Регулируемый электропривод с асинхронизированным синхронным двигателем

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (:! 490247

Союз Советских

Социалистических

Реслублик (G1) Дополи!и cльиос к авт. спид-13i — (22) Заявлено 07.06.72 (21) 1794031,!24-7 с и р и снеди и с и и с з 3 >! >! и к и, >!о> (23) Приоритст—

Ои .б It! t<0tt3tlo 30.10.75. Бюллстсttt> М 40 (51) М.К«!. II 02р 5,34

Государственный комитет

Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 621,316.718 (088.8) Дата опубликования оиис>!ни>! 06.08.76 (72) Авторы изобретения H. В. Бородина, А. М. Вейнгер, И. М. Серый и A. А. Янко-Тр!ии;цкий (71) Заявитель

Уральский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт им. С. М. Кирова (54) РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

С АСИНХРОНИЗИРОВАННЫМ СИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

Изобретение относится к электротехнике.

В металлургическом, химическом н других видах производства имеются механизмы, для нормальной работы которых нужен мощный иереверсивный электропривод с ограниченным диапазоном регулирования скорости (приблизительно 1 +- 0,5 «! ном) . Например, подобный электропривод необходим для некоторых видов прокатных станов и является предпочтительным для воздуходувок, компрессоров и т. д.

В настоящее время нужные свойства электропривода могут быть получены на базе двигателей постоянного тока, питаемых от безынерционных статически.; преобразователей и регулируемых по скорости с использованием унифицированных блочных систем регулирования (УБСР) . Однако недостатки двигателей постоянного тока, порожденные наличием коллектора, обусловливают целесообразность перехода к бесколлекториым двигателям переменного тока, также регулируемым по скорости.

Мощный нереверсивный электропривод с ограниченным диапазоном регулирования скорости может быть, в частности, выполнен иа базе асинхронизироваииого синхронного zt;ttгателя (АСД). Под АСД понимается такой синхронный двигатель с трехфазной симметричной обмоткой возбуждения, у которого в установившемся режиме поток ротора, создаваемый током возбуждения, гращается с синхронной скоростью. Для этого иа обмотку ротора подается трехфазиая система иапря>кеиий, частота которых равна частоте скольжения. Для получения ну>киото напряжения возбуждения может быть использован. например, тиристорный преобразователь частоты с непосредственной связью, что позволяет вы-!

0 полнить регулироваиис скорости АСД приблизительно в пределах 1 +- 0,3 < >,, т. е. 30" o от синхронной скорости.

В разработанных системах АСД регулирование напряжения возбуждения производится

15 так, что удается изменять скорость вращения двигателя и уровень реактивной ..!ощности его статорной цепи. Однако в разработанных системах весьма приближенно, ггеиы динамические свойства АСД путем введения в закон

20 регулирования напря>кения возбуждения связей по скольжению и току возбуждения двигателя. Все это свидетельствует о том, что в сущестгующем виде системы регулирования ЛСД по свопм ди:!амичссхим свойствам

25 значительно уступа!от современному электроприводу постоянного тока, регулируемому по скорости.

Электроиривод с ЛСД должен удовлетворять следующим требованиям.

30 l, Привод должен иметь автом;!"; нчсс кую

490247 систему регулирования скорости вращения, не уступающую по качеству регулирования приводам постоянного тока.

2. Привод должен иметь перегрузочную способность, ограничиваемую лишь мощностью источников питания, а не динамическими свойствами двигателя.

3. Привод должен иметь автоматическую систему регулирования реактивной мощности цепи статора с тем, чтобы поддерживать ее на экономически целесообразном уровне.

Цель изобретения — расширение диапазона регулирования скорости и регулируемой мощности и повышение качества регу II>por>ания скорости в динамике.

Особенность предлагаемого электропрнвода заключается в следующем.

Система регулирования построена не в фазных координатах, как это делается обычно, а в синхронно вращающихся координатах

n, P, для чего в систему введены блоки прямого и обратного преобразования перемеш>ых.

