Автономная система электрооборудования

 

Изобретение относится к электротехнике , а именно к регулируемым машинам переменного тока различного назначения, питаемым от преобразователей частоты, и может быть использовано в автономной системе электрооборудования транспортных средств с вентильными электродвигателями Целью изобретения является улучшение

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (ss>s Н 02 К 29/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР Ь ЯДя .йц

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4302019/07 (22) 31.08,87 (46) 15.01.91. Бюл, М 2 (71) Всесоюзный научно — исследовательский институт электромашиностроения (72) Р.К. Евсеев и A.Ñ. Сазонов (53) 621.316.717 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1356134, кл. Н 02 K 29/00, 1985.

Авторское свидетельство СССР

М 1534662, кл. Н 02 К 29/00, 1987.

Я.), 1621124 А1 (54) АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЗЛEKTP0ОБОРУДОВАНИЯ (57) Изобретение относится к электротехнике, а именно к регулируемым машинам переменного тока различного назначения, питаемым от преобразователей частоты, и может быть использовано в автономной системе электрооборудования транспортных средств с вентильными электродвигателями. Целью изобретения является улучшение

1621124

40 энергетических, динамических показателей и расширение диапазона регулирования частоты вращения за счет уменьшения пульсаций вращающего момента вентильного электродвигателя, В автономную систему электрооборудования с генератором переменного тока 1 и вентильным электродвигателем на базе электромеханического преобразователя 2 введены два дополнительных пропорционально-интегральных регуля-. тора 16, 18 и два дополнительных усилителя тока 12, 14. Индуктор 21 генератора 1 снабжен дополнительной поперечной обмоткой возбудителя 23 с датчиком тока 28. Индуктор

24 электромеханического преобразователя 2

Изобретение относится к электротехнике, а именно к регулируемым машинам переменного тока различного назначения, питаемым-от преобразователей частоты, и может быть использовано в автономной системе электрооборудования транспортных средств с вентильными электродвигателями.

Целью изобретения является улучшение энергетических, динамических показателей и расширение диапазона регулирования частоты вращения за счет уменьшения пульсаций вращающего момента вентильного электродвигателя.

На фиг. 1 представлена функциональная схема автономной системы электрооборудования с вентильным электродвигателем; на фиг. 2 — функциональная схема блока вычислений потокосцеплений; на фиг, 3 — функциональная схема блока формирования потокосцепления якоря; на фиг. 4 и 5 — векторные диаграммы изображающих векторов генератора переменного тока и электромеханического преобразователя.

Автономная система электрооборудования с вентильным электродвигателем содержит 2р1-полюсный m1-ôàçíûé генератор 1 переменного тока (фиг, 1) и вентильный электродвигатель на базе 2 — полюсного mz-фазного электромеханического преобразователя

2, подключенные обмотками якорей к соответствующим выходам преобразователя 3 частоты, управляющие цепи которого соединены с выходами системы 4 управления, выполненной с входами регулирования угла запаздывания и угла опережения, с двумя опорными входами и двумя двухфазными выходами, m>— фазный датчик 5 тока якоря генератора 1 переменного тока, гл -фазный датчик 6 тока якоря электромеханического преобразователя 2 и снабжен дополнительной поперечной обмоткой возбудителя 26 с датчиком тока 30, при этом указанные обмотки возбуждения подключены к выходам соответствующих усилителей тока 12, 14 и связаны с выходами соответствующих блоков вычислений потокосцеплений 9, 10, Введение дополнительных контуров регулирования тока в поперечных обмотках возбуждения 23, 26 генератора 1 и электромеханического преобразователя 2 обеспечивает более эффективное уменьшение пульсаций эквивалентного выпрямленного тока и момента, обусловленных фазовым регулированием напряжений и дискретным характером изменения вектора тока якоря, 5 ил, датчики 7 и 8 углового положения роторов генератора 1 переменного тока и электромеханического преобразователя 2, подключенные выходами к соответствующим опорным входам системы 4 управления.

