Частотно-управляемый электропривод

(22) 06.08,86 инс нко,ЕКТ электровляетс ная цел тно-упа 8 оп ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(57) Изобретение относитсятехнике, Целью изобретенияупрощение конструкции. Указдостигается введением в часравляемый электропривод бло деления составляющих напряжения статора асинхронного двигателя 1, блока 9 преобразования разных токов, блока 10 вычисления текущих переменных и преобразователя 15 напряжение - частота. В резул. тате появляется возможность независимого регулирования составляющих тока, определяющих поток и момент асинхронного двигателя 1. При отработке задающих и возмущающих воздействий система стремится не только поддерживать заданные соотношения между векторами потокосцепления и тока, но и осуществлять скачки фазы, что позволяет обеспечить высокие динамические показатели. Исключается йФ необходимость в установке тахогенератора на валу асинхронного двигателя1, 9 ил.:оставитель А. Жигиехред Г 1.Дидык тор . Рнько орректор Г 1,Гакспмишин каз Гиаж одписное ИИ о о Гос к кая днопств нно-подп графичес кое предприятие, г. Ужгород, уп. гоекч ная,И осГдедам дарственного изобретений а, Ж, Рауш омитетаоткрытийИзобретение относится к электро 1372581чей 16-20 (фиг.2), блоков 21-23 опре технике, а именно к частотно-управляемым электроприводам на основе асинхронных двигателей с короткозамкнутым5 р .ором, и может быть использовано всистемах, для которых определяющимявляются высокие динамические покадатели и простота конструкции.11 ель изобретения - упрощение кон струкции.На фиг.1 представлена функциональная схема частотно-управляемого электропривода; на фиг.2 - схема блока вычисления гекущих переменных, на фиг.3 - схема блока определения сосзвляющпх вектора ЭДС во вращающейся систем координат, на фиг.4 - схема блока определения составляющих напряжения статора, на фиг.5 и 6 - схема инока преобразования фазных токов и диаграмма его работы; на фиг,7 - схем замещения асинхронного двигателя, на фиг,89 - векторные диаграммы.Частотно-управляемый электропри вод (фиг,1) содержит асинхронный двиатсль, подключенный к выходам силоногс преобразователя 2 частоты, регуляторы 3 и 4 составляющих тока статора, бпок 5 вычисления задающих пере менных с двумя основными и двумяспорными входами, блок 6 задания управляющего сигнала и датчик 7 фазных кон, вы: од блока 6 задания управлянго чп 1 ала подключен к первымдам регуляторов 3 и 4 составляющих ток статора, выходы которых подключны к соответствующим основным входам блока 5 вычисления задающих пе ме нных, с оеди не нного выходами с 40 управляющими входами силового преобразователя 2 частоты.В частотно-управляемый электропривод введены блок 8 определения составляющих напряжения статора, блок 9 45 преобразования фаэных токов, блок 1 О вычисления текущих переменных с четырьмя входами 11-14 и двумя парами выходов и преобразователь 15 напряжение - частота, подключенный входом к выходу блока 6 задания управляющего сигнала. Входы блока 8 определения составляющих напряжения статора подключены к выходам силового преобразователя 2 частоты, а входы блока 9 преобразования фазных токов - к выходам датчика 7 фазных токов.Блок 10 вычисления текущих переменных составлен иэ управляемых клюделения составляющих векторов ЭДС во вращающейся системе координат, блока 24 определения действительной составляющей вектора ЭДС в неподвижной системе координат, однополярного усилителя 25, инвертора 26, элемента И 27, детектора 28, блоков 29, 30 формирования опорных гармоничес;ких сигналов и сумматоров 31-34, Первые входы управляемых ключей 16-20 объединены между собой и образуют первый вход 11 блока 10 вычисления текущих переменных, подключенный к выходу преобразователя 15 напряжение - частота. Управляющие входы управляемых ключей 16-18 образуют второй трехфазный вход 12 блока 10 вычисления текущих переменных, подключенный к выходу блока 9 преобразования фаз ных токов. Выходы управля емыхключей 16-18 подключены к первым входам соответствующих блоков 21-23 определения составляющих векторов ЭДС во вращающейся системе координат, вторые входы которых образуют третий трехфазный вход 13 блока 10 вычисления текущих переменных, подключенный к выходам датчика 7 фазных токов.