Устройство для управления электроприводом переменного тока

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (ss) 983958 (6!) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 3101,80 (2! ) 2876448/24 -07 с присоединением заявки Мо (51)M Кл з

Н 02 P 5/34

Государственный комитет

СССР оо делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 23,1282. Бюллетень М 47 (53) УДК 62-83:621.

° 313.333.072.9 (088 ° 8) Дата опубликования описания 23. 12.82

А.М. Вейнгер, И.М. Серый, A.È. Вахрамеев";.-И,С. Тартаковский, A.Ñ. Гусев, Н.В. Бояринцев, Л.Х. Дацковский, Б.Ъ;йт4аиберг (72) Авторы изобретения и В В Белошабский (7! ) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Изобретение относится к электротехнике электроприводов переменного тока и может быть использовано для управления электроприводом с асин:хронным, синхронным или асинхронизированным синхронным электродвигателем, многофазная система обмоток которого питается от преобразователя

:частоты с непосредственной связью, имеющего раздельное или "совместное рассогласованное управление группами вентилей.

Известно устройство для управления электроприводом переменного тока,, которое содержит непбсредственный преобразователь частоты, предназначенный для подключения к многоразной системе обмоток статора асинхронного электродвигателя, датчики то-. ков этих обмоток, блок обратного преобразования, бпок регулирования скорости, вычислительный блок, блок прямого преобразования и блок формирователя гармонических функций угла поворота системы координат, выход которого подключен к соответствукщим входам блоков прямого и обратного .преобразований, причем входы блока обратного преобразования соединены с выходами датчиков токов обмоток, . а выходы подключены к соответствующим входам блока регуляторов непосредственно или через блок формиро5 вания действительных значений потокосцеплений, при этом выходы блока регуляторов через блок прямого преобразования соединены с входами питающего преобразователя частоты, а выход блока регулирования скорости связан с соответствующими входами блока регуляторов токов или пото,косцеплений I 1j.

Недостатками этого устройства являются сравнительно низкие быстродействие и качество регулирования в случае применения непосредственного преобразователя частоты с раздельным или совместным рассогласованным управлением, что обусловлено наличи ем в таких Преобразователях режима прерывистых токов вентильных групп.

Наиболее близким к изобретению является устройство для управления электроприводом переменного тока, содержащее непосредственный преобразователь частоты, предназначенный для подключения к многофазной системе обмоток электродвигателя, датчики токов обмоток двигателя, блок обратного преобразования, входы ко983958 торого соединены с выходами датчиков тока, вычислительный блок, блок регулирования скорости, выход KoTopoI подключен к входу вычислительного блока, блок прямого преобразования, блок регуляторов, входы которого соединены с выходами вычислительного блока и с выходами блока формирования действительных потокосцеплений, входы которого подключены к соответствующим выходам блока об- 10 ратных преобразований, измеритель скорости вращения ротора двигателя, выход которого соединен с входами блока регулирования скорости и блока регуляторов токов или потокосцепле- 15, ний, формирователь гармонических функций угла поворота системы координат, выходы которого подключены к соответствующим входам блоков прямого и обратного преобразований (2 ).

Однако известное устройСтво обеспечивает качественное регулирование и предельное быстродействие лишь в случае применения непосредственного преобразователя частоты с совместным согласованным управлением, т.е. при наличии уравнительных токов между группами вентилей преобразователя

НПЧ. В случае же применения непосредственного преобразователя частоты с раздельным или с совместным рассо.— гласованным управлением без уравнительных токов устройство не обеспечивает качественного регулирования.

В таком приводе максимально достижимое быстродействие в несколько раз ниже предельного, форма фазных токов двигателя существенно отличается от синусоидальной, что вызывает повышенный нагрев двигателя, уменьшает КПД электропривода и приводит к увеличе- 40 нию пульсаций момента на валу двигателя, что ускоряет механический износ рабочей машины, ухудшает качество выпускаемой продукции.

