Устройство для регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя

 

Изобретение относится к электротехнике. Цель изобретения - повышение пускового момента и улучшение динамических характеристик в области малых частот вращения. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя введены диод 16 и два суммирующих усилителя 17, 18, один из входов первого усилителя 17 соединен с выходом блока 3 формирования задания частоты вращения, а выход через диод 16 - с первым входом второго суммирующего усилителя 18, выход которого связан с входом задания амплитуды реактивной составляющей тока статора блока 12 формирования сигналов задания частоты и тока фаз статора. Вторые входы суммирующих усилителей 17, 18 соединены с источниками смещения. В устройство введены также дифференцирующая цепочка 20 и инвертирующий усилитель 21, выход которого подсоединен к третьему входу первого суммирующего усилителя, а вход связан с выходом блока 3 формирования задания частоты вращения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (Я)5 Н 02 P 7/42

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ма

1О

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 1534736 (21) 4602415/24-07 (22) 31.10.88 (46) 15.12.90, Бюл. М 46 (71) Всесоюзный научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт релестроения (72) В.Ф.Шепелин, В.В.Горчаков и А,А,Сушенцов (53) 62-83:621.313.333.072.9 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 1534736, кл. Н 02 Р 7/42, 1987, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ

ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ АСИНХРОННОГО

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ (57) Изобретение относится электротехни- . ке. Цель изобретения — повышение пусково- го момента и улучшение динамических характеристик в области малых частот вращения. Поставленная цель достигается тем, „„ЯЦ„„1614089 А2 что в устройс1 о для регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя введены диод 16 и два суммирующих усилителя 17,18. один из входов первого усилителя 17 соединен с.выходом блока 3 формирования задания частоты вращения, а выход через диод 16 — с первым входом второго суммирующего усилителя 18, выход которого связан с входом задания амплитуды реактивной составляющей тока статора блока 12 формирования сигналов задания частоты и тока фаз статора. Вторые входы суммирующих усилителей 17,18 соединены с источниками смещения. В устройство введены также дифференцирующая цепочка 20 и инвертирующий усилитель 21, выход кото- Я рого подсоединен к третьему входу первого суммирующего усилителя, а вход связан с выходом блока 3 формирования задания частоты вращения. 1 э.п.ф-лы, 2 ил.

1614089

Изобретение относится к электротехнике, в частности к частотно-регулируемому электроприводу переменного тока с асинхронным электродвигателем, Цель изобретения — повышение пускового момента и улучшение динамических характеристик в области малых частот враще ия.

На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства для регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя; на фиг, 2 — временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство для регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя содержит преобразователь 1 частоты, выходные зажимы переменного тока которого предназначены для подключения к зажимам асинхронного электродвигателя 2, а входные — к зажимам промышленной сети, блок 3 формирования задания частоты вращения, блок 4 управления силовыми ключами преобразователя частоты. входные зажимы которого связаны через регуляторы 5-7 тока с датчиками 8 — 10 тока фаэ статора и непосредственно или через преобразователь 11 фаз с выходными зажимами блока 12 формирования синусоидаль-. ных сигналов задания тока фаз статора двигателя 2, связанного первым. входом с выходом блока 13 задания частоты тока фаз статора двигателя, вторым входом с выходом блока 14 задания амплитуды активной составляющей тока фаз стэтора, один из входов которого соединен с выходом блока

3 формирования задания частоты вращения, а другой — с датчиком 15. обратной связи, диод 16 и два суммирующих усилителя 17 и 18, один из входов первого усилителя

17 соединен непосредственно (в нереверсивном электроприводе) или через выпрямитель 19 (в реверсивном злектроприводе) с выходом блока 3 формирования задания частоты вращения, а выход через диод 16— с первым входом второго суммирующего усилителя 18, выход которого связан с входом задания амплитуды реактивной составляющей тока статора блока 12 формирования сигналов задания частоты и тока фаз статора, вторые входы введенных суммирующих уси- лителей соединены с источниками смещения, В устройстве имеютмя также дифференцирующая цепочка 20 и инвертирующий усилитель 21, выход которого подключен к третьему входу первого суммирующего усилителя 17, а вход через дифференцирующую цепочку 20 связан через выпрямитель 19 с выходом блока 3 формирования задания частоты вращения.

Силовой блок 1 содержит неуправляемый силовой выпрямитель 22, конденсатор

23 фильтра, разрядный резистор 24, ключ

25, обратный диодный мост 26 и блок 27

5 ключей инввртора, Блок 12 формирования сигналов задания частоты и тока фаз статора двигателя 2 состоит из программируемых запоминаю-„ щих устройств (функций синуса и косинуса)

10 28 и 29, преобразователей 30-33 код-аналог и сумматоров 34 и 35.

