Вентильный электропривод

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в нефтяной, горнорудной и металлургической отраслях промышленности. Целью изобретения является повышение точности регулирования Момента при сохранении быстродействия. С этой целью вентильный электропривод снабжен датчиками 18-20 напряжений фаз статора синхронного двигателя 1, преобразователями 21 и 22 числа фаз, связанными с датчиками 2-4 токов и датчиками 18- 20 /;оответственно. В электропривод

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ю у

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО.ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4234620/24-07 (22) 24.04.87 (46) 23.11.88. Бюл. 11- 43 (71) Уральский политехнический институт им. С.М.Кирова (72) В.В,Велошабский, А.М.Вейнгер, В.В.Михайлов, С.В.Потоскуев и И.М.Серый (53) 621.316.717(088 8) (56) Патент США М 4230979, кл. 3!8721 °

Авторское свидетельство СССР

Ф 1205246, кл. H 02 P 7/42, Н 02 К 29/00.

„„SU „„1439727 А 1 (д1) 4 Н 02 Р 7/42, Н 02 К 29/00 (54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД (57) Изобретение относится к электро- . технике и может быть использовано в нефтяной, горнорудной и металлургической отраслях промышленности. Целью изобретения является повышение точности регулирования момента при сохранении быстродействия. С этой целью вентильный электропривод снабжен датчиками 18-20 напряжений фаз статора синхронного двигателя 1, преобразователями 21 и 22 числа фаз, связанными с датчиками 2-4 токов и датчиками 1820,соответственно, В электропривод

1439727 введены также измерители 23 и 24 потокосцепления статора и момента, векторные анализаторы 25 и 26 блок преобразования координат 27, сумматор 28, регуляторы 29-31 соответственно момента, компоненты потокосцепления и коммутирующего потокосцепления, формирователи 32 и 33 задания коммутирующего потокосцепления и управляющих напряжений. В системе автоматического регулирования вентильного электропривода образованы два контура регулирования, 1

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 повышенными требованиями 1О к точности поддержания заданных. значений момента или скорости и быстродействию в переходных режимах.

Целью изобретения является повышение точности регулирования момента при сохранении быстродействий.

На фиг. 1 представлена функциональная схема вентильного электропривода; на фиг. 2 — функциональная схема формирователя управляющих напряжений; на фиг. 3 — векторная диаграмма синхронноro двигателя, Вентильный электропривод содержит синхронный двигатель 1 (фиг. 1), статорные обмотки которого через датчики

2-4 токов фаэ статора подключены к вы-; ходам преобразователя 5 частоты, выполненного с последовательно соединенными управляемым выпрямителем 6, сглаживающим реактором 7 и инвертором 8 тока, а обмотка возбуждения подключена к выходу регулируемого возбудителя

9 с системой 10 управления на входе.

Вентильный электропривод содержит систему 11 управления выпрямителем, 35 систему 12 управления инвертором, блок 13 фаэосмещения, датчик 14 углоВнешний контур регулирования содержит регулятор частоты вращения 17, входами связанный с датчиком 15 и задатчиком

16 частоты вращения, а выходом — с первым входом формирователя 32 и регулятором 29 момента. Внутренний многомерный контур регулирования содержит регуляторы 29-31, работающие по принципу подчиненного регулирования. В результате обеспечиваются уменьшение пульсаций момента и частоты вращения.

3 ил.

2 вого положения и датчик 15 частоты вращения, установленные на валу синхронного двигателя 1, последовательно соединенные задатчик 16 частоты вращения и регулятор 17 частоты вращения.

