Электропривод переменного тока

 

ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, содержащий синхронный электродвигатель , обмотки якоря которого через датчики тока якоря подключены к преобразователю частоты, а обмотка возбуждения через датчики тока возбуждения - к регулируемому выпрямителю , формирователь гармонических функций, выходы которого подключены к первым входам блока прямого преобразователя координат и вторым входам блока формирования заданных значений тока якоря и тока возбуждения, снабженного блоком вычисления поперечной составляющей тока якоря, тремя блоками сравнения тремя блоками суммирования, тремя пропорциональньми регуляторами, блоком вычисления модуля, блоками деления и умножения, блоком ограничения минимального тока возбуждения, отличающийся тем, что, с целью обеспечения максимального использования электродвигателя по мощности в условиях ограничений по току и напряжению в преобразователе , а также ограничения мощности, потребляемой от источника энергии в него дополнительно введены блоки вычисления входной мощности, модуля вектора напряжения и тока якоря, блок ограничения соотношения пото косцеплений, три блока масштабирования , датчики фазных напряжений якоря, блок задания постоянного сигнала, при этом выход блока вы.чйсления входной мощности через первый блок сравнения и первый пропорциональный регулятор соединен с первым входом первого блока суммирования , второй вход которого соединен с выходом регулятора скорости , а его выход - с одним из вторых входов блока прямого преобразования с координат, выходы датчиков фазных (Л напряжений якоря через последовательно включенные блок вычисления модус: ля вектора напряжения, второй блок сравнения и второй пропорциональный регулятор подключены к первому входу второго блока суммирования, второй вход которого подключен к а блоку задания постоянного сигнала, со ia третий вход через последовательно включенные третий пропорциональный регулятор, третий блок сравнеto ния и блок вычисления модуля тока 00 якоря связан с соответствующими выходами формирователя гармонических функций, выходами датчиков тока якоря и входами блока вычисления поперечной составляющей тока якоря, выход которого через блок вычисления модуля подключен к первым входам блока деления и умножения, . вторые входы которых через блок ограничения соотношения потокосцеплений подключены к выходу второго блока суммирования, а выход блока деления через первый блок масштабирова

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ÄÄSUÄÄ 1169128 A (51)4 Н 02 P 5/34

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ф

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И,ОТКРЫТИЙ - ®ЗИя

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ;, „ "":"" @

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3728648/24-07 (22) 28. 12. 83 (46) 23. 07.85. Бюл. Р 27 (72) В.В. Кашканов (71) Волжское объединение по производству легковых автомобилей (53) 62-83 721.313.333.072.9(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 604112, кл. Н 02 P 5/34, 1973.

Авторское свидетельство СССР

У 809460, кл. Н 02 P 5/34, 1980. (54)(57) ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО

ТОКА, содержащий синхронный электродвигатель, обмотки якоря которого через датчики тока якоря подключены к преобразователю частоты, а обмотка возбуждения через датчики тока возбуждения — к регулируемому выпрямителю, формирователь гармонических функций, выходы которого подключены к первым входам блока прямо- го преобразователя координат и вторым входам блока формирования заданных значений тока якоря и тока возбуждения, снабженного блоком вычисления поперечной составляющей тока якоря, тремя блоками сравнения, тремя блоками суммирования, тремя пропорциональными регуляторами, блоком вычисления модуля, блоками деления и умножения, блоком ограничения минимального тока возбуждения, отличающийся тем, что, с целью обеспечения максимального использования электродвигателя по мощности в условиях ограничений .по току и напряжению в преобразователе, а также ограничения мощности, потребляемой от источника энергии в него дополнительно введены блоки вычисления входной мощности, модуля вектора напряжения и тока якоря, блок ограничения соотношения потокосцеплений, три блока масштабирования, датчики фазных напряжений якоря, блок задания постоянного сигнала, при этом выход блока вычисления входной мощности через первый блок сравнения и первый пропорциональный регулятор соединен с первым входом первого блока суммирования, второй вход которого соединен с выходом регулятора скорости, а его выход — с одним из вторых входов блока прямого преобразования координат, выходы датчиков фаэных напряжений якоря через последовательно включенные блок вычисления модуля вектора напряжения, второй блок сравнения и второй пропорциональный регулятор подключены к первому входу второго блока суммирования, второй вход которого подключен к

