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 15 деления, определителя 16 модуля, двух .элементов 17, 18 выбора максимального напряжения, регулятора 11 потокосцепления, нелинейного преобразователя 13 с характеристикой цепи намагничивания, датчика 19 температур статора и блока 20 задания начальных данных. Введение указанных блоков и элементов позволяет поддерживать в установившихся режимах работы 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. 4 ил. i (Л со со со

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5))4 Н 02 Р 7 42

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3952653/24-07 (22) 08.07.85 (46) 15.05.87. Бюл. № 18 (72) В.Н.Бродовский, Е.С.Иванов, А. С Лилин и Н. В. Буторин (53) 62-83: 621. 316. 718. 5 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 615584, кл. Н 02 P. 7/42, 1976.

Авторское свидетельство СССР

¹ 493882, кл. Н 02 P 5/40, 1973. (54) ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

С ЧАСТОТНО-TOKOBMYi 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 пе—

„„Я0„„31О99О А1 ременного тока с частотно-токовым управлением блока )5 деления, определителя 16 модуля, двух элементов 17, 18 выбора максимального напряжения, регулятора )1 потокосцепления, нелинейного преобразователя 13 с характеристикой цепи намагничивания, датчика 19 температур статора и блока 20 задания начальных данных. Введение указанных блоков и элементов позволяет поддерживать в установившихся режимах работы оптимальное с точки зрения потерь соотношение составляющих тока статора, определяющих потокосцепление и момент. Кроме того, сокращается время переходных режимов

Ж за счет поддержания в течение этого времени постоянного, увеличенного в сравнении с установившимся значением тока намагничивания. 4 ил.

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.

Ка фиг.1 представлена функциональтока с частотно-токовым управлением; на фиг.2 — функциональная схема формирователя фазных потокосцеплений с априодическими звеньями; на фиг.3 функциональная схема блока задания. 20 начальных данных; на фиг.4 — схема выполнения управляемой модели цепи намагничивания асинхронного двигателя, Электропривод переменного тока с частотно-токовым управлением содержит асинхронный двигатель 1 с короткозамкнутым ротором (фиг.l), подключенный через датчик 2 тока и датчик 3 напряжения к выходам управляемого ис- 30 точника 4 тока, формирователь 5 фазных потокосцеплений, блок 6 задания момента,-блок 7 преобразования координат, векторный анализатор 8 с управляющим входом, амплитудным выходом 35

9 и опорным выходом 10, подключенным к опорному входу блока 7 преобразования координат, выход которого под-. ключен к управляющему входу управляемого источника 4 тока, а управляющий 40 вход векторного анализатора 8 под— ключен к выходу формирователя 5 фазных потокосцеплений, В электропривод переменного тока р5 с частотно-токовым управлением введены регулятор 11 потокосцепления с элементом 12 сравнения на входе, нелинейный преобразователь 13 с характеристикой цепи намагничивания асин- 50 хронного двигателя, блок 14 задания начального тока намагничивания, последовательно включенные между собой блок 15 деления, определитель 16 модуля, два двухвходовых элемента 17 и 55

18 выбора максимального напряжения, датчики 19 температуры статора и блок

20 задания начальных данных с четырьмя входами 21, 22, 23 и 24.

1 1310990 2

Формирователь 5 фазных потокосцеплений выполнен с дополнительным многофазным входом 25 для установки начальных данных, подключенным к выходу блока 20 задания начальных данных.

Вход делимого блока 15 деления подключен к выходу блока 6 задания момента, вход делителя блока 15 деления объед -,нен с первым входом элемен10 та 12 сравнения и подключен к амплитудному выходу 9 векторного анализатора 8, выход блока 14 задания начального тока намагничивания подключен к другому входу первого элемента 17 ная схема электропривода переменного 1э 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 15 деления и выход второго элемента 18 выбора максимального напряжения подключен к соответствующим управляющим входам блока 7 преобразования координат.

Формирователь 5 фазных потокосцеплений содержит в каждой фазе последовательно соединенные датчики 26 фазной ЭДС (фиг,2) и апериодическое звено 27, выполняющее роль интегратора, Блок 20 задания начальных данных выполнен с двумя блоками 28 и 29 деления (фиг.3) и с последовательно соединенными управляемой моделью 30 цепи намагничивания асинхронного двигателя с основными и управляющими входами, нелинейным преобразователем

3l с характеристикой цепи намагничивания асинхронного двигателя, регулятором 32 потокосцепления, элементом

33 сравнения и блоком 34 преобразования координат, выход которого образует выход блока 20 задания начальных данных.

