Электропривод

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в металлургической и машиностроительной промышленности. Целью изобретения является улучшение динамических свойств путем повышения быстродействия. В электропривод введен трехвходовый формирователь 13 управляющих напряжений. Входы формирователя 13 подключены соответственно к выходам регулятора 8 момента, регулятора 4 потокосцепления и датчика 7 частоты вращения. Выходы формирователя 13 подключены к управляющим входам преобразователя 11 координат, формирующего сигналы управления преобразователем 2 частоты в цепи статора асинхронного короткозамкнутого двигателя 1. С помощью формирователя 13 учитываются и компенсируются электромагнитные свойства асинхронного двигателя 1 с преобразователем 2 частоты и вводятся необходимые типовые свойства систем подчиненного регулирования. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1515324 (51) 4 Н 02 Р 7/42

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2 (54) ЭЛЕКТРОПРИВОД

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4300768/24-07 (22) 28.08.87 (46) 15. 10.89, Бюл. У 38 (71) Уральский политехнический институт им, С.М.Кирова (72) В.В.Белошабский, А.M,Âåéíãeð, 0,Н.Медунина, С.Ю.Потоскуев, И.М.Серый, Л.Х.Дацковский, И.С.Кузнецов, В.А.Скрыпник и Б.Л.Коринев (53) 621.313.333(088.8) (56) Патент ФРГ N 1941312, кл. Н 02 P 5/28, 1971.

Авторское свидетельство СССР

NI 656175, кл. H 02 Р 7/42, 1979. (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в металлургической и машиностроительной промышленности. Целью изобретения является улучшение динамических свойств путем повышения быстродействия. В электропривод введен трехвходовый формирователь 13 управляющих напряжений. Входы формирователя

13 подключены соответственно к выходам регулятора 8 момента, регулятора 4 потокосцепления и датчика 7 частоты вращения. Выходы формировате1515324 ля 13 подключены к управляющим входам преобразователя 11 координат, формирующего сигналы управления преобразователем 2 частоты в цепи ста5 ,тора асинхронного короткозамкнутого двигателя 1. С помощью формироватеИзо ретение относится к электротехнике, в частности к регулируемым электроприводам переменного тока с асинхронными короткозамкнутыми двигателями и непосредственными преобра — 15 зователями частоты или преобразователями частоты с широтно-импульсной модуляцией, и может быть использовано в ряде отраслей промышленности (металлургической, машиностроительной 20 и др.) для регулируемых по частоте вращения электроприводов быстроходных механизмов с повьппенными требованиями к точности поддержания заданных значений момента или частоты 25 вращения и быстродействию в переходных режимах.

Целью изобретения является улучшение динамических свойств путем повьппения быстродействия. 30

На фиг. 1 представлена функциональная схема электропривода с асинх ронным короткозамкнутым двигателем; на фиг. 2 — функциональная схема формирователя управляющих напряжений; на фиг. 3 — векторная диаграмма асинх- ронного двигателя.

Электропривод содержит асинхронный двигатель 1(фиг. 1) с короткозамкнутым ротором, подключенный к выходам преобразователя 2 частоты, задатчик 3 потокосцепления, подключенный выходом к одному из входов регулятора 4 потокосцепления, задатчик 5 частоты вращения, подключенный выходом к одному 45 из входов регулятора 6 частоты вращения, датчик 7 частоты вращения ротора асинхронного двигателя 1, регулятор

8 момента, подключенный одним входом к выходу регулятора 6 частоты вращения, датчики 9 и 10 тока и напряжения фаз статора соответственно, блок 11 преобразования координат и блок 12 формирования сигналов обратных связей с выходами сигналов момента, потокосцепления и гармонических функций, подключенными соответственно к другому входу регулятора 8 момента, регулятора 4 потокосцепления и к опорля 13 учитываются и компенсируются электромагнитные свойства асинхронного двигателя 1 с преобразователем 2 частоты и вводятся необходимые типовые свойства систем подчиненного регулирования. 3* ил. ным входам блока 11 преобразования координат. При этом входы блока 12 формирования сигналов обратных связей подключены к выходам датчиков 9 и

10 тока и напряжения фаз статора, а выходы блока 11 преобразования координат соединены с управляющими входами преобразователя 2 частоты.

В электропривод введен трехвходовой формирователь 13 управляющих напряжений (фиг. 2), выполненный с элементами 14 и 15 деления, элементами

16-18 умножения, элементами 19 и 20 дифференцирования, нелинейным элементом 21, реализующим кривую намагничивания асинхронного двигателя 1, форсирующим звеном 22, пропорцио«альным звеном 23, фильтром 24, сумматорами 25-30, инверторами 31 и 32.