При этом выход датчика 15 частоты вращения подключен к входу обратной связи регулятора 17 частоты вращения, а выход датчика 14 углового положения подключен к опорному входу блока 13 фазосмещения, соединенного выходом с входом системы 12 управления инвертором, В вентильный электропривод введены датчики 18-20 напряжений фаз статора, первый и второй преобразователи 21 и

22 числа фаз 3/2, измеритель 23 потокосцеплений и измеритель 24 момента синхронного двигателя 1, первый и второй векторные анализаторы 25 и 26, блок 27 преобразования координат, сумматор 28, регулятор 29 момента, регулятор 30 компоненты потокосцепления статора и регулятор 31 коммутирующего потокосцепления, формирователь 32 задания коммутирующего потокосцепления и формирователь 33 управляющих напряжений, первый, второй, третий и четвертый входы которого подключены соответственно к выходам регулятора 29 момента, регулятора 30 компоненты потокосцепления статора, регулятора 31 коммутирующего потокосцепления и датчика 15 частоты вращения.

Первый, второй и третий выходы формирователя 33 управляющих напряжений соединены соответственно с выходом з 14397 системы 11 управления выпрямителем, управляющим входом блока 13 фазосмещения и входом системы 10 управления возбудителем. При этом первые входы

5 измерителя 23 потокосцеплений статора, объединенные с первыми входами измерителя 24 момента и входами первого векторного анализатора 25 через первый преобразователь 21 числа фаз 3/2 10 подключены к выходам датчиков 2-4 токов фаз, вторые входы измерителя 23 потокосцеплений статора через второй преобразователь 22 числа фаз 3/2 подключены к датчикам 18-20 напряжений 15 фаз, а выходы — к управляющим входам блока 27 преобразования координат, объединенным с вторыми входами измерителя 24 момента, выход которого подключен к входу обратной связи ре- 20 гулятора 29 момента. Выход модуля первого векторного анализатора 25 и первый выход блока 27 преобразования координат через сумматор 28 подключены к первому входу второго векторного анализатора 26, второй вход которого объединенный с входом обратной связи регулятора 30 потокосцепления статора, подключен к второму выходу блока 27 преобразования координат, 30 опорные входы которого соединены с выходами гармонических функций первого векторного анализатора 25, выход модулятора второго векторного анализатора 26 соединен с входом обратной связи регулятора 31 коммутирующего потокосцепления; управляющий вход регулятора 29 момента, объединенный с первым входом формирователя

32 задания коммутирующего потокосцеп- 40 ления, подключен к выходу регулятора

17 частоты вращения, Управляющий вход регулятора 30 компоненты потокосцепления статора, объединенный с вторым входом формирователя 32 коммутирующе- 45 го потокосцепления, предназначен для подачи сигнала задания компоненты потокосцепления статора, Управляющий вход регулятора 31 коммутирующего потохосцепления подключен к выходу фор- 50 мирователя 32 задания коммутирующего потокосцепления, третий вход которого предназначен для подачи сигнала задания угла восстановления запирающих свойств вентилей инвертора 8 тока.

Формирователь 33 управляющих напряжений снабжен блоком 34 преобразования переменных (фиг. 2), блоком

?7

35 измерения скорости изменения углового положения вектора тока статора, блоком 36 вычисления составляющей коммутирующего потокосцепления, элементом 37 умножения, элементом 38 деления, двумя элементами 39-40 дифференцирования, шестью сумматорами .41-46. Вход делимого элемента 38 деления, объединенные. входы делителя

38 элемента деления,. элемента 37 умножения, первого входа блока 36 вычисления составляющей коммутирующего потокосцепления, четвертого входа блока 34 преобразования переменных образуют первый и второй входы формирователя 33 управляющих напряжений.

