Вентильный электропривод

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) 42 Н 02 К 29 00 (5D4 Н 02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ и ABTGPCHQMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ с ь. „ ОСУДАРСТВЕНН) )Й КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTN4 (21) 3710497/24-07 (22) 11.03.84 (46) 15. 01. 86. Бюл, № 2 (71) Уральский политехнический институт им. ".M.Кирова (72) В.В.Белошабский, А.М.Вейнгер, И.M.Ñåðûé, О.А.Ставский, А.В.Тихонов,.

А.И.Малкин и В.M.Øèãèí (53) 621 316 717(088.8) (56) Александровский Б.С. и др. Перспективы внедрения вентильных двигателей. — Электротехническая промышленность, сер. "Электропривод", 1976, ¹ 4, с. 4-6.

Патент СИА № 4.088.932, кл. 318/138, кл. Н 02 К 29/00, 1978. (54)(57) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД, содержащий синхронный двигатель, статорные обмотки которого подключены к выходам-преобразователя частоты, снабженного последовательно соединенными управляемым выпрямителем, сглаживающим реактором и инвертором тока, а обмотка возбуждения синхронного двигателя через датчик тока возбуждения подключена к выходу регулируемого возбудителя, соединенного входом с выходом системы управления возбудителем, датчики углового положения и скорости, установленные на валу синхронного двигателя, последовательно соединенные эадатчик скорости, регулятор скорости и формирователь заданиИ составляющих тока статора и тока возбуждения, связанный соответствующими выходами с входом системы управления выпрямителем и управляющим входом блока фазосмещения, соединенного выхсдом с входом системы управления инвертором, при этом выход датчика тока возбуждения подключен к входу обратной связи регулятора тока возбуждения, управляющий вход которого соединен с соответствующим .выходом формирователя заданий составляющих тока статора и тока возбуждения, выход регулятора тока возбуждения связан с входом системы управления возбудителем, выход датчика скорости подключен к входу обратной связи регулятора скорости, а выход датчика углового положения подключен к опорному входу блока фазосмещения, отличающийся тем, что, с цельюулучшения динамическихсвойств эа счет повышения быстродействия, в него введены датчики фазных токов статора, блок обратного преобразования координат, регуляторы продольной и поперечной составляющих тока статора и формирователь управляющих напряжений, первый, второй, третий и .четвертый входы которого подключены соответственно к выходам регулятора продольной и поперечной составляющих тока статора, регулятора тока возбуждения и датчика скорости, при этом управляющие входы регуляторов продольной и поперечной составляющих тока статора подключены к одноименным выходам формирователя заданий составляющих тока статора и тока возбуждения, входы обратной связи регуляторов продольной и поперечной составляющих тока статора подключены к соответствующим выходам блока обратного преобразования координат, соединенного управляющими входами с выходами датчиков фазных

1 токов статора, а опорными входами— с выходами датчика углового положения, первый, второй и третий выходы формирователя управляющих напряжений подключены соответственно к входу системы управления возбудителем, к входу системы управления выпрямителем и к управляющему входу блока фазосмещения, причем формирователь управляющих напряжений снабжен блоком заданий составляющих потокосцеп. ленин, блоком фазового сдвига вектора потокосцепления статора, элементом умножения, первым и вторым элементами дифференцирования, четырьмя сумматорами, блоком измерения ско" рости изменения углового положения вектора тока статора и векторным анализатором, входы которого, объединенные соответственно с первым и вторым входами блока заданий составляющих потокосцеплений, образуют первый и второй входы формирователя управляющих напряжений, третий вход которого образован третьим входом блока заданий составляющих потокосцеплений, объединенным с одним из входов первого сумматора, соединенного другим входом через первый элемент дифференцирования с выходом задания потока возбуждения блока заданий потокосцеплений, выходы заданий составляющих потокосцепления статора которого подключены к одноименным входам блока фазового сдвига вектора потокосцепления статора, соединенного первым выходом через элемент умножения с первым входом второго сумматора, второй выход блока фазового сдвига вектора потокосцепления статора подключен к одному из входов третьего сумматора выход которого через второй элемент дифференцирования подключен к второму входу второго сумматора, выход модуля векторного анализатора подключен к объединенным между собой другому входу третьего сумматора и третьему входу второго сумматора, выходы гармонических функций вектор" ного анализатора подключены к опорным входам блока фазовогo сдвига вектора потокосцепления статора и к входам блока измерения скорости изменения углового положения вектора тока статора, выход которого подключен к одному из входов четвертого сумматора, соединенного выходом с другим входом элемента умножения, другой вход четвертого сумматора образует четвертый вход формирователя управляюших напряжений, а выходы первого и второго сумматоров и выходы гармонических функций векторного анализатора образуют соответственно первый, второй и третий выходыформирователя управляющих напряжений.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к вентильным электроприводам с синхронными двигателями и зависимыми инверторами тока, и может быть использовано в ряде отраслей промышленности (нефтяной, горнорудной, металлургической и др.) для регулируемых по частоте вращения электроприводов мощных быстроходных механизмов с повьппенными требованиями к перегрузочной способности и быстродействию в переходных режимах.

