12)

МФ =М М„э (15) (13) 1,о = О, 05»0, 5

Uì

+.

ВГ 155 йы = — -L

s 1 д1 q lf го

11 151532 тоты вращения U» на выходе пропорционально-интегрального регулятора 6 скорости образуется скачок напряжения

О,„, пропорционального требуемому моменту где К вЂ” коэффициент передачи электропривода по моменту. 10

Величины скачкообразного приращения напряжения U и требуемого момента М* зависят .от коэффициента усиления пропорциональной части регулятора и величины запания. При малых сигналах задания U z 4 U „ /К скачкообразное приращение. требуемого мо- мента в первый момент времени не превьппает граничный уровень требуемого момента M = К,„ У „... составляющего величину, в несколько раз меньшую номинальнorо момента М „ где р, — относительный момент граничного уровня, 30

Зона изменения требуемого момента от M+ = О до + М* определяет первую о зону регулирования фазы тока статора с помощью адаптивного регулятора 7 момента следующим образом. 35

Скачок требуемого момента М М, не превышает минимальный уровень ограничения требуемого момента, задаваемый с помощью блока 8 управляемого ограничения, в связи с чем на вход первого 40 блока 9 деления поступает выходное напряжение пропорционально-интегрального регулятора скорости 6

Так как на втором входе блока 9 деления начальное напряжение U q мало, г то на его выходе напряжение задания моментообразующей составляющей тока 50 статора U;s„ = isx/К, скачкообразно возрастает, причем скачок напряжения

Б;и„ тем больше, чем выше U и U ® о и чем ниже U « . Величина скачка 0; „ го не превьппает величину, ограничиваемую 55 с помощью адаптивного регулятора 7 момента заданным начальным потокосцепле— нием ротора согласно условию (11) и выражениям (5)-(10):

4,, Скачкообразное увеличение выходного напряжения блока 9 деления приводит к скачку напряжения на выходе второго блока 10 деления.

Напряжение на выходах первого 11 и второго 12 блоков нелинейности отсутствует.

В первой зоне регулирования при малых значениях трубемого момента

M < M, Ьорсировка выходного напряже" ния первого блока деления 9 U;s, меньI

Ъ

1 SXe ше граничного уровня U;s„

1 который задан характеристикой третьего блока 13 нелинейности (фиг. 14), так как граница излома нелинейности

i (i Ä) определяется в точках +i с помощью настройки блока, исходя из следующей связи параметров электропривода isx, M,, 4 г, . <- . + 2 Тг Мо

sxî <хо 31 ? р м r где Z р — число пар полюсов, 1. — взаимная индуктивность.

Как следует из схемы на фиг. 1 и характеристики на фиг. 4, выходное напряжение первого блока 9 деления йоступает на вход третьего блока 13 нелинейности, но при 1 i „ (! i „,!не изменяет выходное напряжение задания потокообразующей составляющей тока . Выходные напряжения блоков 14з"о

17 и 19 также сохраняются на указанных вьппе начальных уровнях. На выходе сумматора 18 образуется скачок напряжения задания управляемой составляющей синхРонной частоты йоши, которая за дается с помощью второго блока 10 деления равной отношению моментообразующей составляющей тока к амплитуде потокосцепления ротора: где индексом * отмечены требуемые (эадаваемые системой регулирования) параметры асинхронного двигателя.

При отсутствии измеренной частоты вращения (U „> = О) напряжение на выходе сумматора 18 и на первом входе импульсного преобразователя 2 тока равно напряжению задания управляемой

1515322

14 составляющей синхронной частоты

U д,„,= U s, но в первый момент времени преобразователь 20 аналог-код и постоянные программируемые запоми- . наюцие устройства 21 и 22 определя5 ют начальную фазу синусной и косинусной функции q так как эта фаза дискретно изменяется на одну дискрету лишь после прихода импульса развертки напряжения U > через интервал времени dt;, равный:

2 ю (17)

К к Uu>si

t5 где К „— коэффициент передачи по частоте преобразователя аналог-код

0,д . — входное напряжение преобра1 20 зователя 20 аналог-код на

i-м интервале времени.

