Устройство для регулирования скорости асинхронного двигателя

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ, содержащее блок задания скорости, регулятор скорости, элемент сравнения , формирователь амплитуды тока, статора, формирователь скольжения, блок коррекции фазы -тока статора, два сумматора, два генератора импульсов и преобразователь частоты с входами управления амплитудой и частотой тока статора, выходы которого подключены к статорным обмоткам асинхронного двигателя, на валу которого установлен датчик скорости вращения, подключенный к первому входу элемента сравнения и к первому входу первого сумматора, при этом выход блока задания скорости подключен к второму входу элемента сравнения, выход которого соединен с входом регулятора скорости, подключенного выходом к входам формирователя амплитуды тока статора,, формирователя скольжения и блока коррекции фазы тока статора, выход : формирователя амплитуды тока стато.- ра подключен к входу управления амплитудой тока статора преобразователя частоты, выход формирователя скольжения подключен кВторому входу первого суг.1матора, выход которого соединен с первым генератором импульсов, подключенным выходом к первому входу второго сумматора, выход блока коррекции фазы тока статора соединен с вторьи. генератором импульсов, подключенным к второму входу второго сумматора, выход которого.подключён к входу управления частотой преобразователя частоты , отличающееся .тем, что, с целью повышения точности регулирования скорости, в него введены блок определения направления вращения вектора тока статора, выполненный в виде релейного элемента, (Л блок определения направления сдвига фазы вектора тока статора, выполненн .ый в виде релейного элемента, и третий сумматор, а преобразователь частоты снабжен входом управления направлением вращения вектора тока статора, при этом вход блока определения направления вращения вектора тока статора подключен к о выходу первого сумматора, а выход к первому входу третьего сумматора, вход блока определения направления li{ сдвига фазы вектора тока статора ;-, подключен к выходу блока коррёкции фазы тока статора, а выход - к второму входу Фретьего сумматора, выход которого подключен к входу управления направлением вращения вектора тока статора преобразователя частоты.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

PECflYEiËÈК

3(59 Н 02 P 5 34

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ"

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3375758/24-07 (22) 06.01.82 (46 ) .30.12.83. Бюл. 9 48 (72) В.A.Ìèùåíêo (53) 621.313.333.072.9(088,8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 587588, кл. Н 02 Р 5/34, 1978.

2. Патент ФРГ Р 1563228, кл. H 02 Р 7/42, 1966 ° (.54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ, содержащее блок задания скорости, регулятор скорости, элемент сравнения, формирователь амплитуды тока. статора, формирователь скольжения, блок коррекции фазы:тока статора, два сумматора, два генератора импульсов и преобразователь частоты с входами управления амплитудой и частотой тока статора, выходы которого подключены к статорным обмоткам асинхронного двигателя, на валу которого установлен датчик скорости вращения, подключенный к первому входу элемента сравнения и к первому входу первого сумматора, при этом выход блока задания скорости подключен к второму входу элемента сравнения, выход которого соединен с входом регулятора скорости, подключенного выходом к входам формирователя амплитуды тока статора, формирователя скольжения и блока коррекции фазы тока статора, выход формирователя амплитуды тока стато-, ра подключен к входу управления амплитудой тока статора преобразо„„SU„„1064411 А вателя частоты, выход формирователя скольжения подключен к:второму входу первого сумматора, выход которого соединен с первым генератором импульсов, подключенным выходом к первому входу второго сумматора, выход блока коррекции фазы тока статора соединен с вторым генератором импульсов, подключенным к вто рому входу второго сумматора, выход которого."подключЕн к входу управления частотой преобразователя частоты,отличающееся тем, что, с целью повышения точности регулирования скорости, в него введены блок определения направления вращения вектора тока статора, выполненный в виде релейного элемента, блок определения направления сдвига фазы вектора тока статора, выполненный в виде релейного элемента, и третий сумматор, а преобразователь частоты снабжен входом управления направлением вращения вектора тока статора, при этом вход блока определения направления вращения вектора тока статора подключен к выходу первого сумматора, а выхсц -. к первому входу третьего сумматора, вход блока определения направления сдвига фазы вектора тока статора,; подключен к выходу блока коррекции фазы тока статора, а выход - к второму входу третьего сумматора, выход которого подключен к входу управления направлением вращения вектора тока статора преобразователя частоты.

