Устройство прямого управления скоростью двигателя переменного тока
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводе переменного тока. Техническим результатом является обеспечение прямого регулирования скорости двигателя с быстрыми монотонными процессами, не зависящими от частоты питающего напряжения и обратной связи по скорости. Устройство прямого управления скоростью содержит преобразователь частоты напряжения с двумя независимыми входами и двигатель переменного тока. На выходном валу двигателя установлены датчики скорости и механического момента. Формируется вектор обратной связи, который представляет собой сумму сигналов скорости двигателя и механического момента с коэффициентами, подобранными так, что передаточная функция вектора обратной связи на всех частотах питающего напряжения и скорости двигателя не содержит колебательных звеньев. "Вектор" подается на инвертирующий вход регулятора скорости с большим коэффициентом, на другой вход которого подается сигнал задания скорости. Выход регулятора соединен с первым входом преобразователя частоты напряжения, управляющим амплитудой выходного напряжения преобразователя частоты, на второй вход которого подается сигнал, управляющий частотой выходного напряжения преобразователя частоты, соединенный с выходом блока задания скорости, который формирует необходимый "прямой" закон изменения скорости двигателя переменного тока. 12 ил.
Изобретение относится к устройствам регулирования электродвигателей переменного тока.
Широко известны способы регулирования скорости, основанные на применении преобразователей частоты и напряжения. Чаще всего их используют в разомкнутых схемах, которые осуществляют изменение частоты и амплитуды выходного напряжения по заранее заданному закону (U/f=const или (U/f)2=const [6, 7]. Такие способы регулирования не могут обеспечить эффективную динамику разгона двигателя, требуемые характеристики переходных процессов (плавность или колебательность и т.д.) и могут применяться только в тех механизмах, в которых необходимо только изменение статической скорости двигателя.
Наиболее близким способом и устройством регулирования являются схемы, описанные в работе Антропова А.А. [2], где представлено описание работы преобразователя частоты напряжения фирмы ЭЛЕСИ (г.Томск). Недостаток этого устройства - это общий недостаток большинства замкнутых систем регулирования скоростью двигателей переменного тока. В качестве регулятора скорости выбран пропорционально-интегральный регулятор, с устройством коррекции, на который подаются сигнал задания fзад и инвертированный сигнал обратной связи по скорости двигателя foc. В зависимости от величины foc изменяются коэффициент пропорционального канала и постоянная времени интегрирования пропорционально-интегрального регулятора скорости. Эти изменения позволяют компенсировать статические изменения параметров двигателя переменного тока, которые учитываются в подавляющем большинстве способов регулирования [3]. Для компенсации статических изменений в двигателе переменного тока практически во всех известных системах регулирования частоты и напряжения происходит «связанное» изменение частоты и напряжения, обеспечивается постоянство отношения напряжения к частоте для скалярного управления и постоянство отношения потокосцепления к частоте для векторного управления. Но изменения, которые происходят в двигателе переменного тока при изменении частоты питающего напряжения, изменяют частотную характеристику двигателя и усложняют систему регулирования, не позволяя добиться линеаризации частотной характеристики изменением коэффициентов пропорционально-интегрального регулятора. В результате, в системе регулирования скорости, с π-регулированием, не удается получить большие коэффициенты регулятора и как следствие оптимизированные динамические процессы, не зависящие от «динамических нелинейностей» двигателя, и соответственно требуемые параметры переходных процессов электропривода в целом (быстродействие, плавность и т.д.).
Техническим результатом изобретения является прямое регулирование скорости двигателя переменного тока - регулирование с быстрыми, монотонными переходными процессами, не зависящими от значений частоты питающего напряжения fзад и обратной связи по скорости двигателя foc.
Для пояснения принципа работы устройства рассмотрим схему замещения системы «преобразователь частоты напряжения - двигатель переменного тока» (ПЧН-Д), разработанную при подготовке заявки [4].
Фигура 1 отображает схему замещения системы «преобразователь частоты напряжения - двигатель переменного тока», введены следующие обозначения: 1, 2, 3 - модуляторы фаз А, В, С, формирующие фазные напряжения частотой f (или n),
4, 5, 6 - якорные цепи фаз,
7, 8, 9 - демодуляторы фаз А, В, С, формирующие механический момент,
10 - механический узел,
11, 12, 13 - напряжения фаз А, В, С - Ua=Uз·cos(
f·dt), Ub=Uз·cos(
f·dt+220),Uc=Uз·cos(f·dt+240),
14, 15, 16 - токи фаз А, В, С,
17, 18, 19 - механические моменты каналов А, В, С - Ma=Ia·cos(n·dt), Mb=Ib·cos( n·dt+120), Mc=Ic·cos(n·dt+240),
20 - задание частоты, 21 - задание напряжения, 22 - скорость двигателя.