С помощью цифроаналоговых преобразователей 23-26 образуются четыре напряжения, величина KQTopbIx определя- 25 ется произведением второго и третьего входных аналоговых напряжений импульсного преобразователя 2 тока U;s„, U;s„ на начальные выборки синусной и косинусной функций sing и cosy, опрело 30 деляемые соответственно первым и вторым постоянными программируемыми запоминаюцими устройствами 21 и 22, которые предварительно программируют по синусному и косинусному закону соответственно. 35

С помощью указанных цифроаналоговых преобразователей и блока 27 сумматоров путем попарного суммирования выходных напряжений цифроаналоговых

40 преобразователей производится преобразование четырех напряжений в двухфазное напряжение U;s„, U,> согласно известному преобразованию декартовых координат из вращающейся системы координат К, Y (с синхронной скоростью с5 ) в неподвижную систему координат

Й (ориентированную относительно неподBHKHOA оси фазы а статора):

О. „= U. cosy - U,,„s1n ц ; (18)

Ui» = U;» sin ys + U; „cos qs, (19)

С.помоцью блока 27 сумматоров двухфазное напряжение U;s< U s преобразуется в трехфазное напряжейие задания мгновенных фазных токов статора:

11;, 11 „,<, U;, ); (21) 1 б

U. - -(— -U — — - U. (22) $С р

1Sx

F = g + arctg --.—

S S

Sw (23) В результате скачка фазы тока статоРа Cs 9, + F y гДе втоРаЯ составляющая фазы тока статора в первой зоне регулироваьия равна

15к

Š= arctg —.—

S>, (24) образуется импульс момента M „„= M асинхронного двигателя 1. Поддержание

4момента M = M на уровне первоначального импульса И „„„ обеспечивается тем, что через малый промежуток времени дс, опредепяемьп согласно (17) разрядностью кода, происходит переключение дискретньм выборок синусной и косинусной функций с помощью постоянньм программируемых запоминающих устройсpB

21 и 22, начальная синхронная фаза ( о получает прирацение а q в положительном или отрицательном направлении, что определяется положительной или отрицательной полярностью напряжения шS (25) где К; — количество дискрет положительного направления;

1 — количество дискрет отрицательного направления.

В результате указанного изменения синхронной фазы ys образуется частота потокосцепления ротора ц т

Управляющее трехфазное напряжение задания мгновенных фазных токов U,„

U. U;„ c вьмодов блока 27 суммато-. ров поступает на задающие входы узлов

28, 29 и 30 сравнения, преобразуется в управляющие импульсы с помощью регуляторов 31, 32 и 33, силовые ключи импульсного инвертора 34 переключаются и с помоцьо внутреннего контура регулирования мгновенного фазного тока согласно преобразованиям (18)-(22) отрабатывается скачок фазы тока статора Cs асинхронного двигателя

did дус (4

dt ас; которая возникает в связи с изменени5 ем мгновенных фазных токов с частотой синхронной с частотой потокосцеплени я ротора.

Синхронное вращение векторов тока статора и потокосцепления ротора с 10 частотой ыз= дым после скачка фазы тока на угол E q, определяемый условием (24), обеспечивает поддержание угла между векторами тока статора i и

Э потокосцепления ротора „на уров- 15 не E. q(M "), определяемом требуемым моментом М, в результате чего выполняется условие (1) поддержания действительного момента двигателя М, равного требуемому моменту М», возни- 20 кает ускорение ротора, скорость асинхронного двигателя возрастает,напряжение с выхода датчика 3 частоты враще- ния поступает на вход элемента 5 сравнения и на вход адаптивного регулятора 5

7 момента, выпрямпяется с помощью второго блока 16 выделения модуля и пос.тупает на входы первого 11 и четвертого 14 блоков нелинейности.