106 4411

Изобретение относится к электротехнике, в частности к регулируемому электроприводу, и может быть использовано для прецизионного асинхронного электрспривода с глубоким диапазоном регулирования скорости и в следящих электроприводах переменного тока для отработки: перемещения рабо чих органов промышленных роботов, станков и других машин и механизмов с повышенными требования к надежности исполнительных электродвигателей, к точности регулирования скорости и процессов отслеживания управляющих воздействий.

Известно устройство для регулирования скорости асинхронного двигателя, содержащее блок задания скорости, регулятор скорости, элемент сравнения, формирователь амплитуды тока статора, формиователь скольжения, сумматор и силовой преобразователь тока, выходы которого подключены к статорным обмоткам асинх.. ронного двигателя, на валу которого установлен датчик скорости вращения, подключенный к первому входу элемента сравнения и к первому входу сумматора, при этом выход блока задания скорости подключен к второму входу элемента сравнения, выход которого соединен с входом регулятора скорости, подключенного выходом к входам формирователя амплитуды тока статора,и формирователя скольжения, выход формирователя скольжения подключен к второму входу сумматора,выход которого и выход формирова, теля амплитуды тока статора подключены соответственно к входам управления частоты и амплитуды тока статора силового преобразователя тока (13.

Недостатком данного устройства является невысокая точность регулирования скорости из-за отсутствия коррекции по фазе вектора тока статора.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для регулирования скорости асинхронного двигателя, содержащее блок задания скорости, регулятор скорости, элемент сравнения, формирователь амплитуды тока статора, формирователь скольжения, блок коррекции фазы тока статора., два сумматора, преобразователь частоты с входами управления амплитудой и частотой тока статора, выходы которого подключены к статорным обмоткам асинхронного двигателя, на валу которого установлен датчик скорости вращений, подключенный к пер" вому входу элемента сравнения и к первому входу первого сумматора, выход блока задания скорости подключен к второму входу элемента сравнения, выход которого соединен с входом регулятора скорости, подключенного выходом к входам формирователя ампли туды тока статора, формирователя скольжения и блока коррекции фазы тока статора, при этом выход формирователя амплитуды тока статора подключен к входу управления амплитудой тока статора преобразователя частоты, выход формирователя скольжения подключен к второму входу первого

10 сумматора, выход блока коррекции фазы тока статора подключен к первому входу второго сумматора, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход подклю15 чен к. входу управления частотой преобразователя частоты Г2 ).

Недостатком известного устройства является невысокая точность регулирования скорости из-за недостаточ-.

20 ного быстродействия по цепи коррекции фазы вектора тока статора асинхронного двигателя.

Цель изобретения — повышение точ- ности регулирования скорости асинхронного двигателя за счет введения быстродействующей коррекции фазы вектора тока статора.

Укаэанная цель достигается тем, что в устройство для регулирования скорости асинхронного двигателя, содержащее блок задания скорости, регулятор скорости, элемент сравнения, формирователь амплитуды тока статора, формирователь скольжения, блок коррекции фазы тока статора, 35

