Частотно-регулируемый электропривод

 

ССФОЗ ССРЕТ ...НИХ

СО(ЯАЛКСТИ",ЕСНИХ

РЕСГ)УБЛИН ф Я:, !. 511- Н 02 Р 7/42! !t !wÀ

Г2

Я

1 Фаа!

В"

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ HOMMTET

ПО ИЗПЕ!РЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ П!НТ СССР (21) 4706330/07 (22) 14.06.89 (46) 23.12.91, Бюл. И 47 (71 } Научно-произволственное объединение !(Росавтоматстром!! (72) С,И.Алексеев (53) 62",.313.333(088.8) (56) Автоос †;o-. свилетельство СССР и 1309247, !<и, Н .02 P 7/42, 1987.

Авторское свидетельство СССР

1325656. кп. Н 02 Р 7/42, 1987.

Авторское свидетельство СССР

1264289, кл. Н 02 Р 7/42, 1986. (54) ЧАСTOTH0-PFÃÓËÈÐÓE%|A ЭЛЕКТРОПРИВОД (57} Изсбретение относится к электротехнике, а именно к частотно-регуИзобретение относится к электротехнике, а именно к частотно-регулируемым электроприводам, и предназначено для использования в системах и механизмах общепромышленного назначения с высокими требованиями по надежности и точности стабилизации частоты вращения.

Цель изобретения — упрощение и повышение надежности, На Фиг. 1 представлена функциональная схема частотно-регулируемого электропривода; на фиг. 2 — схема блока управле;,ия инвертором; на фиг 3 — схема развертывающего преобразователя напряжений; на фиг. 4 диаграмма работы синусного преобразователя напряжения; на фиг. 5 - диаграмма работы развертывающего преЦа1 У, (11) 5 Я 1 3 У !! О М

ХЮ МВ МС ГФйаЖСЮ йй32 ИФ Ъ %3Ю! УЛ!БюФсчРАЮИЙЭ ЮЫЙЯЯОЖТИ% Л ". лируемым электроприводам, и предназначено для использования в системах и механизмах общепромь!шленного назначения с высокими требованиями по надежности и точности стабилизации частоты вращения. Пель изобретения уг!рошение и повышение надежности.

Указанн.=:я цель достигается тем, - о блок 15 управления инвертором дополнительно снаб e:-н геремножитслел! 24 напряжений, развертывающим преобр зо-, вателем 25 н гряжений и синусными .преобраэова-,-лями 26-28 напряжен,!й.

При этом отсутствует система управления выпрям ел м 3 и упрощается управление инвер!ором 5 в преобразователе частоты ? в сравнении с известным решением. 6 ил. образователя íaïðÿæåíèÿ; на фиг. 6 диаграмма работы электрогривода.

Частотно-регулируемый электропривод содержит асинхронный электродвигатель 1 {см. йиг. 1), подключенный статорными обмотками к выходам преобразователя частоты 2, выполненного из последовательно соединенных неуправляемого выпрямителя 3, С-Фильтра 4 и инвертора 5. датчик 6 напряжения статооа, датчик 7 час †о напряжения статоэа. †.ахогенератор 8, установленныи на валу асинхронного электродвигателя 1. регулятор напряжения

9! регуля-ор скопьжения 1О. ipl, сумматора 11-13„блок 14 задания частоты вращения и блок 15 управления инвертором, Блок :5 угргвления инвертором

1700738 выполнен с преобразователем 16.(см. фиг. 2) напряжейие-частота, делителем цастоты 17, преобразователем 18 фаз тремя интеграторами 19-21 широтноУ импульсным модулятором 22 и формирователем импульсов 23, выходы кото рого образуют выходы блока 15 управления инвертором. Входы первого сумматора 11 подключены к выходам дат- 0 чиков 6, 7 напряжения статора и частоты напряжения статора, а выход сумматора 11 соединен с входом регулятора напряжения 9. Входы второго сумматора 12 подключены к выходу бло- 15 ка 14 задания частоты вращения и выходу третьего сумматора 13, соединенного входами с выходами датчика 7 частоты напряжения статора и тахогенератора 8. Выход сумматора 12 соединен с входом регулятора скольжения

10, выход которого подключен к входу преобразователя 16 напряжение-частота, соединенного через делитель частоты 17 с входом преобразователя 25

18 фаз. Первые три входа формирователя импульсов 23 подключены к выходам широтно-импульсного модулятора

