Частотно-управляемый асинхронный электропривод

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

09) 01) 123 A2 (gg)g H 02 P 7/42

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

f10 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (61) 1290464 (21) 4705433/07 (22) 14.06.89 (46) 30.05.91, Бкл. ¹ 20 (71) Волжское объединение по производству легковых автомобилей (72) В,В . Кашканов, П .Т . Якомаскин, П.А. Иаврин и А.В, Белкин (53) 621.3 13 .333.072.9 (088 .8) ,(56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1290464, кл. Н 02 P 7/42, 1984 ° (54) ЧАСТОТНО-УПРАВЛЯЕМЫЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД (57) Изобретение относится к электротехнике, а именно к электроприводам на базе асинхронных короткозамкнутых двигателей. Целью дополнительного изобретения является улучшение эксплуатационных показателей путем уменьшения потерь и увеличения в переходных режимах развиваемой двигателем мощности. Это достигается введением задатчика 23 поперечной составляющей тока статора, выИзобретение относится к электротехнике, а именно к электроприводам на базе асинхронных короткозамкнутых двигателей.

Цель изобретения — улучшение эксплуатационных показателей путем увеличения развиваемой электродвигателем мощности в переходных режимах ,и уменьшения потерь.

На чертеже представлена функциональная схема частотно-управляемого асинхронного электропривода.

2 полненного с блоком 24 отражения минимального и максимального значений постоянного напряжения с узлом 25 сравнения и блоком 26 умножения. Задатчик 13 продольной составляющей тока статора выполнен с определителем 27 модуля вектора напряжения, определителем 28 модуля заданного тока статора, двумя линейными усилителями 29, 30, усилителем 31 с регулируемым ограничением, тремя узлами

32-34 сравнения и блоком 35 умножения . При э том об есп ечи ва ется ув еличение развиваемой двигателем 1 мощности в переходных режимах и формирование режимов его работы по критерию безусловного импульса энергетических потерь с автоматическим переходом к условному минимуму потерь при ограничениях тока и напряжения, что наиболее эффективно, например, в составе электромобиля с ограниченньы запасом энергии бортового источника. 1 ил.

Частотно-управляемый электропривод содержит асинхронный двигатель

1 с короткозамкнутым ротором, к обмоткам статора которого подключены фазные выходы регулируемого источ-ника 2 тока, последовательно соединенные формирователь 3 гармоничес- Я ких сигналов и блок 4 преобразования координат, выполненный с четырьмя цифроанапоговьми преобразователями 5-8, сумматорами 9-12 и подключенный выходами к управляющим вхо1653123 дам регулируемого источника 2 тока, эадатчик 13 продольной составляющей така статора, связанный вьгходом с одноименным управляющим входом блока 4 преобразования координат, част отно-импульсный датчик 14 частоты вращения, установленный на валу асинхронного двигателя 1, формирователь 15 частоты импульсов датчика

14 частоты вращения, выполненный с выходами для формирования частоты и знака частоты, подключенными к соответствующим входам преобразователя 16 частота-напряжение и соответствующим входам формирователя 3 гармонических сигналов, регулятор 17 скорости с узлом 18 сравнения, подключенным входами к выходам эадатчика 19 частоты вращения и преобразова-20 теля 16 частота — напряжение соответственно, при этом выход регулятора 17 скорости соединен с объединенными мвкду собой входами нуль-органа 20 и блока 21 выделения модуля, 25 выход которого подключен к входу преобразователя 22 напряжение — частота, выход которого и выход нульоргана 20 соединены соответствующими входами формирователя 3 гармонических сигналов.

В электроприводе эадатчик 23 поперечной составляющей тока статора выполнен с блоком 24 ограничения минимального и максимального значе35 ний постоянного напряжения, вход которого подключен к источнику питания регулируемого источника 2 тока, выход подключен к инвертирующему входу узла 25 сравнения, неин- 4 „ вертирующий вход которого предназначен для подключения единичной установки коэффициента ограничения тока. Выход узла 25 сравнения подключен к первому входу блока 26 умножения, второй вход которого подключен к выходу регулятора 17 скорости, а выход блока 26 умиажения, образую" щий выход эадатчика 23 поперечной составляющей тока статора, подклю50 чен к соответствующему управляющему входу блока 4 преобразования координат.