65 два сумматора, два генератора импульсов и преобразователь частоты с входами управления амплитудой и частотой тока статора, выходы которого подключены к статорным обмоткам асинхронного двигателя, на валу которого установлен датчик скорости вращения, подключенный к первому входу элемента сравнения и к перво- му входу первого сумматора, при этом выход блока задания скорости подключен к второму входу элемента сравнения, выход которого соединен с входом регулятора скорости, подключенного выходом к. входам формирователя амплитуды тока статора, форми. рователя скольжения и блока коррекции фазы тока статора, выход формирователя амплитуды тока статора подключен к входу управления амплитудой тока статора преобразователя частоты, выход формирователя скольжения подключен к второму входу первого сумматора, выход которого соединен с первым генератором импульсов, подключенным выходом к первому входу второго сумматора, выход блока коррекций фазы тока статора соединен с вторым генератором импульсов,,подключенным выходом к второму вхо,ду второго сумматора, выход которого подключен к входу управления часто1064411

5 В устройство введены блок 16 определения направления вращения вектора тока статора, выполненный в виде релейного элемента, блок 17 определения направления сдвига фазы вектора тока статора, выполненный в виде релейного элемента, и третий сумматор 18, а преобразователь 11 частоты снабжен входбм 19 управления направлением вращения вектора тока статора. Вход блока 16 оиределения направления вращения вектора статора подключен к выходу первого сумма тора 7, а выход вЂ, к первому входу третьего сумматора 18. Вход блока

17 определения направления сдвига фазы вектора тока статора подключен к выходу блока б.коррекции фазы тока статора, а выход — к второму входу третьего сумматора 18, выход ко-. торого подключен к входу 19 управления направлением вращения вектора тока статора преобразователя 11 частоты.

На фиг. 1 и 2 приняты следующие обозначения: х, у — оси ортогональ30 ной системы координат, вращающейся синхронно с вектором потокосцепления ротора; Vn — вектор потокосцепления ротора;.I„ — вектор тока ста тора;.1 „- проекция вектора тока

35 статора на ось у, совпадающую с направлением вектора потокосцепления ротора; 1 „- проекция вектора тока статора йа ось х, ортогональную вектору потокосцепления ротора;

40 ы — угловая скорости вращения системы координат относительно неподвижной оси статора; E — угол между вектором тока статора и вектором потокосцепления ротора; &Э вЂ” угол45 вектоРа тока статора относительно неподвижной оси статора; У„ — угол вектора потокосцепления ротора относительно оси вращающегося ротора; угол вектора потокосцепления относительно неподвижной оси статора; Л вЂ” угол оси ротора относительно неподвижной оси статора;+аЕ - при" ращение угла вектора тока статора относительно вектора потокосцепления ротора;.U сигнал задания скоросФ ти; 0„, — сигнал действительной скорости; 0 — сигнал задания момента;

U; — сигнал задания .модуля вектора тока статора; U < - сигнал задания угла межлу вектором тока статора

60 и вектором потокосцепления ротора;

U> Ä - сигнал задания скольжения относительно ротора;styeø — сигнал ,знака (направления ) синхронного пе-. ремещения векторов тока статора и по65 токосцепления ротора относительно той преобразователя частоты, введены блок определения направления вращения вектора тока статора, выполненный в виде релейного элемента, блок определения направления сдвига фазы вектора тока статора, выполненный в виде релейного элемента, и третий сумматор, а преобразователь частоты снабжен входом упрацления направлением вращения вектора тока статора, при этом вход блока определения направления вращения вектора тока статора подключен к выходу первого сумматора, а выход — к первому входу третьего сумматора, вход блока определения направления сдвига фазы вектора тока статора подключен к выходу блока коррекции фазы тока статора, а выход - к второму входу третьего сумматора, выходкоторого подключен к входу управления направлением вращения вектора тока статора преобразователя частоты.

На фиг.,1 представлена структур. ная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 — векторная диаграмма, поясняющая его работу.