При частоте вращения ниже граничного уровня частоты вращения Ы,, как следует из характеристики блока 11 нелинейности (фиг. 2) и блока 14 нелинейности (фиг. 5), изменение часто" ты вращения ь не приводит к появлению 35 напряжения на выходах первого.11 и четвертого 14 блоков нелинейности.

Одновременно напряжение с выхода датчика 3 частоты вращения поступает на второй вход сумматора 18, в резуль-40 тате чего в адаптивном регуляторе 7 момента образуется положительная обратная связь по частоте вращения для формирования синхронной частоты

=(и+ ь (d и обеспечения синхронного . 45, вращения векторов тока статора и потокосцепления ротора

11(.) + 114ЮЯ

1515322 l6 согласно выражению (24) от С 10 приM =M = О до v 45 приМ" =

=M =+M Это следует иэ (24) и условия i < i >„в первой зоне регулироК0 вания согласно характеристике блока

13 нелинейности .(Фиг. 4) и векторной диаграмме на фиг. 6.

На фиг. 6а показано изменение взаимного положения векторов тока статора i и потокосцепления ротора в первой зоне регулирования при постоянстве величины (амплитуды) потокосцепления ротора 9„= М, (фиг. бб) при различных моментах М -М, меньших М,.

Действие интегральной части пропорционально-интегрального регулятора 6 скорости приводит к нарастанию требуемого момента в положительном направлении (М,, M ) либо в отрицательном наФ правлении (M» M ), что вызывает соответствующее изменение фазы тока согласно (23) и фазового угла между током статора и потокосцеплением ротора ЕЧ согласно (24) и обеспечивает инвариантное управление моментом в.соответствии с уравнением (1) в первой зоне регулирования.

Во второй зоне регулирования, которая образует при превышении требуемого момента M и граничного уровня

М, определяемого условием (12), структура электр опривода переключается благодаря переключению связи входа и выхода блока 13 нелинейности, определяемой характеристикой, изображенной на фиг. 4.

В результате этого переключения структуры электропривода фаза тока статора Е> изменяется во второй зоне регулирования как сумма синхронной фазы с э и постоянного фазового сдвига

Е = + 45,. Синхронная фаза (P образуется разверткой синхронной частоты

ыз, которая изменяется как сумма измеренной частоты вращения ротора и управляемой составляющей синхронной частоты д з, т. е.

В первой зоне регулирования электропривод работает с малым постоянным потокосцеплением ротора М„,= ю на начальном участке характеристики намагничивания (фиг. 3) при фазовых уг55 лах между током статора и потокосцеплением ротора Е, определяемых требуемым моментом М и пропорциональной ему моментообраэующей составляющей тока (27) s = о + 4 .

Rã 15х а > -- Ь „, -- -т

1.„ " Ч „ С) (28) причем управляемая составляющая синхронной частоты, соответствующая скольжению потокосцепления ротора относительно ротора, изменяется с помощью блока- 10 деления по закону

22 18 5х яхонт (29) (30) ЬУ эк

>5К

Eq- >« S зу (31)

45 г. где L

l1l эу (34) 17 15153

Фазовый сдвиг С, тока статора относительно потокосцепления ротора во второй зоне регулирования задается с помощью задания другой связи потоко5 образующей составляющей тока статора

° Ф

= x „и моментообразующей составляющей тока статора i „= i»,,,,определяемой характеристикой третьего блока 13 нелинейности при условии 10

С помощью последовательно соединенных третьего блока 13 нелинейности и 15 первого блока 15 выделения модуля согласно характеристике на фиг. 4 при условии (29) на третий потокообразующий вход импульсного преобразователя

2 тока во второй зоне регулирования 20 поступает изменяемое во времени напряжение U;» задания потокообраэующей составляющей тока статора i,„, в результате чего при обеспечении условия (28) с помощью блока 10 деления 25 потокообразующая составляющая тока статора д у равна по величине моментообразующей составляющей тока статора

is»

В связи с этим во второй зоне регулирования поддерживается постоянный фазовый сдвиг между током статора и потокосцеплением ротора, определяемый законом регулирования

При этом абсолютная фаза тока статора Е5 которая непрерывно изменяется от начальной фазы ц с помощью адаптивного регулятора момента 7 и импульсного преобразователя тока 2, задается по закону:

Н

Е =ч,+ Ki дч- 1 дм+ — -, (32) где 4 з = qэ + К; 6Ч5 1 11 4э - синхронная фаза.