Целью изобретения является улучшение динамических свойств за счет повьппения быстродействия.

На фиг. 1 представлена функцио" нальная схема вентильного электропривода; на фиг. 2 — функциональная схема формирователя управляющих напряжений; на фиг. 3 — векторная диаграмма синхронного двигателя.

Вентильный электропривод содержит

"инхронный двигатель 1 (фиг. 1), .таторные обмотки которого подключены к выходам преобразователя 2 частоты, снабженного последовательно соединенными управляемым выпрямителем 3, сглаживающим реактором 4 и инвертором 5 тока, а обмотка возбуждения синхронного двигателя 1 через датчик 6 тока возбуждения под-. ключена к выходу регулируемого возбудителя 7, соединенного входом с выходом системы 8 управления воз-, 1205246 будителем; датчик 9 углового положенря и датчик 10 скорости, установЛенные на валу синхронного двигателя 1; последовательно соединенные задатчик 11 скорости, регулятор 12 скорости и формирователь 13 заданий составляющих тока статора zf тока воз буждения, связанный соответствующими выходами с входом системы 14 управления выпрямителем и управляющим входом блока 15 фазосмещения, соединенного выходом с входом системы 16 управления инвертором тока. При этом выход датчика 6 тока возбуждения подключен к входу обратной связи регулятора 17 тока возбуждения, управляющий вход которого соединен с соответствующим выходом формирователя 13 заданий составляющих тока статора и тока возбуждения, выход регулятора 17 тока возбуждения связан с входом системы 8 управления возбудителем; выход датчика 10 скорости подключен к входу обратной связи регулятора 12 скорости, а выход датчика 9 углового положения подключен к опорному входу блока 15 фазосмещения.

В вентильный электропривод введены датчики 18 — 20 фазных токов статора, блок 21 обратного преобразования координат, регуляторы 22 и 23 продольной и поперечной состав. ляющих тока статора, формирователь 24 управляющих напряжений, первый, второй, третий и четвертый входы которого подключены соответст. венно к выходам регуляторов 22 и 23 продольной и поперечной составляющих тока статора, регулятора 17 тока возбуждения и датчика 10 скорости. При этом управляющие входы регуляторов 22 и 23 продольной и поперечной составляющих тока статора подключены к одноименным выходам формирователя 13 заданий составляющих тока статора и тока возбуждения, входы обратной связи регуляторов 22 и 23 продольной и поперечной составляющих тока статора подключены к соответствующим выходам блока 21 обратного преобразования координат, соединенного. управляющими входами с выходами датчиков 18 — 20 фазных токов статора, а опорными входами— с выходами датчика 9 углового положения. Первый, .второй и третий выходы формирователя 24 управляющих

1О

55 напряжений подключены соответственно к входу системы 8 управления возбудителем, к входу системы 14 управления выпрямителем и к управляющему входу блока. 15 фазосмещения.

Формирователь 24 управляющих напряжений снабжен блоком 25 (фиг.2) заданий составляющих потокосцеплений, блоком 26 фазового сдвига вектора потокосцепления статора, элементом 27 умножения, первым и вторым элементами 28 и 29 дифференцирования, четырьмя сумматорами 30-33, блоком 34 измерения скорости изменения углового положения вектора тока статора и векторным анализатором 35, входы которого объединены с первым и вторым входами блока 25 заданий составляю,щих потокосцеплений и образуют первый и второй входы формирователя 24 управляющих напряжений, третий вход которого образован третьим входом блока 25 заданий составляющих потокосцеплений, объединенным с одним из входом первого сумматора 30, соединенного другим входом через первый элемент 28 дифференцирования с выходом задания потока возбуждения блока 25 заданий составляющих потокосцеплений, выходы заданий составляющих потокосцепления статора которого подключены к одноименным входам блока 26 фазового сдвига вектора потокосцепления статора, соединенного первым выходом через элемент 27 умножения с первым входом второго сумматора 31, второй выход блока 26 фазового сдвига вектора потокосцепления статора подключен к одному из входов третьего сумматора 32, выход которого через второй элемент 29 дифференцирования подключен к второму входу второго сумматора 31, выход модуля векторного анализатора 35 подключен к объединенным между собой другому входу третьего сумматора 32 и третьему входу второго сумматора 31. Выходы гармонических функций векторного анализатора 35 подключены к опорным входам блока =26 фазового сдвига вектора потокосцепления статора и к входам блока 34 измерения скорости изменения углового положения вектора тока статора, выход которого подключен к одному иэ входов четвертого сумматора 33, соединенного выходом с другим входом элемента 27 умножения, другой вход четвертого сумматора 33 образует четвертый вход форми

