Следящий электропривод с асинхронным исполнительным двигателем



Следящий электропривод с асинхронным исполнительным двигателем
Следящий электропривод с асинхронным исполнительным двигателем
Следящий электропривод с асинхронным исполнительным двигателем
Следящий электропривод с асинхронным исполнительным двигателем
Следящий электропривод с асинхронным исполнительным двигателем

 

H02P27/06 - Управление или регулирование электрических двигателей, генераторов, электромашинных преобразователей; управление трансформаторами, реакторами или дроссельными катушками (конструкции пусковых аппаратов, тормозов или других управляющих устройств см. в соответствующих подклассах, например механические тормоза F16D, механические регуляторы скорости G05D; переменные резисторы H01C; пусковые переключатели H01H; системы для регулирования электрических или магнитных переменных величин с использованием трансформаторов, реакторов или дроссельных катушек G05F; устройства, конструктивно связанные с электрическими двигателями, генераторами, электромашинными преобразователями, трансформаторами, реакторами или дроссельными катушками, см. в соответствующих подклассах, например H01F,H02K; соединение или управление

Владельцы патента RU 2580823:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет (RU)

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в следящих электроприводах с асинхронными исполнительными двигателями. Техническим результатом является повышение быстродействия следящего электропривода с асинхронным исполнительным двигателем. Следящий электропривод (фиг. 1) содержит блоки 1 и 2 задания, интегральный регулятор 3, пропорциональный регулятор 4, блок 5 деления, регуляторы 6 и 7 тока, преобразователь 8 координат, блок 9 дифференцирования, блок 10 интегрирования, сумматор 11, силовой преобразователь 12, асинхронный электродвигатель 13 с исполнительным механизмом 14, датчик 15 тока, датчик 16 положения и пропорционально-дифференциальный регулятор 17. Предлагаемый электропривод позволяет повысить быстродействие следящих систем с асинхронными исполнительными двигателями. 3 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в следящих электроприводах с асинхронными исполнительными двигателями.

Наиболее близким по технической сущности является следящий электропривод Simovert Masterdrives МС (см. Simovert Masterdrives Motion Control: Compendium. - Germany: Siemens AG, 2006. - 1498 p.), содержащий первый и второй блоки задания, интегральный регулятор, пропорциональный регулятор, блок деления, первый и второй регуляторы тока, преобразователь координат, блок дифференцирования, блок интегрирования, сумматор, силовой преобразователь, асинхронный электродвигатель с исполнительным механизмом, датчик тока и датчик положения.

Недостаток наиболее близкого по технической сущности следящего электропривода с асинхронным исполнительным двигателем заключается в его низком быстродействии.

Технический результат достигается тем, что в следящий электропривод, содержащий первый и второй блоки задания, интегральный регулятор, пропорциональный регулятор, блок деления, первый и второй регуляторы тока, преобразователь координат, блок дифференцирования, блок интегрирования, сумматор, силовой преобразователь, асинхронный электродвигатель с исполнительным механизмом, датчик тока и датчик положения, причем выход первого блока задания соединен с первым входом интегрального регулятора, второй вход которого соединен с выходом датчика положения, выход второго блока задания соединен с первыми входами первого регулятора тока и блока деления, выход которого соединен с первым входом второго регулятора тока, выход первого регулятора тока соединен с первым входом преобразователя координат, второй вход которого соединен с выходом второго регулятора тока, первый выход преобразователя координат соединен с первым входом силового преобразователя, выход которого соединен с асинхронным электродвигателем, кинематически связанным с исполнительным механизмом, оснащенным датчиком положения, выход которого соединен с первым входом пропорционального регулятора и входом блока дифференцирования, второй выход силового преобразователя соединен с первым входом датчика тока, второй вход которого соединен с выходом блока интегрирования и первым входом сумматора, второй выход преобразователя координат соединен с вторым входом сумматора, выход которого соединен с вторым входом силового преобразователя, первый и второй выходы датчика тока соединены соответственно со вторыми входами первого и второго регуляторов тока, а выход блока дифференцирования соединен с входом блока интегрирования, дополнительно введен пропорционально-дифференциальный регулятор, причем выход интегрального регулятора соединен со вторым входом пропорционального регулятора, выход которого соединен с первым входом пропорционально-дифференциального регулятора, выход блока дифференцирования соединен с вторым входом пропорционально-дифференциального регулятора, выход которого соединен с вторым входом блока деления.

