Частотно-регулируемый электропривод

 

Использование: в автоматизированном асинхронном электроприводе с питанием от преобразователя частоты для регулирования .скррости в различных механизмах. Сущность: в частотно-регулируемый электропривод с асинхронным двигателем введены формирователь угла поворота вектора потокосцепления , формирователь сигналов обратной связи, суммирующие усилители, блоки перемножения, блок деления, преобразователь , реализующий функцию косинуса , преобразователь кодов функций синуса и косинуса и два регулятора, проекций вектора потокосцепления ротора. При этом обеспечивается повышение точности работы путем снижения чувствительности к изменениям параметров двигателя за счет организации контуров регулирования компонент вектора потокосцеплення ротора в неподвижной системе координат. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s Н 02 Р 7/42

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (i OCflATEHT CCCP) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4756763/07 (22) 09.11,89 (46) 28.02.93. Бюл. М 8 (71) Новосибирский электротехнический институт (72) В.В.Панкратов (56) Авторское свидетельство СССР

M 849404, кл. Н 01 P 7/42, 1979.

Рудаков В.В. и др. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. Л.:

Энергоатомиздат, 1987, с, 79. (54) ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД (57) Использование: в автоматизированном асинхронном электроприводе с питанием от преобразователя частоты для регулироваИзобретение относится к электротехнике, а именно к автоматизированному асинхронному электроприводу с питанием от преобразователя частоты, и может быть использовано в различных отраслях промышленности: текстильной, металлообрабатывающей, металлургической и других для регулирования скорости механизмов.

Целью изобретения является упрощение частотно-регулируемого электропривода и снижение его чувствительности к изменениям параметров двигателя за счет организаций контуров регулирования компонент вектора потокосцепления ротора в неподвижной системе координат.

На чертеже приведена функциональная схема частотно-регулируемого электропривода.

„„5U„, 1798884 А1 ния скорости в различных механизмах. Сущность: в частотно-регулируемый электропривод с асинхронным двигателем введены формирователь угла поворота вектора потокосцепления, формирователь сигналов обратной связи, суммирующие усилители, блоки перемножения, блок деления, преоб- . разователь, реализующий функцию косинуса. преобразователь кодов функций синуса и косинуса и два регулятора. проекций вектора потокосцепления ротора. При этом обеспечивается повышение точности работы путем снижения чувствительности к изменениям параметров двигателя за счет организации контуров регулирования компонент вектора потокосцепления ротора в неподвижной системе координат. i ил.

Частотно-регулируемый электропривод содержит асинхронный электродвигатель 1, обмотки статора которого подключены к преобразователю 2 частоты, к управляющим входам которого подключены соответственно первый, второй и третий выходы функционального преобразователя координат 3, задатчик 4 скорости, выход которого подключен к первому входу регулятора 5 скорости, второй вход которого соединен с выходом датчика 6 скорости, а выход — с первым входом первого суммирующего усилителя 7, задатчик 8 потокосцепления ротора, выход которого соединен с первым входом блока 9 деления, второй вход которого подключен к выходу функционального преобразователя 10, а выход — к первым входам блоков перемножения 1 I, 12, вторые входы которых соединены соответственно с

1798884 первым и вторым выходами функциональ- цифроаналоговых преобразователей, на. ного преобразователя 13, вход которого пример КР572ПА 1А, при этом на управляюподключен к выходу суммирующего усили- щий кодовый вход подается один из теля 7, формирователь 14угла поворота век- умножаемых сигналов (цифровой), а на тора потокосцепления, первый и второй 5 опорный вход — второй умножаемый сигнал входы которого подключены соответствен- (аналоговый). но к первому и второму выходам формиро- Функциональный преобразователь 10 вателя 15 сигналов обратной связи, а может быть, например, выполнен в виде повыход — к второму входу пврвого суммирую- следовательно включенных аналого-цифрощего усилителя 7, первый вход которого "0 вого преобразователя и схемы постоянного соеди1 ен с входом функционального преоб- запоминающего устройства. Он реализует разователя 10, выходы блоков перемноже- операцию нахождения косинуса угла, прония 11, 12 соединены соответственно с порционального входному сигналу. Аналопервыми входами второго и третьего сумми- гично функциональный преобразователь 13 рующих усилителей 16, 17, вторые входы "5 может представлять из себя последовакоторых подключены ктретьемуи четверто- тельное соединение аналого-цифрового му выходам формирователя 15 сигналов об- преобразователя и двух параллельно вклюратной связи соответственно, а выходы — к ченных схем постоянного запоминающего входам регуляторов проекций потокосцеп- устройства, выходы которых являются выхоления 18, 19, выходы которых соединены 2о дами функционального преобразователя соответственно с первым и вторым входом 13 и содержат коды косинуса и синуса функционального преобразователя коордй- входного сигнала. В качестве схем постонат 3. янного запоминающего устройства могут

