Электропривод переменного тока
Изобретение относится к электротехнике, в частности к регулируемым электроприводам переменного тока. Технический результат заключается в повышении энергетических и динамических показателей. В электропривод переменного тока введен адаптивный регулятор момента, который формирует вектор потокосцепления ротора путем формирования пофазного задания его мгновенных значений, амплитуда и частота которых зависят от задания на момент. Путем изменения частоты достигается формирование оптимального, с точки зрения минимизации, потребления тока статора, угла между векторами тока статора и потокосцепления ротора, равным 45°. Поддержание потокосцепления ротора осуществляется путем введения фазных регуляторов, выходы которых подключены к управляющим входам ШИМ-регулятора тока. Инвертором формируются фазные токи статора с частотой и амплитудой, необходимой для формирования заданного значения момента при условии минимизации потребления тока статора из сети и наиболее полного использования магнитопровода. Электропривод работает с реальной трехфазной системой координат, что позволит исключить всевозможные преобразователи координат, усложняющие расчет и увеличивающие требования к управляющему контроллеру. 2 ил.
Изобретение относится к электротехнике, в частности к регулируемым приводам переменного тока, и может использоваться для минимизации потерь электроэнергии при питании асинхронного электродвигателя от преобразователя частоты, а также регулирования момента и скорости асинхронных электродвигателей.
Известен электропривод переменного тока, содержащий асинхронный двигатель, подключенный статорными обмотками к выходам импульсного преобразователя тока, выполненного с управляющими входами для частоты и для ортогональных 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 вращения [1].
Недостатком данного устройства является сложность регулирования контролируемых координат векторов тока и потока из-за наличия множественных преобразований координат, требующих значительных вычислительных мощностей для расчета тригонометрических функций.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является электропривод переменного тока, содержащий трехфазный инвертор, силовые выходы которого через датчики фазного тока подключены к двум статорным обмоткам асинхронного электродвигателя, а управляющие входы инвертора через блок формирования управляющих импульсов и связанный с датчиками фазного тока импульсного регулятора тока соединены с выходами прямого преобразователя двухфазно-трехфазных координат, входы которого подключены к выходам прямого преобразователя декартовых координат, при этом ортофазный и синфазный выходы прямого преобразователя декартовых координат соединены с выходами соответственно регулятора ортофазного тока и регулятора синфазного тока, задающий вход регулятора ортофазного тока подключен к выходу адаптивного регулятора момента, вход задания момента которого соединен с выходом регулятора скорости, задающим входом подключенного к блоку задания скорости [2].
Недостатками этого технического решения являются сложность управляющего контроллера из-за наличия большого количества вычислительных операций, связанных с координатными преобразованиями, требующими в каждом цикле работы определения мгновенных значений тригонометрических функций.
Предлагаемый электропривод переменного тока содержит трехфазный инвертор, два силовых выхода которого через датчики фазного тока подключены к двум статорным обмоткам асинхронного двигателя, а управляющие выходы инвертора соединены с выходом блока формирования импульсов, датчик скорости, установленный на валу асинхронного двигателя, выход которого соединен с отрицательным входом блока сравнения, положительный вход которого подключен к блоку задания скорости, а выход блока сравнения подключен к входу пропорционально-интегрального регулятора скорости, третий силовой выход инвертора напрямую соединен с третьей обмоткой статора двигателя, выход регулятора скорости соединен с входом регулятора момента, выход которого подключен к первому входу блока формирования задания мгновенных значений потокосцепления ротора, имеющего три фазных выхода, каждый из которых соединен с положительным входом одного из трех фазных блоков сравнения, отрицательные входы которых соединены с фазными блоками расчета потока фазы ротора, а выходы трех фазных блоков сравнения потока соединены с входами регуляторов фазных потоков ротора двигателя, выходы которых поступают на три первые входа блока ШИМ-регулятора тока, шесть выходов которого соединены с шестью управляющими входами трехфазного инвертора, выходы двух датчиков тока соединены с входом сумматора токов, а также соединены с двумя входами блока ШИМ-регулятора тока, а также соединены со входами двух фазных блоков расчета потока фазы ротора двигателя, выход сумматора токов соединен с входом третьего фазного блока расчета потока фазы ротора и входом ШИМ-регулятора тока, выходы блоков расчета потоков фаз ротора соединены с отрицательными входами трех фазных блоков сравнения потоков ротора, выход пропорционально-интегрального регулятора скорости соединен с первым входом блока задания тангенса угла, выход регулятора момента соединен со втором входом блока задания тангенса угла, выход которого соединен с первым входом блока формирования частоты вращения магнитного потока ротора, второй вход которого соединен с выходом датчика скорости, выход блока формирования частоты вращения магнитного потока ротора соединен со вторым входом блока формирования задания мгновенных значений потокосцепления ротора, а также соединен с первым входом блока расчета скольжения, выход датчика скорости подключен к второму входу блока расчета скольжения, выход которого соединен с входом блока расчета постоянной времени интегрирования, выход которого соединен с тремя блоками регуляторов фазных потоков ротора, и тремя фазными блоками расчета потока ротора.