Устройство содержит блок 1 задания скорости (фиг. 1), регулятор 2 скорости, элемент 3 сравнения, формирователь 4 амплитуды тока статора, формирователь 5 скольжения, блок 6 коррекции фазы тока статора, сумматоры 7 и 8, генераторы 9 и 10 импульсов, преобразователь 11 частоты с входом 12 управления амплитудой тока статора и с входом 13 управления частотой тока статора; Выходы преобразователя 11 частоты подключены к статорным обмоткам асинхронного двигателя .14, на валу которого установлен датчик 15 скорости вращения, подключенный к первому входу элемента 3 сравнения и к первому входу первого сумматора 7. Выход блока 1 задания скорости подключен к второму входу элемента 3 сравнения, выход которого соединен с входом регулятора 2 скорости, подключенного выходом к входам формирователя

4 амплитуды тока статора, формирователя 5 скольжения и блока 6 коррекции фазы-.тока статора.

Выход формирователя 4 амплитуды тока статора подключен к входу 12 управления амплитудой тока статора преобразователя 11 частоты. Выход формирователя 5 скольжения подключен к второму входу первого сумматора

7, выход которого соединей с первым генератором 9 импульсов, подключенным выходом к первому входу второго сумматора 8. Выход блока 6 коррекции фазы тока статора соединен с вторым генератором 10 импульсов, . подключенным выходом к второму входу второго сумматора 8, выход которого подключен к входу 13 управления частотой преобразователя 11 частоты.

10б4411

15

60

65 неподвижной оси статора. а сигнал знака (направления ) асинхронно., го перемещения вектора тока статора относительно вектора потокосцепления ротора; Мц-n,è - сигнал знака (направление ) перемещения вектора тока статора относительно неподвижной оси статора; 1 „,1,, 1 — мгно венные фазные токй статора асинхронного двигателя.

Устройство работает следующим образом.

Для безынерционного управления моментом асинхронного двигателя 14 пропорционально выходному воздействию моментного контура, получаемому с выхода регулятора 2 скорости, вводят автономный канал управления .и практически безынерционно осуществляют фазовый сдвиг +дЕ вектора тока статора относительно вектора потокосцеплейия ротора 9„, как показано на фиг. 2, согласно уравнению

Й 2 2 ) 4, )э э1пЕ,, (1) где

2 =<2,..., ), =1, +)@

Так,как изменение модуля и углово

ro положения вектора потокосцепления ротора происходит с большой инерционностью, то для безынерционного управления моментом необходигло, либо, поддерживать постоянным угол

Е, обеспечить безынерционное управление модулем вектора тока статора, либо одновременно с изменением модуля S или его поддержанием на определенногл уровне обеспечить безынерционно управляемое, в том числе и скачкообразное, изменение угла

Е . Связь между изменениями параметров вектора тока статора ), Е, определяют законом регулирования из условия оптимизации энергетических показателей электропривода и вводят закон регулирования, выраженный, например, функцией У„ = F(M), в блоки нелинейного преобразования сигнала задания момента ()> таким образом, чтобы выполнялось условие безынерционного и линейного управления гломентом двигателя согласно уравнению

1 м м

Согласно векторной диаграмме (фиг. 2 ) фазовый угол вектора тока ,статора относительно неподвижной оси статора неподвижной оси статора

0 равен алгебраической сумме углов

При, этом угол между векторами определяется уравнением

Е, =а с, (Н

Ортогональные составляющие векто. ра тока.статора определяются в функ ции сигнала задания момента, исходя. из выбранного закона регулирования, согласно уравнениям (т„ . ), (>

2LvK

1 м

9 5$ $ +

m y в связи с чем требуемый угол Е нахо дят в функции сигнала задания момен та.

Для исключения информации о действительных параметрах вектора потокосцепления ротора 9>, Ч приниглают заранее выбранный закон изменения или поддержания на определенном уровне модуля вектора потокосцепления ротора V и определяют скольжение вектора потокосцепления ротора относительно оси ротора ЛЙ,.= — = Й вЂ” ш согласно уравнению

ЗЧ д К

Р )

