Устройство для регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя

 

Изобретение относится к электротехнике. Целью изобретения является упрощение. устройство для регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя содержит преобразователь 1 частоты со звеном постоянного тока, задатчик 3 частоты вращения, задатчик 4 тока намагничивания, блок 5 прямого преобразования координат, выполненный с цифро-аналоговыми преобразователями, интегральный регулятор 16 скольжения, датчик 18 фазных напряжений, блок 23 обратного преобразования координат, выполненный в виде преобразователя обобщенного вектора напряжений фаз статора в его проекцию на ось, перпендикулярную обобщенному вектору тока намагничивания. Выходной сигнал блока 23 используется в качестве сигнала обратной связи по частоте вращения на входе регулятора 16 скольжения. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 5 Н 02 Р 7/42

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4350945/24-07 (22) 28.12.87 (46) 07.01.90. Бюл. Р 1 (71) Всесоюзный научно-исследовательский, проектно-конструкторский и . технологический институт релестроения (72) В.Ф. Щепелин, А.А. Сушенцов и С.С. Николаев (53) 62.83:621.313.333(088.8) (56) Энщтейн И.И. Автоматизированный злектропривод переменного тока. — N.:

Энергоиздат, 1982.

Авторское свидетельство СССР

К 1277343, кл. Н 02 Р 7/42, 1984, Г

SU, 1534736 А 1

2 (54) УСТРОИСтВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ

ЧАСТОТ1.1 ВРАЩЕНИЯ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРО,ДВИГАТЕЛЯ (57) Изобретение относится к электротехнике. Целью изобретения является упрощение. Устройство для регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя содержит преобразователь 1 частоты со звеном постоянного тока, задатчик 3 частоты вращения, задатчик 4 тока намагничивания, блок прямого преобразования координат 5, выголненный с цифроаналоговыми преобразователями, интегральный регулятор 16 скольжения, датчик 18

1534736 фазных напряжений, блок 23 обратного преобразования координат, выполнен 1ый н виде преобразователя обобщенного вектора напряжений.фаз статора в его проекцию на ось, перпендикулярную обобщенному вектору тока намагничивания. Выходной сигнал блока 23 используется н качестве сигнала обратной связи по частоте вращения на входе регулятора 16 скольжения. 2 ил, 1

Изобретение относится к электротехнике, а именно к частотно-регули1 уемым электроприводам с асинхронными нигателями, и может .быть использоано в механизмах, определяющим тре,ованием к которым является простота онструкции исполнительного узла при охранении широкого диапазона регулиования частоты вращения, например, ля ряда вспомогательных механизмов 20 металлорежущих станков.

Целью изобретения является упрощение.

На фиг. 1 представлена функциоНальная схема устройства для регули- 25 сования частоты вращения асинхронного электродвигателя, на фиг. 2 — векторные диаграммы, поясняющие ра6о у устройства.

Устройство для регулирования час тоты вращения асинхронного электрод! !нигателя содержит силовой преобразо,ватель 1 частоты, выходы которого . предназначены для подключения к фазам асинхронного электродвигателя 2, а силовые входы — к питающей сети, задатчик 3 частоты вращения, задатчик 4 тока намагничивания, блок 5 прямого преобразования координат, выполненный с преобразователем 6 ана- „ лог — частоты, счетчиком 7 импульсов, двумя формирователями 8 и 9 функций синуса и косинуса соответственно, выполненными, например, на программируемых запоминающих микросхемах, циф- 45 роаналоговыми преобразователями 1013 и сумматорами 14 и 15, регулятор

16 скольжения с элементом 17 сравнения на входе, подключенным одним из входов к выходу задатчика 3 частоты вращения.

При этом один из управляющих входов блока 5 прямого преобразования координат подключен к выходу эадатчика 4 тока намагничивания, а выходы— к управляющим входам силового преобразователя 1 частоты, В устройство для регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя введены датчик 18 разных напряжений асинхронного электродвигателя, преобразователь !9 числа фаз, пропорционально-дифференцирующее звено 20, два сумматора 21 и 22 и блок

23 обратного преобразования координат с двумя преобразователями 24 и 25 код — аналог, иннертирующим усилителем 26 и сумматором 27.

При этом регулятор 16 скольжения выполнен в виде интегрального звена, выход которого соединен с первыми входами сумматоров 21 и 2? и входами пропорционально-дифференцирующего звена 20, подключенного выходом к другому управляющему входу блока 5 прямого преобразования координат.

Выход сумматора 21 подключен к другому входу элемента 17 сравнения.