Первый вход регулятора 32 потокасцепления объединен с другим входом элемента 33 сравнения, с входом делимого блока 28 деления и подключен к выходу нелинейного преобразователя 31 с характеристикой цепи намагничивания асинхронного двигателя, выход управляемой модели 30, второй вход регулятора 32 потокосцепления, опорный вход блока 34 преобразования координат и вход делителя блока 29 деления образуют соответственно входы 21, 22, 23 и 24 блока 20 задания начальных данных.

3 13109

Входы 21, 22 и 23 блока 20 задания начальных данных подключены соответственно к выходу второго элемента 18 выбора максимального напряжения (фиг.1), к амплитудному выходу 9 и к опорному выходу 10 векторного анализатора 8. Выход датчика 19 температуры статора подключен к входу 24 блока задания начальных данных.

Управляемая модель 30 цепи намаг- 10 ничивания асинхронного двигателя выполнена на операционном усилителе 35 (фиг.4) с резисторами 36, 37, 38 и конденсатором 39 в цепи обратной связи и с резисторами 40, 41, 42 на вхо- 15 де. Резисторы 38 и 42 подключаются к общей шине через управляемые ключи 43 и 44 соответственно, управляющие входы которых образуют управляющий вход модели, которая представляет собой 20 апериодическое звено с регулируемой постоянной времени Т. Регулирование постоянной времени Т осуществляется с помощью управляемых ключей 43 и 44, переключаемых по ШИМ сигналу с выхода блока деления, Электропривод переменного тока с частотно-токовым управлением работает следующим образом.

Статорные обмотки асинхронного 30 двигателя 1 с короткозамкнутым ротором питаются токами от управляемого источника 4 тока, управляющие сигналы для которого формируются с помощью блока 7 преобразования координат.Сиг- 35 налы задания id i поступающие на ф Ъ ф управляющие входы блока 7 преобразования координат, определяют составляющие тока статора во вращающейся системе координат, ориентированной 40 по вектору потокосцепления в соответствии с принципами частотно-токового управления, Сигнал ig определяет при этом намагничиванйе машины, а сигнал i — электромагнитный мо- 45

Ч мент.

Необходимые для координатного преобразования опорные сигналы в виде гармонических функций sin Q t, соэЯ,t (Я, — круговая частота изменения токов статора) получают на опорном выходе 10 векторного анализатора 8 по сигналам фаэных потокосцеплений (статора, ротора, воздушно-;5 го зазора — в зависимости от решаемой задачи) 4>, ч, поступающих с выходов формирователя 5 фазных потокосцеплений °

90 4

В каждой фазной цепи формирователя 5 фазных потокосцеплений содержится апериодическое звено 27 (фиг.2), выполняющее роль интегратора соответствующей фазной ЭДС е, е, поступающей с выхода датчика 26 фаэной ЭДС.

В датчике 26 фаэных ЭДС производится вычисление фазных ЗДС по информации о фазных токах и напряжениях, поступающей с выходов датчиков 2 и 3 тока и напряжения. Фаэные ЗДС 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 интегрирования фазной ЭДС с помощью апериодических звеньев во всем диапазоне частот, включая нулевую, связана с подачей на их входы (на вход 25 формирователя 5 фазных потокосцеплений) дополнительных сигналов, соответствующих некоторым началЬным данным (начальным значениям фазных потокосцеплений) и формируемых с помощью блока 20 задания начальных данных.

Начальные значения фазных потокосцеплений на выходах апериодических звеньев устанавливаются благодаря действию цепей нормированной положительной обратной связи, охватывающих каждое из фаэных апериодических звеньев 27.

Формирование сигналов заданий производится по сигналу задания момента М>, поступающему с выхода блока 6 задания момента, Для обеспечения линейной зависимости сигнала

iq от сигнала М с помощью блока 15 деления производят деление сигнала M с помощью блока 15 деления производят деление сигнала У . на амплитуду потокосцепления у, 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 определяемых соответственно сигналами ig>, i q>, при этом оба указанных сигнала определяются выходным сигналом блока 15 деления, Для сигнала 1,1 дополнительно выделяется модуль с помощью определителя 16 модуля, так как намагничивание асинхронного двигателя производится током одного направления.

5 13109

Блок 14 задания начального тока намагничивания определяет сигнал выбираемыи из условия

К (0,3-0,5) i „, где 1.1„, - номинальное значение тока намагничивания асинхронного двигателя, К вЂ” коэффициент пропорциональности °

В диапазоне изменений сигнала задания 1,1 ig „„„ на выход элемента нач

17 выбора максимального напряжения проходит сигнал id „ „ с выхода блока 14. В указанном диапазоне не соблюдается равенство составляющих тока статора 1, 1а и условие минимума потерь не выполняется (в этом на прак- 15 тике нет необходимости из-за малых величин тока статора).