Эти недостатки обусловлены на—,45 личием в непосредственных преобразователях частоты режимов прерывистых токов вентильных групп, в которых резко изменяются характеристики преобразователя, являющиеся нелиней- 5О ными функциями среднего значения тока и ЭДС нагрузки. Параметры ре гуляторов в таких системах приходится выбирать из условия получения оптимальных переходных процессов 55 в режиме непрерывных токов. Однако при попадании в зону прерывистых токов быстродействие системы резко снижается, поскольку параметры регуляторов остаются неизменными и в этом60 режиме, а характеристики объекта регулирования, которым является непосредственный преобразователь частоты, нагруженный на обмотки двигателя, резко изменяются. 65

Целью изобретения является повышение быстродействия и увеличение

КПД электродвигателя.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для управления электроприводом переменного тока. дополнительно введены блок нелинейных преобразователей, два блока прямого преобразования координат и два блока сумматоров, управляющие входы непосредственного преобразователя частоты подключены к выходам первого блока сумматора, переключающие входы непосредственного преобразователя частоты с раздельным управлением подключены к выходам второго блока сумматоров, первая система входов первого блока сумматоров подключена к выходам второго блока сумматоров, первая система входов которого подключена к. выходам блока нелинейных преобразователей, входы блока нелинейных преобразователей подключены через первый блок прямого преобразования координат к первой системе выходов блока регуляторов, вторая система входов первого блока сумматоров и дополни" тельные входы блока нелинейных преобразователей подключены через ВТо рой блок прямого преобразования координат к второй системе выходов блока регуляторов, при этом вторая система входов второго блока сумматора подключена через третий блок прямого преобразования координат к третьей системе выходов бйока регуляторов.

Кроме того, в устроистве для управления электроприводом блок регуляторов содержит два множительных элемента, три пропорциональных и три интегральных регулятора, два сумматора причем входы множительных элементов, интегральных и пропорциональных регуляторов соединены с выходами вычислительного блока и блока формирования сигналов действительных значений токов или потокосцеплений, выходы второго и третьего интегральных регуляторов соединены с входами обоих сумматоров, выходы которых и выход первого, интегрального регулятора образуют первую систему выходов блока регуляторов, выходы множительных элементов образуют вторую систему выходов, а выходы пропорциональных регуляторов образуют третью систему выходов блока регуляторов.

На фиг.1 показан пример устройства для управления электроприводом переменного тока с непосредственным преобразователем частоты, на фиг.2— функциональная схема одного из возможных вариантов выполнения блока регуляторов — блока регуляторов потокосцеплений синхронного двигателя °

983958

Устройство для управления электроприводом переменного тока (фиг.1) содержит непосредственный преобразова-. тель 1 частоты, к которому подключены многофазная система обмоток статора (или ротора) электродвигателя 2, датчики 3 токов указанных обмоток, блок

4 обратного преобразования координат, блок 5 регулирования скорости, на входы которого подаются сигналы заданного ) и действительного значе- 1О ний скорости, для формирования кото рого используется измеритель например, тахогенератор б скорости, вычислительный блок 7, предназначенный для вычис ления заданных величин токов или пото 35 косцеплений ф, блок 8 регуляторов токов или потокосцеплений (в зависимости от требования внутренний контур может быть замкнут либо по токам, либо по токосцеплениям ), блок 9 фор:- . 2О мирования сигналов действительных потокосцеплений ф (указанный блок 9 не используется, если контур замкнут по току), три блока 10-12 прямого преобразования, блок 13 нелинейных 25 преобразователей, два блока 14 и 15 сумматоров и формирователь 1á гармонических функций угла поворота про. дольной оси ротора. Если применен синхронный электродвигатель, то для питания обмотки возбуждения использует ся возбудитель 17, причем ток возбуждения измеряется с помощью датчика

18 тока, а сигнал управления возбудителем поступает с выхода сумматора З5

19. В зависимости от предъявляемых к электроприводу требований и применяемого электродвигателя, блок 8 регуляторов может выполняться поразному. В случае применения синхрон- 4О ного двигателя блок 8 регуляторов потокосцеплений (фиг.2) содержит три интегральных регулятора 20-22 и два сумматора 23 и 24 с перекрестными связями, образующие многосвязанный интегральный регулятор, два множитель- 45 ньиве элемента 25 и 2б, образующие узел формирования компенсирующих сигналов

ЭДС и три пропорциональных регулятора .27-29, образующих многомерный пропорциональный регулятор. 50 ! управляющие входы непосредственного преобразователя 1 частоты подключены к выходам блока 15 сумматоров.