Автономная система электрооборудования содержит, кроме того, два блока 9 и 10 вычислений потокосцеплений, каждый из которых снабжен многофазным входом, опорным входом, двумя входами для составляющих тока и двумя выходами, пропорционально — интегральные регуляторы 11 — 14 тока, усилители 15 — 18 тока.

Каждая из фазных обмоток якорей 19 и

20 генератора 1 переменного тока и электромеханического преобразователя 2 выполнена из двух параллельно-встречно включенных ветвей с взаимным сдвигом их осей на угол тг/р> у генератора I и тг/р у преобразователя 2.

Индуктор 21 генератора 1 переменного тока выполнен с продольной обмоткой 22 возбуждения, ось которой совпадает с осью полюсов индуктора 21, и поперечной обмоткой 23 возбуждения, установленной на полюсах, сдвинутых относительно полюсов индуктора на электрический угол zt/2.

Индуктор 24 преобразователя 2 выполнен с продольной обмоткой 25 возбуждения, ось которой совпадает с осью полюсов индуктора 24, и поперечной обмоткой 26 возбуждения, установленной на полюсах, сдвинутых относительно полюсов индукто-. ра 24 на электрический угол a/2, Выходы усилителей 15 и 16 тока через введенные датчики 27 и 28 продольного и поперечного токов подключены соответственно к выводам продольной 22 и поперечной 23 обмоток индуктора 21.

1621124

Выходы усилителей 17 и 18 тока через датчики 29 и 30 продольного и поперечного токов подключены соответственно к выводам продольной 25 и поперечной 26 обмоток индуктора 24. 5

Входы усилителей 15 — 18 тока подключены к выходам соответствующих пропорционально-интегральных регуляторов

11 — 14 тока.

Первые входы регуляторов 11 и 12 тока подключены к выходам блока 9 вычислений, а вторые входы обьедииены с соответствующими входами для составляющих тока блока 9 вычислений и подключены к выходам датчиков 27 и 28 тока.

Первые входы регуляторов тока 13, 14 подключены к выходам блока вычлслений

10, а вторые входы обьединены с соответствующими входами для составляющих тока блока вычислений 10 и подключены к Bblxoдам датчиков тока 29, 30, Первый двухфазный выход системы 4 управления подключен к соответствующему двухфазному опорному входу блока 9 вычислений, многофазный вход которого соединен с соответствующими выходами

rn1 — фазного датчика 5 тока. о Второй двухфазный выход системы 4 управления подключен к соответствую цему двухфазному опорному входу блока 10 вычислений, многофазный вход которого сседии н с соответствуюшлми выходами гпту — фазнога датчика 6 тока.

Каждый из блоков 9 и 10 вычислений потокосцеплений выполнен с координатными преобразователями 31 и 32 (фиг, 2), блоком 33 формирования потокосцеплений якоря, блоком 34 выделения среднего значен 1я, блоком

35 суммирования и блоками 36 и 37 умножения. Первые входы блоков 36 и 37 умноженля соединены между собой и подключены к выходу блока 35 суммирования, первым входом соединенного с выходом блока 34 выделения среднего значения, Вход последнего соединен с вторым входом блока 35 сумммирования и с выходом координатного преобразователя 32, подключенного основными входами к соответствующим выходам блока 33 формирования потокосцеплений якоря, первые два входа которого подключены к соответствующим выходам коордии::.тн ого и реобразователя 31.

Другие два входа блока 33 формирования потокосцеплений якоря образуют соответствующие входы для составляющих тока блоков 9 и 10 вычислений, а вход уставки предназначен для подачи эквивалентного сигнала возбуждения постоянных магнитов по продольной оси.