В координатах а, 13 при установившихся режимах все величины, характеризующие работу двигателя, IrocTQIIHIIbl. Следовательно, регулирование, построенное в указанных координаТВх при установившихся режимах, исключает появление фазовых погрешностей, т. е. фильтры в системе регулирования не влияют на устаповившийся режим.

Для воздействия на ток статора разде Ib110 регулируются его составляющие по осям и и

Р, для чего в систему введены регуляторы токов по осям. Это дает возможность разде 11 II<> (независимо) воздействовать на электромолнитный враща1ощий момент двигателя (через регулятор тока 1, ), и на его реактивную мощность (через регулятор тока i ).

Воздействие на вращающий момент 11 реактивную мощность двигателя может быть осуществлено также и через составляющие но осям тока цепи ротора (регуляторы тока i „и

i ) . Это дает возможность построить несколько вариантов регулирования ЛСД, например: по току статора, по току ротора, комбинированные варианты.

Для придания электроприводу с АСД свойств электропривода постоянного тока, регулируемого по скорости, в систему введен регулятор скорости с задатчиком интенсивности. Это обеспечивает, во-первых, возможность автоматического поддержания скорости АСД на уровне задания независимо от нагрузки на валу, и во-вторых, дает возможность включить электропривод в системч автоматического управления скоростью АСД.

Для придания электроприводу с АСД свойств синхронного компенсатора, регулируемого по реактивной мощности, в систему введен измеритель тока по оси Р, т. е. задания реактивного тока статора. Это обеспечивает при помощи регулятора тока по оси 13, во-первых, возможность автоматического поддержания реактивной мощности статора АСД на

1О

25 зо

4О

65 уровне задания независимо от нагрузки на валу и скорости вращения, и во-вторых, дает возможность включить электропривод в систему автоматического управления реактивной мощностью АСД.

B системе регулирования предусмотрена компенсация вредного влияния э. д. с. скольжения на динамику электропривода, для чего введены измерители потокосцеплений ротора по осям (l, р, измеритель скольжения и множительные элементы с динамическими звеньями.

Система регулирования построена цо прин-, ципу систем подчиненного регулирования с последовательной коррекцией так, что регуляторы тока и регулятор скорости компенсируют основные электромеханнческие и электромагнитные инерционности ЛСД. Это дает возможность выполнить электропривод с высоким быстродействием и обеспечить высокую его перегрузочную способность, величина которой ограничена MQIIIIIocTI Io источников питания цепей статора и ротора, а нс динамическими свойствами ЛСД.

Поскольку система регулирования АСД построена на использовании медленно меняющихся величин (составляющие по осям rl. 1 ), то она может быть реализована на основе элементов УБСР, разработаннь х .1ля электропривода постоянного тока.

11à фиг. 1 представлена функц>.1он альп ая схема предлагаемого электропривода с АСД, РЕГУЛИРУЕМОГО ПО тОКаМ СтатОРа И IIO тОКаМ ротора (вариант I); на фиг. 2 — схема упрощенного варианта регулирования 110 токам статора (вариант 11).

Схема содержит асинхронизированный синхронный двигатель (ЛСД) ). статические ðåâåðсивные регулируемые источники питания 2 фаз ротора АСД, датчик углового положения 3 ротора ЛСД, датчик скорости АСД (тахогеператор) 4, блок прямого преобразования 5 токов статора от фазных величин к синхронно вращающимся координатам r>, 13, блок прямого преобразования б токов ротора от фазных величин к синхронно вращающимся координатам, олок обратного преобразования 7 от синхронно вращающихся координат к фазным, измеритель разности скоростей: синхронной и ротора (измеритель скольжения) 8, измеритель потокосцепления 9 обмотки ротора в оси а, измеритель потокосцепления 10 обмотки ротора в оси 13, регулятор тока 11 статора по оси а, регулятор тока 12 статора по оси $, преобразователь тока задания 13 по оси $ (источник задания по реактивной мощности статора

АСД), множительные элементы 14, динамические звенья 15 в цепях положительных связей по э. д. с. вращения, регулятор скорости (источник задания по моменту вращения ЛСД)

16, фильтры 17 в цепи задания скорости, задатчик сигнала 18 задания скорости, источник сигнала 19 задания скорости.