Третьи и четвертые входы блоков 21- 23 определения составляющих векторовЭДС образуют четвертый групповой вход14 блока 10 вычисления текущих переменных, подключенный к выходу блока 8 определения составляющих напряжениястатора,Первые и вторые выходы блоков определения составляющих векторов ЭДС21-23 во вращающейся системе координат подключены соответственно к входам первого и второго сумматоров 31 и 32. Первый и второй выходы блока 21 определения составляющих вектора ЭДС соединены с первыми двумя входами блока 24 определения действительной составляющей вектора ЭДС в неподвижной системе координат, третий вход которого подключен к выходу управляемого ключа 16, а выход - к входу однополярного усилителя 25.Выход однополярного усилителя 25 соединен с управляющим входом управляемого ключа 19 и с входом инвертора 26, выход которого через элемент И 27 соединен с. управляемым входом управляемого ключа 20. Выходы управляемых ключей 19 и 20 подключены соответственно к входам блоков 29 и 30формирования опорных гармонических сигналов, первые и вторые выходы которых подключены соответственно к входам сумматоров 33 и 34.Выход сумматора 33 через детектор5 28 подключен к другому входу элемента И 27. Выходы сумматоров 31, 32 и 33, 34 образуют соответственно первую и вторую пары выходов блока 10 вычисления текущих переменных, подключенных соответственно к вторым входам регуляторов 3 и 4 составляющих тока статора и к опорным входам блока 5 вычисления задающих переменных 15Блок 21 определения составляющих вектора ЭДС содержит блоки 35 и 36 умножения косинусоидальных функций (фиг.3), блоки 37 и 38 умножения синусоидальных функций, сумматоры 39- 42, детекторы 43 и 44, блок 45 умножения и масштабные усилители 46 и 47Входы блоков 35-38 объединены между собой и образуют первый вход блока 21 определения составляющих вектора ЭДС, 25 второй вход которого образован соединенными между собой входами детектора 43 и блока 45 умножения.Соединенные между собой попарно вторые входы блоков 35, 37 и 36, 38 образуют третий и четвертый входы блока 21 определения составляющих вектора ЭДС.Выходы блока 35 умножения косинусоидальной функции и блока 38 умножения синусоидальной функции соединены с входами сумматора 39, выход которого подключен к первому входу сумматора 41, Выходы блока 37 умножения синусоидальной функции и блока 36 ум ножения косинусоидальной функции соединены с входами сумматора 40, выход которого подключен к первому входу сумматора 42, Выход детектора 43 через масштабный усилитель 46 подклю чен к второму входу сумматора 41, а выход блока 45 умножения через детектор 44 и масштабный усилитель 47 подключен к второму входу сумматора 42.Блоки 22 и 23 определения состав 50 ляющих вектора ЭДС выполнены аналогично блоку 21.Блок 8 определения составляющих напряжения статора содержит три одинаковых по выполнению узла, 48-50(фиг.4), подключенных к фазам А, В, С (выходам силового преобразователя 2 частоты). Каждый узел построен на операционных усилителях 51, 52 и резисторах 53-62. Выходы операционных усилителей 51, 52 образуют соответствующие выходы блока 8 определения составляющих напряжения статора.Блок 9 преобразования фазовых токов содержит нуль-органы 63-65 (фиг,5), сумматоры 66-68, счетные триггеры 69-71 и дешифратор 72. Первые входы сумматоров 66-68 образуют входы блока 9 преобразования фазных токов. Второй вход сумматора 67 подключен к первому входу сумматора 66, второй вход сумматора 68 - к первому входу сумматора 67, а второй вход сумматора 66 - к первому входу сумматора 68. Выходы сумматоров 66-68 через соответствующие нуль-органы 63-65 и счетные триггеры 69-71 подключены к входам дешифратора 72, выходы которого образуют выходы блока 9 преобразования фазных токов.Общие полсчения работы частотно- управляемого электропривода заключаются в следующем.На фиг.9 изображена векторная диаграмма асинхронного двигателя для момента времени, когда результирующий вектор тока совпадает с действительной осью системы координат. Для конкретности предположим, что положительное направление действительной оси координат совпадает с осью обмотки А, В это время блок управления должен выдать импульс длительностью 60 эл.град. и в то же время необходимо начать измерять линейное напряжение. По измеренному току и напряжению в этот момент времени осуществляется переход от неподвижной системы координат к вращающейся.