Блок 13 задания частоты тока статора двигателя состоит иэ последовательно соединенных сумматора 36, преобразователя.

15 37 аналог-частота и счетчика 38 импульсов.

Блок 14 задания амплитуды активной составляющей тока статора двигателя со.держит сумматоры 39 и 40, интегральный регулятор 41 скольжения, выход которого

20 связан с входами сумматоров 36 и 40 и через резистор и параллельно ему включенную

RC — цепь с входом операционного усилителя 42, Датчик 15 обратной связи содержит дат25 чик 43 напряжения, выход которого связан с входом преобразователя 44 фаэ (трех в две), преобразователи 45 и 46 код-аналог функций синуса и косинуса, входы задания амплитуды которых подключены к выходу

30 преобразователя фаз, а кодовые входы — к .выходу программируемых запоминающих устройств 28 и 29, инвертирующий усили тель 47 и сумматор 48.

Если по фазам статора двигателя проте35 кает намагничивающий ток, описываемый формулами;

i>A = I+ Sjnan;

I ив =, I,и Sjn (сМ -у)

2n .

40 . 2„

I +z = 1 и sin (cut + ); где 1ип1 — амплитуда тока намагничивания фаз двигателя; то иа выходе датчика 43 напряжения. получают сигналы, определяемые следующими соотношениями:

Од=-U> cos (et 4- ();

50 0в=-Ов cos (Nt — -З- + ф, 2д ..

0с--U> cos(И+ -+ф; где UA,UB,Uc — синусоидальные сигналы, пропорциональные напряжениям на зажимах асинхронного двигателя; ф- угол сдвига межд,. векторами напряжения и ЭДС фаз двигателя.

Блок 44 преобразования фаз,выполненный обычно на базе суммирующих операци1614089 онных усилителей, имеет на выходе в качестве сигнала одной из двух фаз сигнал фазы А

Ua= Up=0m cos (иЯ+ф, а второй сигнал получается иэ соотношения 5

0p = — 1/ /3 (— 0>cos(on — — + ф) +

3

2л

Блоки 45-48 реализуют следующие ма- 10 тематические соотношения:

048 = Umcos (Йл + ф) cosctn +

+ L4sln (м + ф) sin cut = Umcos tP, 15 где 04а — напряжениЕ на выходе датчика обратной связи.

На фиг. 1 и фиг.2 приведены обозначения;

Uc — напряжение питающей сети;

UcM1, UcM2 — напряжение смещения;

0з,0п,0)в,0ю,02< — форма сигналов на выходе соответствующих элементов схемы фиг. 1.

Устройство работает следующим образом. 25 Р

В исходном состоянии схемы напряжение на блок 1 преобразователя частоты и цепи управления подано, но сигнал нг выходе блока 3 формирования задания частоты вращения отсутствует, сигнал на выходе выпрямителя 19 равен нулю, а на выходе усилителя 17 имеется отрицательный сигнал, пропорциональный напряжению смещения 0см.

Отрицательный сигнал с выхода усили- 35 теля 17 через диод 16 проходит на вход усилителя 18 и суммируется с напряжением смещения на его входе, увеличивая начальный сигнал на выходе усилителя 18, являющийся сигналом задания амплитуды тока 40 намагничивания двигателя.

Сигнал на выходе блока 14 задания активной составляющей тока фаз статора двигателя также равен нулю, равна нулю и выходная частота преобразователя 37 ана- 45 лог — частота, счетчик импульсов 38 не переключается, его состояние соответствует какому-то неизменному числу импульсов.

Данному же числу импульсов соответствует и код синуса на выходе устройства 28 и код 50 косинуса на выходе устройства 29.

При этом поскольку сигнал на выходе регулятора 41 скольжения равен нулю, то на выходе преобразователей 30 и 31 код-ана- 55 лог сигнал также равен нулю; а на выходе преобразователей 32 и 33 сигнал соответственно равен Ip s/nO)p созО(где 8- угол, соответствующий коду на выходе счетчика

38 импульсов), а на выходах блока 11 преобразования фаз сигнал равен

+ 3) 4""(3)

2m 2к

В соответствии с уровнем этих сигналов регуляторами 5 — 7 тока поддерживается ток в фазах двигателя. При этом, в исходном состоянии схемы, поскольку частота равна нулю, по фазам двигателя протекает постоянный ток, который не создает вращающего момента, двигатель находится в неподвижном состоянир.