Вторые входы блоков 36 и 37 умножения, соединенные с соответствующими

55 опорными входами координатных преобразователей 31 и 32, образуют двухфазный опорный вход каждого из блоков 9 и 10 вычислений. Многофазный вход и выходы каждого из блоков 9 и 10 образованы соответственно входами координатного преобразователя 31 и выходами блоков 36 и 37 умножения, Блок 33 формирования потокосцепления якоря содержит нелинейные элементы

38 и 39 (фиг, 3), определяющие зависимость основного потока от результирующей намагничивающей силы, и масштабные элементы 40 и 41.

Автономная система электрооборудования (АЭС) работает следующим образом.

При фазовом регулировании напряжений генератора 1 и электромеханического преобразователя (ЭМП) 2 эквивалентный выпрямленный ток (модуль вектора тока якоря) ЭМП 2 содержит кроме постоянной составляющей и переменные составляющие тока, которые и являются причиной пульсаций вращающего момента и ухудшения энергетических показателей вентильного двигателя (ВД). Кроме того, вращающий момент ВД является пульсирующим даже при идеально сглаженном эквивалентном выпрямленном токе ЭМП 2 ввиду дискретного характера изменения положения вектора тока якоря ЭМП 2, что приводит при низких частотах вращения к явлению "шагания" ВД, ограничивая тем самь.м диапазон регулирования частоты вращения. Дискретный характер изменения положения вектора тока якоря генератора 1 вызывает пульсации электромагнитного момента генератора 1 и приводит к ухудшению его энергетических показателей, Пульсации эквивалентного выпрямленного тока и момента, обусловленные фаэовым регулированием напряжения ЭМП 2 и дискретным характером изменения вектора тока якоря ЭМП 2, можно устранить, если проекцию вектора основного потокосцеплеиия якоря ЭМП 2 на направление яд (фиг. 5), ортогональное вектору тока якоря

ЭМП 2 1д, поддерживать равной ее среднему значению путем регулирования токов возбуждения ЭМП 2 по продольной бд и поперечной од осям, для чего необходимо компенсировать переменную составляющую проекции вектора основного потокосцеплеиия в выражении электромагнитного момента

Мд =(Мя1 д+ Фдгд3 д ° (1) где АД@ д — среднее значение проекции вектора основного потокосцепления на направление г д.

1621124

Из диаграммы изображающих векторов (фиг, 5) необходимая величина потокосцепления продольной обмотки 25 возбуждения

ЭМП 2 определяется следующим образом.

hgfd< =ЛфДрд созтд+ 5 (2)

+Atfdp хг4д

Л где тд = — — — Po

6 10

Д вЂ” угол .опережения включения при холостом ходе, определяемый установкой датчика 8 углового положения ротора

ЭМП 2:

lfdp, хыд — ток возбуждения и индуктив- 15 ное сопротивление рассеяния продольной обмотки 25 возбуждения ЭМП 2.

Необходимая величина потокосцепления дополнительной поперечной обмотки

26 возбуждения ЭМП 2 равна 20

А7Р f d д = Лф Д Я д 81A Тд + (3)

+Al fgp xgfgg, где Л1f gq,x

Аналогично можно устранить пульсации эквивалентного выпрямленного тока и момента; обусловленные фазовым регулированием напряжения генератора 1 и дискретным характером изменения вектора тока якоря генератора 1. Для этого проекцию вектора основного потокосцепления якоря генератора 1 на направление er (фиг. 4), ортогональное вектору тока якоря ir, необходимо поддерживать равной ее среднему значению путем регулирования токов возбуждения генератора 1 по продольной dr и поперечной qr осям, для

40 чего необходимо компенсировать переменную составляющую проекции вектора основного потокосцепления ЛфДg r в выражении электромагнитного момента

М, =(РДа, +ЯРД,) l,, (4) где фД 1, — среднее значение проекции вектора основного потокосцепления на на- 50 правление я,, Из диаграммы изображающих векторов (фиг. 4) необходимая величина потокосцепления продольной обмотки 22 возбуждения генератора 1 определяется следующим об- 55 разом:

gpdr = ЛфДрг соз Тг + (5)

+Alfdf X CFdr °

Л где rr =v- — — а„, а — угол запаздывания включения при холостом ходе, определяемый установкой датчика 7 углового положения ротора генератора 1;

Ь1 f d r X 0 f d r — тОК ВОЗбУжДЕНИЯ И ИНдуктивное сопротивление рассеяния продольной обмотки . 22 возбуждения генератора 1.