Переключающие входы преобразователя 1 с раздельным управлением и первая система входов блока 15 подключены к выходам блока сумматоров 14.

Первая система входов блока сумматоров 14 подключена к выходам блока нелинейных преобразователей 13. Входы 40 блока 13 соединены через блок прямого преобразования координат 10 с первой системой выходов блока 8 регуляторов..

Вторая система входов блока 15 и дополнительные входы блока 13 подклю- фЯ ! чены чеРез первый блок 11 прямого преобразования координат к второй системе выходов блока 8 регуляторов.

Вторая система входов блока 14 сумматоров через второй блок 12 прямого преобразования координат подключена к третьей системе выходов блока 8 регуляторов. В случае применения синхронного электродвигателя (фиг.2) в блоке 8 регуляторов первые входы пропорциональных регуляторов 27-29 и интегральных регуляторов 20-22 подключены к выходам вычислительного блока 7, вторые входы этих регуляторов подключены к выходам блока 9

-формирования сигналов действительных потокосцеплений. Входы каждого из сумматоров 23 и 24 подключены к выходам интегральных регуляторов 20 и

22. Входы множительных элементов 25 и 26 подключены к выходам блока 9 формирования сигналов потокосцеплений и к измерителю б скорости электродвигателя ° При этом выходы интегрального регулятора 20, сумматоров 23 и 24 образуют первую систему выходов, выходы множительных элементов 25 и 26 вторую систему выходов, выходы про-; порциональных регуляторов 27-29 — третью систему выходов блока 8 регуляторов.

Система регулирования предлагаемого привода построена с учетом изменения характеристик непосредственного преобразователя частоты в зоне прерывистых токов. Известно, что тиристорный преобразователь, питающий обмотку электрической машины, в первом приближении может рассматриваться как источник ЭДС с нелинейным внутренним активным сопротивлением."

Эквивалентная ЭДС преобразователя прогорциональна управляющему напряжению е„=к„о„, 0) где К„- коэффициент передачи тиристорного преобразователя по . напряжению.

Процессы, происходящие в силовой цепи, описываются уравнением е„=О о,, (z> где L3 — напряжение на обмотке двигателя," )ф(,Е)- падение напряжения на внутреннем активном сопротивлении преобразователя при токе

Дифференциальное сопротивление преобразователя в .зоне непрерывных токов неизменно и определяется параметрами преобразователя, при переходе в зону прерывистых токов оно резко возрастает

983958 и существенно зависит от тока ЭДС и индуктивности цепи нагрузки.

Напряжение на обмотке электрической машины переменного тока ()= + +e,. (4)

М где R — - сопротивление обмотки, Дф٠— переходная ЭДС обмотки;

 — ЭДС вращения (скольжения) обмотки. 10

Отсюда напряжение управления преобразователем может быть представлено в виде суммы трех слагаемых

Я= — u+ — — ++ — Е (5) ЖЧ" 4 i5

; 3 Кп Z kn da К„ !, где 0 - сугмарное напряжение на активных сопротивлениях обмотки и преобразователя

0 (,е) =f>(,e) =R,+ „(,е) (6) Высококачественно ь регулирование может быть обеспечено если слагае1

t мое — Е создается компенсирующей об- 25

Кп ратной связью по ЭЦС вращения (скольжения), слагаемое - дт поступает от

Л

Гп Л пропорционального регулятора через координатный преобразователь, а . слагаемое †" О - от интегрального регу- З0

Кп T. лятора через координатный и нелинейный преобразователи. Если функция, реализуемая нелинейным преобразователем, имеет вид ц. " п

35 п.ьь х Kz $ (Р,„п.баре) где RH - суммарное дифференциальное сопротивление цепи в режиме непрерыв-, ного тока, то сигнал, поступающий на вход нелинейного преобразователя должен быть

Таким образом, необходимые выход- ные сигналы регуляторов имеют такой же вид, как для управления электродвигателем, питаемого от преобразователя с неизменным внутренним сопротивлением, т.е. например, с совмест- 50 ным согласованным управлением с уравнительными токами, а значит и процессы, происходящие в .таком приводе, не будут отличаться от стандартных.