Во второй зоне регулирования момент асинхронного двигатепя 1 и потокосцепление ротора связанно изменяют- 5 ся, как показано на фиг. 6, благодаря изменению потокообразующей составляю. щей тока статора i „, которая связана с изменением требуемого момента М с помощью изменения выходных налряжений двух блоков деления 9 и 10 ввиду изменения напряжений на обоих их входах.

При изменении момента двигателя

М -M„ фазовый сдвиг f не изменяется по величине, а величина момента определяется изменяемыми величинами амплитуды тока статора i> <-i q „и амплитуды потокосцепления ротора 4Г,5- Vг1. (фиг. бв).

При высоких значениях момента М величина амплитуды потокосцепления рото1та изменяется нелинейно в зависимости от потокообраэующей составляющей тока статора у вследствие насыщения маг нитопр овода, что выражается уменьшением степени увеличения амплитуды потокосцепления ротора 4 „при увеличении момента двигателя (фиг. б,г) .

Условие инвариантного управления моментом (1) во второй зоне регулирования обеспечивается тем, что изменяемое во времени напряжение П; У задания потокообразующей составляющей тока статора i+ через сумматор 19 постуS J пает на вход последовательно соединенных апериодического звена 17 и второго блока 12 нелинейности, характерстика которого соответствует реальной характеристике намагничивания асинхронного двигателя ч „(i » ) (Фиг ° 3) °

В соответствии с уравнением (7) выl ходное напряжение апериодического . звена 17 изменяется во времени инерционно по отношению к изменению входного напряжения U>q„ c постоянной времени T равной постоянной времени, характеризующей изменение во времени амплитуды потокосцепления роторау (с):

Уменьшение взаимоиндуктивности L при росте амплитуды потокосцепления ротора согласно характеристике намагничивания 4>„(i „) и уравнению (34) учитывается уменьшением коэффициента передачи второго блока 12 нелинейности (фиг. 3), в результате чего вычисленная амплитуда потокосцепления ротора ", пропорциональная выходному напряжению второго блока нелинейнос(36) ЫгР н

30 (35) (37) 19 151532 ти 12 Uq соответствует действительной амплйтуде потокосцепления ротора

М„в асинхронном двигателе 1.

При насыщении магнитопровода и увеличении амплитуды потокосцепления ро5 тора вьппе номинальной величины с ростом момента выше номинального момента во второй зоне регулирования установившиеся значения потокообразующей и моментообразующей составляющих тока статора (i> = is„ ) нарастают в мень5у шей степени, чем в ненасыщенном состоянии магнитопровода ввиду нарастания налряжения U ц задания амплитуды потокосцепления ротора », подаваемого с выхода второго блока 12 нелиней-. ности на вторые входы блоков 9 и 10 деления, при этом амплитуда потокосцепления ротора может кратковремен- 20 но возрастать на 30-40Х относительно номинального потокосцепления ротора.

Вследствие этого для заданного во второй зоне требуемого момента

M ) M0 выполняется условие минимума тока

is = 1s =12 .I isxl = 2 1 мич

В динамике при ограниченном токе статора (условие (3) выполняется условие максимума момента (2).

