Способ управления частотно-регулируемым асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в тяжело нагруженных частотно-регулируемых электроприводах электровозов, электропоездов, в судовых гребных электроприводах, в металлургии и других регулируемых электроприводах. Техническим результатом является обеспечение непрерывного и адекватного безошибочного управления асинхронным двигателем при изменениях в процессе работы его главного параметра - электромагнитной постоянной времени обмотки ротора без идентификационных моделей, удешевления и упрощения схемы управления и экономичной работы двигателя. Способ управления состоит в том, что в процессе работы двигателя производят непрерывное оперативное отслеживание изменений электромагнитной постоянной времени обмотки ротора вследствие ее нагрева и насыщения магнитной цепи двигателя. По результатам этих изменений производят коррекцию частоты скольжения ротора с тем, чтобы относительная частота скольжения ротора оставалась постоянной, равной заданному значению. При этом измерение этих изменений осуществляют штатными средствами системы управления с последующим определением электромагнитной постоянной времени в натуральном масштабе времени в текущих режимных условиях. Способ управления реализуется с помощью микропроцессорных средств управления. Полученные результаты используют для корректировки алгоритмов управления двигателем. 1 ил.

 

Изобретение относится к области частотно-регулируемого электропривода переменного тока на базе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (АДКР) и может быть использовано в тяжело нагруженных частотно-регулируемых электроприводах электровозов, электропоездов, в судовых гребных электроприводах, в металлургии и других регулируемых электроприводах. АДКР, работающие в тяжелых условиях и с частыми сменами режимов работы, имеют значительные переменные величины нагрева обмотки ротора и насыщения магнитной системы. Вследствие этого в процессе работы в широких пределах изменяется электромагнитная постоянная времени обмотки ротора, которая является главным параметром, определяющим энергетические показатели электропривода в целом - коэффициент полезного действия и коэффициент мощности. В связи с этим в процессе работы такого электропривода требуется непрерывное отслеживание изменяющегося значения электромагнитной постоянной времени обмотки ротора и адаптация алгоритма управления АДКР к этим изменениям с целью получения заданных энергетических показателей.

Известны способы управления частотно-регулируемым асинхронным двигателем, в которых определяют частоту вращения ротора, фазный ток статора, фазное напряжение статора, угол фазного сдвига между током и напряжением обмотки статора, частоту вращения магнитного поля статора, управляют преобразователем, питающем обмотку статора, задают режимы работы с помощью вычислительного устройства (Л.Х.Дацковский, В.И.Роговой, Б.И.Абрамов, Б.И.Мацохей, С.П.Жижин. Современное состояние и тенденции в асинхронном частотно-регулируемом электроприводе (краткий аналитический обзор). // Электротехника, 1996, №10, с.18-28).

К принципиальным недостаткам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известных способов, относится то, что в известных способах при их использовании в действующих электроприводах, работающих в реальном масштабе времени, необходимо применение вычислительных средств высокого быстродействия, что связано со сложностью и громоздкостью программного обеспечения и алгоритмов, используемых для идентификационных моделей.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ, включающий управление асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором путем определения частоты вращения ротора, фазного тока статора, фазного напряжения обмотки статора, угла фазового сдвига между током и напряжением обмотки статора, управления преобразователем, питающим обмотку статора и задание режимов работы с помощью вычислительного устройства через математическую модель параметра управления, причем в качестве вектора переменных состояний приняты компоненты намагничивающего тока ротора, в качестве входа - фазные токи статора, а математическая модель двигателя - в виде уравнений токов и момента (Ч.Аттаианесе, А.Дамиано, И.Марониу, А.Перфетто. Управление асинхронным двигателем с адаптацией к изменяющейся электромагнитной постоянной времени ротора. // Электротехника, 1966, №7, с.29-31).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе управления с адаптацией к изменяющейся электромагнитной постоянной времени обмотки ротора из-за трудности обеспечения адекватности эталонной модели по току ротора и моменту, сложности математического аппарата, требующей высокого быстродействия средств моделирования, не может быть обеспечено безошибочное управление АДКР.

