Электропривод переменного тока с частотно-токовым управлением

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в приводах -подач и главного движения металлорежущих станков. Целью изобретения является уменьшение электрических потерь. Указанная цель достигается введением в электропривод переменного тока с частотно-токовым управлением блока 19 деления, определителя 20 модуля, двух двухвходовых элементов 21, 22 выбора максимального напряжения, блока 14 задания начального тока намагничивания, регулятора 11 потокосцепления, нелинейного преобразователя 13 с характеристикой цепи намагничивания двигателя 1 и блока 15 задания начальных данных. Введение указанных блоков и элементов позволяет обеспечить оптимальное с точки зрения потерь соотношение составляющих тока статора, определяющих потокосцепление и момент. Кроме того, сокращается время переходных режимов за счет поддержания в течение этого времени постоянного, увеличенного в сравнении с установившимся значением, тока намагничивания . 3 ил. ; (Л с со оо со фиг

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 Н 02 Р 7/42

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3952653/24-07 (22) 08.07.85 (46) 15.05.87. Бюл. К - 18 (72) В.Н. Бродовский, Е.С. Иванов, А.С. Жилин и Н.В. Буторий (53) 62-83:621.316.718.05(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 615584, кл. Н 02 P 7/42, 1976.

Авторское свидетельство СССР

11 493882, кл. Н 02 P 5/40, 1973. (54) ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

С ЧАСТОТНО-ТОКОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в приводах -подач и главного движения металлорежущих станков. Целью изобретения является уменьшение электрических потерь. Указанная цель достигается введением в электропривод переменного тока с частотно-токовым уп„„SU„„1310989 д1 равлением блока 19 деления, определителя 20 модуля, двух двухвходовых элементов 21, 22 выбора максимального напряжения, блока 14 задания начального тока намагничивания, регулятора 11 потокосцепления, нелинейного преобразователя 13 с характеристикой цепи намагничивания двигателя 1 и блока 15 задания начальных данных.

Введение указанных блоков и элементов позволяет обеспечить оптимальное с точки зрения потерь соотношение составляющих тока статора, определяющих потокосцепление и момент. Кроме того, сокращается время переходных режимов за счет поддержания в течение этого времени постоянного, увеличенного в сравнении с установившимся значением, тока намагничивания, 3 ил, 1 13

Изобретение относится к электротехнике, а именно к частотно-управляемым электроприводам, построенным на основе асинхронных машин с короткозамкнутым ротором, и может быть использовано в системах, требующих высокой точности регулирования скорости (положения) нагрузки и минимум потерь, например, в приводах подач и главного движения металлорежущих станков.

Целью изобретения является уменьшение электрических потерь.

На фиг. 1 представлена функциональная схема электропривода пере— менного тока с частотно-токовым управлением; на фиг. 2 — .функциональная схема формирователя фазных потокосцеплений с апериодическими звеньями; на фиг. 3 — функциональная схема блока задания начальных данных.

Электропривод переменного тока с частотно-токовым управлением содержит асинхронный двигатель 1 с короткозамкнутым ротором (фиг. 1), подключенный через датчик 2 тока и датчик 3 напряжения к выходам управляемого источника 4 тока, формирователь 5 фазных потокосцеплений, блок 6 задания момента, блок 7 преобразования координат, векторный анализатор 8 с управляющим входом, амплитудным выходом 9 и опорным выходом 10 подключенным к опорному входу блока 7 преобразования координат, выход которого подключен к управляющему входу управляемого источника 4 тока, а управляющий вход векторного анализатора 8 подключен к выходу формирователя 5 фазных потокосцеплений.

В электропривод переменного тока с частотно †токов управлением введены регулятор 11 потокосцепления с элементом 12 сравнения на входе, нелинейный преобразоватеЛь 13 с характеристикой цепи намагничивания асинхронного двигателя, блок 14 задания начального тока нама.гничивания, блок блок 15 задания начальных данных с тремя входами 1 6, 17 и 18 и последовательно включенные между собой блок 19 деления, определитель 20 модуля и два двухвходовых элемента 21 и 22 выбора максимального напряжения.

Формирователь 5 фазных потокосцеплений выполнен с дополнительным многофазным входом 23 для установки начальных данных, подключенным к выходу блока 15 задания начальных данных, !

0989 2

5 l0

l5

55 входы 16, 17 и 18 которого подключены соответственно к выходам нелинейного преобразователя 13 с характеристикой цепи намагничивания асинхронного двигателя, к амплитудному выходу 9 и к опорному выходу 10 векторного анализатора 8.