Постоянный ток фаэ двигателя протекает по их активным сопротивлениям, вызы-Ю вая появление на зажимах двигателя напряжения, которое через датчик 43 напряжения и преобразователь 44 фаз поступает на аналоговые входы преобразователей 45 и 46 код-аналог, на частотные входы которых подается сигнал с выхода программируемых запоминающих устройств 28 и 29. При этом на выходе преобразователей 45 и 46 имеются сигналы:

0 д = — UmcosO; 0 p = 0П з!пО, где Um — амплитуда фазного напряжения двигателя, После суммирования соответствующих инверсного и прямого сигналов на выхоце сумматора 48 получают сигнал Um cos О п ри одном заданном направлении вращения и

-Um cosO при другом заданном направгении вращения.

В рассматриваемом режиме при нулевой частоте, когда весь ток двигателя задается по каналу задания тока намагничивания, угол равен 90 и проекция его на ось, совпадающую с вектором активного тока, равна нулю, т.е. сигнал с выхода датчика 15 обратной связи равен нулю и датчик обратной связи не оказывает влияния на состояние регулятора 41 скольжения.

При появлении сигнала на выходе блока 3 появляется и аналоговый сигнал на выходе регулятора 41.скольжения, а на выходе преобразователя 37 аналог-частота — непрерывная последовательность импульсов, частота которых определяется уровнем входного сигнала. Счетчик 38 начинает считать импульсы, изменяя код сигнала на выходе запоминающих устройств 28 и 29, запрограммированных на функции синуса и косинуса. При этом на выходе преобразователей 30-33 появляются гармонические сигналы, амплитуда которых пропорциональна задаваемым значениям активной

{уровень напряжения с выхода блока 14 задания амплитуды активной составляющей тока фаз статора двигателя) и реактивной (уровень напряжения с выхода усилителя 18) 1614089

20

50

55 составляющим тока статора в эквивалентном двухфазном двигателе. При этом сигнал с выхода усилителя 18 определяется суммой двух входных сигналов — напряжения смещения 0сьц и сигнала с выхода усилителя 17, который определяется алгебраической суммой трех сигналов — напряжения смещения Осм1, напряжения с выхода усилителя 21, напряжения, пропорционального производной сигнала на выходе блока 19 (темпу изменения скорости), суммируемых с одинаковым знаком, и сигнала с выхода выпрямителя 19, суммируемого с противоположным знаком, Усилитель 21 может работать и в ключевом режиме, выходя в насыщение и выдавая сигнал постоянного уровня при пуске электродвигателя (увеличивая ток намагничивания в этом режиме на низкой скорости на заданную величину):

130= 4a 81П Ni;

1 — = 1,1з з1п сл;

131= 1аз созе

1зз 1цз cos mt .

После суммирования попарно активной и реактивной составляющих тока статора в сумматорах 34 и 35 на их выходах получают, 134 = I sin(iv) +ф)

135 = 1 псо$(йл + ф); где l = 2 2

1 a3 + 1,из

g = агст9 1зб1и, В дальнейшем сигналы 1з4 и 1з5, сдвинутые друг относительно друга на 90 эл,град., преобразуются в блоке 11 преобразования ,фаз в три сигнала, сдвинутые между собой на,120 эл.град., которые и используются в качестве сигналов задания тока фаз статора асинхронного двигателя:

1зд = lysin(cut + tP); — (гл+ - — 3)

2л

1зс = 1рз1п(им +ф+ — };

2ж

В соответствии с уровнем задающих сигналов на выходе блока 11 в фазах асинхронного электродвигателя начинает протекать ток, появляется вращающий момент и двигатель разгоняется.

При работе двигателя на установившейся заданной скорости сигнал с эадатчика частоты вращения равен сигналу обратной связи с выхода обратного координатного преобразователя и при холостом ходе двигателя сигнал на выходе регулятора скольжения мал.

При набросе нагрузки ток и напряжение в первый момент сохраняются постоянным, 30

45 не меняется и сигнал обратной связи с выхода обратного координатного преобразователя. В этом случае скорость двигателя начинает снижаться и в токе фаз двигателя появляется активная составляющая, создавая вращающий момент, Одновременно, 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 обратного координатного преобразователя; Сигнал обратной связи уменьшается несколько в большей степени, чем снижается ЭДС, так как одновременно с перераспределением активной и реактивной составляющих тока статора двигателя происходит поворот в пространстве вектора

ЭДС Iz, что дополнительно снижает ее проекцию на ось, перпендикулярную прежнему вектору тока намагничивания, который теперь совпадает с полым током статора. При уменьшении сигнала обратной связи нару- . шается баланс между ней и задающим сигналом с блока 3 и на выходе регулятора 41 скольжения появляется напряжение, являющееся заданием на увеличение активной составляющей тока статора..Последняя возрастает, увеличивая момент двигателя, Для уменьшения просадки скорости одновременно с увеличением активной составляющей тока статора увеличиватся и его частота вследствие поступления сигнала с выхода регулятора скорости на вход преобразователя 37 аналог-частота через сумматор 36.