В диапазоне изменений сигнала задания 1 1 7 ay „„„ на выход элемента

17 проходит сигйал id с выхода опре- 20

У делителя 16 модуля, В указанном диапазоне в установившихся режимах работы соблюдается равенство составляющих тока статора ig i, которое обеспе— чивает минимум потерь (для заданного 25 тока статора) .

Электропривод характеризуется безынерционностью регулирования момента (по сигналу задания i< ), а регулирование потокосцепления осуществ- 3g ляется с инерционностью, определяемой постоянной времени T = L/ã (L, r— индуктивность и активное сопротивлеНие цепи протекания тока намагничивания)э

Рассмотрим вначале работу электро- привода без учета введенных регулятора 11 потокосцепления с элементом 12 сравнения на входе нелинейного преобразователя 13. 40

Переход электропривода из одного установившегося состояния в другое осуществляется за некоторое переходное время t, определяемое наличием постоянной времени Т. Обозначая 45 далее параметры в относительных единицах в отношении к соответствующим номинальных значений, для первоначального установившегося режима работы имеем: i<„ = 0,5; у 0,5; M 50

= 0 25.

При переходе к другому установившемуся режиму работы например с M =

1,0, потокосцепление остается в пер.вый момент переходного времени на 55 прежнем уровне, т.е. 9„е„ „ = у„ = 0,5.

Пер.нан

Поддержание момента Йа заданном уровне Мг = 1,0, в том числе и в течении переходного времени, требует в

90 6 его начальный момент задания составляющей тока i = 2,0, а сле% «ер. кач довательно, и задания 1С1,, = 2,0, пер н ч что определяется схемой фиг.l, При этом Màåp, нач = г q, пер науч пер. нач

2,0 0,5 = 1,0.

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

Чг

1,0 за счет действия обратной связи с амплитудного выхода 9 векторного анализатора 8 на вход делителя блока 15 деления.

Анализ указанного переходного режима, при котором вначале устанавливаются увеличенные значения составляющих тока статора д,1, i, а затем производится их одновременное уменьшение до установившихся значений, показывает, что при этом время переходного

Ъ режима составляет Г „е = — Т.

Поскольку за время tëåð составляющие тока 1,1, i имеют существенно увеличенные значения в сравнении с требуемыми для второго установившегося режима, то оказываются увеличенными и потери мощности за этот период.

Для электропринодон с частыми переходами переключения режимов работы суммарное время переходных режимов может составлять 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 г„ер . В электроприводе реализуется такой переходный режим, при котором составляющая тока

id ю пОддерживается пОстОяннОЙ и равной некоторому предельному значению, т.е. ld, =- .i g д д= const> а пер состанляющая тока,1, получив в начальный момент увеличенное (форсированное) значение в соответствии с требуемым моментом, далее уменьшается н том же темпе, как возрастает потокосцепление.

Выбрав i d „= 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 сокрашаются и потери за переходный период, определяемые неустановившимися и увеличенными значениями составляющих тока статора.

7 13109

Реализация переходного режима с уменьшенным „, осуществляется с помошью элементов !1, 12 и 13. Результат сравнения на входах элемента 12 сравнения заданного потокосцепления поступающего с выхода нелинейногэ преобразователя 13, и измеренного у, поступающего с выхода 9 векторного анализатора 8, воздействует на регулятор ll потокосцепления. На 10 выходе его при Мз устанавливается сигнал 1,1 е,, соответствУющий пРедельному значению составляющей тока

На выходе элемента 18 на врепре мя переходного режима устанавливается сигнал if ïðÐ а по окончании сигнал id, йоступающий с выхода элемента 17, В блоке 20 задания начальных данных производится сравнение сигнала заданного потокосцепления, Zp поступающего на вход 21, и измеренного ч, поступающего на вход 22, Результаты сравнения воздействуют через регулятор 32 потокосцепления (фиг.3) и элемент 33 сравнения на уп — 25 равляющий вход блока 34 преобразования координат. Кроме того, на указанный управляющий вход через элемент 33 сравнения воздействует непосредственно сигнал . При этом в 30 начальный момент времени сигнал определяет амплитуду начальных фазных потокосцеплений у, М,1, формируемых на выходе апериодических звеньев 27 (фиг,2), а фазы являются про- g5 извольными, но соответствующими двухфазной системе сигналов, Полученные по цепям положительной обратной связи (охватывающим апериодические звенья 27) произвольные значения фазных 4Ц потокосцеплений определяют произвольные начальные значения сигналов на опорном выходе 10 векторного анализатора 8 и произвольное начальное направление формируемого потокосцепле- 45 ния в асинхронном двигателе 1. Поскольку асинхронный двигатель 1 с короткозамкнутым ротором имеет симметричные по фазам магнитные цепи, то любое начальное голожение вектора потокосцеп- 50 ления может быть принято эа исходное.

