Способ управления асинхронным электродвигателем и устройство для его осуществления

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

I (su 4 Н 02 Р 5 34

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ р-, Ц",, ЯЦ

g >t.!

E:. û1,.:--:

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО.ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21 ) 3371816/24-07 (22) 16,12.81 (46) 07.12.88. Бюл. М 45 (72) В.А.Мищенко (53) 621.313.333.072,09(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 782114, кл. Н 02 P 7/42, 1978.

Ковач К.П. и др. Переходные процессы в машинах переменного тока, — М.—

Л.: Государственное электротехническое изд-во, 1963, с, 744.

Авторское свидетельство СССР

У 1185526, И .11.84, (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННИМ

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ

ЕГО ОСУИЕСТВЛЕНИЯ (57) 1. Способ управления асинхронным электродвигателем, при котором измеряют частоту вращения ротора асинхронного электродвигателя, формируют величину частоты тока статора суммированием частоты вращения ротора с дополнительной частотой Ды, а величину тока статора i регулируют в функции требуемого момента M, при этом в установившемся режиме работы Ды=Н,/L„ и i ГМ, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и точности управления и увеличения среднего момента асинхронного элек тродвига теля з а счет поддержания режима постоянства сдвига фаз тока стао тора и потокосцепления ротора на +45 в переходных режимах, при скачкообразном законе изменения требуемого момента

M формируют величину тока статора и дополнительную частоту ра по законам .

„„SU„„1443110 А1

R„ М

0Ld =

М +(М -M 1(1-е )

0 где T r=L r/R r > R „L „— электромагнитная постоянная времени, активное сопротивление и индуктивность ротора;

L — взаимная индуктивность статора и ротора;

Z Р— число пар полюсов;

M — начальная величина момента, пропорциональная начальной Ж величине входного воздействия.

2. Устройство по п. 1, содержащее блок задания момента, формирователь управляющих воздействий с выходами заданий величины и частоты тока стаlanai тора, формирователь фазных задающих р сигналов тока статора, силовой преоб разователь тока и датчик скорости вра

:-.,-----blfl - . - — ронно ro двиг а теля и подключенный к первому входу формирователя управляю- щих воздействий, второй вход которо- (, го подключен к выходу блока задания момента, выходы заданий величины и частоты тока статора формирователя управляющих воздействий подключены к входам- формирователя фазных задаюЗь щих сигналов тока статора, связанного выходами с входами управления силового преобразователя тока, выходы которого подключены к статорным обмоткам асинхронного двигателя, при этом фор-, мирователь управляющих воздействий выI 443110

Изобретение относится к электротехнике, э частности к регулируемому электроприводу переменного тока, и может быть использовано для управления моментом, регулирования скорости и отработки перемещения рабочих органов промышленных роботов, станков и других машин и механизмов, оснащенных асинхронными двигателями с короткоэамкнутым ротором. !О

Цель изобретения — повышение быстродействия и точности управления, увеличение среднего момента асинхронного электродвигателя эа счет поддержания режима постоянства сдвига фаз !5 тока статора и потокосцепления ротора на +45 в переходных режимах, а также улучшение энергетических показателей, Формирователь 2 управляющих воздействий содержит апериодическое звено

14 (фиг. 2), первый 15 и второй 16 элементы деления и сумматор 17, первый вход котороro образует вход 9 формирователя 2 управляющих воздействий. Выход сумматора 17 образует вьиод 4 задания частоты формирователя 2 управляющих воздействий. Второй вход сумматора 17 подключен к выходу первого элемента 15 деления, Вход делимого второго элемента 16 деления образует вход 10 формирователя 2 управляющих воздействий. Выход второго полнен в виде апериодического звена, двух элементов деления и сумматора, первый вход и выход которого образуют соответственно первый вход и выход задания частоты формирователя управляющих воздействий, второй вход сумматора подключен к выходу первого элемента деления, причем вход делимого второго элемента деления образует второй вход формирователя управляющих воздействий, выход второго элемента деления связан с выходом задания величины тока статора формирователя управляющих воздействий и подключен к входу делимого первого элемента деления, входы делителей обоих элементов

На фиг. 1 представлена структурная схема моментного асинхронного электропривода; иа фиг. 2 — структурная схема форМирователя управляющих воздействий; на фиг. 3 — векторная диаграмма, поясняющая способ управления.