Вход делимого блока 19 деления подключен к выходу блока 6 задания момента, вход делителя блока 19 деления объедичен с первым входом элемента 12 сравнения и подключен к амплитудному выходу 9 векторного анализатора 8, выход блока 14 задания начального тока намагничивания подключен к другому входу первого элемента 21 выбора максимального напряжения, выход которого через нелинейный преобразователь 13 с характеристикой цепи намагничивания асинхронного двигателя подключен к второму входу элемента 12 сравнения, а выход блока 19 деления и выход второго элемента 22 выбора максимального напряжения подключены к соответствующим управляющим входам блока 7 преобразования координат. формирователь 5 фазных потокосцеплений содержит в каждой фазе последовательно соединенные датчик 24 фазной ЭДС (фиг. 2) и апериодическое звено 25, выполняющее роль интегратора.

Блок 15 задания начальных данных электропривода содержит последовательно соединенные регулятор 26 потокосцепления (фиг. 3), элемент 27 сравнения и блок 28 преобразования координат, выход которого образует выход блока 15 задания начальных данных. Первый вход регулятора 26 потокосцепления объединен с другим входом элемента 27 сравнения и образует первый вход 16 блока 15 задания начальных данных. Второй вход регулятора 26 потокосцепления и опорный вход блока 28 преобразования координат образуют соответственно второй и третий входы 17 и 18 блока 15 задания начальных данных.

Электропривод переменного тока с частотно-токовым управлением работает следующим образом.

Статорные обмотки асинхронного двигателя 1 с короткозамкнутым ротором питаются токами от управляемого источника 4 тока, управляющие сигналы для которого формируются с помо3 131098 щью блока 7 преобразования координат.

Сигналы задания id, 1.,, поступаю3 щие на управляющие входы блока 7 преобразования координат, определяют составляющие тока статора во вращающей5 ся системе координат, ориентированной по вектору потокосцепления в соответствии с принципами частотно-токового управления. Сигнал id опреде5. ляет при этом намагничивание машины, lp а сигнал i — электромагнитный мо% мент.

Необходимые для координатного преобразования опорные сигналы в виде гармонических функций sing,t, созЯ,t 15 (Я вЂ” круговая частота изменения то1 ков статора) получают на опорном выходе 10 векторного анализатора 8 по сигналам фазных потокосцеплений (статора, ротора, воздушного зазора — в 2р зависимости от решаемой задачи), Ч, поступающих с выходов формирователя 5 фазных потокосцеплений.

В каждой фазе цепи формирователя 5 фазных потокосцеплений содержит-25 ся апериодическое звено 25 (фиг. 3), выполняющее роль интегратора соответствующей фазной ЭДС е, е, поступающей с выхода датчика 24 фазной ЭДС.

В -датчике 24 фазных ЭДС производи- 3р ся вычисление фазных ЭДС по информации о фазных токах и напряжениях, поступающей с выходов датчиков 2 и 3 тока и напряжения. Фазные ЭДС могут формироваться и с помощью специальных измерительных обмоток, установленных на статоре асинхронного двигателя 1 (указанная связь на фиг. 1 показана штриховой линией).

Возможность выполнения операции 4Р интегрирования фазной ЭДС с помощью апериодических звеньев во всем диапазоне частот, включая нулевую, связана с подачей на их входы (на вход 23 формирователя 5 фазных пото- 45 косцеплений 1 дополнительных сигналов, соответствующих некоторым начальным данным (начальным значениям фазных потокосцеплений) и формируемых с помощью блока 15 задания начальных 50 данных.

Начальные значения фазных потокосцеплений на выходах апериодических звеньев устанавливаются благодаря действию цепей нормированной положи- 55 тельной обратной связи, охватывающих каждое из фазных апериодических звеньев 25.

9 4

Формирование сигналов заданий

1 производится по сигналу задания момента М>, поступающему с выхода блока 6 задания момента. Для обеспечения линейной зависимости сигнала от сигнала М с помощью блока 19 деления производят деление сигнала

М на амплитуду потокосцепления поступающую с амплитудного выхода 9 векторного анализатора 8.

Выполнение условия минимума потерь при заданном токе статора связано с условием поддержания равенства ортогональных составляющих тока статора id, i <, определяемых.соответственно сигналами id,, при

1 этом оба указанных сигнала определяются выходным сигналом блока 19 деления. Для сигнала id дополнительно выделяется модуль с помощью определителя 20 модуля, так как намагничивание асинхронного двигателя производится током одного направления.

Блок 14 задания начального тока намагничивания определяет игнал выбираемый из условия

К -(0,3 — 0,5) 11щ,„, где d ном нальное значение тока намагничивания асинхронного двигателя, К вЂ” коэффициент пропорциональности.