Обмотка статора ЛСД l питается от источника симметричного трехфазного синусоидаль490247

+ i cos 1os + — )1

+ i„Cos(y,+ — )), +-2 — U;fg SinY, U„g= U.,rg CosY, 2л

r сети

65 ного напряжения с постоянной угловой частотой и, . Каждая фаза ротора АСД питается от одного из реверсивных регулируемых источников питания 2. Источники питания фаз ротора имеют линейную зависимость между входным управляющим напряжением и выпрямленным напряжением. На валу АСД имеется датчик углового положения 3 ротора относительно синхронно вращающихся осей а, р, выходные сигналы которого пропорциональны тригонометрическим функциям углового положения ротора АСД sin YÄ v cos Y,, (где у, — электрический угол положения ротора по отношению к осям а, P). Кроме того, на валу

АСД имеется датчик скорости 4.

Входные блоки 5 и 6 выполняют прямые преобразования от фазных координат «а, b, с» к координатам u, P: блок 5 — для токов статора

2 2л; („,, — — (i„. Coons, i —,is, Соь(в,— — ) 2 — (i 5(ПЯ 1 + i 51П(01 — — +i„Sin в, +— блок 6 — для токов ротора

2л (,„= — (i „Cos у„. - i„Cos(y, — — ) +

i:,„= — — (i„, Sing, - ; is, ° Sin(y, — — ) Выходной блок 7 выполняет обратное преобразование от координат а, Р к фазным координатам «а, b, с»: и „, = и,„..с" (,— — ) — и,„, sinX

2л 1 и„, = U, с (,+ — ") — U:„ы х

Управляющие входы источников питания 2 фаз ротора АСД подключены к выходам блока обратного преобразования 7. На входы этого блока, кроме выходов датчика углового положения 3 ротора, подключены выходы регулятора 11 тока статора по оси а и регулятора 12 тока статора по оси Р.

На вход пропорционально-интегрального регулятора 11 подаются отрицательная обратная связь по току статора в оси а и сигнал задания. Этот сигнал поступает от пропорциоllàëüíîãо или пропорционально-интегрального регулятора скорости 16. На вход регулятора скорости подается отрицательная обратная связь по скорости от датчика скорости 4 АСД и сигнал задания. Сигнал задания поступает

1р от источника сигнала 19 ручного или автоматического управления приводом через задатчик сигнала 18 и фильтр 17, так же это осуществляется в регулируемом электроприводе постоянного тока.

15, На вход пропорционально-интегрального регулятора 12 подаются отрицательная обратная связь по току статора в оси р и сигнал задания. Этот сигнал поступает от преобразователя тока задания 13, на вход которого пода20 ется сигнал задания по реактивной мощности для статорной цепи АСД. Указанный сигнал поступает от органа ручного или автоматического управления реактивной мощностью привода.

25 Обратные связи по токам статора в осях а и Р поступают на регуляторы 11 и 12 от входного блока 5, функции которого описаны выше, Кроме того, на входы указанных регуляторов подаются положительные обратные свя30 зи по составляющим по осям а, и р э.д.с. скольжения ротора АСД от множительных элементов 14 через динамические звенья 15.

Передаточные функции звеньев 15 выбираются обратными передаточным функциям регулято35 ров 11 и 12 соответственно.

Входы множительных элементов 14 подключены к измерителю 8 (измеритель скольжения) разности скоростей синхронной и скорости ротора, а также к измерителям 9 и 10

40 потокосцепления ротора по осям а и р. На входы измерителей потокосцеплений подаются составляющие по осям токов статора и ротора от входных блоков 5 и 6.

Ниже рассмотрены установившиеся режи45 мы работы предлагаемого электропривода (все переменные взяты в относительных единицах) .

Вращающий момент АСД и реактивную мощность его статорной цепи можно опреде50 лить по следующим соотношениям;

m, =- Ч „ i р — Ч"; ° i, Qs = U3s (gs Uas 1 3s

В случае достаточно мощной питающей допустимо полагать, что

U„- = U,=const, U-„. =0.