Bio = " =5" . .(7), г гп

Г Ь„Уг

Для исключения информации о действительном положении ротора (угол

30 A).суммарный сигнал задания скольжения, определяемый согласно уравнениям (á ) — (7 ) в функции сигнала задания гломента при заданном законе рейулирования У„и сигнала действительной скорости (u, преобразуют в непрерывную последовательность стробированных импульсов синхронного вращения векторов Ч „, 1 .. Частота импульсов пропорциональна сумме сигналов лы, и а Р, аЧ,,)л

=64 + )= — + —, (8) (H " си а а стробирующий импульс соответствует знаку сигнала

Полученные импульсы поступают на пересчетную схему, кодируются и подаются на входы цифро-аналоговых преобразователей, с выходов которых получают ступенчато-синусоидальный трехфазный сигнал задания мгновенных фазных токов, отрабатываемый быстродействующим импульсным преобразователем тока, в связи с чем цифро-аналоговое преобразование импульсов синхронного перемещег)ия (вращения ) векторов ), V обеспечивает дискретное преобразование скоростей враще, ния (уравнение 8 ) в соответствующие им углы

,=+, ÿ . (ж

Для повышения быстродействия и точности управления скоростью и моментом преобразуют сигнал задания углаЯ в стробированные импульсы

1064411

acHHxpoHHoro перемещения вектора относительно 9 в направлении, соответствующему знаку производной этоkg . го угла Sign

Bt прН этом стробирующий и>лпульс на каждой дискрете соответствует знаку производной (приращения ) угла +ЛЕ на этой дискрете. Согласно уравнению (1)знак

dE производной sign ! сИ однозначно определяет знак приращения момента, Последовательность преобразования сигналов согласно приведенным аналитическим выражениям поясняется схемой на фиг. 1. Сигнал рассогласова-. ния заданной и действительной скорости 0„„ - U подается на вход регулятора 2 скорости с йропорциональ но-интегральным законом регулирования. С выхода регулятора 2 скорости сигнал О задания момента двигателя поступает на вход формирователя 4 амплитуды. тока статора, на выходе которого получают сигнал U; нелинейным преобразованием сигнала задания момента Ltù !

5-х

Сигнал Lt òàê>êå поступает на вход блока 6 коррекции фазы тока статора (относительно вектора потокосцепления ротора ) и на вход формирователя

5 скольжения, в которых сигнал Uд, нелинейно преобразуется согласно уравнениям (4 — 7).

Сигнал задания угла 0< с выхода блока 6 подается на вход генератора

10 импульсов и на вход блока 17 определения направления сдвига фазы вектора тока статора.

В соответствии с изменением сигнала 08! на выходе генератора 10 импульсов образуется последовательность импульсов, число которых стро|. o ограничено величиной изменения сигнала.д0, . На выходе блока 17., образуется сигнал "1" или "0" в эависиглости от знака изменения сйгнала 4U<<. Частота импульсов на выходе генератора 10 импульсоь, постоянна и находится в мегагерцовой зоне, в связи с чем число-импульсная отработка изменения сигнала40 происходит за несколько микросекуйд, что позволяет практически мгновенно сдвигать по фазе сигнал задания мгновенных фазных токов статора на угол необходимый для скачка момента согласно уравнению (1 ).

Поступающий с выхода формирователя 5 скольжения сигнал сколь>кения вектора потокосцеплеиия ротор . V„ относительно ротора U „„ сумьируется с сигналом действительной c«орос-, ти ротора и их сумма поступает на вход генератора 9 импульсов и на вход блока 16 определения направления вращения вектора тока статора, с выхода которых поступает импульсная информация об угле VS и направлении синхронного вращения S!! п Ы

С выхода генератора 9 импульсов сни мается непрерывная последовательность импульсов, дискретно перемещающих сигнал задания вектора тока

1О статора синхронно с дискретным изменением фазового угла вектора потокосцепления ротора относительно оси статора YS(t). С выхода блока 16 поступает сигйал "1" или,"0" в заf5 висимости от полярности суммы сигналов 04„+ Ощ, что для каждого импульса с выхода генератора 9 импульсов определяет направление сдвига фазового угла Ч на каждой дискрете.