1блоку задания постоянного сигнала; а третий вход через последовательно включенные третий пропорциональ ный регулятор, третий блок сравнения и блок вычисления модуля тока якоря связан с соответствующими выходами формирователя гармонических функций, выходами датчиков тока якоря и входами блока вычисления поперечной составляющей тока якоря, выход которого через блок вычисления модуля подключен к первым входам блока деления и умножения, вторые входы которых через блок ограничения соотношения потокосцеплений подключены к выходу второго блока суммирования, а выход блока деления через первый блок масштабирования подключен к одному из вторых входов блока прямого преобразования координат, а через второй блок масштабирования — к первому входу третьего блока суммирования, второй вход которого через третий блок масшта1169128 .бирования соединен с выходом блока умножения, а выход третьего блока суммирования через блок ограничения минимального тока возбуждения подключен к одному из входов регулируемого выпрямителя.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к частотно-управляемым приводам с синхронными машинами, и может быть использовано в системах различного назначения, в частности для привода транспортных средств, например электромобиля.

Цель изобретения — обеспечение максимального использования электродвигателя по мощности, а также ограничение мощности, потребляемой от источника энергии в условиях ограничений по току и напряжению в преобразователе.

На фиг. 1 изображена структурная схема синхронного электропривода; на фиг. 2 — структурная схема блока формирования заданных значений компонентов токов якоря и тока возбуждения; на фиг. 3 — предельные механические характеристики синхронной машины в двигательном режиме при коэффициенте мощности, равном единице.

Структурная схема электропривода содержит (фиг. 1) регулятор 1 скорости синхронного электродвигателя 2, обмотки якоря которого через датчики 3 тока якоря подключены к преоб- разователю 4 частоты, а обмотка возбуждения через датчики 5 тока возбуждения подключена к регулируемому выпрямителю 6, формирователь 7, гармонических функций, выходы которого подключены к первым входам блока .

8 прямого преобразования координат и вторым входам блока 9 формирования заданных значений компонентов токов якоря и тока возбуждения, датчики 10 фазных напряжений якоря.

Структурная схема блока 9 формирования заданных значений компонентов токов якоря и тока возбуждения содержит (фиг. 2) блок 11 вычисления,поперечной составляющей тока якоря, три блока (12, 13 и 14) сравнения, три блока (15 — 17) суммирования, три пропорциональных регулятора (18

20), блок 21 вычисления модуля, блоки 22 и 23 деления и умножения, блок 24 ограничения минимального то ка возбуждения, блоки 25 — 27 вычис1О ления входной мощности модуля векt . тора напряжения и тока якоря, блок

28 ограничения соотношения потокосцеплений, три блока (29 — 31) масштабирования. При этом выход блока 25 вычисления входной мощнос ти через первый блок 12 сравнения и первый пропорциональный регулятор 18 соединен с первым входом первого блока 15 суммирования, вто-. рой вход которого соединен с выходом регулятора 1 скорости, а его выход — с одним из вторых входов блока 8 прямого преобразования координат, выходы датчиков фазных напряжений якоря через последо вательно включенные блок 26 вычисления модуля вектора напряжения, второй блок 13 сравнения и второй пропорциональный регулятор 19 под-. ключены к первому входу второго

ЗО блока 16 суммирования, второй вход которого подключен к блоку задания постоянного сигнала, а третий вход через последовательно включенные третий пропорциональный регулятор

35 20 третий блок 14 сравнения и блок вычисления модуля тока якоря соединен с соответствующими выходами формирователя 7 гармонических функций, выходами датчиков 3 тока

Ю якоря и входами блока 11 вычисления поперечной составляющей тока якоря, выход которого через блок 21 вычисления модуля подключен к первым входам блока 22 деления и блока