Кроме того, при малом активном сопротивлении обмотки статора АСД получается, что

Ч", = О, Ч 3, — — — — U, = const.

О я

490247

Тогда!

jne 5 i,Я„Ь,; (i) 7

Q,. = — U, i=,.

При отсутствии нагрузки на валу АСД фактическое значение скорости к равно заданному значению и, за счет работы регулятора скорости 16. Сигнал на выходе этого регулятора равен нулю, и, следовательно, равен нулю статорный ток по оси а за счет работы регулятора тока 11: i,, = i„,. О, т. е. пг, = О.

За счет работы регулятора тока 12 в статоре

О, по оси Р поддерживается ток i:,, = — i „:, . = —— т. е. реактивная мощность статорной цепи равна заданному значению: Q, = Q,.

При наличии нагрузки на валу АСД на выходе регулятора скорости появляется сигнал

И < задания i, = — (i, Регулятор тока 11 подЪ /

/П Я держивает ток i „, = i.„., = — i>,,, т, е.

Регулятор TQKé 2 работает так )Kc, как было описано выше.

За счет положительных связей по e „,. и е, регуляторы 11 и 12 обеспечивают в установившихся режимах электропривода компенсацию э.д. с. скольжения в оомотках ротора по осям а и Р.

Соответствующим выборам передаточных функций регуляторов токов и скорости электропривода придаются динамические свойства, аналогичные свойствам электропрнвода постоянного тока, регулируемого по скорости, Для выбора передаточных функций регуляторов применены методы синтеза систем подчиненного регулирования с последовательной коррекцией.

На фиг. 2 представлен упрощенный вариант предлагаемого электропрпвода. Упрощение достигнуто за счет устранения блока прямого преобразования 6 токов ротора от фазных величин к синхронно вращающимся координатам. В схеме на фиг. 1 этот блок используется при вычислении нотокосцеплений

Ф „.и V (измерители 9 и 10). В упрощенной схеме указанные потокосцеплення вычисляготся упрощенно (измерители 9 и !О) с исl0

Зо

50 пользованием только токов статора 1,, и !, Как указывалось выше, возможно построение системы регулирования на основе только токов ротора, т. е. без блока преобразования 5, но с сохранением блока преобразования 6. Все остальные элементы остаются без изменений.

Предмет изобретения

1. Регулируемый электропривод с асинхронизированным синхронным двигателем, содержащий реверсивпые регулируемые источники питания фаз ротора двигателя, датчик углового положения ротора относительно синхронно вращающейся системы координат, датчики скорости и скольжения, регуляторы и датчики активной и реактивной составляющих тока статора, отличаюигийся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования скорости, повышения качества регулирования в динамике, регуляторы активной и реактивной составляющих тока статора выполнены в виде пропорционально-интегральных регуляторов, дополнительный вход регулятора активной составляющей тока статора через динамическое звено гибкой связи подключен к выходу множительного элемента, входы которого подключены к измерителю составляющей потокосцепления ротора по оси р и к датчику скольжения, дополнительный вход регулятора реактивной составляющей тока статора через динамическое звено гибкой связи подключен к выходу второго множительного элемента, входы которого подключены к измерителю составляющей потокосцепления ротора по оси а и к датчику скольжения, при этом в качестве измерителей составляющих потокосцеплений ротора по осям и и р применены суммирующие элементы, первые входы которых подключены соответственно к выходам датчиков активного и реактивного токов статора, вторые входы — к выходам дополнительного преобразователя переменных, входы которого подключены к выходам датчиков тока фаз ротора и к выходам датчика углового положения ротора относительно синхронно вращающихся осей координат.

2. Электропривод по п. 1, отличающийся тем, что вход задания регулятора активной составляющей тока статора подключен к выходу регулятора скорости (пропорционального илн пропорционально-интегрального) .

490247

Фиг 2

CîñòàâHTåëü Л . Тарасенко

Текред М. Семенов

Корректор Л, Орлова

Редактор Е. Караулова

Подписное

МОТ, Загорский филиал

Заказ № 1863 Изд. ¹ 1920 Тираж 782

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 7К-35, Раушская наб., д. 4/5