При этом первый вход формирователя 13 управляющих напряжений образован входом делимого элемента 14 деления, второй вход — объединенными вхо ами делителя элемента 14 деления, нелинейного элемента 21 и сумматоров

25 и 26, а третий вход — одним из входов сумматора 27, другой вход которого объединен с входом элемента 16 умножения и подключен к выходу элемента деления 15. Выход сумматора 27 подключен к объединенным входам элементов 17 и 18 умножения, выход элемента 14 деления подключен через форсирующее звено 22 к входу делимого элемента 15 деления, через первый инвертор 31 к входу элемента 16 умножения, к входу сумматора 28, через пропорциональное звено 23 к объединенным между собой входам элемента 17 умножения и элемента 19 дифференцирования, выход которого подключен к второму входу сумматора 28, третий вход которого соединен с выходом элемента 18 умножения. Выход элемента

16 умножения подключен к объединенным между собой входам сумматоров 26 и 29. Выход сумматора 26 через фильтр

24 подключен к входу делителя элемента 15 деления. Выход нелинейного (2) 1у=

Vgp

20 siny= — —, Vg

Юи . соя у = — — (3) 4 g

4)

5а,ь,с

2. 1. 1.

3 5 " 3 " 3

1 . 1

P3 5 b

2 1 1

3 vvs4 3 vsb 3 vvsc

1 1

7з ь з

25 d (6) 5Р (ба) ! Ц

1

2ТР(1+ТР)

Н Р

5 151 элемента 21 соединен с входом сумматора 29, выход которого подключен к объединенным между собой входам сумматоров 25 и 30 ° Выход сумматора

25 подключен к объединенным между собой входам элемента 18 умножения и элемента 20 дифференцирования, выход которого соединен с вторым входом сумматора 30, третий вход которого через инвертор 32 соединен с выходом элемента 17 умножения. Первый, второй и третий входы формирователя

13 управляющих напряжений подключены соответственно к выходам регулятора момента 18, регулятора потокосцепления 4 и датчика частоты вращения 7.

Выходы формирователя 13 управляющих напряжений, образованные выходами сумматоров 28 и 30, подключены к соответствующим управляющим входам блока 11 преобразования координат.

В системе автоматического регулирования (САР) электропривода образованы два замкнутых контура регулирования: внешний контур регулирования частоты вращения с регулятором частоты вращения и внутренний контур регулирования момента. Требуемое электромагнитное состояние двигателя обеспечивается контуром регулирования потока асинхронного двигателя.

Синтез CAP проведен на основе теории нелинейных многосвязных систем подчиненного регулирования и с учетом свойств асинхронного двигателя при питании от непосредственного преобразователя частоты или преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией как объекта регулирования.

Особенностью структуры CAP является использование вращающейся системы координат, ориентированной по основному потоку асинхронного двигателя.

Электропривод работает следующим образом.

Сигналы задания потокосцепления у и частоты вращения ь) . двигателя 1 с выходов задатчиков 3 и 5 поступают соответственно на входы регуляторов

4 и 6, где они сравниваются с сигналами действительных значений потокосцепления с и частоты вращения<.), поступающими от блока 12 формирования сигналов обратных связей и датчика 7 частоты вращения. Заданное значение момента m асинхронного двигателя с выхода регулятора 6 подается, на вход регулятора 8 момента, где

5324 6 сравнивается с сигналом действительного значения момента m, поступающим с соответствующего выхода блока

12.

Формирование в блоке 12 гармонических функций sin у, сов у осуществляется на основании сигналов токов— напряжений Ц „ Ь с фаз по соотношениям (использованы обозначения, общепринятые в аналитической теории машин переменного тока; все переменные и параметры, кроме времени и постоянных времени, представлены в относительных единицах):

m 9s> is>- y> 1з (1) sf, р +gQ g d, p l (4)

t(UrÄ r,,— .,r, )дЙ; (5) +s«ОПРЕДЕЛЯЮТСЯ С ПОМОщью операционных усилителей в режиме

35 интегрирования по формуле (5).

Регуляторы 4 и 8 потокосцепления и момента имеют передаточные функции:

40 где Т вЂ” постоянная времени выбираеР

1 мая в соответствии с требованиями к электроприводу и определяющая быстродействие

45 системы автоматического регу.лирования.

