Электропривод

 

Использование: частотно-управляемый электропривод с асинхронным короткозамш гтым двигателем в механизмах общепромь шлейного назначения без датчика скорости на валу. Сущность: электропривод содержит трехфазный асинхронный двигатель , фазные обмотки статора которого подключены -к выходам преобразователя частоты, датчики тока и напряжения, блок выделения фазных ЭДС, входы которого подключены к выходам датчиков токов и напряжений , блок определения модуля ЭДС, выход которого соединен с первым входом ПИ-регулятора, блок преобразования координат , входы которого подключены соответственно к первому выходу блока задания частоты, к выходу задания реактивного тока, блок задания частоты вращения. Устройство также содержит первый и второй сумматоры , блок ограничения, блок задания модуля ЭДС, отсекающий диод и блок переменного коэффициента усиления. 5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (Г9) (я)5 Н 02 Р 5/408

ГО

BE (Г (21 (22 (4 (71 ст (72) ли ве (5

N. (5 (5 эл кн м ке об ст зе ко те ес ро ни н ег ты ля ес

УДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

OMCTBO CCCP

СПАТЕНТ СССР) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

4938630/07

24.05.91

30.08.93, Бюл. N 32

Новосибирский электротехнический интут

Г.В.Грабовецкий, О,Г.Куклин, В.В.Ор, В.Я,Денисов, И.П,Чудинов и И,А.Борко

Авторское свидетельство СССР

1117813, кл. Н 02 Р 7/42, 1984.

Авторское свидетельство СССР

97043, кл. Н 02 Р 5/408, 1981.

ЭЛ Е КТРОПРИВОД

Использование: частотно-управляемый ктропривод с асинхронным короткоэамым двигателем в механизмах общепро- . шленного назначения без датчика

Изобретение относится к электротехниможет быть использовано в механизмах епромышленного назначения, в частнов регулируемых электроприводах на баасинхронного двигателя с откозамкнутым ротором и преобразоваем частоты с непосредственной связью и ественной коммутацией без датчика скоти на валу асинхронного двигателя.

Целью изобретения является повышеточности регулирования частоты вращеасинхронного двигателя, повышение быстродействия и максимальной частовращения при работе от преобразоватечастоты с непосредственной связью и ествен ной коммута Цией.

На фиг.1 представлена структурная схеэлектропривода; на фиг.2 — структурная ма блока задания частоты; на фиг.3— уктурная схема блока ограничения; на скорости на валу. Сущность: электропривод содержит трехфазный асинхронный двигатель, фазные обмотки статора которого подключены к выходам преобразователя частоты, датчики тока и напряжения, блок выделения фазных ЭДС, входы которого подключены к выходам датчиков токов и напряжений, блок определения модуля ЭДС, выход которого соединен с первым входом

ПИ-регулятора, блок преобразования координат, входы которого подключены соответственно к первому выходу блока задания частоты, к выходу задания реактивного тока, блок задания частоты вращения. Устройство также содержит первый и второй сумматоры. блок ограничения, блок задания модуля ЭДС. отсекающий диод и блок переменного коэффициента усиления. 5 ил. фиг.4 — принцип формирования экскаваторных характеристик электропривода; на фиг,5 — примерный вид сигнала задания на реактивный ток от частоты F на выходе преобразователя частоты.

Электропривод содержит асинхронный двигатель АД с короткозамкнутым ротором

1, преобразователь частоты ПЧ с непосредственной связь и естественной коммутацией 2, три датчика тока ДТ 3, три дзтчика напряжения ДН 4 фаз асинхронного двигателя, блок выделения фаэных ЭДС 5, блок определения модуля МЭДС 6, ПИ-регулятор

7, блок задания модуля ЗЭДС 8, отсекающий диод 9, блок переменного коэффициенты усиления (У) 10, блок преобразования координат ПК 11, блок задания реактивного тока ЗРТ 12, три первых сумматора С1 13, три вторых сумматора С2 14, блок задания

1837379 скорости БЗ 15, блок задания частоты 16 и блок ограничения БО 17, Асинхронный двигатель 1 общепромышленного назначения выполняется с короткозамкнутым ротором.