Необходимая величина потокосцепления дополнительной поперечной обмотки

23 возбуждения генератора 1 равна

Q 7P fqr = Ь ф Д Я г S l fl Т г +

+ hifqr Xaf.qr, (6) где Ifqr, хсцqr — ток возбуждения и индуктивное сопротивление рассеяния дополнительной поперечной обмотки 22 возбуждения генератора 1.

Использование продольных и поперечных обмоток возбуждения позволяет наиболее точно компенсировать переменные составляющие проекций векторов основных потокосцеплений генератора 1 и ЭМП 2, так как при этом возможно сформировать необходимый вектор как по величине, так и по фазе.

Диаграммы изображающих векторов на фиг. 4, 5 построены без учета углов коммутации тока в фазах генератора 1 и ЭМП 2. При наличии углов коммутации выражения (2), (3) и (5), (6) несколько изменя ются, При этом блоки 9 и 10 вычисления по действительным значениям токов (с учетом углов коммутации) и угловым положениям роторов генератора 1 и

ЭМП 2 определяют проекции переменных составляющих основного потокосцепления

Лф Д g д, Ьф Д g r, а регуляторы 11-14, тока поддерживают с достаточной для практики точностью проекции векторов основных потокосцеплений фД „, фД д на уровне, соответствующем их средним значениям, включая и коммутационные интервалы.

Первые слагаемые в выражениях(2), (3), (5) и (6) формируются с помощью блоков 9 и

10 вычисления, выходные сигналы которых поступают на йервые входы пропорционально-интегральных регуляторов 11 — 14, на вторые входы которых подаются сигналы, пропорциональные токам возбуждения продольных 22 и 23 и поперечных 25 и 26 обмоток, возбуждения генератора 1 и ЭМП 2.

Масштабные коэффициенты на входах регуляторов 11 — 14 выбираются так, что суммарный сигнал определяется выражениями (2), (3), (5) и (6). За счет интегральных составля1621124

10 ющих на выходах регулятора вырабатывается сигнал, обеспечивающий после усиления усилителями 15-18 тока напряжение на продольных 22 и 23 и поперечных 25 и 26 обмотках возбуждения генератора 1 и ЭМП 2, необходимое для поддержания проекций вектора основного потокосцепления якоря генератора 1 и ЭМП 2 фД „, фД д на уровне, равном их средним значениям, Выбор соответствующих передаточных функций регуляторов 11 — 14 обеспечивает требуемую динамику процесса регулирования возбуждения.

Блоки 9 и 10 вычислений предназначены для определения переменных составляющих проекций векторов основных потокосцеплений генератора 1 и ЭМП 2 на оси, ортогональные векторам токов обмоток якорей генератора 1 и ЭМП 2, и формирования части потокосцеплений обмоток 22, 23 и 25, 26 возбуждения генератора 1 и ЭМП 2 согласно выражениям (2), (3). (5) и (6).

Первый координатный преобразователь 31 состоит из типовых множителей и суммирующих элементов и реализует преобразование тока якоря от фазовых компонентов к продольной и поперечной о составляющим по сигналам датчиков 5 и 6 тока по сигналам углового положения роторов генератора 1 или ЭМП 2, поступающим из системы уравнения 4.

Формирование основных потокосцеплений якоря по осям d, q осуществляется в блоке 33 формирования продольной и поперечной составляющих потокосцеплений.