При постоянной частоте f, узел становится линейным звеном, логарифмические частотные характеристики которого зависят от f.
Фигура 2 отображает логарифмические частотные характеристики двигателя переменного тока, при разных частотах f, когда узел становится линейным звеном.
Если переходный процесс происходит при малом изменении f, то он будет достаточно точно описываться этим звеном. Если же изменения f существенны, то процессы не будут соответствовать логарифмическим частотным характеристикам. При увеличении частоты модуляции f уменьшается статический коэффициент звена М(Uз) и возрастает колебательность. Следует отметить, что в приводимой выше работе [2] переходные процессы разгонов до 75 об/мин и до 1500 об/мин, наброса нагрузки при скорости 1500 об/мин и при скорости 75 об/мин также существенно различаются (фигуры 4, 5, 6, 7), что подтверждает адекватность модели (процесс разгона до 1500 1/с существенно более колебателен, т.е. устройство адаптации пропорционально-интегрального регулятора «не справилось» с динамической нелинейностью).
Адекватность предложенной схемы замещения системы «преобразователь частоты напряжения - двигатель переменного тока» также подтверждается результатами исследований, приведенных в работе Орлова Д.А., Осипова О.И., Позднякова В.В. [5], фигура 3 отображает логарифмические частотные характеристики схемы замещения «системы преобразователь частоты напряжения - двигатель переменного тока»; а именно ток статора I1, скорость w1 при постоянной составляющей сигнала задания 40% и ток статора I2, скорость w2 при постоянной составляющей сигнала задания 80%, с ростом частоты питающего напряжения (постоянной составляющей сигнала задания) колебательность возрастает.
Фигура 4 отображает переходный процесс при реверсе с заданием на скорость 1500 об/мин [2].
Фигура 5 отображает переходный процесс при реверсе с заданием на скорость 75 об/мин [2].
Фигура 6 отображает переходный процесс при набросе и сбросе момента нагрузки при скорости 1500 об/мин [2].
Фигура 7 отображает переходный процесс при набросе и сбросе момента нагрузки при скорости 75 об/мин [2].
Кроме того, необходимо особо обратить внимание, что при «динамическом» изменении f в модулирующих звеньях модели появляются интеграторы, т.е. электрические углы изменяются по закону 
это также ухудшает устойчивость систем регулирования, «удаляя» оптимальность процессов от практики.
Для обеспечения эффективной динамики электроприводов переменного тока разработан способ, позволяющий непосредственно управлять частотой питающего двигатель напряжения - прямое регулирование скорости двигателя переменного тока - и обеспечить устойчивые монотонные переходные процессы скорости двигателя.
Устройство работает следующим образом.
В устройстве формируется вектор обратной связи:
V=n+k1·M, названный «Вектор»;
М - механический момент двигателя переменного тока,
n - скорость двигателя,
k1 - коэффициент, имеет размерность время в секундах или миллисекундах, выбирается таким образом, чтобы вектор обратной связи V имел минимальную колебательность во всем диапазоне изменений частоты f питающего напряжения двигателя переменного тока.
Передаточная функция двигателя переменного тока с выходом по скорости на определенных частотах питающего напряжения становится колебательной на высоких частотах передаточной функции, о чем свидетельствуют расчетные характеристики схемы замещения, представленной фигурой 1, экспериментально снятые логарифмические частотные характеристики представлены фигурой 8. Чтобы вектор обратной связи V не содержал колебательного диапазона частот, необходимо чтобы второе слагаемое не содержало колебательных характеристик и чтобы амплитудная логарифмическая частотная характеристика этого слагаемого была с некоторой частоты wн больше логарифмической частотной характеристики передаточной функции двигателя переменного тока с выходом по скорости, как это представлено фигурой 8.
Суммарный вектор обратной связи V, построенный «по верхам», согласно правилам построения логарифмических частотных характеристик [1] не будет содержать колебательных диапазонов. В данном случае таким слагаемым предлагается звено двигателя переменного тока с выходом по механическому моменту, колебательность которого, как следует из фигуры 8, чрезвычайно низкая. Система регулирования двигателя переменного тока, замкнутая по вектору V, может иметь большой коэффициент, в сотни раз выше системы с пропорционально-интегральным регулятором замкнутой по скорости. При этом колебательность будет отсутствовать на всех частотах питающего напряжения, в связи с чем возможно эффективное независимое управление амплитудой напряжения двигателя переменного тока, обеспечивая прямое, быстрое, точное управление двигателя переменного тока по вектору V. Предлагаемая система регулирования до частоты wн обеспечивает прямое управление скоростью двигателя переменного тока, а после частоты wн прямое управление моментом двигателя переменного тока. Благодаря высокому коэффициенту регулятора процессы в двигателе переменного тока осуществляются по быстродействующему монотонному закону, одинаковому при любых частотах f и заданиях скорости n (фигура 8); k1 зависит от мощности двигателя переменного тока, инерционности его электромагнитных цепей, диапазона изменения частоты питающего напряжения и момента инерции нагрузки, чаще всего для двигателей переменного тока мощностью до 10 кВт k1=5...10 мс, для двигателей переменного тока мощностью 10...50 кВт k1=10...30 мс, для двигателей переменного тока мощностью до 50...100 кВт k1=30...70 мс, определяется при настройке системы.