Регуляторы обеспечивают равенство момента и потокосцепления их заданным значениям в установившихся режимах

50 работы электропривода.

Выходные сигналы регулятора 8 момента (ш ), регулятора 4 потокосцепления („), датчика 7 частоты вращения (ы) подаются соответственно на

55 первый — третий входы формирователя

13 управляющих напряжений, на выходе которого формируются сигналы управления U для преобразователя частоты у, 2 на основании следующих уравнений, !

5!5324 описывающих работу асинхронного короткозамкнутого двигателя в системе координат Р, °, ориентированной по вектору основного потока двигателя (фиг. 3):

Ьр -Pu s ™"мV- +Г1

0 = Рагс +ыs Угg+ Г,.1г, 1 (8) (9) (10) (11)lP

1 5

»» = — 1» г Б

У >р гу ю (12) (13) f (i ), ll gn = 0 (14) !5 (15) (16) 4 Д> + 1 рх56» « »» = 1, Х,(» > ! + i,p Ь r". 1,""..Х г >

m Мф>»»

m w

1 = -1 (!x) з" а гiа

На выходе элемента деления 15 формируется сигнал ы аа по соотноше45 иию

r > (1+Тг Р? 1 ñR

Ы >

4 ггра гдето(Р)=1+ТР=1+ — -Р— х г6

Фз г6 Гr 50 передаточная функция форсирующего звена 21.

На выходе фильтра 24 с передаточ1 ной функцией W (P) = — — — — --- форми1+ Т.,Р руется сигнал V по соотношению гр

---.---(4 1 + Ва 1 гса ), (!9, 1 х

1+т.,Р " Г.

> 6 где д„ вЂ” угловая скорость вращения системы координат;

>s =ш„- о) — угловая скорость вра- 20 щения системы координат относительно ротора.

С помощью формирователя 13 управляющих напряжений, структура которого составлена в соответствии с структур- 25 ной схемой асинхронного двигателя и преобразователя частоты в двумерном контуре регулирования момента двигателя, учитываются и компенсируются электромагнитные свойства асинхронно- 30 го двигателя с преобразователем частоты и одновременно вводятся необходимые типовые свойства систем подчиненного регулирования (заданное быстродействие, стандартный характер переходных процессов и т,д.).

Сигнал ш на первом входе формирователя управляющих напряжений 13 с помощью элемента деления 14 преобразуется в сигнал

Нелинейный элемент 21 представляет кривую намагничивания в виде

f (q R) На выходе пропорционального звена

23 формируется сигнал

4> са = 1-аа х 6 . (20)

На выходе сумматора 29 формируется сигнал

На выходе сумматора 25 формируется сигнал (22)

На выходах сумматоров 28 и 30 формируются сигналы управления преобразователя частоты 2 по соотношениям:

1 и

1 чр К (P 4 s R " к >>>s R + r is а) (24) п

U р cos

Учр в1п 7

U„„„; (25)

+ Н,сову

UqqÄ Ä= б

+-2

> 3

Нч!

ЧЬ 2 ч»!

U = — — U ус = (26) Операции, реализуемые элементами дифференцирования 19, 20, выполняются с необходимой точностью, поскольку на вход формирователя управляющих напряжений поступают сигналы

mR,l!>gR, прошедшие фильтрацию.

Блоки 11 и 12 реализуются с помощью стандартных элементов функциональных устройств для электроприводов переменного тока УБСР-А — преобразователей фаз 3/2, преобразователей фаз 2/3, векторного анализатора, блока преобразования координат. Остальные элементы системы могут быть реализованы непосредственно по уравнениям, описывающим их работу, обычгде К „ — коэффициент передачи преобразователя частоты по напряжению, rss = r + г„°

r и — сопротивление эквивалентной схемы преобразователя частоты, Блок 12 преобразования координат формирует сигналы управления преобразователем 2 частоты U „,„ „ последовательно реализуя преобразование поворота координат на угол г и переход от двухфазной системы координат к трехфаэной по соотношениям:

1 ) 15324 ными средствами техники регулирования (масштабными сумматорами, интеграторами, нелинейными функциональными преобразователями, дифференцирующими и множительно-делительными элементами и т.д.) из типовых средств управления серии УБСР-АИ., Работоспособность предлагаемого устройства проверена путем моделирования процессов в электроприводе на

ЦВМ. При этом асинхронный двигатель моделировался по полной системе дифференциальных уравнений, а система регулирования моделировалась уравнениями, соответствующими показанным на фиг. 1 и 2 структурам.