1169128 где i, »i,9» ч

Ve1 ь»П ь

В» ь м= pn—

П,1,и

Компоненты Ud ными напряжениями зователя UA, U, U

Ов

0С

cosV s1nV

0 3 -81пМ

Аа! ВЫ Со/

Ар ВВ Св е е

4, = Lв 1, Lsq>q

ЮЬ 1ь 6

+ 1 ФИ1ь

+ Lùd id (3) Ы

dt s

55

-R> i » " ш Ч + Ug 6 ь ь

23 умножения, вторые входы которых через блок 28 подключены к выходу второго блока 16 суммирования, а выход блока деления 22 через первый блок масштабирования 29 подключен к одному из вторых входов блока 8 прямого преобразования координат, а через второй блок 30 масштабирования — к первому входу третьего блока 17 суммирования, второй вход 10 которого через третий блок 31 масштабирования соединен с выходом блока 23 умножения, а выход третьего блока 17 суммирования через блок 24 ограничения минимального тока воз- 15 буждения, подключен к одному из входов регулируемого выпрямителя 6.

Электропривод работает следующим образом.

Устанавливаются сигналы ig, i 20 задания компонентов i< и i токов якоря и сигналы ie> задания тока возбуждения, который поступает на блок 6. При .этом ток в продольной обмотке ротора начинает нарастать и происходит изменение потокосцеплений обмоток сигнала статора, вследствие чего в них наводятся напряжения. Эти напряжения через датчики 10 фазных напряжений якоря посту- ЗО пают в формирователь 7 гармонических функций, после образования которых сигналы 4 » i через блок 8 прямого преобразования координат, подаются на соответствующие входы преобра зователя 4.

Осуществление формирования заданных значений компонентов вектора тока статора и заданного значения тока в обмотке возбуждения, обес- щ печивающих для любого режима работы машины минимально возможные потери в меди с учетом налагаемых ограничений, поясняется дифференциальными уравнениями синхронной машины, записанными в ортогональной системе координат d, q, ось d которой ориентирована по продольной оси ротора, а ось q — в опережающем ее на 90 направлении

50 координаты векторов тока и пото. косцепления статора; потокосцепление, ток и напряжение обмотки возбуждения, соответственно; активные сопротивления обмоток статора и обмотки возбуждения соответственно; угловая скорость ротора, выраженная в электрических радианах (р число пар полюсов машины, и — угловая скорость ротора в механических радианах); координаты обобщенного вектора U напряжения статора машины.

U< связаны с фаз-. силового преобрасоотношением где Y — угол поворота продольной оси ротора относительно фазы А;

lA»28»Х — направляющие орты фаз; Ae(,» SaC»

leg» A Р, 1>>,I< — проекции орт фаз на оси ортогональной системы координат Ы» р ось о(которой для определенности будем считать ориентированной по направляющему орты фазы А.

Потокосцепления и токи связаны следующими соотношениями: где L5> L — полная собственная индуктивность статора, соответственно в продольной и поперечной осях;

1169128

У(1а Ф (4) (5) 35 (6) RQ U9 1 sd LdK P (7) м в 9( — взаимная индуктивN ность обмоток статора и обмотки возбуждения продольной Оси1 5.

L g — полная собственная индуктивность обмотки возбуждения.

Работе привода с максимально воз 10 можной мощностью при заданной полной мощности преобразователя час.тоты соответствует режим работы синхронной машины с коэффициентом мощности, равным единице. Это ус- 15 ловие выражается в ортогональности вектора тока статора i вектору потокосцепления статора ° так как при этом условии направление вектора тока статора точно совпадает с 20 направлением вектора результирующей

ЭДС статора j а следовательно, и с вектором U9 обобщенного напряжения статора. Отсюда получаем

Представим 4 в виде

9<= Ь„„. К 1,„ где К вЂ” коэффициент связи.