22, а четвертый вход — к соответствующему выходу преобразователя фаз

18„ Блок 15 управления инвертором дополнительно снабжен аналоговым перемножителем 24 напряжений, развертывающим преобразователем 25 напряжений и тремя синусными преобразовате" лями 26-28 напряжений. Входы анало35 гового перемножителя 24 напряжений подклюцены к выходам регуляторов 9, 10 напряжения и скольжения. Выход перемножителя 24 подключен к первому входу развертывающего преобразователя 25 напряжений, второй вход которого подключен к выходу делителя частоты 17. Три других выхода преобразователя фаз 18 через соответствующие интеграторы 19-21 и синусные преобразователи 26-28 напряжений подключены к первым трем входам широтной импульсного модулятора, четвертый вход которого подключен к выходу развертывающего преобразователя 25

50 напряжений. Развертывающий преобразователь 25 напряжения содержит два управляемых напряжением источника

29, 30 (см. фиг. 3) положительного и отрицательного токов, два токовых

55 коммутатора 31 и 32, конденсатор 33 и выходной повторитель 34, выход которого образует выход развертывающего преобразователя 25 напряжения, а вход соединен с одной из обкладок конденсатора 33 и выходами обоих токовых коммутаторов 31 и 32, одни входы которых, соединенные вместе, образуют частотный вход развертывающего преобразователя 25 напряжения, а другой вход каждого из коммутаторов 31 и 32 подключены к выходам управляемых напряжением источников тока соответстввенно 29 и 30, входы которых образуют вход 21 развертывающего преобразователя 25 напряжения.

Частотно-регулируемый электропривод работает следующим образом.

Сигнал U с выхода тахогенератора 8 и сигнал Ug с выхода датчика

7 частоты поступают на"вход сумматора 13, где происходит их алгебраическое сложение. Результирующий сигнал

U q и сигнал задания частоты вращения U поступают на вход сумматора

12, в котором происходит их сравнение.и формирование сигнала ошибки, отрабатываемого регулятором скольжения 10. Сигнал управления U

U частоты напряжения статора, задающий уровень напряжения статора

U, с выхода датчика частоты 7 и сигнал с выхода датчика напряжения 6 поступают на входы сумматора 11, в котором происходит их алгебраическое суммирование. Сигнал рассогласования по напряжению статора отрабатывается регулятором напряжения 9 до компенсации рассогласования. Сигнал управления U поступает на вход блока управления 15 инвертором, который обеспечивает такое регулирующее воздействие на инвертор напряжения 5, что последний осуществляет линейное с определенным коэффициентом передачи увеличение или уменьшение напряжения статора, соответствующее увеличению или уменьшению частоты Q> напряжения статора Ug.

Напряжение статора U можно выразить через сигнал задания U =U> при отрицательной обратной связи по на1700738 пряжению (см Фиг 1) о

11 =Б7 K> K K (V ) K К К

> (<, о

"де K> K(< коэффициент передачи ре5 гулятора 9 напряжения по прямому входу и входу обратной связи соответственно; коэффициент инвертора 5; 0 коэффициент передачи датчика 6 напряжения статора; коэффициент передачи блока управления 15.

К

К<5

Тогда

«u u

К- (К<5 К ъ

11 U

& 1-К К„k К."ж =К<0 u<0

35 где К < — коэфФициент пропорциональности задатчика 14; заданное значение частоты вращения.

Для сигнала обратной связи U0< =0<5 <0 имеем

7 В> здесь 7 К7 © где 1 — коэффициент пропорциональности датчика 7;

Яв — круговая частота напряжения статора;

В 8 Г> где К вЂ” коэффициент пропорциональ8 ности тахогенератора 8;

Я< - частота вращения ротора.

Тогда„ учитывая выражения для

U7 и БВ, получаем о (> в ©<)K<4 К<0 К<5 К +©в" 7 Я."8) <.К<о"

К<6 К .

50 дналогично частоту статора Q5 можно выразить через сигнал задания 20

U — U< при положительной обратно" свяЪ зи по.скольжению (см. фиг. 1)

0 3 4 0

5 М <О <6 5 0 - <О <5 б

<«> .>г где К,,К,0 — коэффициент передачи pery-- лятора 10 по прямому входу и входу обратной связи соответственно;

К вЂ” коэффициент пропорциональ<5 ности блока управления За

15;

К вЂ” коэффициент и lBepòîpà 5.