В данном электроприводе переменного тока заданное значение электромагнитного момента обеспечивается при минимальных значениях тока статора, что достигается путем поддержания постоянного угла между векторами тока статора и потокосцепления ротора равным 45°.
На фиг.1. приведена функциональная схема электропривода переменного тока; на фиг.2. - зависимость тока статора от угла между векторами тока статора и потока ротора при постоянном электромагнитном моменте.
Электропривод переменного тока содержит трехфазный инвертор 1, два силовых выхода которого соединены через датчики тока 2 и 3 с двумя обмотками статора асинхронного двигателя 4, а третий силовой выход инвертора 1 соединен с третьей обмоткой статора двигателя 4 напрямую. На валу двигателя 4 установлен датчик скорости 5. Управляющие входа инвертора 1 соединены с выходами блока широтно-импульсной модуляции (ШИМ) регулятора тока 6. Выходы датчиков тока 2, 3 соединены с входами сумматора тока 7. Выходы датчиков тока 2, 3 наряду с выходом сумматора тока 7 поступают на блок ШИМ регулятора тока 6. Выход датчика скорости 5 соединен с отрицательным входом блока сравнения скорости 8, положительный вход которого подключен к блоку задания скорости 9. Выход блока сравнения скорости 8 подключен к входу пропорционально-интегрального регулятора скорости 10. Выход регулятора скорости 10 соединен с входом регулятора момента 11. Выход пропорционально-интегрального регулятора скорости 10 соединен с первым входом блока задания тангенса угла 12, второй вход которого соединен с выходом регулятора момента 11. Выход блока 12 соединен с первым входом блока формирования частоты вращения магнитного потока ротора 13, второй вход которого соединен с выходом датчика скорости 5. Выход регулятора момента 11 соединен с первым входом блока формирования задания мгновенных значений потокосцепления ротора 14, второй вход которого соединен с блоком 13. Три фазных выхода блока 14 соединяются с положительными входами одного из трех фазных блоков сравнения 15, 16, 17, отрицательные входы этих блоков соединены с выходами фазных блоков расчета потока фазы ротора 18, 19, 20. Выходы трех фазных блоков сравнения потока 15, 16, 17 соединены с входами регуляторов фазных потоков ротора 21, 22, 23, выходы которых поступают на три первые входа блока ШИМ регулятора тока 6, шесть выходов которого соединены с шестью управляющими входами трехфазного инвертора 1. Выходы датчиков тока 2, 3 соединены с входами двух фазных блоков расчета потока фазы ротора 18, 20. Выход сумматора токов 7 соединен с входом фазного блока расчета потока ротора 19. Выходы датчиков тока 2, 3, а также выход сумматора тока 7 соединены с тремя входами ШИМ регулятора тока 6. Выход датчика скорости 5 соединен с первым входом блока расчета скольжения 24, второй вход которого соединен с выходом блока формирования частоты вращения магнитного потока ротора 13. Выход блока расчета скольжения 24 соединен с входом блока расчета постоянной времени интегрирования 25, выход которого соединяется с тремя блоками регуляторов фазных потоков ротора (21, 22, 23), и тремя фазными блоками расчета потока ротора (18, 19, 20).