Второй вход блока 36 вычисления составляющей коммутирующего потокосцепления и первый вход пятого сумматора 45 образуют соответственно третий и четвертый входы формирователя

33 управляющих напряжений, Выход элемента 38 деления подключен к объединенным между собой первым входам первого, второго, третьего сумматоров 41-43 и первому входу блока 34 преобразования переменных, второй вход которого предназначен для подачи нулевого сигнала, Выход блока 36 вычисления составляющей коммутирующего потокосцепления соединен с вторым входом сумматора 41, выход которого подключен к объединенным между собой вторым входам второго и третьего сумматоров 42 и 43. Выход второго сумматора 42 через элемент 39 дифференцирования подключен к третьему входу четвертого сумматора 44, выход третье-. го сумматора 43 соединен с третьим входом блока 34 преобразования переменных, выходы тока возбуждения и потокосцепления обмотки возбуждения которогО подключены соответственно к входам шестого сумматора 46 непосредственно и через элемент 40 дифференцирования. Выход блока 35 измерения скорости изменения углового положения вектора тока статора соединен с вторым входом пятого сумматора 45, выход которого соединен с входом элемента

37 умножения, выход которого подключен к второму входу четвертого сумматора

44, выход четвертого сумматора 44, выходы гармонических функций блока 34 преобразования переменных, объединенные с входами блока 35 измерения скорости изменения углового положения

1439727 вектора тока статора, и выход шестого сумматора.46 образуют-соответственно первый, второй и третий выходьI формирователя 33 управляющих напря5 жений.

В системе автоматического регули— рования (САР) вентильного электропривода образованы два замкнутых контура регулирования: внешний контур регулирования частоты вращения с регулятором частоты вращения и внутренний многомерный контур регулирования момента синхронного двигателя, содержащий регуляторы момента, компонен-15 ты потокосцепления статора и коммутирующего потокосцепления. Синтез CAP проведен на основе теории нелинейных многосвязных систем подчиненного регулирования и на основе свойств синх-.гО ронного двигателя (СД) при питании от зависимого ингертора тока (ЗИТ) как объекта регулирования, Особенностью структуры CAP является использование двух систем координат d. с и х, у., жестко связанных с вектором тока статора i (фиг.3).так, что проекции вектора 1 .,на оси х, у равны

ЗО

1ьх Оэ

Вентильный электропривод работает следующим образом.

Сигнал задания частоты вращения

И с выхода задатчика !6 частоты вра-, щения поступает на вход регулятора

l7 частоты вращения, где сравнивается с сигналом действительного значе- 40 ния частоты вращениями, поступающим от датчика 15 частоты вращения. Заданное значение моментà m синхрон1 ного двигателя 1 с выхода регулятора

17 частоты вращения поступает на 45 первый вход формирователя задания коммутирующего потокосцепления, на второй и третий входы которого подаются сигналы задания потокосцепления статоРа 4sÄ =const и Угла восстановле- 5Р ху ния, запирающих свойств вентилей инвертора бд =const таким образом, чтобы обесйечить формирование требуемых характеристик вентильного элек— тропривода, поддержание заданного электромагнитного состояния СД и устойчивость работы инвертора, которая обеспечивается при выполнении усповия

2 . 1 . 1 зд- 3 as — 3 ьс

2 . 1

"зф р

{г) 2 1 з" 3 3 з 3 (3) 1 зф ., Полученная информация используется в блоке 23 для вычисления потокосцепления статора Ч . Вычисление момента СД осуществляется по соотношению

Бф И (4)

Векторный анализатор 25 из сигналов токов i, is формирует сигналы модуля вектора тока статора i, гармонические функции его аргумента

sin7L coË, где I! — угол, определяющий голожение оси вектора тока статора относительно оси фазы А статора (фиг, 3), Блок 27 преобразования координат формирует сигналы потокосцеп— лений статора в осях х, у, реализуя преобразование поворота координат на угол Я по соотношениям

4 5 х и хье

Ч вЂ” + ------ ° 1 il) соь б 6соз g и и

{использованы обозначения, общепринятые в аналитической теории сннхрОН ных машин. Все переменные и параметры, кроме времени и постоянных времени, представлены в относительных единицах).