Сигнал задания U

П р и н и t! а я, в о в < < и и а (-< << е т о

{j3 > =(d -Я

<Ф 5 имеем а (К<4 К<0 К К<о ) К<5 К5 (2 <о

Выражение (1) с учетом выражения для U. ( л

Uq =К7(<) =к-, 20 f 5, где Г- — частота напряжения ста-.ора, принимает вид

<< u u

К > К<5 К,— („ }

Из выражения (3) следует, что

t< LI u

U5 1>9 К<5

1 К, Система широтно-импульсного „правления инвертором напряжения обеспечивает линейную зависимость напояженил статора U от напряжения управления V> и частоты статора Г с -.

5 напряжения управления У<о, если кс—

<< эффициент передачи К<- и коэфф<<цие, — пропорциональности К являются постояннь. ми величинами, не зависящи-ми от Е, и f . Следовательно, праз-.. часть выраже(<ия ((<) представляет постоянную величину, не зависящую от 11 и f5 . Тогда изменение 1 одно5 значно определяется изменением т

Tàêètë образом, что электропривод обеспечивает поддержание постоянного магнитного потока асинхронной машинь во всем диапазоне регулирования частоты вращения ротора Q . Из выражения (2) следует, что система широтно-импульсного управления инвертопом напряжения обеспечивает линейную зависимость частоты Ю напряжения статора U5 от задан ого сколь ения Ы< . если коэффициент пропорциональнос-,и, К, и коэффициент схемы инвсртора К являются постоянными величинами, не зависящими от U„ и i

Следовательно, (0 =С Ы<,, и, о

С (к(4К K2 K

Ы 1+(К,-К )К, . К, 1:.*, l5 5

Регулирование частоты напряжения статора в рассматриваемом электроприводе осуществляется использованием положительной обратной связи по скольжению с воздействием непо1700738

f <7 Ь10 18

-- <6 «<6 <0 <7 <6

f U<

2q 4п<< и = 2п, f <6 К<6 — — U

2п 2п (6) < =Uga ="д< "т так как

2< = < = У<<8, b c

<5 <8 <8 то так как

f<8

2«

Я<8 l8 где Г, 27 (10) то T где К<-- коэффициент пропорциональности, Последовательность импульсов подвергается далее цифровой обработке блоком деления lj, представляющим собой симметричный со скважностью 2 делитель входных импульсов с четным коэффициентом деления N 25 гi;e n -- любое целое число (n) О).

Тогда г le Г<7 — выходная частота последовательности импульсов блока деления 17.

Выходной сигнал блока деления поступае на один из входов развертывающего преобразователя напряжения 25 и н-:, вход преобразователя фаз 18, которь и предназначен для автоматического сохранения фазы выходного напряжения инвертора при изменении нагрузки представляет собой узел цифровой обработки последовательности входных импульсов и выполняет следующие преОбразования. !

1. Выдает непрерывные параллельные по трем каналам а, в и с (по числу фаз инвертирования) последовательности импульсов основной частоты модуляД

ЦИИ з< э --

Ь с

f =f< =f

2, Непрерывный сДВиГ ВыхОДных импульсОВ 6<8 1<8 1<8 ПО каналам а в и с соответственно на О, 120 и 240

3. Непрерывное симметричное со скиажиостью 2 деление входных импульсов < „7 с четным коэффициентом деления, удовлетворяющим условию где f< — частота модулируемого сигнала;

f,7 — - частота инвертирования или несущая частота, чтобы выходной модулированный сигнал по амплитуде и частоте напряжения огибающей был эквивалентен входному модулируемому сигналу с требуемой точностью.

Следовательно, учитывая (6) где q — любое число (q p 5) .

Выходные сигналы преобразователя фаз 18 Г <з, f

<:<

<Э < < <8 9 ЯО i goU<8

0а г 0<8 где У<1, Б, U < — амплитуды выходных напряжений интеграторов t9-21,"

К<<, i«<

0,8,0,8,Ц, — амплитуды выходных сигналов преобразователя 18.

Поскольку имеет место < о < а«ь U<8

Для треугольного сигнала (см. фиг. 4) имеем

U (i)= — — t при 0 t - — —, (9)

4и--р .. т<8

Т<8 4

17007 где Т в — период импульсов модулируемой частоты;

О в- круговая частота импульсов модулируемой частоты.

