Моментный асинхронный электропривод

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к асинхронным электроприводам с частотно-токовым управлением, и может быть использовано в промышленных, транспортных и приборных электромеханических системах. Технический результат заключается в повышении динамических характеристик. Электропривод содержит асинхронный электромеханический преобразователь 1 с фазами 2, 3 на статоре и с короткозамкнутым ротором 4, датчик 5 частоты вращения, первый - второй сумматоры 6, 7, первый синусно-косинусный функциональный преобразователь 8, второй функциональный преобразователь 9, первый - третий перемножители 10 - 12, интегратор 13, идентификатор знака 14, корнеизвлекающее устройство 15 и усилители 16, 17 тока. Входом электропривода являются входы блоков 14, 15 и третий вход сумматора 6, на которые подается сигнал требуемого момента. Благодаря введению второго сумматора 7 и подключению сумматора 6 третьим входом ко входу электропривода получен электропривод с высокими динамическими характеристиками. 5 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к асинхронным электроприводам с частотно-токовым управлением, и может быть использовано в промышленных, транспортных и приборных электромеханических системах.

Известен частотно-регулируемый асинхронный электропривод с управлением по вектору главного потокосцепления двигателя, имеющий асинхронный электромеханический преобразователь, управляемый преобразователь частоты, контур регулирования модуля вектора главного потокосцепления и контур регулирования электромагнитного момента [Рудаков В.В., Столяров И.М., Дартау В.А. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. - Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1987. - 136 с.]-[1, с. 34-39].

Недостатком известного электропривода является сложность системы управления.

Известен частотно-регулируемый асинхронный электропривод с управлением по вектору потокосцепления ротора двигателя, имеющий асинхронный электромеханический преобразователь, управляемый преобразователь частоты, контур регулирования модуля вектора потокосцепления ротора двигателя и контур регулирования электромагнитного момента [1, с.66-68].

Недостатком известного электропривода является сложность системы управления.

Наиболее близким к заявляемому электроприводу по составу и функциональным признакам является моментный асинхронный электропривод [Афанасьев А. Ю. , Беннеран И. Т. Моментный асинхронный электропривод. МПК⁷ Н 02 Р 5/28. Заявка 2000101248/09 (001078) от 17.01.2000 с решением о выдаче патента от 15 августа 2000 г.].

Известный моментный асинхронный электропривод содержит асинхронный электромеханический преобразователь с двумя фазами на статоре и с короткозамкнутым ротором, датчик частоты вращения, сумматор, первый - второй функциональные преобразователи, первый - третий перемножители, интегратор, идентификатор знака, корнеизвлекающее устройство, первый - второй усилители тока.

Ротор электромеханического преобразователя механически связан с ротором датчика частоты вращения, выход которого подключен к первому входу сумматора и ко входу второго функционального преобразователя. Его выход подключен к первому входу третьего перемножителя, второй вход которого подключен к выходу идентификатора знака, а выход подключен ко второму входу сумматора, выход которого подключен ко входу интегратора. Его выход подключен ко входу первого функционального преобразователя, косинусный и синусный выходы которого подключены к первым входам соответственно первого, второго перемножителей. Их вторые входы подключены к выходу корнеизвлекающего устройства, а их выходы подключены ко входам соответственно первого, второго усилителей тока. К их выходам подключены соответственно первая, вторая фазы электромеханического преобразователя. Входом электропривода являются входы идентификатора знака и корнеизвлекающего устройства, на которые подается сигнал, пропорциональный требуемому моменту. Первый функциональный преобразователь формирует на выходах сигналы, пропорциональные косинусу и синусу входного сигнала, а второй функциональный преобразователь формирует сигнал, пропорциональный модулю оптимальной частоты скольжения согласно приведенному в описании алгоритму.

Недостатком данного электропривода являются низкие динамические характеристики. При изменении входного сигнала благодаря применению усилителей тока токи фаз статора быстро принимают требуемые значения. Однако токи ротора при этом изменяются согласно естественной постоянной времени обмотки ротора, из-за чего процесс установления требуемого электромагнитного момента затягивается.

Изобретение решает задачу повышения динамических характеристик электропривода путем введения в скорость вращения магнитного поля корректирующего слагаемого, пропорционального разности требуемого и действительного электромагнитного момента.