Устройство для управления асинхронньм электродвигателем содержит блок 1 задания момента (фиг. !), формирователь 2 управляющих воздействий 30 с вьиодом 3 задания величины тока статора, и с выходом 4 задания частоты тока статора, формирователь 5 фазньи задающих сигналов тока статора, сиделения объединены между собой и подключены к выходу апериодического звена, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью улучшения энергетических показателей за счет уменьшения потерь в асинхронном двигателе, в формирователь управляющих воздействий введен элемент пропорционального преобразования с коэффициентом Г2, вход которого подключен к выходу второго элемента деления, а выход образует выход задания величины тока статора формирователя управляющих воздействий, при этом вход апериодического звена подключен к выходу второго элемента деления. ловой преобразователь 6 тока и датчик

7 скорости вращения, установленный на валу асинхронного электродвигателя 8 с короткозамкнутым ротором и подключенный к входу 9 формирователя 2 управляющих воздействий, вход 10 которого подключен к выходу блока l задания момента. Выходы 3 и 4 заданий величины и частоты тока статора соответственно формирователя 2 управляющих воздействий подключены к входам формирователя 5 фазных задающих сигналов тока статора, связанного выходами через регуляторы 11-13 мгновенных фазных токов с входами управления силового преобразователя 6 тока, выходы которого подключены к статорным обмоткам асинхронного электродвигателя 8. з 14431 элемента 16 деления подключен к элементу 18 пропорционального преобразования, выход которого образует выход 3 задания величины тока статора формирователя 2 управляющих воздействий. Выход второго элемента 16 деления подключен также к входу аперио% дического звена 14, выход которого подключен к объединенным между собой

10 входам делителей элементов 15 и 16 деления. К выходу сумматора 17 подключен релейный элемент 19.

Устройство работает следующим образом.

Входное воздействие электроприво1 да с выхода блока 1 задания момента поступает на вход 10 формирователя

2 унравляющих воздействий. Величина

3 входного воздействия электропривода пропорциональна величине требуемого момента M .

В формирователе 2 управляющих воздействий формируются задающие сигналы величины тока статора i и частоты 25 тока статора ы;„ которые поступают с выходов 3 и 4 соответственно на соответствующие входы формирователя 5 фазных задающих сигналов тока стато° ° I ° I

Ра,,, 5, котоРые подаются 30 на входы регуляторов 11-13 мгновенных фазных токов и практически безынерци. онно отрабатываются силовым преобразователем 6 тока, например транзистор- ным импульсным инвертором, с помощью отрицательных обратных связей по мгновенным фазным токам, подаваемым с выходов силового преобразователя 6 тока на входы регуляторов 11 — 13 мгновенных фазных токов. В результате переключе- 40 ния ключевых элементов силового пре. образователя 6 тока в статорных обмотках асинхронного электродвигателя 8 фазные токи изменяются в соответствии с заданными величинами мгновенной ам- 45 плитуды и мгновенной частоты в зависимости от входного воздействия М и измеренной частоты вращения ротора ы, величина которой измеряется с помощью датчика 7. скорости вращения.

Для обеспечения безынерционного управления моментом двигателя М в со1 ответствии с требуемым моментом М пропорциональным величине входного воздействия, т.е. для обеспечения ра- 55 венства М=М, необходимо обеспечить управление мгновенной амплитудой фазных токов статора i» и мгновенной частотой фазных токов статора ы, при

1 г =- г =- 4i,1 i р„„ь О (.а> = Qld где ы — угловая скорость вращения координат, равная угловой частоте потокосцепления рото- ра, ы — угловая скорость (частота) вращения ротора;

ДЫ вЂ” дополнительная частота, равная скольжению потокосцепления ротора относительно ротора.

Скольжение потокосцепления ротора

6 Йфиг. 3) равно скорости изменения угла между вектором потокосцепления Кгi ротора и осью ротора (dau= — -).