Тогда выражения для id и i> имеют вид

Lsd Lsq, 1

1 — (iК+ ==== r===)

Развиваемый машиной момент M равен

М= P(4 Уi - Ч, 1,У) = PL9,У К i9 I (8)

Так как при переходе из двиet гательного режима работы машины в генераторный и наоборот не должно изменять свой знак, то следовательно

slghK = sighi и 1 всегда отрица- 50

Ч d тельно, а i> всегда положительно.

Потери Р в меди машины при фик.сированном значении момента имеют вид 55 (, 2

9% „2

sd ,р 5д

Lì К

9 .К

met

Иэ уравнения (9) видно, что существует такое значение коэффициента связи (будем называть его оптималь( ным и обозначать К „ ), при котором потери в меди машины минимальны.

Это значение коэффициента связи всег да,можно получить иэ условия

3r„/аК = О

Так как в реальных системах электропривода всегда существуют ограничения, налагаемые на величину напряжения и фазного тока силового пре образователя, то целесообразно получить зависимость n = f(Ì), определяющую зону возможной работы машины с К = К „ -и с учетом налагаемых ограничейий. Для этого из системы (i) выразим средние значения компонент вектора напряжения статора через средние значения компонент век тора тока статора в статическом режиме работы

Ug = +К 1d Ы (10)

U% -+R91 +ЮУЫ

Из уравнений (10, 8, 5 и 3) получаем

Знак +" соответствует двигательному режиму работы, а "-" — генераторному.

Для расчета зоны возможной работы машины с минимумом потерь в меди, можно построить кривую n = Е(М) при

К К „ ., (фиг.3, кривая 32). Эта зона ограничена сверху максимально допустимой скоростью ротора и И не а справа — максимальным моментом

М„, который определяется из уравне(8) .при K K опт и /19/ /is/щв, Но как видно из уравнения (8), мак симальный момент машины при заданном токоограничении /19/ = /i9/eatrc до стигается не при К = К „, а при

К 7 К „ . Естественно, что при этом потери.в меди возрастают, но тем не менее при том же токоограничении Мох но будет получить большие моменты, 1169128 что немаловажно для пусковых режимов.

Максимальное значение коэффициента связи (К„„„с) можно вычислить из уравнения (7), выразив i > через /is/

IIpH 1 4с 1g и /1 з/ /1 s/мсек °

Прк этом значении К дк и заданном токоограничении уравнение (7) дает максимальное значение момента, развиваемого машиной (М „„ (фиг. 3). !О

Из уравнения (11) видно, что при фиксированном моменте и /Us/ =- /U,/„,„„ дальнейшее возрастание скорости возможно только за счет уменьшения значений коэффициента связи К ниже К „ причем это также ведет к возрастанию потерь в меди машины. Очевидно, что минимальная величина коэффициента связи (К „„) определяется из ypasнения (11) при /Us/ = /U /мдкс 20

15 / /1э /маке и <д иткс» Умножив уравнение (11) на M можно сделать вывод, что предельное значение мощности (Р а„с), развиваемой машиной, не зависит от величины коэффициента 25 связи К, а определяется только величиной активного сопротивления обмоток статора и заданными ограничениями—

/"В/МаКС H /1З/цс(КС .

Рмак с 5/ э/макс / 3 /макс /18 /мйкс(12) Уравнению (12) соответствует ги,пербола 37 на фиг. 3. Значения коэффициента связи, соответствующие гиперболе 37 (будем обозначать их К, ) обратнопропорциональны угловой скорости вращения ротора и определяются из (11) при /v / = /Us/ и

1 з/макс 4Q

К = — — -(-R+ -- — — )

1 /Us /макс (13) 1. зд /4 /макс

Таким образом, из фиг. 3 видно, что в отношении величины коэффициен- 45 та связи К имеется три зоны.