Преобразователь частоты 2 с непосредственной связь и естественной коммутацией может быть выполнен по мостовой схеме с раздельным управлением вентильными комплектами.

В качестве датчиков тока 3 и напряжения 4 используются промышленные датчики.

Блок выделения фазных ЭДС 5 может быть выполнен по схеме фильтра на операционных усилителях, 1

Блок определения модуля ЭДС 6 предс"валяет собой обычный выпрямитель фазных ЭДС.

П Л-регулятор 7 выполняется по известной схеме на основе интегральных микросхем, Блок задания модуля ЗДС 8 и блок переменного коэффициента усиления 10 могут быть -реализованы на основе микросхемы

525 ПС2.

Блок преобразования координат 11 по известной схеме преобразования постоянного уровня напряжения в синусоидальный сигнал.

Блок задания реактивного тока 12 представляет собой схему регулирования постоянного уровня напряжения.

Сумматоры 13 и 14 представляют собой обычные операционные усилители с суммирующими входами.

Блок задания скорости 15 представляет собой задатчик регулируемого постоянного уровня напряжения.

Возможна реализация блоков задания частоты 16 и блока ограничения 17 приводится ниже в описании соответственно на фиг.2 и фиг.3.

Асинхронный электропривод работает следующим образом. Преобразователь час. тоты 2 работает в режиме источника тока и формирует три фазных тока асинхронного двигателя в соответствии с тремя входными сигналами задания на ток 4, поступающих с трех выходов вторых сумматоров 14. В каждом из вторых сумматоров 14 производится суммирование ранее сформированных составляющих сигнала задания 4, а именна активной составляющей сигнала задания 4 и реактивной составляющей сигнала задания Ip. Таким образом, в электроприводе осуществляется векторное управление, при котором активная и реактивная составляющие сигнала задания ортогональны. При этом в двигательном режиме работы электропривода Ip опережает Ip, а в генераторном режиме i> отстает приблизительно на 90 зл. град.

Электропривод реализован па бездатчиковому варианту, в котором используется косвенное измерение частоты вращения асинхронного двигателя по модулю ЗДС двигателя. Для этого информация о мгновенных значениях тока и напряжения фаз асинхронного двигателя, соответственно на выходах блоков 3 и 4, поступает на входы трехканального блока выделения фаэных

ЭДС 5, на трех выходах которого формируется трехфазная симметричная система фазных ЭДС е, поступающая на вход блока определения модуля ЭДС 6, в котором осуществляется выпрямление входных напряжений. На выходе блока 6 сформировано постоянное напряжение — модуль ЭДС l El, пропорциональное произведению частоты вращения и потока асинхронного двигателя.

Частота вращения двигателя задается постоянным и регулируемым по величине сигналом задания частота V>F, вырабатываемым в блоке задания частоты 16 и поступающим на первый вход блока преобразования координат 11, на второй вход которого поступает постоянный и регулируемый по величине сигнал задания на амплитуду реактивного тока Ugp с блока задания реактивного тока 12, на третий вход блока 11 поступает постоянный и регулируемый flo величине сигнал задания на дополнительную составляющую активного тока

U3Q с блока переменного коэффициента усиления 10. Блок преобразования координат . 11 вырабатывает две тройки симметричных трехфазных сигналов для соответствующих трех каналов преобразователя частоты. Частота этих сигналов определяется входным сигналом U>F. ПеРваЯ тРойка сигналов ез представляет собой задания на мгнавечные

ЭДС асинхронного двигателя, амплитуда

5 которых пропорциональна произведению

СИГНаЛОВ U3p И (UaF + Оза), та ЕСТЬ Ез = (Оз +

+Озз) Usp. Вторая тройка сигналов Ip представляет собой сигналы задания на реактивные токи фаз асинхронного двигателя, амплитуды которых пропорциональны сигналу Озр. Первая тройка сигналов ез ортогональна отарой Ip и опережает ее по фазе.