Электропривод переменного тока работает следующим образом.
Инвертор 1 через датчики 2, 3 фазных токов питает статорные обмотки асинхронного двигателя 4 широтно-модулируемыми импульсами силового напряжения, длительность которых определяется управляющими импульсами, поступающими с выхода ШИМ регулятора тока 6. Формирование задания на блок ШИМ регулятора тока 6 происходит следующим образом. Сигнал задания на скорость ω* 2, поступающий с блока задания скорости 9, сравнивается с сигналом текущей скорости вращения ротора ω2, поступающего с датчика скорости 5. Формируемая таким образом разница поступает на вход пропорционально-интегрального регулятора скорости 10, на выходе которого формируется задание на электромагнитный момент.
Задание на момент поступает на регулятор момента 11. Работа блока проходит в два этапа. На первом этапе вычисляется модуль вектора потокосцепления ротора исходя из задания на момент и условия, что угол между векторами тока статора и потокосцепления ротора должен быть равен 45°, по формуле
где Lr - индуктивность ротора, рn - число пар полюсов асинхронного электродвигателя. Выбор значения угла в 45° осуществлен из условия минимизации потребления тока статора векторным электроприводом при формировании момента по формуле
где Lm - взаимная индуктивность фаз, ϕr - угол между вектором тока статора и потокосцеплением ротора.
На втором этапе работы регулятора момента модуль заданного потокосцепления, вычисленный на предыдущем этапе, ограничивается по максимуму, равному значению насыщения магнитопровода двигателя ψr mах.
Таким образом, в дальнейшей работе системы векторного управления насыщение не учитывается.
Задание на момент с регулятора скорости 10, а также задание на модуль потокосцепления ротора с регулятора момента служат входными значениями блока задания тангенса угла 12, по формулам
Этот блок необходим для обеспечения заданного значения электромагнитного момента в случае ограничения модуля потокосцепления ротора по максимуму. В этом случае необходимый угол будет больше оптимального.
Блок формирования частоты вращения магнитного потока ротора 13, в зависимости от текущей частоты вращения ротора ω2 и задания на тангенс поддерживаемого угла между векторами тока статора и потокосцеплением ротора формирует на выходе задание на частоту вращения вектора потокосцепления ротора, при которой в асинхронном электроприводе сформируется необходимый угол между задающими векторами момента. Формула имеет следующий вид
где Т0 - постоянная времени, рассчитываемая от скольжения, равная:
где R'2 - приведенное к статору активное сопротивление ротора, s - скольжение рассчитываемое по формуле
Знак в уравнении (4) соответствует знаку задания момента М*. Сформированная таким образом частота ω1 наряду с заданием на модуль потокосцепления ротора поступает на вход блока формирования мгновенных значений потокосцепления ротора 14 реализующего формулу:
Сформированные таким образом задания на фазные потокосцепления ротора поступают на входы блоков сравнения 15, 16, 17 соответственно. На этих блоках происходит сравнение заданных мгновенных значений потокосцепления ротора 
c рассчитанными в блоках обратной связи по потоку ротора 18, 19, 20. Представленный электропривод работает в естественной системе координат, что избавляет от необходимости применять двухфазно-трехфазный преобразователь координат. Мгновенные фазные значения потокосцепления вычисляются в блоках 9, 10, 11 из реальных значений тока по передаточной функции Лапласа, каждая из которых имеет передаточную функцию:
где ψr(р), Is(р) - операторное изображение потокосцепления ротора и тока фазы статора, р - оператор Лапласа, Lm - взаимная индуктивность фазы АД.