Иэ схемы замещения, представленной на фиг.7, имеем 1 Г, + 1 х + Зю 1где О, 1, - фаэные напряжение и ток;м, - потокосцепления статораи воздушного зазора;г х - активное и индуктивноесопротивления рассеяния статора;ы - частота,Уравнение (1) и векторная диаграмма показывают, что по измеренным эна" чениям напряжения мозно определить соответствующие составляющие ЭДС.Через 60 эл,град. положительное направление действительной оси совпадает с осью обмотки фазы В и процесс определения составляющих ЭДС повто 5 ряется.Таким образом, за один оборот результирующего вектора шесть раз определяются составляющие ЭДС, которые по цепям обратных связей передаются на 1 О входы соответствующих регуляторов.Кроме составляющей ЭДС необходимо определить положение потокосцепления ротора. Это также определяется на основании векторной диаграммы (фиг.9)15 и уравнения (1). В момент времени, когда ток фаз А совпадает с действительной осью, определяется соответствующее значение ЭДС, и от вращающейся системы координат переходят к 20 неподвижной. В этом случае проекция соответствующего значения ЭДС (3 м, 3 Оили .3 о ) на действительную ось уменьшается, и в момент равенства ее нулю можно формировать 25 гармонические функции, которые будут соответствовать опорным сигналам для перехода задающих воздействий с выходов регуляторов из вращающейся системы координат в неподвижную. 30Из схемы (фиг.7) и диаграммы (фиг.8) для режима ц = сопзт видно, что треугольники, составленные иэ составляющих токов, подобны треугольникам, составленным из составляющих35 ЭДС е е , т.е..= К е; ., = К е, . (2)Иэ выражения (2) следует, что обратные связи по составляющим токов можно заменить на обратные связи по составляющим ЭДС. Так как составляющие ЭДС могут быть определены без применения тахогенератора, то это позволит создать систему регулирования с высокими показателями качества.Рассмотрим работу остальных блоков частотно-управляемого электропривода.В блоке 8 определения составляющих напряжения статора в узле 48 (фиг.4) резисторы 53-55, равные по величине 3 Е, соединены с фазами А, В, С и об-разуют нейтральную точку, которая соединена с неинвертирующим входом усилителя 51. Резистор 57, равный по величине К соединяет инвертирующий вход усилителя 51 с фазой А. При этом 55 выходной сигнал усилителя 51 равен К, ц (К- коэффициент), т.е. он пропорционален проекции напряжения Бна действительную ось д. На выходеусилителя 52 имеем сигнал, равныйК Б, т.е. пропорциональный проекциинапряжения У на мнимую ось и. Укаэанные сигналы формируются, когда положительное направление оси Й совпадает с осью фазы А, Аналогично определяются составляющие напряжения статора в узлах 49, 50 при совпадениидействительной оси с осью фаэ В и Ссоответственно,В блоке 9 преобразования фазныхтоков (фиг.5) сумматоры 66-68 формируют линейные токи. На выходах нульорганов 63-65 появляются импульсы вмомент переходов линейных токов через нуль.На выходе счетных триггеров 69-71появляются импульсы, диаграмма которых приведена на фиг.6. Дешифратор72 по закону, приведенному на фиг.6,формирует управляющие импульсы. Каждыи управляющии импульс 1 , 1 Ь, 1имеет длительность 60 эл,град. (фиг.(фиг.6).В блоке 21 (фиг.3) определениясоставляющих вектора ЭДС составляющиенапряжения статора поступают на входы соответствующих блоков 35-38 умножения косинусоидальных и синусоидальных функций, осуществляющих синтезгармонических колебаний с одновременным их умножением на входные сигналы (с использованием, например,функции Уолша). На выходе сумматора39 имеемП, = УсовС + Б, запой, (3)а на выходе сумматора 401)с, = -У эдас + Б созсХ, (4)где ы - частота синтезируемых колебаний.Для определения ЭДС, связанной спотокосцеплением , м, или м необходимо из напряжений Б, човычесть падение напряжения на активных и индуктивных сопротивлениях двигателя. Это достигается с помощьюмасштабных усилителей 46 и 47. Коэффициент передачи масштабного усилителя 46 равен г, а коэффициент передачимасштабного усилителя 47 равен Е.