2 дальнейшем при поступлении сигнала

М с выхода блока б задания момента возникает момент, приводящий к вращению вала асинхронного двигателя и к 55 возникновению фазных ЭДС на выходе датчика фазных ЭДС в формирователе 5 фазных потокосцеплений. Теперь фазные

90 8 потокосцепления iр, iу на выходах формирователя 5 в основном определяются результатом интегрирования фазных ЭДС ° При этом роль дополнительных сигналов на входе 25 (фиг.2) сводится к компенсированию активных составляющих выходных токов фазных апериодических звеньев 27.

Повышение точности работы электропривода определяется тем, что сигнал заданного потокосцепления 4 формируется по сигналу задания ig тока намагничивания, пропущенному через управляемую модель 30 (фиг.3) цепи намагничивания асинхронного двигателя и нелинейный преобразователь 31, учитывающии насыщение магнитнои цепи.

Дополнительное повышение точности формирования связано с коррекцией параметров уйравляемой модели 30, соответствующих параметрам L u r асинхронного двигателя 1. Сигнал, соответствующий текущему значению L формируется на выходе блока 28 деления.

Сигнал, соответствующий текущему значению r формируется на выходе датчика 19 температуры статора (фиг.l) и поступает на вход 24 блока 20 задания начальных данных. С помощью блока 29 деления получают частное L/r, в соответствии с которым производят коррекцию параметров управляемой модели 30, Таким образом, введение в электропривод переменного тока с частотнотоковым управлением блока деления, определителя модуля, двух элементов выбора максимального напряжения, блока задания начального тока намагничивания, а также регулятора потокосцепления с элементом сравнения на входе, нелинейного преобразователя с характеристикой цепи намагничивания двигателя, датчик температуры статора и блока задания начальных данных обеспечивает поддержание в установившихся режимах работы оптимального с точки зрения потерь соотношения (равенства) составляющих тока статора, определяющих потокосцепление и момент, а также — сокращение времени переходных режимов за счет поддержания в течение этого времени постоян-! ного, увеличенного в сравнении с установившимся, значения тока намагничивания, благодаря чему снижаются электрические потери в электроприводе в сравнении с известным решением.

9 l3l09

Формула и з о б р е т е н и я

Злектропривод 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, !О подключенный входами к выходам датчиков тока и напряжения, блок задания момента, блок преобразования координат, векторный анализатор с управляющим входом, амплитудным выходом 15 и опорным выходом, подключенным к опорному входу блока преобразования координат, выход которого подключен к управляющему входу управляемого источника тока, а управляющий вход век- 20 торного анализатора подключен к выходу формирования 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, последовательно включенные между собой бЛок деления, определитель модуля и два двухвходовых элемента выбора максимального напряжения, датчик темпе- . ратуры статора и блок задания началь- 35 ных данных с четырьмя входами, выполненный с двумя блоками деления и с последовательно соединенными управляемой моделью цепи намагничивания асинхронного двигателя с основным и управляющим входами, нелинейным преобразователем с характеристикой цепи намагничивания асинхронного двигателя, регулятором потокосцепления, элементом сравнения и блоком преобра- 45 зования координат, выход которого образует выход блока задания начальных данных, причем первый вход регулятора потокосцепления в блоке задания начальных данных объединен с другим входом элемента сравнения, с входом делимого первого блока деления и под90 lO ключен к выходу нелинейного преобразователя с характеристикой цепи намагничивания асинхронного двигателя, выход управляемой модели цепи намагничивания асинхронного двигателя, подключей к входу дел теля первого блока деления, соединепного выходом с входом делимого второго блока деления, выход которого подключен к управляющему входу .управляемой модели цепи намагничивания асинхронного двигателя, основной вход которой, вход регулятора потокосцепления, опорный вход блока преобразования координат и вход делителя второго блока деления образуют соответственно первый, второй, третий и четвертый входы блока задания начальных данных, а формирователь фазных потокосцеплений выполнен с дополнительным многофазным входом для установки начальных данных, образованным дополнительными входами фазных апериодических звеньев и подключенным к выходу блока задания началь-. ных данных, при этом первый, второй и третий входы блока задания начальных данных подключены соответственно к выходу второго элемента выбора максимального напряжения, к амплитудному выходу и к опорному выходу векторного анализатора, а выход датчика температуры статора подключен к четвер— тому входу блока задания начальных данных, вход депимого блока деления подключен к выходу блока задания момента, вход делителя блока деления объединен с первым входом элемента сравнения и подключен к амплитудному выходу векторного анализатора, выход блока задания начального тока 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.

1310990 фия2

Составитель A.Ãîëoâ÷åíêî

Техред И.Попович Корректор Г.Решетник

Редактор И.Бандура

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, г. Ужгород, ул. Проектная, 4