Задатчик 13 продольной составляющей тока статора выполнен с определителем 27 модуля вектора напряже55 ния, определителем 28 модуля заданного тока статора, двумя одноквадрант. ными неинвертирующимн: линейными усил ителями 29 и 30, усилителем 31 с регулируемым уровнем ограничения мини мального значения выходного сигнала, тремя узлами 32-34 сравнения и блоком

35 умножения. Ири этом входы определителя 27 модуля вектора напряжения предназначеныдля подключения импульсных управляющих сигналов силовыми ключа ми регулируемого источника 2 тока. Выход определителя 27 модуля вектора напряжения подключен к неинвертирующему входу первого узла 32 сравнения задатчика 13 продольной составляющей тока статора, инвертирующий вход которого предназначен для подключения уставки максимального значения модуля вектора напряжения, а выход подключен к входу первого одноквадрантного неинвертирующего линейного усилителя 29. Выход определителя 28 модуля заданного тока статора подключен к неинвертирующему входу второго узла сравнения 33 задатчика 13 продольной составляющей тока статора, инвертирующий вход которого предназначен для подключения уставки максимального значения модуля тока статора, а выход подключен к входу второго одноквадрантного неинвертирующего линейного усилителя 30.

Входы обоих одноквадрантных неинвер— тирующих линейных усилителей 29, 30 подключены к инвертирующнм входам третьего узла 34 сравнения задатчика 13 продольной составляющей тока статора. Неинвертирующий вход узла

34 сравнения предназначен для подключения уставки оптимального соотношения продольной и поперечной составляющих тока статора, а выход через усилитель 31 с регулируемым уровнем ограничения минимального значения выходного сигнала подключен к первому входу блока 35 умножения, выход которого, образующий выход задатчика 13 продольной составляющей тока статора, подключен к одному из входов определителя 28 модуля заданного тока".статора, другой вход кото- рого объединен с другим входом блока 35 умножения задатчика 13 продольной составляющей тока статора и подключен к выходу блока 21 выделения модуля. Другой вход усилителя

31 с регулируемым уровнем ограничения минимального значения выходного сигнала подключен к выходу формирова теля 15 частоты импульсов.

Сд ц =

=3!4 рад/с — номинальная круговая частота питающей сети.

Импульсы от датчика 14 с помощью

5 формирователя 15 частоты импульсов умножения на число, равное количеству пар полюсов р асинхронного двигателя 1. Частота следования импульсов на выходе .формирователя 15 равна

Я

Я Р 2а где 03 — частота вращения ротора,причем знак f определяется направлением вращения асинхронного двигате- ля 1.

Частота f гармонических сигналов поступающих с выходов формирователя гармонических сигналов 3 равна

= ФГ„) Н вЂ” Я вЂ” р

Цифровые коды гармонических сигналов поступают на соответствующие цифровые входы умножающих цифроаналоговых преобразователей 5-8. На опорные аналоговые входы цифроаналоговых преобразователей 5 и 6 с выхода задатчика 23 поступает сигнал заданного значения поперечной составляющей iz тока статора, а на опорные айалоговые входы цифроанало35 говых пр еобра зоват елей 7 и 8 — сигнал заданного значения продольной составляющей тока статора с выхода задатчика 13. С помощью цифроаналоговых преобразователей 5-8 сиг40 налы i, i с преобразуются в сигналы задания токов iz, i

, i i z (на выходах сумматоров 9, 11 и 12), которые поступают на управляющие входы релейных регуляторов 37 регулируемого источника 2 тока.