Так как осуществляется переход отнеподвижной системы координат к вращающейся, то сигналы на выходах сумматоров 41, 42 в течение времени работы блока 21 меняются только за счетизменения амплитуды тока или напряжения. На выходах сумматоров 41, 42 по 1372581лучают требуемые для обратных связей регуляторов составляющие ЭДС е , иИз диаграммы фиг.9 видно, что вектора потокосцеплений отстают от действительной оси. Для определения фазового сдвига вектора потокосцепления переходят от вращающейся системы координат к неподвижной, и определяют 10 момент времени, когда проекция вектора Е,о на действительную ось, определяемая по выражениюЕ, = е,созыв - е яапа, (5) будет равна нулю.15Для синтеза гармонических колебаний из функции Уолша в блоках 35-38 умножения целесообразно, чтобы частота, поступающая на управляемый ключ 16, была в 16 или 32 раза выше часто вты, которая формируется на выходе силового преобразователя 2 частоты.Блок 24 (фиг.2), в котором осуществляется переход в неподвижную систему координат, выполнен аналогично 25 .блоку 21, т.е. синтез гармонических колебаний и умножение их на выходные сигналы блока 21 осуществляются на функциях Уолша. В момент времени, когда выражение (5) станет равным ну лю, срабатывает однополярный усилитель 25, и начинают формироваться опорные гармонические сигналы.В блоке 10 вычисления текущих пе- ременных (фиг.2) формируются обратные связи для регуляторов 3, 4 тока и формируются опорные гармонические сигналы для перехода задающих воздействий от вращающейся системы координат к неподвижной.Частотно-управляемый электропривод в целом работает следующим образом,На входы регуляторов 3, 4 составляющих тока статора и вход преобразователя напряжение - частота 15 по 45 дается сигнал задания. Блок 10 вычисления текущих переменных в соответствии с нагрузкой и величиной задающего сигнала определяет значения ЭДС е и е ,. Причем, когда на выходе13блока 9 действует сигнал 1 С составляющие ЭДС определяются в блоке 21, когда на выходе блока 9 появляется сигнал 1, составляющие ЭДС определяются в блоке 22, а при появлении сигнала 1 составляющие ЭДС определяются в блоке 23.Сигналы с первых выходов блоков 21-23 суммируются на входах сумматора 31, выход которого образует обратную связь для регулятора 3 составляющей тока статора, формирующей поток, а сигналы с вторых выходов блоков 21-23 суммируются на входах сумматора 32, выход которого образует обратную связь для регулятора 4 составляющей тока статара, формирующей момент.Когда на выходе блока 24 (фиг.2) напряжение перейдет через нуль и станет отрицательным, сработает усилитель-ограничитель 25, откроется ключ 19 и начинается в блоке 29 процесс формирования опорных гармонических сигналов. Причем блок 29 формирует из функций Уолша ядпой и сояьГ, а блок 30 - ядп( + юС) и соя( + ыГ) . Когда на выходе блока 24 напряжение поменяет знак (станет положительным), откроется ключ 20 и в блоке 30 на второй половине периода начнется процесс формирования опорных гармонических сигналов. Сигналы с выходов блока 29 и 30 суммируются с помощью сумматоров 33 и 34 и подаются на опорные входы блока 5 вычисления задающих переменных, в котором формируются трехфазные управляющие сигналы для силового преобразователя 2 частоты.При изменении фазового угла вектораотносительно вектораизменяется время открытого состояния ключей 19 и 20 (в статическом режиме ключи 19 и 20 открыты одинаковое время), что приведет к скачку фазы опорного сигнала. Действительно, если стационарный режим сменился динамическим (в это время открыт, например, ключ 19), то время его открытого состояния по сравнению со стационарным режимом увеличивается. Поэтому блок 29 сформирует функции ядпы и совий, у которьж шГ . В блоке 30, как указывалось выше, формируются функции яп( и + дС) и соя( ( + дй). Так как ыС7/, то произойдет скачок фазы опорного сигнала. Это является положительным качеством устройства, так как дополнительно для целей регулирования используется относительная фаза, определяющая скольжение потокосцепления относительно токаПричем, скачок фазы имеет место всегда, когда Мй 7 .В электроприводе измерение относительной фазы осуществляется два ра 1372581 10за эа период, но можно осуществить измерение относительно фазы и шесть раз эа период при аналогичном построении структуры. Это повысит точ 5 ность синхронизации и позволит более эффективно использовать фазу в процессе регулирования.Для правильной работы блоков фор-: мирования сигналов необходимо, чтобы 10 процесс формирования начинался с блока 29. Для этого служат элемент И 21 и детектор 28. Если напряжение на выходе блока 29, 30 равно нулю, то ключ 20 не пропустит частотный сиг нал, и поэтому процесс формирования опорных сигналов может начинаться только с блока 29.