Существенные отличия находят свое выражение в новой совокупности связей между элементами устройства. Указанная совокупность связей позволяет повысить быстродействие следящего электропривода с асинхронным исполнительным двигателем.

На фиг. 1 приведена функциональная схема следящего электропривода с асинхронным исполнительным двигателем; на фиг. 2 - структурная схема следящего электропривода с асинхронным исполнительным двигателем; на фиг. 3 - переходный процесс по управляющему воздействию в следящем электроприводе.

Следящий электропривод (фиг. 1) содержит блоки 1 и 2 задания, интегральный регулятор 3, пропорциональный регулятор 4, блок 5 деления, регуляторы 6 и 7 тока, преобразователь 8 координат, блок 9 дифференцирования, блок 10 интегрирования, сумматор 11, силовой преобразователь 12, асинхронный электродвигатель 13 с исполнительным механизмом 14, датчик 15 тока, датчик 16 положения и пропорционально-дифференциальный регулятор 17. Выход блока 1 задания соединен с первым входом интегрального регулятора 3, второй вход которого соединен с выходом датчика 16 положения. Выход блока 2 задания соединен с первыми входами регулятора 6 тока и блока 5 деления, выход которого соединен с первым входом регулятора 7 тока. Выход регулятора 6 тока соединен с первым входом преобразователя 8 координат, второй вход которого соединен с выходом регулятора 7 тока. Первый выход преобразователя 8 координат соединен с первым входом силового преобразователя 12, первый выход которого (трехфазного напряжения) соединен со статорными обмотками асинхронного электродвигателя 13, кинематически связанного с исполнительным механизмом 14, оснащенным датчиком 16 положения, выход которого соединен с первым (инверсным) входом пропорционального регулятора 4 и входом блока 9 дифференцирования. Второй выход (токовый) силового преобразователя 12 соединен с первым входом датчика 15 тока, второй вход которого соединен с выходом блока 10 интегрирования и первым входом сумматора 11. Второй выход преобразователя 8 координат соединен с вторым входом сумматора 11, выход которого соединен с вторым входом силового преобразователя 12. Первый и второй выходы датчика 15 тока соединены соответственно с вторыми входами регуляторов 6 и 7 тока. Выход блока 9 дифференцирования соединен с входом блока 10 интегрирования. Выход интегрального регулятора 3 соединен со вторым входом пропорционального регулятора 4, выход которого соединен с первым входом пропорционально-дифференциального регулятора 17. Выход блока 9 дифференцирования соединен со вторым входом пропорционально-дифференциального регулятора 17, выход которого соединен со вторым входом (входом делимого) блока 5 деления.

В качестве асинхронного электродвигателя 13 может быть использован, например, любой электродвигатель серии 1РН7. Исполнительный механизм 14, например, может представлять собой поворотный стол, соединенный с помощью червячного редуктора и муфты с валом электродвигателя 13. В качестве датчика 16 положения, например, может быть использован резольвер, встроенный в электродвигатель серии 1PH7, или любой фотооптический датчик угла поворота, установленный, например, на поворотном столе.

Все остальные блоки и элементы предлагаемого следящего электропривода, в том числе и силовой преобразователь 12, могут быть реализованы, например, на устройстве Simovert Masterdrives МС. В частности, блок 1 задания может быть выполнен, например, с помощью функции Basic positioner. Блок 2 задания, блок 5 деления, регуляторы 6 и 7 тока, преобразователь 8 координат, блок 10 интегрирования и сумматор 11, могут быть реализованы, например, с помощью функций Current controller asynchronous motor и Torque limitation. Датчик 15 тока, например, может быть выполнен на трансформаторах тока, встроенных в силовой преобразователь 12, и функций Actual values и Current controller asynchronous motor. Блок 9 дифференцирования, например, может быть реализован с помощью функции Set speed values. Интегральный регулятор 3, например, может быть реализован с помощью стандартного пропорционально-интегрального регулятора, входящего в состав функции Position control, в котором коэффициент передачи пропорциональной части приравнен нулю. Пропорциональный регулятор 4 и пропорционально-дифференциальный регулятор 17, например, могут быть реализованы с помощью вычитателей, сумматора, пропорциональных звеньев и дифференциального звена, входящих в состав свободных функциональных блоков (Free blocks) устройства Simovert Masterdrives МС, и BICO-технологии программирования.