Подставив (8) и (10) в (9), имеем

U ()= — — — — - Ы .t

2К„„йв (11) тр

1 сик() 11сии з п 2 Б (12) п Ur (t)

11 тр в диапазоне изменения входного напряжения

Отр- тр () - 11тр

2 е %ин

II

Подставив (8), (11) в (121, получаем

U „(t) = — Кэ„, 11„sin(Q3»t) . (13)

2 30

Сигналы U< „, U o и Uq поступают на входы соответствующих синусных преобразователей напряжения 26-28, предназначенных для автоматического сохранения синусоидальной формы выходного напряжения инвертора при изме-15 нении нагрузки (см. фиг. 4). Синусный преобразователь предназначен для реализации выражения

38

Выходной сигнал U аналогового пееремножителя напряжений 24 является входным для развертывающего преобразователя напряжений 25, который осуществляет развертывание напряжения

U>< частотным сигналом f<7 (cw. фиг.5), Входные симметричные со скважностью 2 прямоугольные импульсы с а стотой Е1 управляют таковыми коммутаторами 31 и 32 (см. фиг. 3), через которые управляемые входным напряжением U<4 источники 29, 30 положительного и отрицательного токов, значения которых определяются уровнем входного напряжения Ug4, в зависимости от полярности импульсов fq7 поочередно подключаются к конденсатору 33 на заряд и разряд, формируя тем самым на выходе развертывающего преобразователя треугольные импульсы с частотой

f<7 и амплитудой, определяемо" U S-.

Емкость конденсатора 33 определяется

Oэs

С =К

93 11 . зэ

Тогда напряжение на конденсаторе Бр эз

1 я 11яа 1 яЬ с

Сэв

Следовательно:

Kэкь11щ sin(М)°, 2 . о

ЭКВ U1g»n(©

2 о ,у 1 ив U)B sin(Q(t+240 ) .

26(U<7()=

UQB(t)=

Т.е. U 4=K24 Uq U

Сигналы U

Яэв- заряд конденсатора 5;

Кс - коэффициент пропорциональности;

Цэ,,U< 1,- потенциалы обкладок а и в конденсатора 33.

Заряд конденсатора, когда последний заряжается или разряжается постоянным во времени током, выражается, как

40

7(7 1

t=

2 2й(7 (17) где Т 7 " период управляющих импульсов с частотой f<7

0gy ь (16)

45 где K - коэффициент пропорциональности и — время заряда или разряда;

I — ток разряда или заряда.

Здесь имеет место I=I = (i j, 50

Время заряда или разряда конденсатора при условии, что скважность управляющих коммутаторами 31 и 32 пря-моугольных импульсов, равная 2, определяется выражением

Г707073 7

12 (18) 7 м

Е!7

Я= — — = — — w 2q, f>8

О>!

U= — Й sinut н 2 l в (го) 50

Величина тока заряжающего и разря>кающего конденсатор 33 является линейной функцией управляющего источниками тока напряжения Бр,!и определяется выражением т=-Kg Uzq =1 3 KzjUg 11!o где К вЂ” коэффициент пропорциональности источников тока 31 и

32.

Тогда амплитуда выходного напряжения развертывающего преобразователя с учетом (6), (17), (15), {18) имеет вид где К О>- коэффициент передачи.

Следовательно

U ()=С,„ и (19) здесь постоянный коэффициент

К34 Кс Kg Kg Kz+ n

С

Правая часть последнего выражения есть величина постоянная и не зависит от напряжения управления U и частоты Г 1 . Следовательно, уровень выходных треугольных импульсов с частотой f,ó, являющихся несущей для модулируемых сигналов U«, Uz и UZ>, однозначно определяется линейной зависимостью от напряжения управления U регулятора напряжения статора {см. Фиг. 6) .

Тогда при постоянном коэффициенте инвертирования где с!р5, среднее значение напряжения на нагрузке будет меняться по синусоидальному закону где U » — величина напряжения источника питания;

d> - круговая частота модуляции;

Р

- коэффициент глубины модуляции, который показывает в каких пределах изменяются длительности открытого и закрытого состояния силовых полупоо5

l0 !

45 водниковых приборов инвертора напряжения в течение периода частоты модуляции. Из выра>кения (20) следует, что меняя значения параметров >и можно осуществить независимое регулирование амплитуды и частоты напряжения статора при постоянном коэффициенте инвертирования и неизменном питающем напряжении. Широтно-импульсный модулятор 22, на входы которого а, в и с поступают синусоидальные напряжения Ugg UZg u Uzg задающие синусоидальную,форму, Фазу и частоту напряжений на статорных обмотках асинхронного электродвигателя осуществляет модулирование этих напряжений несущей частотой К„т по трем каналам а, в и с. Блок формирования импульсов 23, синхронизированный от блока фазных преоЬразований ;: 18, формирует управляющие для инвертора напряжения 5 импульсы. По выражению (20) глубину модуляции можно изменять: регулированием амплитуды модулируемого синусоидального сигнала при постоянной амплитуде частоты инвертирования; регулированием амплитуды сигнала инвертирования (сигнала несущей частоты) при постоянной амплитуде модулируемого синусоидального сигнала. Для исключения перемодуляции амплитуда входного сигнала не должна превышать амплитуду треугольного напряжения несущей частоты, Согласно выра>кению (19), амплитуда треугольных напряжений несущей частоты изменяется регулятором напряжения 9. Тогда при постоянном уровне модулируемого синусоидального напряжения UZ6, U. Из выраженил (7):