Нелинейные элементы 38 и 39 (фиг. 3) имеют одинаковые характеристики и определяют зависимость основного потока фД от результирующей намагничивающей силы, т. е. фД = «(l). Намагничивающие силы

11 одной половины полюса определяются суммой н. с. по продольной и поперечной осям

i1=id+Aifd+ifp+

Х w d а другой половины полюса iz — разностью

l2 =td+Al fd+I fo (ч+ fa)

X md

Этим н.с. соответствуют потокосцепления ф1, ф. получаемые на выходах нелинейных элементов 38 и 39; ф =«(И),Я =«(г).

Масштабные коэффициенты усилителей

40 и 41 выбираются тгх, что суммарные сигналы на выходах этих усилителей определяются выражениями:

5 фДд =05(g)+фг); РДч =05(9 I -V г), Составляющие основного потокосцепления по осям поступают во второй координатный преобразователь 32, состоящий из типовых множительных и суммирующих элементов и осуществляющий переход от продольной и поперечной составляющих основного потокосцепления к составляющей основного потокосцепления фД, ортогональной вектору тока якоря, по следующему соотношению: фД =QДq cosz-Qg slnz.

Составляющая основного потокосцеп25 ления фД поступает на вход блока 34 выделения среднего значения, на выходе которого получаем среднее значение основного потокосцепления фД „.

Блок 34 может быть выполнен в виде ин30 тегратора. Переменную составляющую основного потокосцепления ЛфД я получаем на входе блока 35 сумми рования как разность составляющих ф Д е, и ф Д о подаваемых на его входы. На выходе блока 36 умножения

35 получается сигнал, необходимый для формирования потокосцепления продольной обмотки 22 или 25 возбуждения генератора 1 или ЭМП 2

А =ЛфД cosz, а на выходе блока 37 умножения получается сигнал, необходимый для формирования по45 токосцепления дополнительной поперечной обмотки 23 или 26 возбуждения генератора t или ЭМП 2

В = Мде sin z, 50

Таким образом, введение в автономную систему электрооборудования дополнительных поперечных обмоток возбуждения, размещенных на индукторах генератора пе55 ременного тока и электромеханического преобразователя и соответствующих регуляторов тока к ним, обеспечивает более эффективное в сравнении с известным, решением уменьшение пульсаций эквивалейтного выпрямленного тока и момента, 1621124

5О обусловленных фазовым регулированием напряжений и дискретным характером изменения вектора тока якоря генератора и электрамеханическога преобразования, в результате чего улучшаются энергетические и динамические показатели системы, расширяется диапазон регулируемых частот вращения.

Формула изобретения

Автономная система электрооборудования, содержащая 2р1-полюсный, m> — фазный генератор переменного тока и вентильный электродвигатель на базе 2pz— полюсного mz — фазного электромеханического преобразователя, подключенные обмотками якорей к соответствующим выходам преобразователя частоты, управляющие цепи которого соединены с выходами системы управления, выполненной с входами регулирования угла запаздывания и угла опережения, с двумя опорными входами и двумя двухфазными выходами, а1 — фазный датчик тока якоря генератора переменного тока, mz-фазный датчик тока якоря электромеханического преобразователя и датчики углового положения ротора генератора переменного тока и электромеханического преобразователя, подключенные выходами к соответствующим опорным входам системы управления, два пропорционально-интегральных регулятора тока и два усилителя тока, каждая из фазных обмоток якорей генератора переменного тока и электромеханическога преобразователя выполнена из двух параллельно-встречно вклокоченных ветвей со взаимным сдвигом их осей на угол к/р1у указанного генератора и x/pz ууказанного электрамеханического преобразователя, индуктор генератора переменного тока выполнен с продольной обмоткой возбуждения, ось которой совпадает с осью его полюсов, индуктор электромеханического преобразователя выполнен с продольной обмоткой возбуждения, ось которой совпадает с осью его полюсов, два датчика продольного тока, каждый из которых соединен последовательно с соответствующей продольной обмоткой возбуждения индукторов генератора переменного тока и электромеханического преобразователя, два блока вычислений потокосцеплений, каждый из которых выполнен с многофазным информационным входом, опорным входом и входом для продольного тока, обьединенным с первым входом соответствующего пропорционально-интегрального регулятора тока и подклю" ченным к выходу соответствующего датчика продольного тока, вторые входы пропорцио10