Следящий электропривод работает следующим образом. В соответствии с величиной задающего сигнала, поступающего с выхода блока 1 задания, и сигнала датчика 16 положения интегральный регулятор 3 в совокупности с пропорциональным регулятором 4, блоком 9 дифференцирования и пропорционально-дифференциальным регулятором 17 формируют сигнал на входе (входе делимого) блока 5 деления. Одновременно с блока 2 задания на вход регулятора 6 тока и второй вход (вход делителя) блока 5 деления поступает сигнал, пропорциональный требуемому значению составляющей тока I1dз статора во вращающейся вместе с ротором системе координат. Результат деления с выхода блока 5 является сигналом задания составляющей тока I1qз, статора, поступающей на вход регулятора 7 тока. Датчик 15 тока формирует на своих выходах действительные значения проекций вектора тока статора I1d I1q во вращающейся системе координат, которые получаются посредством измерения фазных токов на втором выходе силового преобразователя 12, трехфазно-двухфазного преобразования и перехода к проекциям через угол поворота ротора, формируемого на выходе блока 10 интегрирования. В свою очередь, на вход блока 10 интегрирования подается сигнал, пропорциональный скорости вращения ротора с выхода блока 9 дифференцирования. Регуляторы 6 и 7 тока сравнивают заданные величины проекций вектора тока во вращающейся системе координат с действительными значениями, поступающими с выходов датчика 15 тока, и в соответствии со своими передаточными функциями (в частности, в Simovert Masterdrives МС применяются пропорциональные регуляторы тока, но можно использовать и традиционные пропорционально-интегральные регуляторы) формируют на своих выходах проекции U1d и U1q на вращающиеся оси вектора напряжения, которые надо подать на статорные обмотки асинхронного электродвигателя 13. Преобразование проекций вектора напряжения в реальное трехфазное напряжение на статорных обмотках осуществляется с помощью преобразователя 8 координат, сумматора 11 и собственно силового преобразователя 12, а именно в преобразователе 8 координат производится вычисление модуля вектора напряжения статора и угла поворота вектора напряжения относительно оси абсцисс вращающейся системы координат . В сумматоре 11 происходит сложение угла φ1 с углом поворота ротора φp φ=φ1p. По сигналам U1 и φ на первом выходе силового преобразователя формируется система трехфазного напряжения:

Полученное трехфазное напряжение с первого выхода силового преобразователя 12 заставляет вращаться вал асинхронного электродвигателя 13, который приводит в движение исполнительный механизм 14. Перемещение исполнительного механизма 14 измеряется датчиком 16 положения. Движение продолжается до тех пор, пока величина сигнала с датчика 16 положения не сравняется с величиной задающего сигнала, поступающего с выхода блока 1 задания.

Интегральный регулятор 3 компенсирует действие всех помех, охваченных датчиком 16. Пропорциональный регулятор 4, блок 9 дифференцирования и пропорционально-дифференциальный регулятор 17 обеспечивают компенсацию основных инерционностей электродвигателя 13 и исполнительного механизма 14.

Для подтверждения высокого быстродействия предлагаемого следящего электропривода с асинхронным электродвигателем рассмотрим его структурную схему (фиг. 2). Она содержит две взаимосвязанные системы управления: систему стабилизации составляющей тока I1d (и, следовательно, потока ψ2 ротора) и систему управления перемещением × исполнительным механизмом (в простейшем случае - углом φp поворота вала двигателя). В систему управления перемещением входят четыре контура: контур тока, контур скорости и два контура положения. Для организации обратной связи по скорости сигнал безинерционного датчика положения с коэффициентом передачи к kдп дифференцируется звеном с передаточной функцией

Wосс(p)=kоссp,

где kосс - коэффициент передачи по скорости (постоянная времени дифференцирования).