В диапазоне изменений сигнала задания ld (id vav на выход элемен нач та 21 выбора максимального напряжепроходит сигнал id „с Bbrxopa блока 14. В указанном диапазоне не соблюдается равенство составляющих тока статора д,, и условие минимума потерь не выполняется (в этом на практике нет необходимости из-за малых величин тока статора ).

В диапазоне изменений сигнала задания,1„,1 „ „на выход элемен НЛЧ та 21 проходит сигнал id > с выхода определителя 20 модуля. В указанном диапазоне в установившихся режимах работы соблюдается равенство составляющих тока статора id, i, которое обеспечивает минимум потерь (для заданного тока статора).

Электропривод характеризуется безынерционностью регулирования момента (по сигналу задания i ), а регулирование потокосцепления осуществляется с инерционностью, определяемой постоянной времени Т

Ь вЂ” (L r. — индуктивность и активГ

1310989 6 ное сопротивление цепи протекания тока намагничивания).

Рассмотрим вначале работу электропривода без учета регулятора 11 и потокосцепления .с элементом 12 сравнения на входе нелинейного преобразователя 13.

Переход электропривода из одного установившегося состояния к другому о осуществляется за некоторое переходное время t, определяемое наличием пер постоянной вермени Т. Обозначая далее параметры в относительных единицах в отношении к соответствующим номинальных значений, для первоначального установившегося режима работы имеем: i = 0 5; „ = 0 5; М„ — х,1,„ч „= 0,25.

При переходе к другому установившемуся режиму работы, например с

М = 1,0, потокосцепление остается в первый момент переходного времени на прежнем уровне т.е..ч „

= 0,5.

Поддержание момента на заданном уровне Мп = 1,0, в том числе и в те— чении переходного времени, требует в его начальный момент задания составляющей тока i «,= 2,0, а следо— ареер.н н вательно, и задания id, = 2,0, что

npр,нан определяется схемой фиг. 1. При этом

M пер. нан Iq,äððía ее нан

Далее по мере возрастания потокосцепления до значения е = 1,0 с постоянной времени Т составляющие тока статора уменьшаются до значений

2 — 1,0 за счет действия обратной связй с амплитудного выхода 9 век— торного анализатора 8 на вход делителя 7 блока 19 деления.

Анализ указанного переходного режима, при котором вначале устанавливаются увеличенные значения составляющих токов статора i, i, а затем производится их одновременное уменьшение до установившихся значений, показывает, что при этом время переходного режима составляет

3 — Т.

Поскольку за время.t zp составляю— щие тока id, i имеют существенно увеличенные значения в сравнении с требуемыми для второго установившегося режима, то оказываются увеличенными и потери мощности за этот период.

Для электроприводов с частыми переключениями режимов работы суммарное время переходных режимов может со5

55 ставлять значительную долю от общего рабочего цикла. При этом с учетом рассмотренного переходного режима имеют место значительные потери мощности.

Уменьшение указанных потерь мощности может быть достигнуто за счет сокращения времени tùp. В электропри— воде реализуется такой переходный режим, при котором составляющая тока поддерживается постоянной и рав— ной некоторому значению, т.е.

d nep

1 пред = const а составляющая тока получив в начальный момент увеличенное (форсированное) значение в соответствии с требуемым моментом, далее уменьшается в том же темпе, как возрастает потокосцепление.

ВыбРав id „ е = 2,0, полУчают

0,33.Т, т.е. сокращают время переходного процесса в сравнении с рассмотренным режимом более чем в 4 раза. При этом пропорционально сокращаются и потери за переходный период, определяемые неустановившимися и увеличенными значениями составляющих тока статора.

Реализация переходного режима с уменьшенным „« осуществляется с помощью элементов 11, 12, 13. Результат сравнения на входах элемента 12 сравнения заданного потокосцепления Ч, поступающего с выхода нелинейного преобразователя 13, и измеренного ч, поступающего с выхода 9 векторного анализатора 8, воздействует на регулятор ll потокосцепления. На выходе его при ц р устанавливается сиг3. нал id, соответствующий предельному значению составляющей тока а прЕд

На выходе элемента 22 на время переходного режима устанавливается сигнал С1 „ред, а по окончании — сиг— нал ig, поступающий с выхода элемента 21. В блоке 15 задания Йачальных данных электропривода (фиг. 3) производится сравнение сигнала заданного потокосцепления 4, поступающего на вход 16, и измеренного р, поступающего на вход 17. Результаты сравнения воздействуют через регулятор 26 потокосцепления и элемент 27 сравнения на управляющий вход блока 28 преобразования координат. Кроме того, на указанный управляющий вход через элемент 27 сравнения воздействует непосредственно сигнал у . При этом в начальный момент времейи сигнал определяет амплитуду началь7 13109 ных фазных потокосцеплений,, формируемых на выходе апериодических