Расчет переходных процессов показал, что динамические свойства предлагаемого электропривода во всем 20 диапазоне рабочих скоростей и нагрузок оказываются близкими к типовым свойствам систем подчиненного регулирования: процессы момента и скОрОсти близки к типОВым прОцессам

1 подчиненных систем автоматического регулирования; в динамике с удовлетворительной точностью поддерживаются заданные режимы.

Таким образом, введение в электропривод с асинхронным двигателем формирователя управляющих напряжений, снабженного элементами деления, умножения, дифференцирования, нелинейным элементом, форсирующим и пропор35 циональным звеньями, фильтром, сумматорами и инверторами позволило осуществить в отличие от известных решений достаточно полный учет свойств объекта регулирования (АСД с ПЧ).

3а счет этого достигаются высокие динамические показатели предлагаемого электропривода с асинхронным двигателем, что делает возможным его при- 45 менение для рабочих машин с высокодинамичным режимом работы, на которых традиционно используются тиристорные электроприводы постоянного тока (главные приводы и основные механизмы прокатных станов, транспортных средств и т.д.).

Формула и з обретения

Электропривод, содержащий асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, подключенный к выходам преобразователя частоты, эадатчик потокосцепления, подключенный выходом к одному иэ входов регулятора потокосцепления, задатчик частоты вращения, подключенный выходом к одному из входов регулятора частоты враще— ния, к другому входу которого подключен выход датчика частоты вращения ротора указанного асинхронного двигателя, регулятор момента, подключенный одним входом к выходу регулятора частоты вращения, датчики тока и напряжения фаз статора, блок преобразования координат и блок формирования-.сигналов обратных связей с выходами сигналов момента, потокосцепления и гармонических функций, подключенными соответственно к другому входу регулятора момента, другому входу регулятора потокосцепления и к опорным входам блока преобразования координат, при этом входы блока формирования сигналов обратных связей подключены к выходам датчиков тока и напряжения фаэ статора, а выходы блока преобразования координат соединены с управляющими входами преобразователя частоты, отличающийся тем, что, с целью улучшения динамических свойств путем повышения быстродействия, введен трехвходовый формирователь управляющих напряжений, выполненный с двумя элементами деления, тремя элементами умножения, двумя элементами дифференцирования, нелинейным элементом, реализующим кривую намагничивания асинхронного двигателя, форсирующим и пропорциональным звеньями, фильтром, шестью сумматорами, двумя инверторами, при этом первый вход формирователя управляющих напряжений образов н входом делимого первого элемента деления, второй вход образован объединенными входами делителя первого элемента деления указанного нелинейного элемента и первыми входами первого и второго сумматоров, третий вход формирователя управляющих напряжений образован одним из входов третьего сумматора, другой вход которого объединен с одним входом первого элемента умножения и подключен к выходу второго элемента деления, а выход третьего сумматора подключен к объединенным первым входам второго и третьего элементов умножения, выход первого элемента деления подключен к первому входу четвертого сумматора, через форсирующее звено к входу делимого второго эле1515324

12 мента деления, через первый инвертор — к второму входу первого элемента умножения и через пропорциональное звено — к объединенным между собой второму входу второго элемента умножения и входу первого элемента дифференцирования, выход которого подключен к второму входу четвертого сумматора, третий вход которого соединен с выходом третьего элемента умножения, выход первого элемента умножения подключен к объединенным между собой вторым входам второго и пятого сумматоров, выход второго сумматора через фильтр подключен к входу делителя второго элемента деления, выход укаэанного нелинейного элемента соединен с первым входом пятого сумматора, выход которого подключен к объединенным между собой второму и первому входам первого и шестого сумматоров соответственно, выход первого сумматора подключен к объединенным между собой второму входу тре5 тьего элемента умножения и входу второго элемента дифференцирования, выход которого соединен с вторым входом шестого сумматора, третий вход которого через второй инвертор соединен с выходом второго элемента умножения, первый, второй и третий входы формирователя управляющих напряжений подключены соответственно к выходам регулятора момента, регулятора потокосцепления и датчика частоты вращения, а выходы формирователя управляющих напряжений, образованные выходами четвертого и шестого сумматоров подключены к соответствующим управляющим входам блока преобразоаания координат

1515324

Фиа

Составитель А.Жилин

Техред А,Кравчук Корректор В.Кабаций

Редактор Л.Веселовская

Заказ 6291/54 Тирах 551 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям прн ГКНТ СССР

113035, Москва, Я-35, Рауаская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ухгород, ул. Гагарина, 101