Во второй зоне происходит адаптивное регулирование фазы, частоты и амплитуды тока статора и потокосцепления ротора, значения которых по-разному изменяются в динамике и статике, При больших возмущениях со стороны управления 0 или со стороны нагрузки электропрйвод из описанного началь-40 ного состояния скачком переключается во вторую зону регулирования, так как требуемый момент максимален М а начальное потокосцепление минимально и близко к нулю. На выходах 45 блоков 9 и 10 деления напряжение скачком возрастает до максимальных величин, что создает скачок моментообразующей и потокообразующей составляющих тока статора и синхронной частоты до их максимальных значений, вычисленная амплитуда потокосцепления ротора резко нарастает благодаря скачку входного напряжения апериодического звена 17 go его MRKcHMGJIhHblx значений 55

U = +U.

iS) мане " мацс

Резкое форсированное нарастание амплитуды потокосцепления ротора вызывает форсированное увеличение на2 20 пряжений на вторых входах блоков 9 и

10 деления и форсированное снижение моментообразующей и потокообразующей составляющих тока статора и управляемой составляющей синхронной частоты, при этом происходит скачкообразный фазовый сдвиг тока статора относительно потокосцепления ротора на угол 45" и адаптация электропривода к возмущающему воздействию при выполнении условий (1)-(3) за счет установления после завершения форсированного режима требуемой величины потокосцепления ротора, определяемой связью V,(М), см. фиг. 6, г.

В третьей зоне регулирования при повышении частоты вращения выше граничного уровня, определяемого условием где ы», = 0,5-1 — относительная граничная частота вращения, напряжение статора достигает своего максимального значения, в связи с чем инвариантное управление по условию (1) осуществляется с помощью адаптивного регулятора 7 момента при действии ограничения (4) путем снижения требуемого момента M снижения потокообразующей составляющей тока статора и снижения амплитуды потоксцепления ротора ц,(ы) .

Увеличение частоты вращения вьппе граничного уровня (36) приводит к появлению на выходах первого 11 и четвертого 14 блоков нелинейности напряжения, возрастающего с ростом измеренной с помощью датчика 3 частоты вращения напряжения U, êîòîðîå поступает на вход второго блока 16 выделения модуля, выпрямляется и после преобразования в первом блоке 11 нелинейности, характеристика которого приведена на фиг. 2, поступает на второй вход блока

8 управляемого ограничения.

На выходе блока 8 управляемого ограничения напряжение U „ задания требуемого момента M снижается, в результате чего задание требуемого момента

M+ тем меньше, чем выше частота вращения и чем вьппе ЬМ на выходе первого блока 11 нелинейности. Напряжение на выходе блока 9 деления уменьшается, в.

21

15153 а 1* — Д1

° 3f

5У зх эу (38) 25

Снижение напряжения U; „Hà выходе ! ,разностного сумматора 19 и на входе апериодического звена 17 приводит к снижению выходного напряжения второго 30 блока 12 нелинейности и уменьшению требуемой амплитуды потокосцепления ротора u>",. (ы ) .

Снижение выходного напряжения второго блока 12 нелинейности происходит 3 более интенсивно, чем снижение напряжения U; g „задания моментообразующей составляющей тока статор на выходе первого блока 9 деления, в связи с чем напряжение Удьд задания управляемой40 составляющей синхронной частоты йыз увеличивается с ростом частоты вращения о . В результате увеличения управляемой составляющей синхронной частоты йь) и увеличения фазового сдвига Е Q 45 абсолютная фаза тока статора изменяется как сумма двух составляющих фазы (39) 50 причем с ростом частоты вращения выше граничного уровня ьо, синхронная фаза . Ю и фазовый сдвиг E. увеличиваются тем интенсивнее, чем быстрее нарастает частота вращения д.

При увеличении частоты вращения требуемый момент И" снижается (М

М1,, М, ), амплитуда тока статора уменьшается (i z „„, i q,, i з „) (фиг. связи с чем одновременно уменьшаются моментообразующая и потокообразующая составляющие тока статора i» è амплитуда тока статора i уменьшается, как показано на фиг. 6, д, при этом 5 фазовый сдвиг E. между током статора и потокосцеплением ротора возрастает выше +45 ввиду ограничения напряжения статора. 10

Возрастание фазового сдвига Е происходит вследствие возрастания йапряжения на выходе четвертого блока 14 нелинейности согласно его характеристике, изображенной на фиг. 5. Напряже- 5 ние U4, „ задания снижения потокообраэующей составляющей тока статора d i с выхода четвертого блока 14 нелинейности поступает на вход сумматора 19, на выходе которого образуется снижен- 20 ное напряжение П; „ П;,„ задания потокообразующей составляющей тока статора

22 22

6,д), а амплитуда потокосцепления ротора падает (фиг ° 6, е) . Предельное увеличение частоты вращения до величины ы„„,ограничено условием достижения максимального фазового сдвига

E q = + 90, при котором установившееся значение амплитуды потокосцепления ротора равно нулю.