Преобразователь 2 выполнен по обще- быть использованы микросхемы ПЗУ, наизвестной схеме и содер>кит последователь- 25 пример, К573РР11, в качестве аналого-цифно включенные неуправляемый выпрями- poBblx преобразователей могут быть. тель, сглаживающий 1 С-фильтр и автоном- например, использованы общеизвестные ный инвертор напряжения, а также систему схемы, построенные по компенсационноуправления автономным инверторомс LUMM. му принципу на базе реверсивного двоичФункциональный преобразователь ко- 30 ного счетчика (например, К155ИЕ7), ординат иэтрехфазной системы вдвухфаз- микросхемы ЦАП (КР572ПА1), тактового геную 3 может быть выполнен по общеиз- нератора, компаратора (например, на базе вестной схеме на базе операционных уси- операционного усилителя 140 серии) и логилителей, например 153 серии (Асинхрон- ческой схемы переключателя направления ные электроприводы с векторным управле- 35 счета. В качестве логических элементов монием). гут быть, например, использованы элеменЗадатчик 4 скорости и задатчик 8 пото- ты 155 серии. косцепления ротора могут быть выполнены Формирователь 14 угла поворота вектопо общеизвестной схеме, например, на базе ра потокосцепления содержит блок 20 выдеячейки СЗ вЂ” 6АИ. 40 ления модуля, первый и второй входы

Регулятор 5 скорости может быть вы- которого являются соответственно первым полнен в виде интегрального регулятора; в и вторым входами формирователя 14, а выцепи обратной связи по частоте вращения, ход соединен с первым входом суммируюсогласно схеме регулятора, изображенной щего усилителя 21, второй вход которого на чертеже, установлено форсирующее зве- 45 соединен с первым входом блока 20 выделено второго порядка,собранноенабазетрех ния модуля, а выход — с вторым входом операционных усилителей. блока 22 деления, первый вход которого

В качестве датчика 6 скорости может является вторым входом формирователя быть использован тахогенератор, - 14, функциональный преобразователь 23, В качестве суммирующих усилителей 7., 50 выход которого является выходом формиро16, 17 и усилителей, использованных в регу- вателя 14 угла поворота вектора потокосляторе 5 скорости, могут быть использованы цепления, а вход подключен к выходу блока операционные усилители, например, 140 се- 22 деления.

PNN, Формирователь 15 сигналов обратной

Блок 9деления может быть выполнен по 55 связи содержит вычислитель 24, первый и известной схеме на базе операционного второй входы которого являются перзым и усилителя; например 153 серии с блоком вторым выходами формирователя 15 сигнаумножения в обратной связи, лов обратной связи и соединены соответстЭтотблокумножения, какиблокиумно- венно с первым и вторым входами

>кения 11, 12, могут быть выполнены на базе дифференциатора 25 и с первыми входами

1798884 суммирующих усилителей 26, 27, вторые входы которых подключены соответственно к первому и второму выходам дифференциатора 25, выходы суммирующих усилителей

26, 27 являются третьим и четвертым выходами формирователя 15 сигналов обратной

-связи.

Регуляторы проекций потокосцепления

18, 19 могут быть выполнены в виде-усилителей с большим коэффициентом, построенных по общеизвестной схеме на базе операционных усилителей, например, 140 серии.

Блок 20 выделения модуля может быть реализован по общеизвестной схеме.

В качестве суммирующих усилителей

21, 26; 27 могут быть использованы операционные усилители, например, 140 серии.

Блок 22 деления двух аналоговых сигналов может быть выполнен в виде операционного усилителя с блоком умножения аналоговых сигналов в обратной связи, где блок умножения выполнен по общеизвестной схеме четырехквадрантного умножителя.

Функциональный преобразователь 23 может быть реализован на базе операцион.ного усилителя, например, серии 140, с нелинейной обратной связью. Он реализует функцию вычисления арктангенса величи. ны, пропорциональной входному сигналу, Вычислитель 24 предназначен для оценивания потокосцепления ротора и может быть выполнен на базе датчиков токов фаз статора машины и датчиков Холла о расточке статора по общеизвестной схеме, включающей также масштабирующие операционные усилители.