Фигура 9 отображает схему устройства прямого управления скоростью двигателя переменного тока, введены следующие обозначения: 1 - блок задания, 2 - регулятор скорости с большим коэффициентом, 3 - блок формирования «вектора», 4 - преобразователь частоты и напряжения, 5 - двигатель переменного тока, 6 - датчик скорости.
Выход блока 2 связан с входом а блока 4, регулирующего амплитуду выходного напряжения блока 4. Вход b блока 4, задающий частоту питающего напряжения, связан с блоком 1, задающим закон изменения частоты выходного напряжения блока 4 (фигура 9). Если закон изменения частоты f такой, что n≈f во всем переходном процессе, то потери электроэнергии в блоке 5 будут минимальны при любых переходных процессах.
Фигуры 10, 11, 12 отображают переходные процессы в модели электропривода - разгон до n=10, n=100, n=1000 по закону f=fm·(1-е-1/Тс), Тс≈0,02 с.
Переходные процессы подтверждают положения, изложенные в описании работы устройства управления двигателем переменного тока. Таким образом, предлагаемое устройство регулирования обеспечивает большой коэффициент регулятора скорости, высокое быстродействие и монотонность переходных процессов при любых скоростях и частотах. Устройство регулирования обеспечивает «прямое задание» скорости двигателя переменного тока через блок задания скорости, а регулятор скорости, на который подается «векторная» обратная связь, сформированная блоком «Вектор» обеспечивает быстрые монотонные переходные процессы скорости с минимальным скольжением.
Способ может применяться в электроприводах, в которых требуется высокое быстродействие и точное регулирование скорости.
Источники информации
1. Айзерман М.А. Теория автоматического управления. М.: Наука, 1966.
2. Антропов А.А. Серия преобразователей частоты фирмы ЭЛЕСИ для общепромышленного применения. Труды тринадцатой научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока». Екатеринбург, 2005.
3. Воронов А.А. Теория автоматического управления. М.: Высшая школа, 1986.
4. Кодкин В.Л., Хайбяков Э.Р. Нелинейная схема замещения контура формирования момента в электроприводе переменного тока. Моделирование процессов в схеме замещения. Подходы к синтезу оптимальных управлений. VI международная научно-технической конференция «Кибернетика и высокие технологии XXI века». Воронеж, 2005.
5. Орлов Д.А., Осипов О.И., Поздняков В.В. Амплитудно-частотные характеристики асинхронного электропривода с векторным управлением координат. IV-я международная (XV-я всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу «Автоматизированный электропривод в XXI веке: пути развития». Магнитогорск, 2004.
6. Усынин Ю.С.Системы управления электроприводов. «ЮУрГУ», Челябинск, 2001.
7. Хлебников П.С.Преимущества преобразователей частоты DANFOSS на рынке энергосбережения. IV-я международная научно-практическая конференция «Современная практика энерго-, ресурсосбережения в промышленности». Санкт-Петербург, 2006.
Устройство управления скоростью двигателя переменного тока, содержащее преобразователь частоты и напряжения с двумя входами, обеспечивающими независимое управление частоты и амплитудой выходного напряжения преобразователя частоты, двигатель переменного тока, который при больших частотах питающего напряжения становится колебательным звеном, на выходном валу которого установлен датчик скорости и датчик механического момента, отличающееся тем, что снабжен блоком формирования вектора обратной связи в виде суммы сигналов скорости двигателя переменного тока и его механического момента с коэффициентами, подобранными так, что передаточная функция вектора обратной связи на всех частотах питающего напряжения и скоростях двигателя переменного тока не содержит колебательных звеньев и подается на инвертирующий вход регулятора скорости с большим коэффициентом, на другой вход которого подается сигнал задания скорости, а выход упомянутого регулятора скорости соединен с входом преобразователя частоты и напряжения, обеспечивающим независимое управление амплитудой выходного напряжения преобразователя частоты и напряжения, вход преобразователя частоты и напряжения, обеспечивающий независимое управление частотой выходного напряжения преобразователя частоты и напряжения, связан с выходом блока задания, который формирует необходимый прямой закон изменения скорости двигателя переменного тока.