Г ас

При соблюдении условия (1) известные дифференциальные уравнения, опре" деляющие связь между модулем вектора потокосцепления ротора, ортогональными составляющими вектора 7з, i и моментом двигателя, имеют вид

Lr И»

5, ас + ),;-?.,„1 „; —" Ь,„,„-дым,„=О; (3)

1

Согласно векторной диаграмме (фиг. 3) i „=i . в пЕ, соз Ес (s) l0 4 котором фаза тока статора (пространственный угол вектора тока статора

iq) и фаза потокосцепления ротора (пространственный угол вектора потокосцепления ротора w,) должны быть сдвинуты на угол, который либо поддерживается постоянным в направлении, определяемом направлением требуемого момента, либо связанно изменяется при изменении требуемого момента М по закону, определяемому критериями качества асинхронного электропривода.

Закон управления при безыинерционном управлении моментом в динамике определяется из дифференциальных уравнений роторной цепи, выраженных через ортогональные составляющие вектора тока статора в системе координат х, у, ориентированной относительно вектора потокосцепления ротора у„.

Условия ориентирования имеют вид: (Р) Ь,„соэЕ

Р T Р+! (6) где T - =— — электромагнитная постоj

Rt. янная времени ротора; — индуктивность ротора;

R„ активное сопротивление ротора.

Из уравнений (3) и (5) следует

3 L„

М= Z р - y„ i> я1п Еу. т (у) 25

Статический коэффициент передачи по,моменту для заданной квадратичной .2 величины тока статора is с учетом (6 ) и (7) зависит от угла Е „, фаэово- 30

ro сдвига тока статора относительно потокосцепления ротора

К .= — 7р -- cos Е з1п,р.. (8)

3 L м1 2 р у,„

Иэ (8,) следует, что для обеспечения максимума момента при заданной величине тока статора необходимо управлять фазой тока статора с фазовым сдвигом относительно фазы потокосцепления ротора, удовлетворяющим условию

d(cos Eq. sin fq) 0

d.Е „

Из уравнения (9) с учетом ориентирования (1 ), со гласно справедливо условие: (9) 45 условий которым

cosE,q) О, (1О) следует оптимальный закон управления

50 асинхронным двигателем по максимуму момента

11

Знак "+" в выражении (11) соответствует положительному направлению момента двигателя.

5 1443

Угол F в уравнениях (5) и на век- торной диаграмме (фиг. 3) составлен между пространственным вектором тока статора i, и пространственным вектором потокосцеплеиия ротора W и характеризует сдвиг фаз тока статора и потокосцепления ротора для каждой иэ фаз а, Ь, с асинхронного двигателя.

1О

Иэ дифференциального уравнения (2) с учетом (5) получают передаточную функцию для модуля вектора потокосцепления ротора

Следствием оптимального закона управления (1! ) является равенство величин ортогональных составляющих проекций вектора тока статора 1 при ориентации по вектору потокоспепления ротора (12) — М ьк — °

dF dh d,. 8Е у (А) + 1 +

1 э д- д д с((13) где э — фаза тока статора; угловое положение ротора, Ч вЂ” фазовый сдвиг потокосцепления ротора относительно оси ротора.

XBK как угол сдвига между фазами и постоянен по величине согласS

dE. но закону управления (11) и — — =0

Ч ас то при оптимальном управлении по закону 111) частота тока статора равна частоте потокосцепления ротора, в том числе и в динамических режимах изменения момента: (14) 43 =Ю+ ды, «1- э С1- 5 где (us = --- = — — — м гнов е нн ая частоdt, dt та тока статора и потокосцепления ротора; и — угловая частота вращения ротора, йм — дополнительная частота или скольжение потокосцепления ротора, характеризующее скорость относительного вращения вектора потокосцепления ротора относительно ротора.

Скольжение тока статора и потокосцепление ротора в режиме управления

Проекция вектора тока статора

Бv не изменяет своего знака при изменении направления момента и характеризует потокообразующую составляющую тока статора, равную проекции вектора тока статора на ась, направление которой совпадает с вектором потокосцепления ротора.