f =f>8 = — — U или

К б

4nq (21)

f&=Cr 11!> здесь С постоянный коэффициент

К б

С = -- т.е. значение частоты напря>кения

1 статора линейно изменяется з зависимости от уровня напряжения на выходе регулятора скольжения 10. Следова1700738 тельно, можно заключить согласно выражениям (, ), (19) и (21), что в замкнутой системе с двумя контурами стабилизации потока и частоты вращения возможно получение широкого диапазона частотного регулирования с высокой перегрузочной способностью при более простой, следовательно, более надежной схеме управления преобразователем частоты в сравнении с известным решением.

Формула изобретения

Частотно-регулируемый электропривод, содержащий асинхронный электродвигатель, подключенный статорными обмотками к выходам преобразователя частоты, выполненного из последовательно соединенных неуправляемого выпрямителя, С-фильтра и инвертора, датчик напряжения статора и датчик частоты напряжения статора, тахогенератор„ установленный на валу асинхронного электродвигателя, регулятор напряжения, регулятор скольжения, три сумматора, блок задания частоты вращения и блок управления инвертором, выполненный с преобразователем напряжение-частота, делителем частоты, преобразователем фаз, тремя интеграторами, широтно-импульсным модулятором и формирователем импульсов, выходы которого образуют выходы блока управления инвертором, при этом входы первого сумматора подключены к выходам датчиков напряжения статора и частоты напряжения статора, а выход первого сумматора соединен с вхо5

40 дом регулятора напряжения, входы второго сумматора подключены к выходу блока задания частоты вращения и выходу третьего сумматора, соединенного входами с выходами датчика частоты напряжения статора и тахогенератора, а выход второго сумматора соединен с входом регулятора скольжения, выход которого подключен к входу преобразователя напряжение-частота, соединенного через делитель частоты с входом преобразователя фаз, первые три входа формирователя импульсов подключены к выходам широтно-импульсного модулятора, а четвертый вход — к соответствующему вь ходу преобразователя фаз, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью упрощения и повышения надежности, блок управления инвертором дополнительно снабжен аналоговым перемножителем напряжений, развертывающим преобразова— телем напряжений, и тремя синусными преобразователями напряжений, при этом входы аналогового перемножителя напряжений подключены к выходам регуляторов напряжения и скольжения, выход аналогового перемножителя напряжений подключен к первому входу развертывающего преобразователя напряжений, второй вход которого подключен к выходу делителя частоты, три других выхода преобразователя фаз через соответствующие интеграторы и синусные преобразователи напряжений подключены к первым трем входам широтноимпульсного модулятора, четвертый вход которого подключен к выходу развертывающего преобразователя напряжений.

1700738, )

$ Ю*

j 5.

3 Ю 2 Г2 z

1700738

// /с, /

I Г ! « I

I j I ) I

"Г

1

« !

« с

i ! !. ...! !.. I

«

I е

4„с, с

i! с с с с

/ с

Д, li I, Ц«!1цЦИ, !и,"А;1., :, Яц . . ГЛЯВОЯ о ц. j,, /7 J „.

//, с/

7с) O.

ural! (1! ;;, йППЙП1:. ::!!:."

1/ !

u l

СОс-1 88ИТЗП Ь . //!ссс с,! с с/

ТЕХ!)Е,.! Я с;.„,,Д,-,.

"!Р Ib/) vl I7/ с10ОТ3 - !1КО// с) ссс)Мс (Т/ 7 сс() 1/ С )с"

1, 3035) МО(.К1)7„Ж-3 ) Р7«/сС":..

j/ сс уl„« !

=-)«!«1 ! !

« ! !! ,Ц"!I :,,.

I i!! с с ! I,I !!! 1 с

il I

/ с! )!

/ ,с с: с

/:!!jl !

I! f ;, «! )! с/«! j(I II /

,с/ «

„ ! ;j! ! с /

/ с с ! !! «!