Поставленная задача решается тем, что в электропривод, содержащий асинхронный электромеханический преобразователь с двумя фазами на статоре и с короткозамкнутым ротором, датчик частоты вращения, первый сумматор, первый - второй функциональные преобразователи, первый - третий перемножители, интегратор, идентификатор знака, корнеизвлекающее устройство и первый - второй усилители тока, при этом ротор электромеханического преобразователя механически связан с ротором датчика частоты вращения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора и ко входу второго функционального преобразователя, его выход подключен к первому входу третьего перемножителя, второй вход которого подключен к выходу идентификатора знака, а выход подключен ко второму входу первого сумматора, выход которого подключен ко входу интегратора, косинусный и синусный выходы первого функционального преобразователя подключены к первым входам соответственно первого, второго перемножителей, их вторые входы подключены к выходу корнеизвлекающего устройства, а их выходы подключены ко входам соответственно первого, второго усилителей тока, к их выходам подключены соответственно первая, вторая фазы электромеханического преобразователя, а входом электропривода являются входы идентификатора знака и корнеизвлекающего устройства, причем первый функциональный преобразователь формирует на выходах сигналы, пропорциональные косинусу и синусу входного сигнала, а второй функциональный преобразователь формирует сигнал, пропорциональный модулю оптимальной частоты скольжения согласно приведенному в описании алгоритму, введен второй сумматор, первый вход которого подключен к выходу интегратора, второй инвертирующий вход подключен к выходу датчика частоты вращения, а выход подключен ко входу первого функционального преобразователя, кроме того третий вход первого сумматора подключен ко входу электропривода.

На фиг.1 представлена функциональная схема моментного асинхронного электропривода. На фиг.2 показана схема замещения фазы асинхронного двигателя. На фиг.3 представлены зависимости частоты скольжения и действующего значения тока статора от частоты вращения ротора при фиксированном значении электромагнитного момента. На фиг.4 представлены графики изменения токов обобщенной машины, соответствующей асинхронному двигателю, при его пуске. На фиг. 5 показаны графики изменения электромагнитного момента при различных значениях коэффициента форсирования.

Моментный асинхронный электропривод на фиг. 1 содержит асинхронный электромеханический преобразователь 1 с фазами 2, 3 на статоре и с короткозамкнутым ротором 4, датчик 5 частоты вращения, первый - второй сумматоры 6, 7, первый - второй функциональные преобразователи 8, 9, первый - третий перемножители 10-12, интегратор 13, идентификатор знака 14, корнеизвлекающее устройство 15 и усилители 16, 17 тока.

Ротор 4 механически связан с ротором датчика 5 частоты вращения. Его выход подключен к первому входу первого сумматора 6, ко второму, инвертирующему входу второго сумматора 7 и ко входу второго функционального преобразователя 9, выход которого подключен к первому входу третьего перемножителя 12. Его второй вход подключен к выходу идентификатора знака 14, а выход подключен ко второму входу первого сумматора 6, выход которого подключен ко входу интегратора 13. Его выход подключен к первому входу второго сумматора 7, выход которого подключен ко входу первого функционального преобразователя 8, косинусный и синусный выходы которого подключены к первым входам соответственно первого, второго перемножителей 10, 11. Их вторые входы подключены к выходу корнеизвлекающего устройства 15, а их выходы подключены ко входам соответственно первого, второго усилителей 16, 17 тока. К их выходам подключены соответственно фазы 2, 3 электромеханического преобразователя 1. Входом электропривода являются входы идентификатора знака 14, корнеизвлекающего устройства 15 и третий вход первого сумматора 6.

Моментный асинхронный электропривод работает следующим образом. Датчик 5 частоты вращения вырабатывает сигнал, пропорциональный частоте вращения ротора ω, который поступает на первый вход первого сумматора 6, на инвертирующий второй вход второго сумматора 7 с коэффициентом k_фJ_Σ и на вход второго функционального преобразователя 9. На его выходе формируется сигнал, пропорциональный модулю оптимальной частоты скольжения |ω^o₂| и поступающий на первый вход третьего перемножителя 12. Входной сигнал, пропорциональный требуемому электромагнитному моменту М^o, поступает на входы корнеизвлекающего устройства 15, на третий вход первого сумматора 6 с коэффициентом k_ф и на идентификатор знака 14. Его выходной сигнал ±1, равный знаку момента М^o, приходит на второй вход третьего перемножителя 12, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный оптимальной частоте скольжения ω^o₂ и поступающий на второй вход первого сумматора 6. На его выходе получается сигнал, пропорциональный оптимальной частоте вращения магнитного поля ω₁ с добавлением слагаемого k_aM^o. Он поступает на вход интегратора 13, на выходе которого вырабатывается сигнал, поступающий на первый вход второго сумматора 7. На его выходе формируется сигнал, пропорциональный углу поворота магнитного поля α₁ и поступающий на вход первого функционального преобразователя 8, на косинусном, синусном выходах которого формируются сигналы cosα₁, sinα₁. Они поступают на первые входы первого, второго перемножителей 10, 11, на вторые входы которых поступает с выхода корнеизвлекающего устройства 15 сигнал, пропорциональный амплитуде токов фаз обмотки статора I_1m. На выходах первого, второго перемножителей 10, 11 получаются сигналы i^o_A = I_lmcosα₁, i^o_B = I_lmsinα₁, пропорциональные оптимальным токам первой, второй фаз обмотки статора. Эти сигналы приходят на входы первого, второго усилителей 16, 17 тока, питающие фазы 2, 3 обмотки статора токами i_A≈i_A ^о, i_B≈i_B ^о. В результате электромеханический преобразователь развивает требуемый электромагнитный момент М= М^o при минимальных суммарных потерях в меди и в стали и с высокими динамическими характеристиками.