Ортогональная к этой оси составляющая тока статора i характеризует

5х моментообраэующую составляющую тока статора, знак которой определяется направлением момента.

Согласно векторной диаграмме (фиг. 3) угловая частота вращения вектора тока статора относительно оси статора

1443110 (11) одинаковы, в связи с чем режим оптимального управления фазой тока статора (11) может быть реализован при управлении в полярных координатах 5 путем изменения модуля вектора тока статора (мгновенной амплитуды тока статора) и аргумента вектора тока статора (фазы тока статора). Фаза тока статора F формируется с помощьв 10 формирователя 5 фазных задавших curf I Р налов тока статора,„,, 1 и отрабатывается силовым преобразователем 6 тока с помощьв отрицательных обратных связей по мгновенным фаз- 15 ным токам и регуляторов 11-13 мгновенных фазных токов

>5

/г (16) 15

= Ф- °

5М

2 (17) Согласно уравнению (6) величина потокосцепления ротора y (t ) изменяДля исключения обратной связи по положению ротора Л в моментном асинхронном электро приводе (фиг . 1 ) используется управление частотой тока 25 статора как суммы измеренной скорости вращения ротора м:(с помощью датчика

7 скорости вращения, например с помощьв тахогенератора) и дополнительной частоты ды, равной скольжению тока 30 статора и потокосцепления ротора, с последующим преобразованием сигнала задания частоты тока ь>э в сигнал задания фазы тока статора E> = )<(t)dt.

При оптимальном законе управления (11) дополнительная частота ды определяется согласно уравнению (3 ) пропорционально отношению моментообразующей составляющей тока статора к величине потокосцепления ротора, 40 равной модулю вектора потокосцепления ротора ч,.: (15) т р

При изменении момента М в режиме (l1) в функции момента изменяются как амплитуда тока статора 1з, так и амплитуда потокосцепления р в связи с тем, что согласно уравнениям (5)

50 ется с запаздыванием по отношению к иэмененив величины тока статора 1 () .

Постоянная времени апериодического процесса изменения величины потоко" сцепления ректора равна электромагнитной посто 1лной времени ротора Т „, в связи с чем через время Т > 4Т после изменения момента величина потокосцепления ротора достигает своего установившегося значения, определяемого в функции момента согласно уравнениям (2), (4), (16) и (17): (18) где 4 — установившееся значение величины потокосцепления ротора, равной модулю вектора потокосцепления ротора.

Установившееся значение величины тока статора определяется установившейся величиной потокосцепления ротора согласно уравнениям (2) и (16):

15=12

Ь (19) (t)= Гг- ---" — — -, (20)

32 р Ь, „7p Я ) а из уравнений (15) и (17) следует уравнение связи процессов изменения скольжения тока статора (дополнительной частоты а ) и мгновенной амплиту" ды потокосцепления ротора

DQ= (21)

Процессы управления током статорапо предлагаемому способу описываются уравнениями (20), (14) и (21) и определяют процессы выполнения взаПереходный процесс изменения ве личины потокосцепления ротора из одного установившегося значения 4, в другое установившееся значение V вызывает необходимость для выполнения закона (111 формироваты . связанные переходные процессы изменения величины тока статора и дополнительной частоты Лы в функции текущей величины потокосцепления ротора р„ (t).

Из уравнений (4) и (17) следует уравнение, связывающее процессы изменения мгновенных амплитуд тока статора и потокосцепления ротора в функции времени при изменении момента двигателя в режиме управления по закону (11):

1443110! о

2 Ьг с.

М (27) 40 (24) (Бг М

ЛЫ=

М +(М -М)е (28) L(.