2О Частота импульсов с выхода генератора 9 импульсов примерно на два порядка ниже частоты импульсов с выхода генератора 10 импульсов, что обеспечивает отработку число-импульс, 75 ной динамической коРРекции по углу

Ey(<1(асинхронное перемещение) эа весьма малый промежуток синхронного перемещения (эа один-четыре периода импульсов синхронного перемещения . с выхода генератора 9 импулвсов).

Импульсы с выходов генераторов

9 и 10 импульсов поступают на сумматор 8, на выходе которого образуется последовательность импульсов дискретного перемещения вектора тока статора на фазовый уголЯ (i:)corS ласно уравнению (3).

На вход сумматора 18 поступают сигналы "1" или "0" направления асинхронного (c выхода блока 17) и

40 синхронного (c выхода блока 16) перемещения вектора тока статора относительно потокосцепления ротора, причем логика сумматора 18 строится таким образом, что каждому импульсу

45 с выхода сумматора 8 соответствует знак "1" или "G" на выходе сумматора 18, который определяется 6 гоком 17, если этот импульс на выходе сумматора 8 является импульсом асинхронного перемещения. В промежутках между импульсами асинхронного переме щения или при их отсутствии (в статике ) сигнал на выходе сумматора 18

dFS

sign определяется сигналом "1"

55 или 0 с выхода блока 16, т.е. со-!! !! .ответствует направлению синхронного перемещения. С помощью выходного сиг нала сумматора 18 создается быстродействующая коррекция перемещения вектора тока статора в обратном направлении относительно синхронного перемещения при необходимости сброса момента двигателя.

Быстродействующий преобразователь

65 частоты (преобразователь 11 тока ) 1064411

10 содержит пересчетную схему и цифроаналоговый преобразователь, формирую щий ступенчато-синусоидальный трехфазный сигнал задания фазных токов статора по синусоидальному закону, причем амплитуда каждой дискреты входного сигнала цифро-аналогового преобразователя определяется сигна лом.0; с выхода формирователя 4, а направление счета импульсов (чередование фаэных токов или направление вращения вектора тока ) определяется сигналом "1" или "0" с выхода сумматора 18. Силовая схема быстродействующего преобразователя 11 тока отрабатывает трехфазный сигнал задания мгновенных фаэных токов и обеспечивает регулирование момента и скорости электропривода с быстродей.ствием и точностью, определяемыми только динамическими и энергетическими показателями быстродействующего импульсного преобразователя тока.

При „выДанном набросе, сбросе или колебаниях нагрузки стабилизация скорости обеспечивается приращением сигналов U,,UE, и скачком или колебанием фазового угла вектора тока статора Е быстрым пробегом пересчет ной схемой преобразователя 11 час-. тоты числа импульсов с выхода генератора 10 импульсов в направлении необходимого изменения фазового угла вектора тока. 8 . Это обеспечивает высокую точность управлейия моментом и стабилизацию скорости на заданном уровне, глубокий диапазен регулирования скорости электропривода до 20000 и выше. При пуске и торможении скачок сигнала U привоЩ дит к скачку угла Е, и безынерционному скачку момента двигателя, что обеспечивает высокое быстродействие электропривода.

При периодическом характере изменения входного сигнала0„„происходит .ф периодическое изменение сигналов

15 U>, U<<, что приводит к периодическому знакопеременному изменению угла ц и момента двигателя М, что обеспечивает высокую полосу пропускания скоростного электропривода О (выше 100 Гц ).

Таким образом, введение в предлагаемое устройство блока определения . направления вращения вектора тока статора, блока определения направления сдвига фазы вектора тока стато- ра и дополнительного сумматора обеспечивают более быстродействующую коррекцию перемещения вектора тока статора и более точное регулирование скорости и момента.

ВНИИПИ Заказ 10355/56

Тираж 687 Подписное

Филиал ППП "Патент", r.Ужгород,ул.Проектная,4