Дифференциатор 25 содержит два идентичных независимых канала, каждый канал может быть, например, реализован в виде дифференцирующего усилителя, построенного на базе операционного усилителя по общеизвестной схеме, Частотно-регулируемый злектропривод работает следующим образом. Управление преобразователем осуществляется автоматически в функции сигналов задатчика 4 скорости и датчика 6 скорости, сигнала задатчика 8 модуля вектора потокосцепления ротора и сигналов действительных значений проекций вектора потокосцепления ротора на оси а, /3 неподвижной системы координат, формируемых вычислителем 24, причем выходные сигналы системы регулирования — сигналы задания проекций векто- ра напряжения статора на оси а, Р«а выходах регуляторов 18. 19 проекций потокосцепления ротора преобразуются в сигпроекций вектора потокосцепления соот30 ветственно на оси а, Р неподвижной сис40 сигналов задания проекций вектора пото50

25 налы задания напряжений фаэ А. В, С статора машины с помощью функционального преобразователя координат 3, сигналы задания и обратной связи по скорости регулятором 5 скорости преобразуются в сигнал фазового сдвига между действительным и задаваемым векторами потокосцепления ротора; а сигнал модуля последнего формируется преобразованием сигналов задания модуля вектора потокосцепления ротора и сигнала фазового сдвига с помощью блока

9 деления и функционального преобразователя 10, С помощью первого суммирующего усилителя 7 сигнал регулятора скорости, пропорциональный фаэовому сдвигу. и сигнал формирователя 14 угла поворота вектора потокосцепления ротора относительно оси << суммируются, и на выходе усилителя сигнал пропорционален углу поворота задаваемого вектора потокосцепления ротора относительно той же оси неподвижной системы координат. Функциональным преобразователем 13 он преобразуется в сигналы направляющих косинуса и синуса этого же вектора. Блоки 11, 12 умножения, умножая зти сигналы на сигнал модуля задаваемого вектора потокосцепления ротора, вырабатывают сигналы задания темы координат, Сигналы обратной связи по проекциям вектора потокосцепления ротора на оси а, Р вырабатываются суммирующими усилителями 26, 27 суммированием сигналов соответствующих проекций вектора потокосцепления ротора, производимых вычислителем 24, и сигналов, пропорциональных их производным, получаемых на выходах дифференциатора 25, а разности косцепления по осям <<, Р и сигналов обратной связи по соответствующим проекциям вектора потокосцепления, получаел ые на выходах суммирующих усилителей 16, 17, посредством регуляторов 18, 19 потокосцепления поосям а, /3 преобразуются в сигналы задания проекций вектора напряжения статора машины на оси а, Р неподви>кной системы координат, а затем с помощью функционального преобразователя координат 3 и преобразователя 2 частоты — в напряжения фаэ.

Управляющими сигналами для электропривода являются сигналы задания и обратной связи по частоте вращения и сигнал задания модуля вектора потокосцепления ротора.

В исхоцном состоянии при частоте вращения ротора вр=О и при величине сигнала

1798884

de

Я, =ф„- «/i, T» = О, г3 «/гя2 «/гя 1» ( (5) 15

y = 2arctg

«/г, + «/г«

50 задатчика 4 скорости Ц„ = 0 происходит, установление заданного модуля потокосцепления ротора ф. = «/г д, где «/г ад значение ф., пропорциональное постоянному выходному сигналу задатчика 8 потокосцеп- 5 ления ротора. При этом регуляторы 18, 19 проекций вектора потокосцепления ротора на оси а, Р работают bio отклонению. Для упрощения выкладок предположим, что коэффициент передачи регуляторов велик, а 10 следовательно, сигнал на входе регуляторов

18, 19 стремится к нулю, Тогда где ф ., «/г д — проекции задаваемого вектора потокосцепления ротора на оси а, Р, 20 сигнал модуля которого «/zz формируется блоком 9 деления, а сигналы направляющих косинуса и синуса — функциональным йре- образователем 13; сигналы «/гы2;«/г«62 формируются блоками 11, 12 умножения. 25 где Лу — выходной сигнал регулятора 5 ско- 30 рости; сов Лу — выходной сигнал функцио- . нального преобразователя 10, Т + «/г,, Тю= + «/г — сигналы на 35

d. M d «/г

dt dt Я

3-м и 4-м выходах формирователя 15 сигналов обратной связи;

«/г, «/гд- сигналы проекций вектора потокосцепления ротора «/г на оси а, р, получаемые на выходах вычислителя 24;

Тц, Тг — выходные сигналы

dt dt дифференциатора 25;

Т» - коэффициент передачи канала дифферен циатора 25, постоянная времени.