Устройство работает следующим 55 образом.

Сигнал задания скорости 1); с выхода задающего блока (не показан) поступает на вход блока 5 регулирова-, ния скорости, вде сравнивается с 60 сигналом действительного значения скорости 1), поступающим от тахогенератора 6. Заданное значение момента и электродвигателя с выхода бло,ка 5.поступает в вычислительный блок 65 который обеспечивает формирование заданию:: значений потокосцеплений

Ogpu Ч Ы ф фГу, (или токов 1,, t gy у ) по аваемых на входы интегральны::

20-22 и пропорциональных 27-29 регуляторов, где они сравниваются с сиг-, налами действительных значений пото косцеплений, формируемых блоком 9.

На входы блока 9 подаются преобразованные с помощью блока 4 обратного преобразования сигналы токов 1 С указанных обмоток электродвиЬ гателя 2, и сигнал 1у, с выхода измерителя 18 тока ротора. Выходные сигналы блока 8 регуляторов преобразуются в системе координат, связанной с обмотками электродвигателя, с помощью блоков 10-12 прямого преобразования. Преобразованные сигналы многосвязного интегрального регулятора с выхода блока 10 прямого преобразования подаются на вход блока 13 нелинейных преобразователей, имеющих характеристику входвыход, описываемую уравнением (7)

Для создания требуемой зависимости (7 ) на второй вход блока 13 подаются сигналы соответствующих фазных ЭДС

Яс,Сф, Е с выхода блока 11 прямого преобразования. Выходные сигналы блока 13 нелинейных преобразователей подаются на вход блока 14, где суммируются с преобразованными с помощью блока 12 прямого преобразования выходными сигналами многомерного пропорционального блока 3. Выходные сигналы 0я,()п1 Орс блока 14 сумматоров подаются на входы логических переключающих элементов соответствуЮщих фаз непосредственного преобразователя частоты (в случае его выполнения с раздельным управлением группами вентилей). Переключение групп вентилей преобразователя 1 осуществляются в зависимости от знака соответствующего выходного сигнала блока 14 сумматоров. Преобразованные сигналы фазных ЭДС суммируются блоком 15 сумматоров с со ответствующими выходными сигналами блока 14 сумматора. Выходные сигналы ()y> Uy> U блока 15 сумматоров подаются на входы систем импульснофаэного управления вентилями соответствующих фаз преобразователя 1 частоты. Нормальная работа блоков

4 обратного и блоков 10-12 прямого преобразований обеспечивается с помо. щью формирователя 16 гармонических функций уи р- и С05у угла поворота продольной оси ротора электродвигателя 2.Питание ьбмотки ротора электродвигателя 2 осуществляется от возбудителя 17, управляемого выходным сиг- йалом сумматора 19, на вход которого подаются сигналы пропорциональной Ог и интегральной 0 у составляю1

983958 щих, вычисляемых блоком 8 регуляторов.

В режиме прерывистого тока какой-. либо вентильной группы преобразователя 1 частоты соответствующий нелинейный преобразователь блока 13 работает на участке с большим коэффициентом передачи, что необходимо для компенсации увеличения в этом режиме эквивалентного сопротивления преобразователя. С увеличением тока данной вентильной группы увеличивает- 0 ся соответствующий выходной сигнал блока 10 прямого преобразования, а коэффициент передачи соответствующего нелинейного преобразователя блока

13 уменьшается и становится мини- 35 мальным в режиме непрерывного тока данной вентильной группы. Поскольку зона прерывистых токов уменьшается с ростом ЭДС нагрузки, то на дополнительный вход нелинейного преобра- щ зователя подается сигнал соответствующей фазной ЭДСОН<, С, рс, который уменьшает участок характеристики

O нелинейного преобразователя с большим коэффициентом согласно выражению (7).