Выход задатчика частоты вращения подключен к второму нходу сумматора 22, соединенного выходом с входом преобразователя 6 аналог — частота.

Выходы датчика 18 фазных напряжений асинхронного электродвигателя подключены к входам преобразователя числа фаз, соединенного выходами с аналоговыми входами преобразователей

24 и 25 код-аналог. Кодовые входы преобразователей 24 и 25 код — аналог подключенй к BblxopBM соответствующих формирователей 8 н 9 функций синуса и косинуса, Выход преобразователя 25 код — аналог поцключен к одному из входов сумматора 27, другой вход которого соединен через иннертирующий усилитель 26 с выходом преобразователя 26 код — аналог. Выход ! сумматора 27 подключен к второму входу сумматора 21.

Силовой преобразователь частоты выполнен с силовым выпрямителем 28, конденсатором 29 фильтра, разрядным резистором 30, подключенным к выходам фильтра через ключ 31, обратным диодным мостом 32 и блоком 33 управляемых ключей инвертора, В выходных цепях иннертора установлены датчики

34-36 фазных токов, подключенные ны34736 6

25 мент.

5 15 ходами к первым входам соответствующих регуляторов 37-39 фазных токов, вторые входы укаэанных регуляторов соединены с выходами преобразователя 40 числа Лаэ, входы которого образуют управляющие входы силового преобразонателя 1 частоты. Выходы регуляторов 37-39 через блок 41 управления связаны с управляющими входами блока 33 управляемых ключей инвертора.

Пропорционально-дифЛеренцирующее звено 20 выполнено на основе операционного усилителя 42 с резистором в цепи обратной связи и резисторами и конденсатором во входной цепи.

В случае применения двухфазного асинхронного электродвигателя 2 необходимость в установке преобразователей 19 и 40 числа фаз отпадает.

На диаграммах (фиг.2) обозначено:

U<,I, — напряжение и так статора асинхронного электродвигателя; F.

I —; I — ток наI

I магничивания; Х,,R,,Õ,Rz — параметры замещения; S — скольжение. Индексом

"0" обозначены соответствующие величины перед набросом нагрузки.

Устройство для регулирования час." таты вращения асинхронного электродвигателя работает следующим образом, В исходном состоянии сигнал на выходе задатчика 3 частоты вращения отсутствует, а на выходе задатчика 4 соответствует заданию номинального тока намагничивания асинхронного электродвигателя. Сигнал на выходе регулятора 16 скольжения равен нулю, выходная частота преобразователя б аналог — частота также равна нулю, счетчик 7 импульсов не переключается, но его состояние соответствует начальному значению числа импульсов, Нд выходах формирователей 8 и 9 образуются коды синуса и косинуса, соответствующие начальному состоянию счетчика 7 импульсов. На выходах цифроаналоговых преобразователей 10 и

11 сигналы равны нулю, а на выходах

12 и 13 сигналы: I sing, Х сон0, где

9 — угол, соответствующий йачальному состоянию счетчика.

На выходах преобразования числа фаз получают трехфазную систему сиг?и налон: I sin6, I sin(8- -), 2 и

I sin(8+ — ), в соответствии с которыми

-3 и с помощью регуляторов 37-39 н фазах двигателя поддерживаются постоянные токи, не создающие вращающего момента.

Постоянные токи Лаз двигателя, протекая по активным сопротивлениям, вызывают появление на зажимах двигателя напряжений, которые измеряются с помощью датчика 18.

На выходах преобразователя 19 чис-. ла Лаз получают днухЛаэную систему напряжений: 13„sin(lp+g) и -1i, cos(p+0), где П,„ — амплитуда фаэногс напряжения, угол между векторами ЭЦС Е и нагряжения U<.

На выходах преобразователей 24 и

25 получают сотнетственна произведения: П sin(/+9) sin 6 и -U cos(g+8)>

xcos8. С учетом инвертирования н блоке 26 на выходе сумматора 27 получают: -11 cosQ=O так как(1 = и/7 в режиме с нулевой частотой, Это означает, что выходной сигнал блока 23 обратного преобразования координат в рассматриваемом режиме не оказывает влияния на состояние регулятора 16 скольжения.