Система стабилизации составляющей тока I1d содержит только один контур - контур тока.

Контуры тока в обеих системах выполнены идентично и содержат пропорциональные регуляторы тока с коэффициентами передачи kРТ, апериодические звенья W с п ( p ) = k с п T с п p + 1 , характеризующие динамические свойства силового преобразователя, и передаточные функции статорной цепи асинхронного электродвигателя W э с т ( p ) = 1 R 1 э ( T 1 э p + 1 ) . В этих формулах приняты обозначения: R 1 э = R 1 + k 2 2 R 2 / ; T 1 э = T 1 R 1 R 1 + k 2 2 R 2 / ; k 2 = L 0 L 2 / ; T 1 = Δ R 1 L 2 / ; T 2 = Δ R 2 / L 1 ; Δ = L 1 L 2 / L 0 2 ; R1 и L1 - активное сопротивление и индуктивность цепи статора; R 2 / и L 2 / - приведенные активное сопротивление и индуктивность цепи ротора; L0 - взаимная индуктивность обмоток; kсп и Tсп - коэффициент передачи и постоянная времени силового преобразователя, соответственно.

В контур регулирования скорости входят пропорционально-дифференциальный регулятор, делительное звено, замкнутый контур тока, множительное звено, интегральное звено W э м ( p ) = 3 Z n k 2 2 J п р p и передаточная функция исполнительного механизма W и м ( p ) = k и м p . Здесь приняты обозначения: Zп - число пар полюсов асинхронного электродвигателя; Jпр - приведенный момент инерции вала двигателя; kим - коэффициент передачи исполнительного механизма. Делительное и множительное звенья осуществляют взаимосвязь системы стабилизации тока возбуждения с системой управления перемещением через потокосцепление ψ2 ротора, причем потокосцепление связано с проекцией тока I1d посредством передаточной функции W ψ ( p ) = k 2 L 2 / T 2 p + 1 .

Пропорционально-дифференциальный регулятор представлен передаточной функцией

WПД(p)=kПД(TПДp+1),

где kПД - коэффициент передачи, а TПД - постоянная времени регулятора.

Пропорциональный регулятор внутреннего контура положения имеет коэффициент передачи kП. Интегральный регулятор внешнего контура положения представлен передаточной функцией

W И ( p ) = 1 T И p ,

где TИ - постоянная времени.

Промоделируем рассматриваемый следящий электропривод в среде «МАТLАВ SIMULINK» для конкретной технической реализации, когда kдп=1, kим=326 дискрет/рад; kсп=0,0067 B/дискрету; Tсп=0,0016 с; R=13,53 Ом; T=0,0157 с; T2=0,0273 с; Zп=1; Jпр=0,001 кг·м2; kост=6826 дискрет/A; kосс=0,0128 с; TПД=0,4 с; kПД=4; kП=4; TИ=0,02 с. График переходного процесса (фиг. 3) показывает, что время переходного процесса по управлению в предлагаемом следящем электроприводе составляет tпп=0,0552 с, а перерегулирование - σ=0,16%. Для сравнения надо сказать, что время переходного процесса в устройстве, взятом за прототип, при стандартных настройках регуляторов составляет 2,5 с.

Отсюда следует, что предложенный следящий электропривод с асинхронным исполнительным двигателем более чем в 10 раз превосходит по быстродействию устройство, взятое за прототип.

Таким образом, предлагаемый электропривод позволяет повысить быстродействие следящих систем с асинхронными исполнительными двигателями.