В„ (25)

50 имосвязанных действий над двигателем путем изменения величины и частоты тока статора при изменении входного воздействия моментного электропривода М (1)=М(1 ). ! 5

Для исключения информации о величине сложно измеряемого потокосцепления ротора используют решение дифференциального уравнения (2) при ус- 10 ловии выполнения закона оптимального управления (11) и его следствия— равенства моментообразунлцей и потокообразующих составляющих тока статора i,„= li>kiq/V2. 15

Из уравнений (16) и (20) следует, что при управлении по закону (11) потокообразующая составляющая тока статора i равная проекции вектора тока статора i з на ось вектора потокосцепления ротора ((„, определяется отношением величины момента двигателя к текущей величине потокосцепления ротора V (t ):

5у

2Ь„M(t) (22)

ЗЕ Ь (((„(t Требуемая связь величины потоко сцепления ротора 1г и величины момен- 30 та двигателя М, пропорциональной входному воздействию, определяется подстановкой выражения для потокообразующей составляющей тока статора

i ó в правую часть дифференциального уравнения (2): откуда с учетом равенства

ay„(t) 1 aV4t) .. ()=

2 dt получают дифференциальное уравнение для квадратичной величины потокосцеп-45 ления ротора при изменении момента в режиме управления по закону (11)

y (t) = 2 "" M(t ) При скачке момента двигателя от начального значения М до конечного значения М квадратичная величина потокосцепления ротора изменяется по закону, определяемому решением дифференциального уравнения (25):

iy1(t)= -- (М+(М -М) е г ), (26) Р

1 где М -, — начальное значение момента ь( при установившейся начальной величине потокосцепления ротора, определяемой условием установившегося режима (!8).

Как следует из уравнения (26), в режиме управления по закону (1!) переходный процесс изменения величины потокосцепления ротора происходит в два раза быстрее, чем следует непосредственно из уравнения (2 ), что обеспечивается резкой форсировкой величины тока статора и потокообразующей составляющей тока статора в начальный период времени после скачка момента согласно уравнениям (20) и (22) с последующим быстрым ослаблением форсировки по мере нарастания потокосцепления ротора до нового установившегося значения. Это обеспечивает инвариантное управление моментом независимо от текущих величин потокосцепления ротора и тока статора в переходном процессе формирования оптимального уровня величины потокосцепления ротора.

Подставляя закон изменения величины потокосцепления ротора из уравнения (26) в уравнения (20) и (2!), получают законы инвариантного управления моментом при оптимальном по максимуму моменте управления потокосцеплением ротора для систем с фазо-частотно-токовым управлением, исходя из условия инвариантности момента

M(t)=Ì (t,):

Способ управления величиной тока статора 1S(t) в зависимости от входного воздействия реализуется для случая одной полярности задания по моменту с помощью второго элемента 16 деления, апериодического звена 14, элемента пропорционального преобразования 18 и описанных связей между ними. управление мгновенной частотой тока статора осуществляется с помощью сумматора 17, на первый вход 9 которого поступает сигнал с выхода датчика 7 скорости вращения (например, выI 4431 I 0

12 ходное напряжение тахо гене ра тора ), который пропорционален частоте вращения ротора ы . На второй вход сумматора 17 поступает выходной сигнал первого элемента )5 деления, с помощью которого осуществляют управление дополнительной частотой лы, равной скольжению тока статора и потокосцепления ротора относительно ротора с 1р заданным соотношением коэффициентов делимого и делителя для первого элемента 15 деления, Входные сигналы и выходной сигнал сумматора 17 могут принимать как по5 ложительные, так и отрицательные значения, направление вращения векторов тока статора и потокосцепления ротора задают в зависимости от знака выходного сигнала сумматора 17 с помощью релейного элемента 19, выходной сигнал которого "0" нли "!" определяет направление вращения вектора iz, который формируется с помощью формирователя 5 фазных задающих сигналов тока статора в зависимости от сигнала задания мгновенной амплитуды тока статора i,,поступающего с выхода 3Ä который образован элементом 18 пропорционального преобразования, и в зависимости от сигнала задания мгновенной частоты тока статора ы, поступающего с выхода 4, который образован выходом сумматора 17.

При изменении входного воздействия моментного электропривода, поступающего с выхода блока I задания момента, с помощью формирователя 2 управляющих воздействий задают величину и частоту тока статора.

Составитель Н.Кецарис

Редактор М.Бланар Техред A.Кравчук Корректор И.Муска

Заказ б392/51 Тираж 584 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