Таким образом, в устройстве обеспечивается адаптивное векторное связанное управление моментом и потокосцеплением ротора путем адаптивного регулирования фазы тока статора и трехкратного переключения структуры регулирования фазы тока статора как суммы взаимосвязанных синхронной фазы и фазового угла сдвига Я,, Повышение энергетических и динамических показателей достигаешься путем обеспечения ивариантного и оптимального управления моментом двигателя во всем требуемом диапазоне изменения момента и частоты вращения, предельного использования динамических и энергетических возможностей системы преобразователь тока — асинхронный двигатель при реально действующих в электроприводе ограничениях по току, напряжению, потерям и нагреву двигателя.

Инвериантное и оптимальное управление моментом достигается адаптивным управлением в динамике и в статике степенью использования магнитопровода путем связанного изменения момента и амплитуды потокосцепления ротора вплоть до глубокого насыщения магнитопровода, что достигается процессом взаимосвязанных действий над фазой, частотой и амплитудои тока статора с помощью адаптивного регулятора момента.

Энергетические показатели повьпиаются за счет увеличения КПД в результате снижения потерь во всех трех зонах регулирования благодаря обеспечению режима, близкого или совпадающего с режимом минимума тока в статике; увеличейия выходной мощности асинхронного двигателя как в режиме постоянного момента, так и в режиме постоянной мощности (граница между которыми показана на фиг. 2) в результате увеличения предельного момента (вплоть до

6-7-кратных значений) и предельной скорости при ограничениях по току статора, напряжения статора и суммарных греющих потерь, в том числе в диапа-

2 24

Нагрев асинхронного двигателя уменьшается за счет резкого снижения начальных потерь на возбуждение, уменьшения греющих потерь в обмотке статора и тока статора в установившихся режимах за счЕт минимизации тока статора для заданного момента двигателя; снижения в наиболее вероятных длительных режимах работы двигателя суммарных греющих потерь в двигателе, которые близки к минимально возможным во всем диапазоне регулирования момента и скорости.

Расширение диапазона регулирования скорости достигается за счет снижения коэффициента неравномерности вращения и погрешностей скорости при изменении нагрузки на нижней скорости м „„„ в результате быстродействующего регулирования фазы тока статора и обеспечения фазового сдвига между векторами тока статора и потокосцепления рогора (расширяется диапазон регулирования скорости снизу, уменьшается минимально возможная скорость

ы „„„при заданных погрешностях скорости; увеличения максимальной скорости путем адаптивного регулирования фазы тока статора, требуемого момента и амплитуды потокосцепления ро23 151532 зонах регулирования скорости, значительно превышающей номинальную скорость, снижения потерь на возбуждение при отсутствии требуемого момента вплоть до значений на три порядка ниже потерь на возбуждение в известных динамических системах регулирования асинхронного электропривода с постоянным потокосцеплением ротора за счет ð снижения начального значения потокообразующей составляющей тока статора вплоть до значений, обычно принятых ранее лишь для токов возбуждения двигателей постоянного тока с неэа- t5 висимым возбуждением, а именно до уровня, составляющего согласно выраже нию (9) 5Х от номинального тока двигателя, при этом потери на возбуждение, пропорциональные квадрату тока, 20 составляют величину, меньшую 0,37 от номинальных потерь в обмотке статора. тора.

Таким образом, максимальный момент асинхронного двигателя, ускорение и полоса пропускания могут быть повышены в 1,5-2 раза по сравнению с известчьпчи асинхронными электроприводами, длительно допустимый по условиям нагрева момент асинхронного двигателя может быть увеличен на 30-60Х а диапазон регулирования скорости может быть расширен в 2-4 раза.