Предлагаемое устройство позволяет улучшить качество регулирования электроприводов переменного тока на основе непосредственных преобразователей частоты с раздельным или с совместным рассогласованным управлением: ускоряется прохождение зоны прерывистых токов в каждой из обмоток электродвигателя, питаемых отнепосредственных преобразователей частоты за счет этого улучшается форма.фазных токов, уменьшается потеря энергии в меди и в стали от высших гармоник тока, уменьшаются пульсации момента двигателя,. 40 за счет чего возрастает надежность и долговечность как самого двигателя, так и приводимой им рабочей машины. Появляется возможность повысить быстродействие контура ре- 45 гулирования скорости, что в конкретных применениях обеспечивает повышение производительности рабочих машин и(или) качества продукции.

Формула изобретения

1. Устройство для управления элект. роприводом переменного тока, содер- жащее непосредственный преобразователь частоты, предназначенный для подключения к многофазной системе обмоток электродвигателя, датчики токов обмоток электродвигателя, блок обратного преобразования, входы которого соединены с выходами датчиков тока, вычислительный блок, блок регулирования скорости, выход которого подключен к входу вычислительного блока, блок прямого пре- 65 образования, блок регуляторов, вхо ды которого соединены с выходами вычислительного блока и с выходами бло-, ка формирования действительных потокосцеплений, входы которого подключе.ны к соответствующим входам блока обратных преобразований, измеритель скорости вращения ротора электродвигателя, выход которого соединен с входами блока регулирования скорости и блока регуляторов, формирователь гармонических функций угла поворота системы координат, выходы которого подключены к соответствующим входам блоков прямого и обратного преобразований, . о т л и ч а ю щ е е с я, ф тем, что, с целью повышения быстродействия, дополнительно введены блок нелинейных преобразователей, два блока прямого преобразования координат и два блока сумматоров, управляющие входы непосредственного преобразователя частоты подключены к выходам первого блока сумматора, переключающие входы непосредственного преобразователя частоты с раздельным управлением подключены к выходам второго блока сумматоров, первая систе— ма входов первого блока сумматоров подключена к выходам второго блока сумматоров, первая система входов которого подключена к выходам блока нелинейных преобразователей, входы блока нелинейных преобразователей подключены через первый блок прямого преобразования координат к первой системе выходов блока регуляторов, вторая система входов первого блока сумматоров и дополнительные входы блока нелинейных преобразователей подключены через второй блок прямого преобразования координат к второй системе выходов блока регуляторов, причем вторая система входов второго блока сумматора подключена через третий блок прямого преобразования координат к третьей системе выходов блока регуляторов.

2. Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок регуляторов содержит два множительных элемента, три пропорциональных и три . интегральных регулятора, два сумматора, причем входы множительных элементов, интегральных и пропорциональных регуляторов соединены с выходами вычислительного блока и .блока формирования сигналов действительных значений токов или потокосцеплений, выходы второго и третьего интегральных регуляторов соединены с входами обоих сумматоров, выходы йоторых и выход первого интегрального регулятора образуют первую систему выходов блока регуляторов, выходы множительных элементов образуют вторую систему выходов, а выходы пропорциональ11

983958

12 ных регуляторов образуют третью систему выходов блока регуляторов.

Источники инФормации, ! принятые во внймание при экспертизе

1. Siemens-Zeitschrift, 1971, 45 N 10, s.757-760.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 520682, кл, Н 02 P 5/40, 1970.

983958

Составитель В. Тарасов

Редактор Л. Филиппова Техред Т.Маточка Корректор у. Пономаренко

Заказ 9951/71. Тираж 721 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и отнрытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб, д..4/5 филиал П П "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4