Э звеньев 25 (фиг. 2), а фазы являются произвольными, но соответствующими двухфазной системе сигналов. Полученные по цепям положительной обратной связи (охватывающим апериодические звенья 25) произвольные значения фазных потокосцеплений определяют произвольные значения сигналов на опорном выходе 10 векторного анализатора 8 и произвольное начальное направление формриуемого вектора потокосцепления в асинхронном двигателе 1. Поскольку асинхронный двигатель I с короткозамкнутым ротором имеет симметричные по фазам магнитные цепи, то любое начальное положение вектора потокосцепления может быть принято за исходное. В дальнейшем при поступлении сигнала М с вы> хода блока 6 задания момента возникает момент, приводящий к вращению асинхронного двигателя и к возникновению фазных ЭДС на выходе датчика фазных ЭДС в формирователе 5 фазных потокосцеплений. Теперь фазные потокосцепления (, на выходах формирователя 5 в основйом определяются результатом интегрирования фазных

ЭДС.

При этом роль дополнительных сиг— налов на входе 23 (фиг. 2) сводится к компенсированию активных составляющих выходных токов фазных апериодических звеньев 25.

Таким образом, введение в электропривод переменного тока с частотнотоковым управлением блока деления, определителя модуля, двух элементов выбора максимального напряжения, блока задания начального тока намаг— ничивания, а также регулятора потокосцепления с элементом сравнения на входе, нелинейного преобразователя с характеристикой цепи намагничивания двигателя и блока задания начальных данных обеспечивает поддержание в установившихся режимах работы оптимального с точки зрения потерь соот- 5О ношения (равенства) составляющих тока статора, определяющих потокосцепление и момент, а также — сокращение времени переходных режимов за счет поддержания в течение этого времени постоянного, увеличенного в сравнении с установившимся, значения тока намагничивания, благодаря чему снижаются электрические потери в элек89 8 троприводе в сравнении с известным решением. формула изобретения

Электропривод переменного тока с частотно-токовым управлением, содержащий асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, подключенный через датчики тока и напряжения к выходам управляемого источника тока, формирователь фазных потокосцеплений с фазными апериодическими звеньями, подключенный входами к выходам датчиков тока и напряжения, блок задания момента, блок преобразования координат, векторный анализатор с управляющим входом, амплитудным выходом и опорным выходом, подключенным к опорному входу блока преобразования координат, выход которого подключен к управляющему входу управляемого источника тока, а управляющий вход векторного анализатора подключен к выходу формирователя фазных потокосцеплений, отличающийся тем, что, с целью уменьшения электрических потерь, введены регулятор потокосцепления с элементом сравнения на входе, нелинейный преобразователь с характеристикой цепи намагничивания асинхронного двигателя, блок задания начального тока намагничивания, блок задания начальных данных с тремя входами, выполненный в виде последовательно соединенных регулятора потокосцепления, элемента сравнения и блока преобразования координат, выход которого образует выход блока за— дания начальных данных, причем первый вход регулятора потокосцепления блока задания начальных данных объединен с другим входом элемента сравнения этого же блока и образует первый вход блока задания начальных данных, а второй вход регулятора потокосцепления и опорный вход блока преобразования координат образуют соответственно второй и третий входы блока задания начальных данных, последовательно включенные между собой блок деления, определитель модуля и два двухвходовых элемента выбора максимального напряжения, а формирователь фазных потокосцеплений выполнен с дополнительным многофазным входом для установки начальных данных, подключенным к выходу блока задания начальных данных, первый, второй и третий входы которого подключены соот9 1310989 ветственно к выходу нелинейного преобразователя с характеристикой цепи намагничивания асинхронного двигателя, к амплитудному выходу и к опорному выходу векторного анализатора, при 5 этом вход делимого блока деления подключен к выходу блока задания момента, вход делителя блока деления объединен с первым входом элемента сравнения и подключен к амплитудно- 10 му выходу векторного анализатора, выход блока задания начального тока

10 намагничивания подключен к другому входу первого элемента выбора максимального напряжения, выход которого через нелинейный преобразователь с характеристикой цепи намагничивания асинхронного двигателя подключен к второму входу элемента сравнения, а выход блока деления и выход второго элемента выбора максимального напряжения подключены к соответствующим управляющим входам блока преобразования координат.

Составитель А. Головченко

Редактор M. Бандура Техред И.Попович Корректор М. Пожо

Заказ 1900/54 Тираж 661 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4