2052

1 рователя 24 управляющих напряжений, а выходы первого и второго сумматвров 30 и 31 и выходы гармонических функций векторного анализатора 35 обрайуют соответственно первый, второй и третий выходы формирователя 24 управля ощих напряжений.

Бентильный электропривод работает

I следующим образом.

Сигнал задания скорости Я с выхода задатчика 11 скорости поступает на вход регулятора 12 скорости, где сравнивается с сигналом действительного значения скорости у, поступающим от датчика 10 скорости. Заданное значение момента m> синхронного двигателя 1 с выхода регулятора 12 скорости поступает на вход формирователя 13 заданий составляющих тока статора и тока возбуждения, который вырабатывает заданные значения тока возбуждения i<, продольной is(> и

У попеРечной 1 в составлЯюЩих тока статора в системе координат, связанной с продольной Й и поперечной осями индуктора (фиг. 3) таким абра" зом, чтобы обеспечить формирование требуемых характеристик вентнльного электропривода, поддержание заданного электромагнитного состояния синхронного двигателя (например,, ,canst), устойчивость работы инвертора тока с заданным углом 3„, восста новления запирающих свойств вентилей

Заданные значения тока возбуждения, продольной и поперечной составляющих тока статора подаются на Входы регулятора 17 тока возбуждения, 40 регуляторов 22 и 23 продольной и поперечной составляющих тока статора, где они сравниваются с сигналами действительных значений тока возбуждения lg > продольной

$1$ и поперечной is составляющих тока статора.

Обратная связь на вход регулятора 17 тока возбуждения подается от датчика 6 тока возбуждения. Обратные

CBHsH HR BX0p61 рег+JIHTa as 22 H 23 продольной и поперечной составляющих тока статора подаются от блока 21 обратного преобразования координат, на входы которого подаются сигналы датчиков 18 — 20 фазных токов статсра и датчика 9 углового положения.

Регулятор 17 тока возбуждения, регуляторы 22 и 23 продольной и попе-

46 б речной составляющих тока статора имеют передаточные функции:

I (р)= — — — — —— (1)

2Тр,р (1+Трир) где Т „ — постоянная времени, выбирае. мая в соответствии с требованиями к вентильному электроприводу и определяющая быстродействие системы автоматического регулирования.

Регуляторы токов обеспечивают равенство токов их заданным значениям в установившихся режимах работы электропривода.

Выходные сигналы регуляторов 22 .и 23 продольной и поперечной составляющих тока статора— регулятора 17 тока возбуждения датчика 10 скорости — G) подаются соответственно на первый — четвертый входы формирователя 24 управляющих напряжений, на первом — третьем выходах которого формируются управляющие сигналы регулируемого возбудителя — Ug, управляемого выпрямителя преобразователя частоты - Us„, инвертора тока преобразователя частоТЫ S1ПМ COS

Векторный анализатор 35 из сигнаЛОВ ТОКОВ 1, 1 6 ФОРМИРУЕТ СИГналь модуля вектора тока статора гармонические функции его аргумента

slna, сонм, где М . — угол, определяющий положение оси вектора тока статора относительно поперечной оси ротора (фиг. 3).

Сигналы гармонических функций векторного анализатора 35 подаются на третий выход формирователя 24 управляющих напряжений и через блок 1I5 фазосмещения осуществляют управление инвертором 5 тока преобразователя 2 частоты. Управление инвертором 5 тока преобразователя 2 частоты связано с продольной и поперечной осями ротора синхронного двигателя 1 при пдмощи датчика 9 углового положения так, что система 16 управления инвертором формирует управляющие импульсы для тиристоров в определенных угловых положениях ротора относительно статора синхронного двигателя.