2О

25 нально-интегральных регуляторов тока подключены к выходам соответствующих блоков вычислений потокосцеплений, а выходы указанных регуляторов — к входам соответствующих усилителей тока, подключенных выходами через соответствующие датчики продольного тока к продольным обмоткам возбуждения индукторов генератора переменного тока и электромеханическо1о преобразователя, при этом двухфазные выходы системы управления подключены к опорным входам соответствующих блоков вычислений потокосцеплений, информационные входы каждого из которых подключены соответственно к выходам m> — фазного датчика тока якоря генератора переменного тока и в2фазногодатчика тока якоря электромеханического преобразователя, причем каждый из упомянутых блоков вычислений потакасцеплений выполнен с двумя координа гными преобразователями, блоком формирования потакасцепления якоря, блоком выделения среднего значения и блоком суммирования, первым входом соединенным с выходом блока выделения среднего значения, вход которого соединен с вторым входом блока суммирования и с выходом второго координатного преобразователя, подкл ючен ного основными входами к соответствующим выходам блока формирования патакосцеплений якор=, первые два входа которога подключены к соответствующим выходам первого координатного преобразователя, третий вход образует вход для продольного тока блока вычислений потокосцеплений, а вход уставки предназначен для подачи эквивалентного сигнала возбуждения, опорные входы координатных преобразователей пофаэно обьединены и образуюг опорный вход блока вычислений потокасцеплений, многофазный информационный вход которого образован входами первого координатного преобразователя, а т л и ч а Io щ ее с я тем, что, с целью улучшения энергетических, динамических показателей и расширения диапазона регулирования частоты вращения путем уменьшени; пульсаций вращающего момента вентильного двигателя, введены два дополнительных пропорционально-интегральных регулятора, два дополнительных усилителя тока, индуктор генератора переменного тока снабжен дополнительной поперечной обмоткой воз-. буждения, установленной на полюсах, сдвинутых относительно полюсов индуктора на электрический угол к/2, индуктор электромеханического преобразователя снабжен дополнительной поперечной обмоткой возбуждения, установленной на пол крах, сдвинутых относительно полюсов индукто1621124

gq ЯлГ

fos

Sin. ра на электрический угол л/2, два датчика поперечного тока, каждый из которых соединен последовательно с соответствующей поперечной обмоткой возбуждения индукторов генератора переменного тока и электромеханического пре- 5 образователя, каждый из блоков вычислений потокосцеплений снабжен дополнительным выходом и дополнительным входом для поперечного тока, объединенным с первым входом соответствующего дополнительно пропорци-. 10 онально-интегрального регулятора тока и подключенным к выходу соответствующего датчика поперечного тока, при этом вторые входы дополнительных пропорционально-интегральных регуляторов тока подключены к 15 дополнительным выходам соответствующих блоков вычислений потокосцеплений, а выходы указанных регуляторов — к входам ссютветствующих дополнительных усилителей тока, подключенных выходами через соответствующие датчики поперечного тока к поперечным обмоткам возбуждения индукторов генератора переменного тока и электромеханического преобразователя, каждый из блоков вычислений гютокосцеплений снабжен двумя блоками умножения, а блок формирования потокосцепления якоря снабжен четвертым входом, образую1цим дополнительный входдля поперечного тока блока вычислений потокосцеплений, при этом первые входы блоков умножения подключены к выходу блока суммирования, вторые входы объединены с соответствующими опорными входами координатных преобразователей, а выходы блоков умножения образуют соответственно основной и дополнительный выходы олока вычислений потокосцеплений.

9g

Фи5

Составитель А.Жилин

Редактор Л.Веселовская Техред M,Ìîðãåíòàë Корректор О.Кравцова

Заказ 4252 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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