Заданные значения момента m потокосцепления статора Рз„„ и коммутиРУЮЩего потокосЦеплениЯ Чзе1,пОД тся на входы регулятора 29 момента, регулятора 30 компоненты потокосцепления статора и регулятора 31 коммутирующего потокосцепления, где они сравниваются с сигналами действительных значений момента m потокосцепления Чьх статора и коммутирующего

ПОТОКОСЦЕПЛЕНИЯ Юзе, ИЗМЕРЕНИЕ КОТОрых осуществляется на основании сигналов датчиков 2-4 токов фаз и датчиков 18-20 напряжений фаз статора, преобразованных к эквивалентной двухфазной системе с помощью первого и второго преобразователей 21 и 22 числа фаз 3/2 по соотношениям

1439727 зх Ф сОз3 Ч аз1пМ (5)

Ч з = — Ч> sinh+ 1 cos I! ..!

SINAI . 5P

На выходе сумматора 28 формируется сигнал use по соотношению (фиг.3) (6) Р =Ю +х

sy яе s>

Векторный анализатор 26 из сигналов потокосцеплений sex=

29 момента, регулятор 30 компоненты потокосцепления статора, регулятор

31, коммутирующего потокосцепления 15 имеют передаточные функции

Гт р7 +т р7 (7) " ха

На выходе блока 36 вычисления сос- тавляющей коммутирующего потокосцепления формируется сигнал Ч зе а по соотношению (фиг. 3 ) где Т вЂ” постоянная времени выбирае- 20

Р

1 мая в соответствии с требованиями к вентильному электроприводу и определяющая быстродействие системы автоматического регулирования. 25

Регуляторы момента, компоненты потокосцепления статора и коммутирующего потокосцепления обеспечивают равенство момента, компоненты потокосцепления статора и коммутирующего потокосцепле-30 ния их заданным значениям в установившихся режимах работы электропривода, Выходные сигналы регулятора 29 момента ша, регулятора 30 компоненты потокосцепления статора 1 ха, регулятора,15 коммутирующего потокосцепления зев, датчика 15 частоты вращения подаются соответственно на первый, второй, третий и четвертый входы формирователя

33 управляющих напряжений, на первом, 40 втором и третьем выходах которого формируются управляющие сигналы управляемого выпрямителя 6 преобразователя 5 частоты U> инвертора 8 тока преобразователя 5 частоты single, 45

cosa. где ае — угол, определяющий положение оси вектора тока статора относительно поперечной оси ротора (фиг. 3), регулируемого возбудителя

9 U . 50

Хц

На выходе элемента 31 деления фор.мируется сигнал i по соотношению (9) зла = зеJR xse sR s з а = I! sI 9. +х д,, 9р„=4 +х „; х =х +х (! О) где х,х — соответственно параметры сглаживакщего реактора 7, преобразователя 5 частоты и эквивалентной схемы управляемого выпрямителя 6 преобразователя 5 частоты.

Блок 34 преобразования переменных осуществляет переход от токов i „=О, и потокосцеплений 1р„=М „, I1Ig синхронного двигателя в осях х, у к токам i p, is, i и потокосцеплениям Ф, 1 в осях d о с учетом вихревых токов и насыщения синхронного двигателя 1. Выходы гармонических функций блока 34 преобразования переменных подаются на вход блока 35 измерения скорости изменения углового положения вектора тока статора, на выходе которого формируется сигнал аа и в соответствии, например, с соотношением азе d, . а

Н dt — =cos м — и.nay-single — совЮ. а

На входы сумматора 45 подаются сигналы частоты вращения (.3 синхронного двигателя 1 от датчика 15 и скорости измерения углового положения аав вектора тока статора — от блока

dt

35. На выходе сумматора 45 формируется сигнал Ы„частоты вращения системы координат х, у (d (12) На выходе сумматора 44 с помощью элемента 37 умножения, элемента 39 дифференцирования формируется управляющий сигнал Н „ управляемого выпрямителя 6 преобразователя 5 частоты по соотношению