30 При появлении сигнала на выходе задатчика 3 появляется аналоговый сигнал на выходе регулятора 16 скольжения, а на выходе преобразователя 6 аналог — частота — непрерывная последовательность импульсов, частота которых определяется уровнем входного сигнала. На выходах цифроаналоговых. преобразователей 10 и 11 появляются гармонические сигналы: I sin

40 I . cosset, амплитуды которых прапора циональны заданному значению активной составляющей тока статора I, а на выходах преобразователей 12 и 13 — . гармонические сигналы I,sinQt, 45 I$3cosyt, пропорциональйые задающему зйачению реактивной составляющей тока статора Х, На выходах сумматоров 14 и 15 получают сигналы: Т„,э п(у +Ц) и 1 сее Qt+4!, где 1 =.1г +1, 50 (=агсйВХ /I>. На выходах преобразователя 40 числа Лаз получают трехфазную систему сигналов задания: Х =Х п

2 и

csin(gt+g) Х =Х s in (ut+ P —:), ?il

55 I =Е sin(ut+g+ †), в соответствии

)С Prl 3 с которыми в фазах двигателя Лармируются токи и появляется вращающий ма1534736

При работе двигателя на установив шейся скорости токи намагничивания и напряжения в фазах А,В,С изменяются следующим образом:

231

Х цд-х з1пы, I>s=+ sin{mt- — ), 2п

T. =I sin{(gt+ ); рс рв 3

Бд=-U cos ((st+g), Uz=-1? сов(ЯС- 10

2 и 2 II — +Q), 11 = U cos{Qt+ — +(p), !

На выходах преобразователя 19 поучают сигналы . -П cos {Qt+g), si.п(у +ф. На выходах преобразова- <5 телей 24 и ?5 получают соответствен но произведения . U з1п(+ ) . sinQt

-П cos(vt+Q) cosset. На выходе суматора ?7 получают: -U соз g (при изменении направления вращения знак 20 сигнала меняется).

Это означает, что сигнал на выходе блока 23 обратного преобразования ко ррдинат зависит только от амплитуды гапряжения фаз двигателя и угла г

25 при неизменной частоте токов статоа также является неизменным.

При работе двигателя на установивейся заданной скорости сигнал с заатчика 3 частоты вращения равен сиг- 30 алу обратной связи с выхода блока 23 обратного преобразования и при холос1том ходе двигателя сигнал на выходе регулятора 16 скольжения мал.

При набросе нагрузки ток и иапря35 фение в первый момент сохраняются

Постоянными,не меняется и сигнал обратной связи с выхода блока 23. В этом случае скорость двигателя начинает снижаться и в токе фаз двигателя

Появляется активная составляющая, создавая вращающий момент. Одновре» менно, поскольку заданное значение тока не изменилось, уменьшается реактивная составляющая, т.е. уменьшается ток намагничивания, а значит, уменьшается и ЭДС фаз двигателя, уменьшая сигнал обратной связи с выхода блока 23, Сигнал обратной связи

50 уменьшается несколько в большей степени, чем снижается ЭДС, так как одновременно с перераспределением активной и реактивной составляющих тока статора двигателя происходит по55 ворот в пространстве вектора ЭДС К что дополнительно снижает ее проекцию на ось, перпендикулярную прежнему вектору тока намагничивания,который теперь совпадает с полным током статора (фиг.2).

При уменьшении сигнала обратной связи нарушается баланс между ней и задаюцим сигналом с задатчика 3 и на выходе регулятора 16 скольжения появляется напряжение, являющееся заданием на увеличение активной,составляющей тока статора и последняя возрастает, увеличивая. момент двигателя. Для уменьшения просадки скорости одновременно с увеличением активной составляющей тока статора увеличивается и его частота вследствие поступления сигнала с выхода регулятора 16 на вход преобразователя 6 аналог — частота через сумматор 22.

Имеющее место при этом увеличение сигнала обратной связи вследствие роста напряжения на двигателе компенсируется введением отрицательного сигнала с выхода интегрального регулятора 16 скольжения на вход сумматора 21, который также компенсирует и увеличение напряжения за счет возрастания падения напряжения на активных сопротивлениях фаз с-атора при росте активной составляющей тока нагрузки, Вектор активной составляющей тока статора, модуль которого пропорционален сигналу на выходе регулятора 16 скольжения, практически совпадает по направлению с вектором ЭДС (отличаето ся на 4-5 ) и принимается перпендикулярным вектору тока намагничивания, Поэтому сигнал на выхо,це регулятора 16 может быть использован для частичной компенсации части проекции результируюцего вектора напряжения на ось, перпендикулярную току намагничивания, пропорциональной увеличению падения напряжения в активном сопротивлении статара от приращения тока.

Постоянная времени интегрирования регулятора 16 должна выбираться близкой к электромагнитной постоянной времени всего контура регулирования тока статора. Для форсирования переходных процессов в процессе отработки задаваемого уровня активной составляющей тока статора и стабилизации введено пропорционально-дифференциальное звено ?О.