Формул а изобретения

Электропривод переменного тока, содержащий асинхронный двигатель, подключенный статорными обмотками к выходам импульсного преобразователя тока, выполненного с управляющими входами для частоты и для ортогонапьных составляющих тока статора, датчик частоты вращения, установленный на валу асинхронного двигателя, последовательно соединенные блок задания скорости, элемент сравнения и пропорционально интегральный регулятор скорости, при этом другой вход элемента сравнения подключен к выходу датчика частоты

Динамические показатели асинхрон- 25 ного электропривода повышаются за счет увеличения ускорения электропривода в пускотормозных режимах путем обеспечения максимального момента то» ка статора при ограниченном токе ста- 30 тора; увеличения полосы пропускания асинхронного электропривода путем повышения предельно достижимого динамического момента во второй зоне регулирования увеличения быстродействия нарастания момента при малом начальном потокосцеплении ротора и малом начальном токе возбуждения при скачкообразном переходе из первой зоны регулирования во вторую зону за счет фор- 40 сировок моментообразующей и потокообразующей составляющих тока статора и форсировки управляемой составляющей синхронной частоты и частоты тока статора;увеличения ускорения и быстродейст- 45 вия нарастания скорости в третьей зоне регулирования вверх от граничной скорости sa счет плавного зависимого увеличения фазового сдвига между током статора и потокосцеплением ротора и обеспечения максимального момента при ограничении напряжения статора; увеличения быстродействия отработки возмущающих воздействий со стороны нагрузки за счет форсировок составляю"щих тока статора и частоты и увеличения вследствие этого компенсирующего момента двигателя (это повышает динамическую жесткость электропривода).

25 1 5153 вращения, отличающийся тем, что, с целью повышения энергетических и динамических показателей за счет повышения развиваемого ускорения, уменьшения потерь и нагрева двигате5 ля, увеличения использования двигателя по моменту и мощности и расширения диапазона регулирования скорости, введен адаптивный регулятор момента, выполненный с двумя входами и тремя выходами и снабженный блоком управляемого ограничения, двумя блоками деления,четырьмя блоками нелинейностей, двумя блоками выделения модуля, апери-15 одическим звеном и двумя сумматорами, при этом вход блока управляемого ограничения, образующий первый вход адаптивного регулятора момента, подключен к выходу пропорционально-инте- 20 грального регулятора скорости, выход блока управляемого ограничения подключен к входу делимого первого блока деления, а его управляющий вход - к выходу первого блока нелинейности, выход первого блока деления подключен к входу делимого второго блока деления, соединенного выходом с первым вкодом первого сумматора, входы делителей блоков деления объединены между собой 30

22 26 и подключены к выходу второго блока . нелинейности, соединенного входом с выходом апериодического звена, выход, первого блока деления подключен к входу третьего блока нелинейности, соединенного выходом с входом первого блока выделения модуля, входы первого и четвертого блоков нелинейностей объединены между собой и подключены к sbtходу второго блока выделения модуля, вход которого объединен с вторым входом первого сумматора и образует второй вход адаптивного регулятора момента,-,подключенный к выходу датчика частоты вращения, выход четвертого блока нелинейности и выход первого блока выделения модуля подключены к соответствующим входам второго сумматора, соединенного выходом с входом апериодического звена, а выходы первого и второго сумматоров и выход первого блока деления, образующие соответственно первый, второй и третий выходы адаптивного регулятора момента, подключены соответственно к управляющим входам для частоты и для ортогональных составляющих тока статора импульсного преобразователя тока.

1515322

° Ф

4(®то

Составитель А.Жилин

Редактор Л.Веселовская Техред А.Кравчук Корректор В.Гирняк

Закаэ 6291/54 Тираж 551 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по иэобретениям и открытиям прн ГКНТ СССР

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

Проиэводственно-иэдательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101