50 Функционирование задатчиков 13 и

23, формирующих заданные значения продольной и поперечной составляющих тока статора 1, основано на том, что в асинхронном электроприводе воз55 можно получение моментов, требуемых по условиям регулирования скорости при одновременном выполнении дополнительного критерия оптимизации. ОбычНо в установившихся режимах критери5 1653123

В блоке преобразования координат коды синуса и косинуса, поступившие с выходов формирователя 3 гармонических сигналов, подаются соответственно на объединенные цифровые входы первого 5 и третьего 7 цифроаналоговых преобразователей и на объединенные цифровые входы второго 6 и четвертого 8 цифроаналоговых преобразователей. При этом аналоговые входы первого 5 и второго 6 цифроаналоговых преобразователей объединены и образу ют вход по поперечной составляющей, а объединенные аналоговые входы третьего 7 и четвертого 8 цифроаналоговых преобразователей образуют управляющий вход по продольной составляющей.

Регулируемый источник 2 тока может быть выполнен с помощью трех полностью управляемых ключевых элементов 36, подключенных к выходам трех токовых репейных регуляторов 37, Частотно-управляемый асинхронный электропривод работает следующим образом.

Заданное значение скорости вращения асинхронного двигателя 1 с короткозамкнутым ротором, поступающее с выхода задатчика 19 скорости, сравнивается с действительным значением скорости с помощью узла 18 сравнения, Полученный сигнал рассогласования поступает на вход регулятора l7 скорости, выходной сигнал которого определяет начальную величину заданного значения поперечной составляющей тока статора во вращающейся ортогональной системе координат d q ориентированной осью d по вектору потокосцепления ротора.

С помощью блока 21 выделения модуля определяется модуль выходного сигнала регулятора 17 скорости, который через преобразователь 22 напряжение — частота определяет скорость вращения системы координат d q относительно ротора. Знак этой скорости определяется с помощью нуль-органа 20.

Частота следования импульсов fp на выходе преобразователя 22 напряжение — частота равна

РС <я

Е = г«2 > где z — количество импульсов на один оборот вала асинхронного двигателя 1;

1653123 ем оптимизации является критерий минимума потерь, выполнение которого возможно для всего диапазона частоты вРащения Ротора. Однако для электропривода важно so время разгона или торможения развивать максимально воз.можные значения мощности и момента.

Эти режимы достигаются только при максимальных значениях модулей векто- 10 рОЕ3 ТОКа СтатОра I(I 11 а ИЛИ Напряже ния j Ugl цх. Поэтому крйтерием оптимальности в этих случаях должны служить или максимализация мощности в условиях ограничения по напряжению . 15 или максимализация момента в условиях ограничения по току. Эти ограничения всегда существуют в реальных системах электропривода и обусловлены как предельными возможностями 20 элемент ов: силового пр еобразоват еля, так и источника энергии.

Выражение для любой из указанных оптимизируемых величин с использованием уравнений обобщенной машины можно записать в виде

Л =ОЕ(К), (1)

30 где 8 — физическая величина (электромагнитный момент, модуль тока или напряжения), при фиксированном значении которой необходимо найти экстремум оптимизируемой величины (потери, электромагнитный момент или мощность соответственно);

P(K) — функция, определяемая по уравнениям установившегося режима и зависящая от параметров машины, угло" 40 вой скорости и коэффициента связи К, который представляет собой отношение компонент вектора тока статора во вращающейся системе координат Й, К = id/i

Оптимальное значение коэффициента связи, соответствующее работе машины в режиме минимума потерь 50 (К = КО1, ), в Режиме максимализации момента (К = К ) и в режиме максимаТ лизацни мощности (К = К ) можно опреУ д елит ь и э условия:

55 аЛ(аК - O.

После этого по вычисленному значению коэффициента связи и по требуемой величине электромагнитного момента можно определить id u

Таким образом, в отношении величины коэффициента связи К можно вью;елить следующие режимы работы.

Если требуемая величина электромагнитного момента M и текущее значение частоты вращения ротора таковы, 1To Jot THFBIoTcB ITpH Ig((Тэ(,„1 11 EE U lC (U@1 ay то электродвигатель может работать в режиме минимальных потерь, т.е. К должен быть равен

К опт

Если М и и таковы, что достигаются толькО при (I >j a j I+(„, { Б (ПВ а и КФК „, те величина К должна выбираться из диапазона Кщ

К в функции поддержания напряжения

Ч на уровне f Url = t Ugl а„,.