В

;В =Н +Н,+В,;

Сумматоры 41-43 формируют соответственно сигналы 4х а, „ а,Ч Д по со а отношениям (фиг. 3) 9 14397 где R R,R — сопротивления соответ1! ственно реактора преобразователя 15 частоты, эквивалентной схемы управляемого выпрямителя 6, преобразователя

15 частоты и обмотки статора синхронного двигателя 1. 10

Сигналы гармонических функций блока 34 преобразования переменных через блок 11 фазосмещения осуществляют управление инвертором 8 тока преобразователя 5 частоты. Управление инверто- 15 ром 8 тока связано с продольной и поперечной осями ротора синхронного двигателя 1 при помощи датчика 14 углового положения так, что система 12 управления инвертором формирует уп- 20 равляющие импульсы для тиристоров в определенных угловых положениях ротора относительно статора синхронного двигателя. Управляющие сигналы sinas, соваеизменяют эти угловые положения, 25 определяя тем самым усредненное угловое положение вектора тока статора в системе координат d q так, что (фиг. 3)

ЗО .М - -i< sinN; (14) . созе.

На входы сумматора 46 подаются сигналы 1 и через второй элемент 40 дифференцирования сигнал 4< с выходов блока 34 преобразования переменных.

На выходе сумматора 46 формируется управляющий сигнал регулируемого возбудителя 9 по соотношению

40 (15) где R — сопротивление обмотки воз1 буждения синхронного двигателя; 45

К вЂ” коэффициент передачи регули1 руемого возбудителя по напряжению.

Операции дифференцирования, реализуемые элементами 39 и 40 дифферен- 50 цирования, выполняются с необходимой точностью, поскольку на входы формирователя 33 управляющих напряжений ! по с Т ают сигн алы Dl прошедшие фильтраций, Векторные . 55 анализаторы 25 и 26, преобразователи 21 и 22 числа фаз 3/2, блок 27 преобразования координат, блок 35 измерения скорости изменения углового

l0

27 положения вектора тока статора вхо— дят в номенклатуру специализированных функциональных устройств для электроприводов переменного тока УБСР-А, Остальные элементы системы могут быть реализованы непосредственно по уравнениям, описывающим их работу, Таким образом реализация в предлагаемом вентильном электроприводе многомерного контура регулирования момента синхронного двигателя обеспечивает уменьшение в 2-2,5 раза в сравнении с известным пульсации момента и частоты вращения электропривода (особенно в зоне низких значений) при сохранении высокого быстродействия и перегрузочной способности, Снижение пульсаций момента и частоты вращения вентильного электро— привода расширяет область его применения и делает возможным его применение для главных электроприводов непрерывных прокатных станов, на которых традиционно используются тиристорные электроприводы постоянного тока.

Формула изобретения

Вентильный электропривод, содержащий синхронный двигатель, статорные обмотки которого через датчики токов фаз подключены к выходам преобразователя частоты, выполненного с последовательно соединенными управляемым выпрямителем, сглажив ающим реактором и инвертором тока, а обмотка возбуждения подключена к вы— ходу регулируемого возбудителя с системой управления на входе, системы управления указанными выпрямителем и инвертором, блок фазосмещения, датчики углового положения и частоты вращения, установленные на валу синхронного двигателя, последовательно соединенные задатчик частоты вращения и регулятор частоты вращения, при этом выход датчика частоты вра— щения подключен к входу обратной связи регулятора частоты вращения, а выход датчика углового положения подключен к опорному входу блока фазосмещения, соединенного выходом с входом системы управления инвертором, отличающийся тем, что, с целью повышения точности регулирования момента, введены датчики напряжений фаз статора, первый и второй