Мгновенное значение потока ротора не прямо пропорционально току, а изменяется по апериодическому закону, постоянная времени которого является функцией скольжения (5), рассчитываемого в блоке 24. Регуляторы потокосцепления 21, 22, 23 имеют передаточную функцию:
где Тф- постоянная времени фильтра Баттерворса, принимается равной по величине обратно пропорциональной частоте операций сравнения ШИМ регулятора тока 6. На выходе регуляторов потока ротора формируются задания на мгновенные фазные токи статора 
которые наряду с действительными значениями (Isa, Isb, Isc) поступают на вход импульсного регулятора тока. Сигнал мгновенного фазного тока Isb рассчитывается на сумматоре 7 через мгновенные фазные значения токов (Isa, Isc), поступающих с датчиков тока 2, 3.
На фиг.2. показана зависимость величины тока статора от угла между векторами тока статора и потока ротора, построенная в относительных единицах. Из графика зависимости видно как меняется угол между векторами тока статора в естественной характеристике при увеличении нагрузки на валу асинхронного двигателя и изменение тока статора, необходимого на его формирование. Как показывает график, при номинальной загрузке достигается уменьшение тока статора на 9%, по отношению к приводу работающему напрямую от сети.
Преимущество предлагаемого электропривода переменного тока заключается:
- в работе с реальной трехфазной системой координат, что избавляет от многочисленных преобразований;
- в учете динамики изменения фазных значений потока ротора в зависимости от изменения фазных значений тока статора, что повышает точность и скорость протекающих процессов.
Список используемой литературы
1. Патент СССР №548220, кл. Н 02 Р 5/40 "Электропривод с асинхронной машиной" Феликс Блашке. Приоритет 10.08.1970. Опубл. 25.02.77. Бюл. №7.
2. Патент РФ №1515322, кл. Н 02 Р 7/42 "Электропривод переменного тока" Мищенко В.А. Приоритет 11.05.1984. Опубл. 15.10.89. Бюл. №38.
Электропривод переменного тока, содержащий трехфазный инвертор, два силовых выхода которого через датчики фазного тока подключены к двум статорным обмоткам асинхронного двигателя, а управляющие входы инвертора соединены с выходами блока ШИМ-регулятора тока, датчик скорости, установленный на валу асинхронного двигателя, выход которого соединен с отрицательным входом блока сравнения, положительный вход которого подключен к блоку задания скорости, а выход блока сравнения подключен к входу пропорционально-интегрального регулятора скорости, отличающийся тем, что третий силовой выход инвертора напрямую соединен с третьей обмоткой статора двигателя, выход пропорционально-интегрального регулятора скорости соединен с входом регулятора момента, выход которого подключен к первому входу блока формирования задания мгновенных значений потокосцепления ротора, имеющего три фазных выхода, каждый из которых соединен с положительным входом одного из трех фазных блоков сравнения потока ротора, отрицательные входы которых соединены с фазными блоками расчета потока фазы ротора, а выходы трех фазных блоков сравнения потока ротора соединены с входами регуляторов фазных потоков ротора двигателя, выходы которых поступают на три первые входа блока ШИМ-регулятора тока, шесть выходов которого соединены с шестью управляющими входами трехфазного инвертора, выходы двух датчиков фазного тока соединены с входом сумматора токов, а также соединены с двумя входами блока ШИМ-регулятора тока, а также соединены со входами двух фазных блоков расчета потока фазы ротора двигателя, выход сумматора токов соединен с входом третьего фазного блока расчета потока фазы ротора и входом ШИМ-регулятора тока, выход пропорционально-интегрального регулятора скорости соединен с первым входом блока задания тангенса угла, выход регулятора момента соединен со вторым входом блока задания тангенса угла, выход которого соединен с первым входом блока формирования частоты вращения магнитного потока ротора, второй вход которого соединен с выходом датчика скорости, выход блока формирования частоты вращения магнитного потока ротора соединен со вторым входом блока формирования задания мгновенных значений потокосцепления ротора, а также соединен с первым входом блока расчета скольжения, выход датчика скорости подключен к второму входу блока расчета скольжения, выход которого соединен с входом блока расчета постоянной времени интегрирования, выход которого соединен с тремя блоками регуляторов фазных потоков ротора и тремя фазными блоками расчета потока ротора.