Задачей предлагаемого способа является обеспечение безошибочного управления и экономичной работы АДКР в частотно-регулируемом электроприводе переменного тока во всех режимах работы.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе управления асинхронным двигателем, включающим определение частоты вращения ротора, фазного тока статора, фазного напряжения обмотки статора, угла фазового сдвига между током и напряжением обмотки статора, частоты вращения магнитного поля статора, управление преобразователем, питающим обмотку статора, задание режимов работы с помощью вычислительного устройства через математическую модель параметра управления, при котором для нахождения алгоритма идентификации электромагнитной постоянной времени обмотки ротора, изменяющейся в процессе работы в реальном времени, введены отличия, заключающиеся в том, что управление асинхронным двигателем осуществляют по изменяющимся параметрам обмотки ротора вследствие ее нагрева и насыщения магнитной цепи двигателя путем определения электромагнитной постоянной времени обмотки ротора, связанной с абсолютной частотой скольжения ротора ω_ск соотношением:

где: T_R - электромагнитная постоянная времени обмотки ротора; ω_ск - частота скольжения ротора - частота тока ротора; Ω_ск - относительная частота скольжения ротора, определяемая по формуле:

где: ω₁ - частота вращения магнитного поля статора; L_m - индуктивность цепи намагничивания; R₁ - активное сопротивление обмотки статора; φ - угол фазового сдвига между током и напряжением в выбранной для измерения фазе обмотки статора; σ₁ и σ₂ - коэффициенты рассеяния магнитных полей соответственно статора и ротора; |Z₀| - модуль электрического сопротивления фазы, равный:

где: U₁ - напряжение обмотки статора; I₁ - ток фазы статора.

Требуемая частота скольжения ротора ω_ск.тр находится из соотношения

где: T_Rтeк - текущее значение электромагнитной постоянной времени обмотки ротора, полученное в результате оперативного измерения и вычисления Ω_ск. Полученное значение требуемой частоты скольжения ротора ω_ск.тр используется для коррекции частоты тока инвертора, питающего статорные обмотки по правилу

Ω₁=ω_p+ω_ск.тр в двигательном режиме

или Ω₁=ω_p-ω_ск.тр в рекуперативном режиме.

Полученные результаты используют для корректировки алгоритмов управления двигателем. Предложенный способ обеспечивает непрерывное и адекватное безошибочное управление асинхронным двигателем при изменениях в процессе работы его главного параметра - электромагнитной постоянной времени обмотки ротора без идентификационных моделей, удешевление и улучшение схемы управления и экономичную работу двигателя.

Данный способ реализуется с помощью устройства, представленного блок-схемой на чертеже.

Все параметры, необходимые для определения относительной частоты скольжения, Ω_ск - фазный ток I₁, фазное напряжение U₁, угол сдвига между ними φ, частота скольжения ротора ω_ск, измеряют при помощи штатных аппаратных средств имеющейся системы управления без эталонных моделей. К обмотке статора АДКР 1 подключены: инвертор 2, питающий обмотку статора, датчик фазного тока 3, датчик фазного напряжения 4 и датчик угла фазового сдвига между током и напряжением 5. К ротору подключен датчик частоты вращения 6, а к вычислительному устройству 7 подключены датчики 3, 4, 5, 6, сигнал задания требуемого момента от блока 8, сигналы конструктивных параметров L_m, R₁, σ₁, σ₂, сигнал текущей частоты фазного тока. Вычислительное устройство 7 определяет текущее значение момента, которое используется для выработки задания на амплитуду фазного тока для управления инвертором 2, и текущее значение электромагнитной постоянной времени ротора, которое блоком 9, получающим задание на выполняемый режим тяги или торможения, сигнал задания относительной частоты скольжения ротора Ω_ск.зад. и информацию от датчика частоты вращения ротора 6, и преобразует в задание на текущее значение частоты тока инвертора 2.

Способ управления частотно-регулируемым асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором осуществляют следующим образом. В вычислительное устройство 7 вводят конструктивные параметры: значения активного сопротивления обмотки статора R₁ и индуктивности цепи намагничивания L_m, как функции тока I₁, коэффициентов рассеяния магнитных потоков статора σ₁ и ротора σ₂, затем в процессе работы электропривода в вычислительное устройство 7 поступает информация от датчиков 3-6 о силе тока, величине напряжения фазы статора, величине угла фазового сдвига между фазным током и напряжением и о частоте вращения ротора. Вычислительное устройство 7 на основании полученных данных определяет текущее значение относительной частоты скольжения ротора Ω_ск на момент времени производства измерений и соответствующее ему значение электромагнитной постоянной времени обмотки ротора. По полученным данным блоком 9 определяют новое значение абсолютной частоты скольжения ротора, обеспечивающей заданное значение относительной частоты скольжения, затем посредством блока управления инвертора 2 формируют частоту вращения магнитного поля статора ω₁ и таким образом адаптируют эти изменения применительно к текущим режимам работы и состоянию его параметров.