Обеспечение требуемого момента асинхронного двигателя осуществляется формированием задания активной составляющей тока 4 в первых сумматорах 13 и использованием двух каналов формирования; канал слежения по мгновенным значениям и канал слежения по модулю, В результате ! з = Ка (ез (UaF) — е) + Ка (ез (0за) — е).

1837379

35

50

В канале по мгновенным значениям р зница (e>(U>F) — е) учитывает отклонение к к по амплитуде, так и по фазе и является б стродействующей составляющей в задан и на активный ток, повышающей динамич ские показатели электропривода. Однако и льсации в ЭДС ограничивают коэффицие т усиления первых сумматоров К>, поэтоу жесткость механических характеристик э ектропривода низка. Для их повышения в еден канал по модулю, формирующий сигал Uçà, которому пропорциональна дополительная составляющая задания аактивного тока.

В канал слежения по модулю входят лок определения модуля ЭДС 6, блок задаия модуля ЭДС 8, ПИ-регулятор 7, отсекащий диод 9 и блок переменного оэффициента усиления 10.

Блок задания модуля ЭДС 8 формирует остоянный и регулируемый по амплитуде игнал I Ез 1, который пропорционален прозведению сигнала задания на частоту г,1, следовательно, частоте тока статора, сигналу задания на реактивный ток О». ледовательно, потоку асинхронного двигаеля. B статике при изменении нагрузки на алу асинхронного двигателя ПИ-регулятор оддерживает равенство его входных сигалов, обеспечивая практически идеальную жесткость механических характеристик. Изестно, что в замкнутых по ЭДС электроприодах, работающих с постоянным потоком, онтурный коэффициент усиления по скороти увеличивается пропорционально частое вращения асинхронного двигателя. Для инеаризации динамических характеристик о каналу ПИ-регулятора последовательно с им введен блок переменного коэффициена усиления 10, выполненный на основе деителя, в котором сигнал выхода

И-регулятора, поступающий на вход блока

10 через отсекающий диод 9, делится на игнал, пропорциональный частоте вращения асинхронного двигателя. В результате овместный коэффициент усиления рассматриваемых двух последовательных звеньев изменяется обратно пропорционально частоте вращения асинхронного двигателя, обуславливая линеаризацию рассматриваемого контура. Анализ фазовых соотношений е> и е в двигательном и генераторном режимах работы электропривода выявил нерациональность использования канала ПИ-регулятора в генераторном режиме, в связи с чем на выходе ПИ-регулятора установлен отсекающий диод, который соединяет выход ПИ-регулятора с последующей схемой в двигательнзм режиме и от,; ключает его в генераторном режиме, при котором полярность ПИ-регулятора изменяется на противоположную.

Задание частоты вращения осуществляется блоком задания скорости 15, блоком задания частоты 16 и блоком ограничения

17. Структурная схема блока задания ча таты (фиг,2) содержит задатчик интенсивности

18, выпрямитель 19, первый сумматор 20 и второй сумматор 21. Сигнал задания на скорость U ñ проходит последовательно через задатчик интенсивности, выпрямитель, первый и второй сумматоры и, как сигнал задания частоты U>F, определяет частоту выходных сигналов преобразования координат. Двухполупериодный выпрямитель 19 согласует знакопеременный сигнал с выхода задатчика интенсивности с однополярным управлением частоты в блоке преобразования координат 11. Для обеспечения жесткости механических характеристик в сигнал U>F входит составляющая, пропорциональная частоте скольжения, путем суммирования во втором сумматоре 21 с сигналом U3c сигнала 0за, пропорционального частоте скольжения.