Из уравнений (1) при переходе к полярной системе координат получаем:

Т - + «/гг =. «/гг cos Ay, «/г ггг» Т» = «/zz sin hy где в — угловая частота вращения вектора потокосцепления ротора, приведенная к числу пар полюсов Р=1, Так как «/zz = «/гд/cos Л1г, то после окончания переходного процесса по потокосцеп лению при любых Лy= y»,+ y

«/г г = «/г зад, N»p = Т»« tg Ay, То есть, потокосцепление ротора не зависит от параметров двигателя. При этом момент, развиваемый электродвигателем, можно определить по формуле:

M = 3/2P < — (в„,— р.в ), или

M = 3/2P - (М™ ) — р сор) 1. Rr Ty где Вг — приведенное активное сопротивле ние ротора; р — число пар полюсов, Очевидно, что при Ay - Ои cup=О

М =О.

Электродвигатель находится в состоянии покоя.

Формирователь 14 угла поворота вектора потокосцепления реализует формулутангенса половинного угла, в соответствии с которой угол поворота вектора потокосцепления ротора относительно оси а можно определить следующим образом; где ф. — сигнал модуля действительного вектора потокосцепления ротора на выходе блока 20 выделения модуля.

При подаче на вход системы ненулевого выходного сигнала задатчика 4 скорости на выходе интегрального регулятора 5 скс рости возникает ненулевой сигнал Лу, к<>торый приводит к появлению ненулевого электромагнитного момента электродвигателя, Двигатель переходит во вращение, и рассогласование по скорости уменьшается.

В установившемся режиме по скорости игр = ггг за счет интегрального регулятора 5 скорости момент двигателя равен моменту нагрузки, а сигнал на выходе регулятора 5 скорости равен

gy = gygtg Т-,г„ p+ г агР И

Rã М агр

3/2 рф

Для формирования заданных переходных процессов по скорости электропривода в регуляторе 5 скорости предусмотрено форсирующее звено второго порядка в цепи обратной связи по частоте вращения, с помощью которого ограничивается темп нарастания и абсолютная величина сигнал

Лу регулятора 5 скорости, 1798884 t0

Таким образом, частотно-регулируемый электропривод не содержит блоков прямого и обратного преобразования координат, что и обусловливает его упрощение, Кроме того, как следует иэ формулы момента двигателя и равенства ф. = ф д, и в статических и в динамических режимах каналы формирования потокосцепления ротора и момента двигателя независимы друг от друга при любых параметрах машины, для которых справедливы приближенные равенства (1), благодаря чему достигается вторая часть цели изобретения, заключающаяся в обеспечении малой чувствительности электропривода к изменениям параметров двигателя.

Формула изобретения

Частотно-регулируемый электропривод, содержащий асинхронный электродвигатель, обмотка статора которого подключена к преобразователю частоты, эадатчик потокосцепления ротора, регулятор скорости, первый вход которого соединен с выходом задатчика скорости, а второй — с выходом датчика скорости, установленного на валу электродвигателя, функциональный преобразователь двухфазной системы координат в трехфазную, выходы которого подключены к входам преобразователя частоты, отличающийся тем, что, с целью упрощения и повышения точности путем снижения чувствительности к изменениям параметров электродвигателя, введены формирователь угла поворота вектора потокосцепления, формирователь сигналов обратной связи, три суммирующих усилителя, два блока перемножения, блок деления, преобразователь, реализующий функцию косинуса, преобразователь кодов функций

5 синуса и косинуса и два регулятора проекций вектора потокосцепления ротора на оси.неподвижной декартовой системы координат, соединенные входами соответственно с выходами первого и второго

10 суммирующих усилителей, первый вход каждого из которых подключен к выходу соответствующего блока перемножения, а второй вход соединен с соответствующим выходом формирователя сигналов обратной

15 связи, входы третьего суммирующего усилителя соединены с выходом формирователя угла поворота вектора потокосцепления и выходом регулятора скорости, подключенным к входу функционального преобразова20 теля, реализующего функцию косинуса, выход третьего суммирующего усилителя подключен к входу преобразователя кодов функций синуса и косинуса, выходы которого соединены соответственно с первыми

25 входами первого и второго блоков перемножения, вторые входы которых подключены к выходу блока деления, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом задатчика потокосцеп30 ления ротора и выходом преобразователя, реализующего функцию косинуса, а выходы регуляторов проекций потокосцепления подключены к входам функционального преобразователя двухфазной системы коор35 динат в трехфазную.

1798884

Составитель В. Панкратов

Техред M.Mîðãåíòàë Корректор П, Гереши

Редактор А. Бер

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

Заказ 778 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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