Вместо интегрального регулятора 16 нельзя использовать пропорциональноинтегральный регулятор, так как пропорциональная часть его выходного

1534736

l0 сигнала, поступающая на вход сумматора 21, в динамических режимах нарушает соответствие сигнала на его выходе действительному значению сигнала ,обратной связи, пропорциональному частоте вращения, что приводит к возникновению колебаний в системе.

Таким образом, в устройстве для регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя сигнал обратной связи, пропорциональный частоте вращения, формируется как проекция результирующего вектора напряжения фаз статора двигателя на ось, перпендикулярную результирующему век-тору намагничивающего тока статора, При этом составляющая вектора напряжения фаз статора, пропорциональная падению напряжения от тока статора на активных сопротивлениях обмоток фаз статора, проектируется на вектор

ЭДС ротора при низких частотах врао щения под большим углом (до 45 и более в зависимости от тока нагрузки), что уменьшает ее величину (фиг.2), а значит, и уменьшается относительная зависимость изменения всей проекции напряжения от колебаний температуры (при низких частотах вращения в 1,4 и более раэ).

Это определяет точность поддержа.ния заданного значения частоты вращения электродвигателя и широкий диапазон ее регулирования. Связь выхода регулятора скольжения с входом преоб- разователя напряжение — частота позволяет увеличить частоту тока фаз двигателя с ростом нагрузки на величину частоты скольжения, сохранить час40 тоту вращения ротора неизменной, расширить дополнительно диапазон ее регулирования. Возрастающее при этом значение проекции вектора напряжения статора на ось ЭДС ротора компенсируется отрицательной обратной связью с выхода регулятора скольжения, поступающей на вход дополнительно введенного сумматора, обеспечивая тем самым нормальную работу системы автоматического регулирования по поддержанию заданной частоты вращения.

Задача регулирования частоты вращения асинхронното электродвигателя решается в устройстве без установки на его валу отдельного электромеханического датчика, что упрощает конструкцию в сравнении с известным реГ шением.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я.Устройство для регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя, содержащее силовой преобразователь частоты с выходами для подключения к фазам асинхронного электродвигателя и силовыми входами для подключения к питающей сети, задатчики частоты вращения и тока намагничивания, блок прямого преобразования координат, выполненный с преобразователем аналог — частота, счетчиком импульсов, двумя формирователями функций синуса и косинуса соответственно и.цифроаналоговыми пре" образователями, регулятор скольжения с элементом сравнения на входе, подключенным одним из входов к выходу задатчика частоты вращения, при этом один из управляющих входов блока прямого преобразования координат подключен к выходу задатчика тока намагничивания, а выходы — к управляющим входам силового преобразователя частоты, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью упрощения, введены датчик фазных напряжений асинхронного электродвигателя, преобразователь числа фаз, пропорционально-дифференцирующее звено, два сумматора и блок обратного преобразования координат с двумя преобразователями код — аналог, инвертирующим усилителем и сумматором, при этом регулятор скольжения выполнен в виде интегрального звена, выход которого соединен с первыми входами первого и второго сумматоров и входом пропорционально-дифференцирующего звена, подключенного выходом к другому управляющему входу блока прямого преобразования координат, выход первого сумматора подключен к другому входу элемента сравнения, выход задатчика частоты вращения подключен к второму входу второго сумматора, соединенного выходом с входом преобразователя аналог— частота блока прямого преобразования, координат, выходы датчика фазных напряжений асинхронного электродвигателя подключены к входам преобразователя числа фаз, соединенного выходами с аналоговыми входами преобразователей код — аналог блока обратного преобразования координат, кодовые входы упомянутых преобразователей коц — аналог подключены к выходам

1534736

Его (гз

j g1Xf

РрЬ

/ "2

/ ,7р Уу/ИР

j3gE

Я gllgegw

Составитель А. Жилин

Редактор А. 111андор Техред M. Äèäûê Корректор Т. Малец

Заказ 56 Тираж 450 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета па изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óæãîðîä, ул. Гагарина, 101 соответствующих формирователей функций синуса и косинуса блока прямого преобразования координат, выход одноi"o из преобразователей код — аналог

I1îäKëþ÷åH к одному из входов сумматора блока обратного преобразования

1 координат, другой вход которого соединен через инвертирующий усилитель с выходом другого преобразователя код — аналог, а выход названного сумматора подключен к второму входу первого сумматора.