Управляющие сигналы sinx, сов зс изменяют эти угловые положения, определяя тем самым усредненное угло вое положение вектора тока. статора в системе координат d,. q так, что (фиг. 3):

1205246

1 = — 1 .$1ПЖ

51 $ (2) i,.созе, Блок 2 заданий составляющих потокосцеплений осуществляет переход от сигналов токов к сигналам составляющих потокосцеплений,, „ с учетом особеннос-. тей синхронного двигателя (насьпцения, демпферных контуров и т.д.).

1, Блок 26 фазового сдвига вектора потокосцеплений статора из выходных сигналов все, „ блока 25 заданий составляющих потокосцеплений и выходных сигналов sinX созе векторного анализатора 3S формирует сигналы потокосцеплений статора вх в осях х,, реализуя преобразование поворота координат на угол Ж по соотношениям:

V х — V cosx+ +95 $1пжэ

5х 51 5 (3)

-- g < s1nX+p . созе.

Оси х, жестко связаны с вектором тока статора is так, что (фиг.3):

15х — — Ох 15 =1S . (4)

Блок 34 измерения скорости изменения углового положения вектора тока статора формирует из выходных сигналов векторного анализатора 35 sinx соя де сигнал скорости изменения углового положения вектора тока статоС1Ж

pa — в соответствии например

dt

У У с соотношением: дзе d .. d

2t dt

=сояэе — ($1пэе)-$1пм — (сояае) .

dt (s)

На выходе четвертого сумматора 33, на входы которого подаются сигналы скорости вращения M синхронного

r.

;двигателя 1 от датчика 10 скорости изменения углового положения вектоdeaf, ра тока статора — от блока 34 измеdt рения скорости изменения углового положения вектора тока статора, формируется сигнал скорости Ю к вращения системы координат х, : (д = ы+

dx к dt (6)

На соединенном с первым выходом формирователя 24 управляющих напряжений выходе первого сумматора 30, на входы которого подаются сигнал с третьего входа формирователя 24 управляющих напряжений и через первый элемент 28 дифференциро10

Принятое построение системы автоматического регулирования вентильного электропривода с использованием в ней двух систем координат

55 (d, q и x, ) позволило осуществить учет насьпцения, демпферных контуров тока к одной из осей (к оси ) синхронного двигателя 1 и обеспечить

l вания сигнал у с выхода блока 25 заданий составляющих потокосцеплений, формируется управляющий сигнал регулируемого возбудителя по соотношению:

u = †(i R + †-)

? . dyt (7)

1 К «dt где R Ч вЂ” сопротивление и потоко1 1 сцепление обмотки возбуждения синхронного двигателя:

К вЂ” коэффициент передачи

f регулируемого возбудителя по напряжению.

На выходе сумматора 31, соединенном с вторым выходом формирователя 24 управляющих напряжений, с помощью элемента 27 умножения, третьего сумматора 32 и второго элемен20 та 29 дифференцирования формируется управляющий сигнал t. s управляемого выпрямителя преобразователя частоты по соотношению:

I . dy Ä

25 п К 5 dt

U =--(i К +-- — -+ Сэ y ) (8)

Ь

K 5Х где R =R„+R +R

15У "5У х - 1

К, хр — параметры сглаживающего

30 реактора 4 преобразователя частоты, К, хв — параметры эквивалентной схемы управляемого выпрямителя 3 преобразователя частоты, обусловленные реактивностью питающей сети;

R — сопротивление обмотки

5 статора синхронного двигателя;

К вЂ” коэффициент передачи в управляемого выпрямителя по напряжению.

При этом операции дифференцирования, реализуемые элементами 28 и 29 дифференцирования, выполняются с необходимой точностью, поскольку на вход формирователя 24 управляющих напряжений поступают сигналы прошедшие фильтрацию.

9 12 достаточно полный учет свойств объекта регулирования (синхронного двигателя с зависимым инвертором тока).

Таким образом, введение в вентильный электропривод датчиков фаэных токов статора, блока обратного преобразования координат, регуляторов продольной и поперечной составляющих

05246 1О . тока статора и формирователя управляющих напряжений позволило реализовать типовые свойства систем подчиненного регулирования (заданное быстродействие, стандартный характер переходных процессов) и улучшить за счет этого динамические свойства вентильного электропривода в сравнении с известным решением.

1205246

ВНИИПИ Закаэ 8537/56 Тирах 645 Подписное

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