Следящий электропривод, содержащий первый и второй блоки задания, интегральный регулятор, пропорциональный регулятор, блок деления, первый и второй регуляторы тока, преобразователь координат, блок дифференцирования, блок интегрирования, сумматор, силовой преобразователь, асинхронный электродвигатель с исполнительным механизмом, датчик тока и датчик положения, причем выход первого блока задания соединен с первым входом интегрального регулятора, второй вход которого соединен с выходом датчика положения, выход второго блока задания соединен с первыми входами первого регулятора тока и блока деления, выход которого соединен с первым входом второго регулятора тока, выход первого регулятора тока соединен с первым входом преобразователя координат, второй вход которого соединен с выходом второго регулятора тока, первый выход преобразователя координат соединен с первым входом силового преобразователя, выход которого соединен с асинхронным электродвигателем, кинематически связанным с исполнительным механизмом, оснащенным датчиком положения, выход которого соединен с первым входом пропорционального регулятора и входом блока дифференцирования, второй выход силового преобразователя соединен с первым входом датчика тока, второй вход которого соединен с выходом блока интегрирования и первым входом сумматора, второй выход преобразователя координат соединен с вторым входом сумматора, выход которого соединен с вторым входом силового преобразователя, первый и второй выходы датчика тока соединены соответственно с вторыми входами первого и второго регуляторов тока, а выход блока дифференцирования соединен с входом блока интегрирования, отличающийся тем, что в него дополнительно введен пропорционально-дифференциальный регулятор, причем выход интегрального регулятора соединен с вторым входом пропорционального регулятора, выход которого соединен с первым входом пропорционально-дифференциального регулятора, выход блока дифференцирования соединен с вторым входом пропорционально-дифференциального регулятора, выход которого соединен с вторым входом блока деления.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в многокаскадных высоковольтных преобразователях частоты, фазы которых состоят из группы последовательно соединенных силовых преобразовательных ячеек.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрических системах. Техническим результатом является обеспечение быстрой реакции на управляющее воздействие, в частности на вращающий момент, и малых искажений высшими гармониками.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводах дутьевых вентиляторов котельного агрегата. Технический результат - снижение потребления электрической энергии за счет повышения эквивалентного КПД электропривода дутьевого вентилятора при обеспечении заданного технологического режима котельного агрегата.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для регулирования частоты вращения ротора асинхронных электроприводов с тиристорным преобразователем напряжения.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано во асинхронной и синхронной электрической машине без использования датчика положения. Технический результат - уменьшение вибраций и шумов.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления электродвигателем вентилятора, имеющего большой момент инерции. Технический результат заключается в уменьшении потребления электроэнергии из сети за счет использования энергии инерционных масс вентилятора.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для выбора оптимального по точности режима работы электрического двигателя. Технический результат - увеличение точности управления за счет применения эффективного математического метода решения обратных задач.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления полетом самолета. Технический результата - повышение надежности и ремонтопригодности.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в питающемся от сети электрическом двигателе электроинструмента. Техническим результатом является обеспечение двустороннего отсоединения от сети питающихся от нее электроинструментов и контроля эксплуатационной надежности выключателей.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводе станков, гибридного и электрического транспорта, установок общепромышленного назначения.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрических системах. Техническим результатом является обеспечение быстрой реакции на управляющее воздействие, в частности на вращающий момент, и малых искажений высшими гармониками.

Изобретение относится к области электротехники и может быть испольтзовано для управления вращающейся электрической машиной, такой как индукционная (асинхронная или синхронная) машина.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для регулирования частоты вращения ротора асинхронных электроприводов с тиристорным преобразователем напряжения.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано во асинхронной и синхронной электрической машине без использования датчика положения. Технический результат - уменьшение вибраций и шумов.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано во вращающихся электрических машинах. Технический результат - повышение точности коррекции ошибки смещения магнитного потока в разомкнутой системе управления вращающейся электрической машине.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводе. Технический результат - увеличение КПД на низких частотах вращения.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления синхронной машиной с постоянными магнитами «MSAP». Техническим результатом является обеспечение оптимальной надежности и высокой безопасности.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления электродвигателями с постоянными магнитами. Технический результат - повышение точности определения углового положения при низких угловых скоростях вращения ротора электродвигателя с постоянными магнитами.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для демпфирования крутильных колебаний во вращающейся системе. Технический результат - осуществление демпфирования колебаний без использования датчиков вращающегося момента.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах векторного управления скоростью вращения асинхронного электродвигателя, синхронного электродвигателя, машины двойного питания, в том числе в системах бездатчикового управления скоростью вращения и системах прямого управления моментом вращения.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для выбора оптимального по точности режима работы электрического двигателя. Технический результат - увеличение точности управления за счет применения эффективного математического метода решения обратных задач.
Наверх