Зона 1 ограничена осями и М, максимальной. скоростью n „„, кривой 32 и моментом М (фиг.3 заштрихо1 вана). Зто зона, в которой при заданных ограничениях /U / = /V /«„ и /1з/ = /i®/ -„ возможно выполнение. минимума потерь в меди машины. Величина К в этой зоне должна быть постоянная и равна К „,1.. 55

Зона 2 ограничена гиперболой 37, моментами М„ и М „„,и осью М. В этой зоне при увеличейии заданного момен.

I та коэффициент связи К должен меняться от К = К,„ до К = К„„„ в функции поддержания тока статора на уровне /1.в/.,сикс

Зона 3 ограничена кривой 32, гиперболой 37 и максимальной скоростью n „,. В этой зоне при увеличении заданной скорости или момента коэффициент связи К должен изменяться от К = К,„до К = К „„в функции поддержания вектора напряжения на уровне /U /

Таким образом, при учете влияния ограничения тока вентилей преобразователя необхопимо увеличивать значения коэффициента связи К, начиная от значения К nr до тех пор, пока ток в статорных обмотках не уменьшится до допустимых значений.

Зти функции осуществляются третьим блоком !4 сравнения, вторым блоком

16 суммирования и третьим пропорциональным регулятором 20, нижний уровень выходного сигнала которого равен нулю (фиг. 2). Аналогичным образом следует поступать и при учете ограничения напряжения. Зти функции осуществляются вторым блоком 13 сравнения, вторым блоком 16 суммирования и вторым пропорциональным регулятором 19, верхний уровень выходного сигнала которого равен нулю. Блок 28 ограничения соотношения потокосцеплений имеет коэффициент передачи равный единице. Он обеспечивает ограничение максимальной величины своего выходного сигнала (т.е. величины коэффициента связи К) в функции скорости на уровне, соответствующем К = К,, причем максимальное значение К равip но Кц„„, а минимальное - Кман. Кроме того, величина выходного сигнала блока 28 в третьей зоне лежич в пределах от К„ до Кр„, а во второй зоне — от Kenr по Кгр. Первый блок 29 масштабирования имеет коэффициент передачи, равный отношению Ls к Lsd причем сигнал на его выходе инвертируется, поэтому выходной сигнал блока 29 равен (в соответствии с уравнением (6)). Коэффициент передачи блока 30 масштабирования равен отношению

Ь к L y, а коэффициент передачи ! блока 3! масштабирования — отношению Езс! к асяс!, поэтому сигнал

1169128 на выходе третьего блока 17 сумирования равен заданному значению ока возбуждения i в соотношении с уравнением (7).

В то же время в электроприводах с автономными источниками энергии (например, в тяговом приводе) может оказаться, что предельная мощность машины с учетом ограничений

/i / и /Уз/, превышает допустимое значение мощности источника энер.гии. Это ограничение не должно вызывать изменения величины коэффициента связи К. Поэтому ограничение мощности, потребляемой электроприводом от источника энергии, осуществляется за счет уменьшения заданного значения компоненты i, т.е. за счет уменьшения развиваемого машиной момента. Эти функции осуществляются первым блоком 15 суммирования, первым пропорциональным регулятором

18, первым блоком 12 сравнения и блоком 25 вычисления входной мощности, на входы которого поступают сигналы IH, U пропорциональные току и напряжению источника энергии (фиг. 2).

Таким образом, рассмотренный электропривод позволяет предельно использовать машину во всем диапазоне возможных скоростей и нагрузок в условиях ограничений по току и напряжению в преобразователе, т.е. ограничения мощности, потребляемой от источника энергии. Существенно, что требуемые значения скоростей и моментов достигаются автоматически при минимально возможных в данной точке потерях в меди ма-, шины. Наибольший эффект дает использование предлагаемого изобрете2п ния там, где первостепенное значение имеют энергетйческие и весогабаритные показатели электропривода. Характерным примером таких приводов является автономный электр

25 привод транспортных средств. ъЦ

1!69128

1169128 7иак

Составитель В. Тарасов

Редактор А. Сабо Техред Ж. Кастелевич Корректор Е. Сирохман

Заказ 4627/52 Тираж 646 Подписное

ВИИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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