1439727

20

55 преобразователи числа фаз, измерители потокосцепления статора и момента синхронного двигателя, первый и второй векторные анализаторы, блок преобразования координат, сумматор, регулятор момента, регулятор компонен ты потокосцепления статора и регулятор коммутирующего потокосцепления синхронного двигателя, формирователь задания коммутирующего потокосцепления и формирователь управляющих напряжений, первый, второй, третий и четвертый входы которого подключены соответственно к выходам регулятора момента, регулятора компоненты потокосцепления статора, регулятора коммутирующего потокосцепления и датчика частоты вращения, а первый, второй и третий выходы соединены соответственно с входом системы управления выпрямителем, управляющим входом блока фазосмещения и входом системы управления возбудителем, при этом первый вход измерителя потокосцепления статора, объединенный с первым входом измерителя момента и входом первого векторного анализатора через первый преобразователь числа фаз подключен к выходам датчиков токов фаз, второй вход измерителя потокосцеплений статора через второй преобразователь числа фаз подключен к выходам датчиков напряжений фаз, а выход — к управляющему входу блока преобразования координат, объединенному с вторым входом измерителя момента, выход которого подключен к входу обратной связи регулятора момента, выход модуля первого векторного анализатора и первый выход блока преобразования координат через сумматор подключены к первому входу второго векторного анализатора, второй вход которого, объединенный с входом обратной связи регулятора компоненты потокосцепления статора, подключен к второму выходу блока преобразования координат, опорный вход которого соединен с выходом гармонических функций первого векторного анализатора, выход модуля второго векторного анализатора соединен с входом обратной связи регулятора коммутирующего потокосцепления, управляющий вход регулятора момента, объединенный с первым входом формирователя задания коммутирующего потокосцепления, подключен к выходу регулятора частоты вращения, управляющий вход регулятора компоненты потокосцепления статора объединен с вторым входом формирователя задания коммутирующе— го потокосцепления, управляющий вход регулятора коммутирующего потокосцепления подключен к выходу формирователя задания коммутирующего потокосцепления, причем формирователь управляющих напряжений снабжен блоком преобразования переменных, блоком измерения скорости изменения углового положения вектора тока статора, блоком вычисления составляющей коммутирующего потокосцепления, первым и вторым элементами дифференцирования и шестью сумматорами, первый и второй входы формирователя управляющих напряжений образованы соответственно входом делимого элемента деления и объединенными между собой входом делителя элемента деления, входом элемента умножения, первым входом блока вычисления составляющей коммутирующего потокосцепления и четвертым входом блока преобразования переменных, третий и четевертый входы формирователя управляющих напряжений образованы вторым входом блока вычисления составляющей коммутирующего потокосцепления и первым входом пятого сумматора, а первый — третий выходы формирователя управляющих напряжений образованы со— ответственно выходом четвертого сумматора, выходом гармонических функций блока преобразования переменных, объединенным с входом блока измерения скорости изменения углового положения вектора тока статора, и выходом шестого сумматора, выход элемента деления подключен к объединенным между собой первым входам первого-четвертого сумматоров и блока преобразования переменных, выход тока возбуждения которого непосредственно, а выход по— токосцепления обмотки возбуждения через второй элемент дифференцирования подключены к входам шестого сумматора, выход блока вычисления составля— ющей коммутирующего потокосцепления соединен с вторым входом первого сумматора, выход которого подключен к объединенным между собой вторым входам второго и третьего сумматоров, выход второго сумматора через первый элемент дифференцирования подключен к третьему входу четвертого сумматора, выход третьего сумматора соединен с. третым входом блоха преобразования пе!

4 рого соединен с входом злемента Умножения, выход которого подключен к второму входу четвертого сумматора.!

3 14 39727 ременных, выход блока измерения скоросчи изменения углового положения вектора тока статора соединен с вторым входом пятого сумматора, выход кото!

439727

oc,Ä

Составитель А.Жилин

Редактор Л.Гратилло Техред М.ДНдцк Корректор Э. Лончакова

Тираж 584 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 6088/55

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