Если N и п таковы, что достигаютСЯ ТОЛЬКО ПРИ I Т вЂ” Т )п111и ° У5(( 05(и К Кват то величина К долж5 П1а» на выбираться из диапазона К „-К в функции ограничения тока на уровне Т (= М мах °

Если Г1 и и таковы, что достигаются. только при /Т вЂ” (Т

= Я,щаХи К Копи, то величина К=К ЧТ должна вычисляться из уравнения для электромагнитного момента электродвигателя при указанных ограничениях: ь к

И=Г- - — — -) I

+ K2 6 eQ)(°

К.

При этом согласно зависимости (1) потери во втором и третьем режимах для промежуточных значений К, отличных от К или К, будут больше минимальных (т.е. соответствующих К =

= Ко„„), но меньше чем при К=КТ или

К=К . Поэтому в таком электропривоV де осуществляется реализация принципа формирования режима работы асинх ронного двигателя по критерию безусловного минимума энергетических потерь с автоматическим переходом к ч условному минимуму потерь при огранич енияк т ока и напряжения .

Описанные функции реализуются задатчиком 13. Канал ограничения по напряжению образован определителем

27 модуля вектора напряжения, первым узлом 32 сравнения и усилителем

29, а канал ограничения по токуопределителем 28 модуля заданного тока статора, вторым узлом 3 сравнения и усилителем 30.

1653! 23

Сигнал с выхода определителя 27 модуля вектора напряжения сравниваетI ся в первом узле 32 сравнения с его максимальным значением и разностный сигнал поступает на вход первого одноквадрантного неинвертирующего ли" нейного усилителя 29. Если разностный сигнал отрицательный, то выходной сигнал усилителя 29 равен нулю, если же разностный сигнал положительный, то выходной сигнал усилителя 29 отличен от нуля и поступает на инвертирующий вход третьего узла 34 сравнения, в результате чего уменьшается величина сигнала на выходе усилителя 31 с регулируемым уровнем ограничения минимального значения входного сигнала. Если входной сигнал усилителя 31 больше или равен К или Коо ., то он проходит на выход без изменения. Если же выходной сигнал усилителя 31 меньше К или Ко„

Ф то выходной сигнал этого усилитепя равен К или К „в зависимости от теопт кущего значения частоты вращения ротора. После умножения выходного сигнала усилителя 31 на выходной сиг-. нал блока 21 выделения модуля в блоке умножения 35 получают сигнап задания продольной составляющей тока статора, который поступает на соответствующий вход блока 4 преобразования координат. Аналогичным образом осуществляется работа каналами ограничения по току.

Задатчик 23 поперечной состаапяющей тока статора обеспечивает ограничение задания поперечной составляю10

35 щей тока статора при посадке напряже- 40 ния источника питания регулируемого источника 2 тока в двигательном режиме ниже допустимого значения или повышении этого напряжения в тормозном режиме выше допустимого значения (характерным примером такого источника является аккумуляторная батарея).

Работа задатчика 23 осуществляется следующим образом. Если величина напряжения Ug источника питания Регу- 50 лируемого источника 2 тока находится в пределах Ug сУ < Ug „, то выходной сигнал блока 24 равен нулю, поэтому на первый вход блока 26 умножения с выхода узла 25 сравнения пос55 тупает сигнал единичной уставки и, следовательно, выходной сигнал блока

26 умножения, являющийся выходом задатчика 23, равен выходному сигналу регулятора 17 скорости, т. е. в данном случае ограничения задания поперечной составляющей тока статора не происходит. Если же величина напряжения Ud источника питания регулируемого источника 2 тока находится в пределах Ug с Ug, или Ug o Ug то выходной сигнал блока 24 отличен от нуля и, поступая ка инвертирующий вход узла 25 сравнения, уменьшает сигнал единичной уставки, в результате чего после умножения выходного сигнала узла 25 сравнения в блоке 26 умножения на выходной сигнал регулятора 17 скорости папучают сигнал заданий поперечной составляющей тока статора, меньший величины выходного сигнала регулятора 17 скорости, обеспечивая тем самым поддержание напряжения Ug на уровне Ug „в двигательном режиме и на уровне Ug в генераторном режиме работы асинхронногоо двигат еля 1 .