В электроприводе предусмотрено ограничение токов статора асинхронного двигателя, обуславливающее ограничение момента на валу асинхронного двигателя как в двигательном, так и в генераторном режимах работы электропривода. Поставленную задачу выполняет блок ограничения

17. На фиг.4 представлен предельный момент в двигательном Мп и генераторном (-Mn) режимах работы электропривода в зависимости от частоты вращения и. До номинальной частоты вращения пн асинхронного двигателя поток его остается постоянным и задается сигналом 13», зависимость которого от частоты на выходе преобразователя F представлена на фиг,5 (частота 50 Гц соответствует номинальной частоте вращения асинхронного двигателя). Выше номинальной частоты вращения поток в асинхронном двигателе необходимо уменьшать ввиду ограничения в преобразователе частоты с непосредственной связью и естественной коммутацией. Примерный вид уменьшения потока соответствует уменьшению 4 на фиг.5 в диапазоне частот 50 — 100 Гц. В той же мере уменьшается предельный момент

Мп на фиг.4 выше пн, Реализация ограничения момента в двигательном режиме выполнена в блоке ограничения 17 на выпрямителе 22, сумматоре 23, отсекающем диоде 24, сумматоре 25 и задатчике интенсивности 28. В сумматоре 23 осуществляется операция вычитания из моду я сигнала задания н» ток! 4 сигнала задания на реактивн .:,1 ток U», прапорциональн",го

1837379

45 (50

M„. Сигнал!!З1формируется путем выпрямления соответствующих сигналов задания 1 на ток фаэ асинхронного двигателя в выпрямителе 22, В случае превышения 1 I> (установленного уровня О положительная разность I !з1 — Озр = +Оогр через отсекающий диод 24, сумматор 25 и эадатчик интенсивности 28 поступает в блок задания частоты 16, где вычитается из сигнала 03 и определяет уменьшение выходного сигнала

U3F. В свою очередь, уменьшение Оэр определяет уменьшение амплитуды е> и частоты на выходе блока преобразования координат

11 и стабилизирует с учетом коэффициента усиления, рассматриваемого канала блока ограничения, амплитуду активной составляющей сигнала задания l и, следовательно, амплитуду токов в фазах асинхронного двигателя и его момент. Примерный вид механических характеристик, сформированных рассматриваемым каналом блока ограничения, приведен в первом квадранте на фиг.4, Если! I3! меньше Озр, то отсекающий диод

24 не пропускает отрицательную разницу на выход блока ограничения.

Реализация ограничений токов статора асинхронного двигателя и момента в генераторном режиме выполнена на сумматоре

27, отсекающем диоде 26, сумматоре 25 и задатчике интенсивности 28, Поскольку в генераторном режиме ПИ-регулятор не участвует, то активная составляющая тока определяется разницей ез и е, которой пропорциональна разница модулей I Е и I Е 1 . Работа блока ограничения в генераторном режиме происходит следующим образом. В режиме холостого хода коэффициент суммирования в сумматоре 27 для сигнала I Е,l установлен с превышением над сигналом

1 Еl . С увеличением нагрузки 1 El увеличивается и прй его превышении сигнала IE31 вырабатывается отрицательный сигнал, который через отсекающий диод.26, как сигнал (-О гр), через сумматор 25 и задатчик интенсивности 28 поступает в блок задания частоты 16, где (-Uorp) суммируется с сигналом 03@ в результате чего увеличивается сигнал задания на частоту 0>р, который через блок преобразования координат 11 увеличивает сигнал ез, уменьшая разницу (е— ез) и ограничивая активную составляющую тока, а следовательно, момент асинхронноro двигателя. Примерный вид механических характеристик в генераторном режиме приведен на фиг.4 во втором квадранте.

Роль задатчика интенсивности заключается в обеспечении плавного регулирования и повышения устойчивости электропривода в зоне ограничения момента.

Использование сигнала 0>r-,2 в блоке переменного коэффициента усиления 10 и недопустимость использования последующих сигналов этого блока Оэр.! или U>p обусловлено необходимостью исключения положительной обратной связи по контуру:

ПИ-регулятор — сигнал U

Блок задания реактивного тока 12 формирует сигнал задания на реактивный ток

U3p на основе входного сигнала UsF.1, пропорционального частоте вращения, путем кусочно-линейной аппроксимации, При этом в диапазоне частот вращения от нуля до номинальной (в диапазоне частот преобразователя частоты от нуля до 50 Гц) регулирование асинхронного двигателя осуществляется с постоянством потока и сигнал 0>р остается неизменным и задает номинальный поток в асинхронном двигателе, В диапазоне частот вращения от номинальной до двойного номинального значения, соответственно для выходных частот преобразователя частоты от 50 до 100

Гц, необходимо уменьшать поток асинхронного двигателя в связи с ограничением выходного напряжения преобразователя частоты и уменьшением кратности выходной частоты преобразователя и его частоты пульсаций-. Примерный вид Озр в зависимости от частоты на выходе преобразователя частоты F приведен на фиг.5.