Зависимость оптимальной частоты скольжения ω^o₂ от частоты вращения ω ротора 4 электромеханического преобразователя 1 может быть получена по алгоритму, основанному на расчете схемы замещения, представленой на фиг.2.

Расчет схемы проводится методом единичного тока по следующему алгоритму.

1 - полагаем 2 - вычисляем 3 - вычисляем 4 - вычисляем 5 - вычисляем 6 - находим где m - число фаз обмотки статора; р - число пар полюсов.

7 - находим отношение номинального момента к найденному моменту:
γ = M^o/M_p,
где М^o - номинальный момент; М_р - расчетный момент.

8 - определяем ток и напряжение фазы статора:


9 - находим механическую мощность
P_M = M^o•ω/ρ.
10 - находим активную электрическую мощность;

11 - находим КПД η=Р_м/Р_э.

Задаваясь фиксированными значениями ω и изменяя ω₂, вычисляем соответствующий КПД и одним из методов поиска экстремума (перебора, золотого сечения) определяем оптимальное значение ω^o₂, при котором КПД максимальный. Одновременно определяем соответствующие значения тока и напряжения фазы обмотки статора, графики которых приведены на фиг.3.

На основании анализа результатов проведенной оптимизации можно сделать вывод, что при изменении частоты вращения ротора ω оптимальное значение тока фазы статора практически постоянно (I₁=const по ω), и принять

где k - постоянный коэффициент, а второй функциональный преобразователь 9 может быть построен по найденной зависимости ω^o₂ = f(ω).
Форсирование процесса установления требуемого электромагнитного момента при инерционной нагрузке обеспечивается выполнением равенства
ω₁ = ω+ω^o₂+k_ф(M^o-M),
где М^o - требуемый электромагнитный момент; М - действительный электромагнитный момент. С учетом равенства
J_Σε = M,
где J_Σ - суммарный момент инерции подвижной части электропривода, получаем выражение
ω₁ = ω+ω^o₂+k_фM^o-k_фJ_Σε,
откуда следует равенство

Оно реализуется с помощью третьего входа первого сумматора 6 и второго сумматора 7.

На фиг. 4 показаны графики токов продольной и поперечной фаз статора i_d, i_q обобщенной машины, соответствующей асинхронному двигателю, токов продольной и поперечной фаз ротора обобщенной машины ^r _d, i^r _q, электромагнитного момента М, частоты вращения ротора ω и его угла поворота α. Как видно, благодаря усилителям тока происходит быстрое установление требуемых значений токов статора. Однако токи ротора и вместе с ними электромагнитный момент имеют большое время переходного процесса, определяемое естественной постоянной времени.

На фиг. 5 показаны графики электромагнитного момента при значениях коэффициента форсирования k_ф= 0 (кривая 1), k_ф=0,2 (кривая 2), k_ф=0,4 (кривая 3), k_ф=0,8 (кривая 4), k_ф=1,6 (кривая 5). Как видно, с увеличением коэффициента форсирования время установления электромагнитного момента значительно уменьшается.

Таким образом, благодаря введению второго сумматора с неинвертирующим и инвертирующим входами и подключению третьего входа первого сумматора ко входу электропривода, электромеханический преобразователь развивает требуемый электромагнитный момент М=М^o при текущем значении частоты вращения ротора ω при минимальных суммарных потерях в меди и в стали, т.е. при максимальном КПД, с высокими динамическими характеристиками.

Формула изобретения

Моментный асинхронный электропривод, содержащий асинхронный электромеханический преобразователь с двумя фазами на статоре и с короткозамкнутым ротором, датчик частоты вращения, первый сумматор, первый - второй функциональные преобразователи, первый - третий перемножители, интегратор, идентификатор знака, корнеизвлекающее устройство и первый - второй усилители тока, при этом ротор электромеханического преобразователя механически связан с ротором датчика частоты вращения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора и ко входу второго функционального преобразователя, его выход подключен к первому входу третьего перемножителя, второй вход которого подключен к выходу идентификатора знака, а выход подключен ко второму входу первого сумматора, выход которого подключен ко входу интегратора, косинусный и синусный выходы первого функционального преобразователя подключены к первым входам соответственно первого, второго перемножителей, их вторые входы подключены к выходу корнеизвлекающего устройства, а их выходы подключены ко входам соответственно первого, второго усилителей тока, к их выходам подключены соответственно первая, вторая фазы электромеханического преобразователя, а входы идентификатора знака и корнеизвлекающего устройства подключены ко входу электропривода, причем первый функциональный преобразователь формирует на выходах сигналы, пропорциональные косинусу и синусу входного сигнала, а второй функциональный преобразователь формирует сигнал, пропорциональный модулю оптимальной частоты скольжения согласно приведенному в описании алгоритму, отличающийся тем, что в него введен второй сумматор, первый вход которого подключен к выходу интегратора, второй инвертирующий вход подключен к выходу датчика частоты вращения, а выход подключен ко входу первого функционального преобразователя, кроме того, третий вход первого сумматора подключен ко входу электропривода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5