Таким образом, предложенный частотно-управляемый асинхронный электропривод в сравнении с известным обладает лучшими эксплуатационными показателями, заключающимися в существенном увеличении развиваемой машиной мощности в переходных режимах и обеспечении формирования режимов работы асинхронного двигателя по критерию безусловного минимума энергетических потерь с автоматическим переходом к условному минимуму потерь при ограничениях тока и напряжения. Наиболее эффективно применение данного электропривода в составе электромобиля или любого другого транспортного средства с ограниченным запасом энергии бортового источника.

Формула из обр ет ения

Частотно-управляемый асинхронный электропривод по авт.св. Ф 1290464, отличающийся тем, что,с целЬю улучшения эксплуатационных показателей путем уменьшения потерь и увеличения в переходных режимах развиваемой мощности, введен задатчик поперечной составляющей тока статора с тремя входами, первым входом подключенный к входу источника питающего постоянного напряжения регулиI руемого источника тока, а по второму входу и выходу включенный между выходом регулятора скорости и объеди1653123 ненными аналоговыми входами первого и второго цифроаналоговых преобразователей и составленный иэ блока ограничения минимального и максимального .значений постоянного напряжения, вход которого является первым входом задатчика поперечной составляющей тока статора, узла сравнения и блока умножения, выход упомянутого блока ограничения подключен к инвертирующему входу узла сравнения, неинвертирующий вход которого предназначен для подачи единичной уставки коэффициента ограничения тока, а выход подключен к первому входу блока умножения, второй вход которого образует второй вход эадатчика поперечной составляющей тока статора, а задатчик продольной составляЮщей тока статора выполнен с опредеЛителем модуля вектора напряжения, Определителем модуля заданного тока статора, двумя одноквадрантными неинвертирующими линейными усилителями

1 усилителем с регулируемым уровнем ограничения минимального значения выходного сигнала, тремя узлами сравнения и блоком умножения, при этом входы определителя модуля вектора напряжения предназначены для подключения импульсных управляющих сигналов силовыми ключами регулируемого

Источника тока, вьгход определителя

Модуля вектора напряжения подключен

K неинвертирующему входу первого узла сравнения задатчика продольной составляющей тока статора, инвертирующий вход которого предназначен для подключения уставки максимального значения модуля вектора напряжения, а выход подключен к входу первог o одноквадр анти ог о: неинвер тир ующего линейного усилителя, выход опре5 делителя модуля заданного тока статора подключен к неинвертирующему входу второго узла сравнения эадатчика продольной составляющей тока статора, инвертирующий вход которого предназначен для подключения уставки максимального значения модуля тока статора, а выход подключен к входу второго одноквадрантного неинвертирующего линейного усилителя, выходы обоих оцноквадрантных неинвертирующих линейных усилителей подключены к инвертирующим входам третьего узла сравнения эадатчика продольной составляющей тока статора, неинвертирующий

20 вход названного узла сравнения предназначен для подключения уставки оптимального соотношения продольной и поперечной составляющих тока статора, а выход через усилитель с

25 регулируемым уровнем ограничения минимального значения выходного сигнала подключен к первому входу блока умножения, выход которого, образующий выход задатчика продольной сос3д тавляющей тока статора, подключен к одному из входов определителя модуля заданного тока статора, другой вход которого объединен с другим вхо-. дом блока умножения эадатчика про35 дольной составляющей тока статора и подключен к выходу блока выделения модуля, а другой вход усилителя с регулируемым уровнем ограничения минимального значения выходного сигна4О ла подключен к выходу формирователя частоты импульсов.

1б 53123

Составитель А. Жилин

Редактор М. Келемеш Техред Л.Сердюкова КорректоР Л. Патай

Заказ 1779 Тирах 359 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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