Таким образом, за счет жесткого задания частоты преобразователя в соответствии с сигналом задания на скорость в данном электроприводе по сравнению с прототипом noBblllJGGTcsl точность установки заданной частоты вращения, а введение частоты скольжения в сигнал задания частоты обеспечивает поддержание заданной частоты вращения и под нагрузкой, В предложенном электроприводе существует два канала управления активной составляющей тока: канал управления по модулю, быстродействие которого ограничено фильтрацией при выделении модуля

ЭДС, и канал управления по мгновенным значениям. наиболее быстродействующий, в котором осуществляется слежение как за фазой ЭДС двигателя, так и за амплитудой, что является более совершенным по сравнению с прототипом и позволяет повысить устойчивость электропривода и.его быстродействие.

Предложенное решение позволяет в болев полной мере использовать возможности электропривода с преобразователем частоты с непосредственной связью и естественi83T379

10 о и коммутацией, что позволило поднять частоту вращения асинхронного двигателя о двойного значения от номинальной.

Формула изобретения

Электропривод, содержащий трехфаз- 5

ый асинхронный двигатель с короткозамкутым ротором, фазные обмотки статора оторого подключены к входам трехфазного реобразователя частоты с непосредственой связью и естественной коммутацией, 10 лок выделения фазных ЭДС, входы которого подключены к выходам датчиков фазных оков и напряжений, включенных в цепи азных обмоток статора, а выходы соединеы с входами блока определения модуля 15

ДС, выход которого соединен с первым ходом ПМ-регулятора активного тока стаора, блок преобразования координат, вхоы которого подключены соответственно к ервому выходу блока задания частоты, со- 20 диненного одним из входов с выходом блоа задания частоты вращения, к выходу лока задания реактивного тока, о т л и ч ашийся тем, что, с целью повышения очности регулирования частоты вращения 25 вигателя vt быстродействия, введены перые и вторые фазнь1е сумматоры, блок ограичения, блок задания модуля ЭДС, тсекающий диод и блок переменного коффициента усиления, причем первые выхо- 30

ы блока преобразования координат одключены к первым входам первых фаэных сумматоров, вторые входы которых под-!

5 2 ключены к выходам блока выделения фазных ЭДС, выходы первых фазных сумматоров подключены к первым входам вторых фазных сумматоров, а их вторые входы — к вторым выходам блока преобразования координат, выходы вторых фаэных сумматоров подключены к управляющим входам преобразователя частоты с непосредственной связью и естественной коммутацией, второй выход блока задания частоты подключен к входу блока задания реактивного тока и к первому входу блока задания модуля ЭДС, второй вход которого соединен с выходом блока задания реактивного тока, а выход блока задания модуля ЭДС соединен с вторым входом ПИ-регулятора, выход которого соединен с анодом отсекающего диода, катод которого соединен с первым входом блока йеременного коэффициента усиления, второй вход которого соединен с третьим выходом блока задания частоты, выход блока переменного коэффициента усиления соединен с третьим входом блока преобразования координат и вторым входом блока задания частоты, первый, второй, третий и четвертый входы блока ограничения соединены соответственно с выходом блока задания реактивного тока, выходами вторых фазных сумматоров, с выходом блока задания модуля ЭДС v с выходом блока определения модуля ЭДС. выход блока ограничения соединен с третьим входом блока задания частоты, 18.37379

Составитель Г.Грабовецкий

Редактор С,Ходакова Техред М.Моргентал Корректор И. Шмакова

Заказ 2870 Тираж .Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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