При этом вычислительным устройством 7 определяют частоту вращения ротора, фазного тока статора, фазного напряжения статора, угла фазового сдвига между током и напряжением обмотки статора, частоты вращения магнитного поля статора, управляют преобразователем, питающим обмотку статора, задают режимы работы через математическую модель параметра управления, а управление асинхронным двигателем осуществляют по изменяющимся параметрам обмотки ротора вследствие ее нагрева и насыщения магнитной цепи двигателя путем определения электромагнитной постоянной времени обмотки ротора, связанной с абсолютной частотой скольжения ротора соотношением:

где: T_R - электромагнитная постоянная времени обмотки ротора; ω_ск - абсолютная частота скольжения ротора; Ω_ск - относительная частота скольжения ротора, определяемая по формуле:

где: ω₁ - частота вращения магнитного поля статора; L_m - индуктивность цепи намагничивания; R₁ - активное сопротивление обмотки статора; φ - угол фазового сдвига между током и напряжением в выбранной для измерения фазе обмотки статора; σ₁ и σ₂ - коэффициенты рассеяния магнитных полей статора и ротора соответственно; |Z₀| - модуль электрического сопротивления фазы, равный

где: U₁ - напряжение обмотки статора; I₁ - ток фазы статора; и корректировки ω_ск так, чтобы Ω_ск принимала заданное значение, причем требуемая частота скольжения ротора ω_сктр находится из соотношения:

где: Т_Rтeк - текущее значение электромагнитной постоянной времени ротора, а полученное значение требуемой частоты скольжения ротора ω_сктр используется для корректировки частоты тока инвертора, питающего статорные обмотки по правилу:

Ω₁=ω_p+ω_сктр в двигательном режиме;

Ω₁=ω_p-ω_сктр в режиме рекуперации.

Таким образом производят отслеживание изменений электромагнитной постоянной времени обмотки ротора при ее нагреве и насыщении магнитной цепи и корректировку частоты скольжения ротора так, что относительную частоту скольжения ротора удерживают на заданном уровне, т.е. производят адаптацию алгоритма управления асинхронного двигателя при изменениях в процессе его работы главного параметра - электромагнитной постоянной времени обмотки ротора без эталонной модели, чем обеспечивают непрерывное и адекватное управление асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором без идентификационных моделей, удешевление и улучшение схемы управления.

Способ управления частотно-регулируемым асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором, включающий определение частоты вращения ротора, фазного тока статора, фазного напряжения обмотки статора, угла фазового сдвига между током и напряжением обмотки статора, частоты вращения магнитного поля статора, управление преобразователем, питающим обмотку статора, задание режимов работы с помощью вычислительного устройства через математическую модель параметра управления, отличающийся тем, что управление асинхронным двигателем осуществляют по изменяющимся параметрам обмотки ротора вследствие ее нагрева и насыщения магнитной цепи двигателя путем определения электромагнитной постоянной времени обмотки ротора, связанной с абсолютной частотой скольжения ротора соотношением

где T_R - электромагнитная постоянная времени обмотки ротора; ω_ск - абсолютная частота скольжения ротора - частота тока ротора; Ω_ск - относительная частота скольжения ротора, определяемая по формуле

где ω₁ - частота вращения магнитного поля статора; L_m - индуктивность цепи намагничивания; R₁ - активное сопротивление обмотки статора; φ - угол фазового сдвига между током и напряжением в выбранной для измерения фазе обмотки статора; σ₁ и σ₂ - коэффициенты рассеяния магнитных полей статора и ротора соответственно; |Z₀| - модуль электрического сопротивления фазы, равный

где U₁ - напряжение обмотки статора; I₁ - ток фазы статора; а требуемая частота скольжения ротора ω_сктр находится из соотношения

где T_Rтeк - текущее значение электромагнитной постоянной времени обмотки ротора, а полученное значение требуемой частоты скольжения ротора ω_сктр используется для корректировки частоты тока инвертора, питающего статорные обмотки по правилу:
Ω₁=ω_p+ω_сктр в двигательном режиме;
Ω₁=ω_p-ω_сктр в режиме рекуперации.