Имеющее место при этом увеличениесигнала обратной связи вследствие роста напряжения на двигателе компенсируется введением отрицательного сигнала с выхода интегрального регулятора 41 скольжения на вход сумматора 40, который также компенсирует увеличение напряжения за счет возрастания падения напряжения на активных сопротивлениях фаз статора при росте активной составляющей тока нагрузки, Постоянная времени интегрирования регулятора 41 должна выбираться близкой к электромагнитной постоянной времени всего контура регулирования тока статора. Для форсирования переходных процессов CAP в процессе отработки задаваемого уровня активной составляющей тока статора и стабилизации используется операционный усилитель 42, вход которого через резистор с подключенной параллельно к нему RCцепью, подсоединен к выходу регулятора скольжения 41.

В момент пуска сигнал на выходе операционного усилителя 18 равен сумме двух сигналов — сигналу напряжению смещения

1614089

UcM2 и сигналу с выхода усилителя 17. При напряжению система актиматического регуэтом сигнал напряжения смещения Осьцсо- лирования вследствие большого влияния ответствует номинальному току намагничи- падения напряжения на активных сопротиввания двигателя, а сигнал с выхода ленияхфаэдвигателяработаетнеэффективусилителя 17 соответствует превышению 5 но, Повышается и динамические тока намагничивания номинального. Поэто- характеристики электропривода в области . му пуск двигателя и работы его на малых малых частот вращения, так как при наброскоростях происходит с повышенным током сах и сбросах нагрузки ток статора двигатенамагничивания, обеспечивая появление на ля изменяется незначительно, а момент на валу электродвигателя повышенного пуско- 10 валу двигателя возникает лишь при перевого момента несмотря на малый сигнал на распределении составляющих тока внутри выходе блока 14 задания амплитуды актив- двигателя, исключая инерционности регуляной составляющей тока фаэ статора двига- торов и индуктивность рассеяния статора теля. двигателя.

В процессе разгона электродвигателя 15 Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я возрастает сигнал на выходе блока 3 форми- 1.Устройство для регулирования часторования задания частоты вращения, а также ты вращения асинхронного электродвигатесигнал на выходе выпрямителя 19, который ля по авт.св. N- 1534736. о т л и ч а ю щ е еимеет знак, противоположный знаку напря- с я тем, что, с целью повышения надежножения смещения Осм на входе усилите- 20 сти путем увеличения пускового момента и ля 17. При этом сигнал на выходе. улучшения динамических характеристик в усилителя 17 уменьшается по мере роста области малых частот вращения, в него ввескорости, уменьшается и сигнал на выходе . дены диод, два суммирующих усилителя, усилителя 18, являющийся сигналом зада- один из входов первого усилителя соединен . ния амплитуды тока намагничивания. Ток 25 -с выходом блоха формирования задания чанамагничивания по мере роста скорости. стоты вращения, а выход через диод — с перумен ьшается. вым входом второго суммирующего

При достижении скоростью заданного усилителя, выход которого связан с входом уровня (определяется величиной активного задания амплитуды реактивной составляюсопротивления обмоток фаз двигателя, 30 щей тока статора блока формирования синуобычнодо=0,1п, м)сигналнавыходеусили- соидальных сигналов задания тока фаз теля 17 меняет знак, диод 16 запирается и статора, вторые входы введенных суммируюсигнал на выходе усилителя 18, соответст- щих усилителей соединены с источниками вующий номинальному значению тока на- смещения. магничивания, сохраняется постоянным и 35 2. Устройство no n.1. о т л и ч а ю щ е еопределяется величиной напряжения сме- с я тем, что, с целью повышения быстрощения UcM2 на его входе, действия, в него введены дифференцируюТакимобразом,предлагаемоеустройст- щая цепочка и инвертирующий усилитель, во для регулирования частоты вращения .выход которого подсоединен к третьему асинхронного электродвигателя обеспечи- 40 входу первого суммирующего усилителя, а вает повышенное значение тока фаз элект- вход через введенную дифференцирующую родвигателя и момента на его валу а области цепочку связан с выходом блока формиромалых частот вращения. где замкнутая по вания задания частоты вращения.

1614089

Составитель В, Тарасов

Редактор Л. Пчолинская Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор В. Гирняк

Заказ 3897 Тираж 455 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101