В предлагаемом электроприводе осуществляется независимое регулирование 20 составляющими тока, определяющими поток и момент двигателя. Кроме того, при обработке задающих и вовмущающих воздействий система стремится не только поддерживать заданные соотно шения между векторами потокосцепления и тока, но и осуществляет скачки фазы, что позволяет получать н этой системе высокие динамические показатели, при этом нет необходимости в 30 установке тахогенератора, что упрощает конструкцию в сравнении с известным электроприводом. Формула и э обретения35Частотно-управляемый электропривод, содержащий асинхронный двигатель, подключенный к выходам сипового преобразователя частоты, регуля торы составляющих тока статора, блок вычисления задающих переменных с двумя основными и двумя опорными входами, блок задания управляющего сигнала и датчик фаэных токов, при этом выход 45 блока задания управляющего сигнала подключен к первым входам регуляторов составляющих тока статора, выходы которых подключены к соответствующим основным входам блока вычисления задающих переменных, соединенногс выходами с управляющими входами силового преобразователя частоты, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью упрощения конструкции, в него введены блок определения составляющих напряжения статора, блок преобразования фаэных токов, блок вычисления текущих переменных с четырьмя входами и двумя парами выходов и преобразователь напряжение - частота, подключенный входом к выходу блока заданияуправляющего сигнала, при этом входыблока определения составляющих напряжения статора подключены к выходамсилового преобразователя частоты, авходы блока преобразования фаэныхтоков - к выходам датчика фазных токов, блок вычисления текущих переменных составлен из первого, второго, третьего, четвертого и пятогоуправляемых ключей, первого, второгои третьего блоков определения составляющих векторов ЭДС во вращающейсясистеме координат, блока определениядействительной составляющей вектораЭДС в неподвижной системе координат,однополярного усилителя, инвертора,элемента И, детектора, первого и второго блоков формирования опорных гармонических сигналов и первого, второго, третьего и четвертого сумматоров, причем первые входы названныхуправляемых ключей объединены междусобой и образуют первый вход блокавычисления текущих переменных, подключенный к выходу преобразователянапряжение - частота, управляющиевходы первого, второго и третьего управляемых ключей образуют. второйтрехфазный вход блока вычисления текущих переменных, подключенный к выходублока преобраэонания фазных токов,выходы первого, второго и третьегоуправляемых ключей подключены к первым входам соответствующих блоковопределения составляющих векторов ЭДСво вращающейся системе координат,вторые входы которых образуют третийтрехфазный вход блока вычисления текущих переменных, подключенный к выходам датчика фазных токов, третьии четвертые входы блоков определения составляющих векторов ЭДС во вращающейся системе координат образуютчетвертый групповой вход блока нычисления текущих переменных, подключенный к выходу блока определения составляющих напряжения статора, первыеи вторые выходы блокон определениясоставляющих векторов ЭДС во вращающейся системе координат подключенысоответственно к входам первого ивторого сумматоров, первый и второйвыходы первого блока определения составляющих вектора ЭДС во вращающейсясистеме координат соединены с первы12 1372581 74 ми двумя входами блока определения действительной составляющей вектора ЭДС в неподвижной системе координат, третий вход которого подключен к вы -5 ходу первого управляемого ключа, а выход - к входу однополярного усилителя, выход однополярного усилителя соединен с управляющим входом четвертого управляющего ключа и с входом 1 О инвертора, выход которого через элемент И соединен с управляющим входом пятого управляемого ключа, выходы четвертого и пятого управляемых ключей подключены соответственно к вхо 15 дам первого и второго блоков формирования опорных гармонических сигналов, первые и вторые выходы которыхподключены соответственно к входамтретьего и четвертого сумматоров,выход третьего сумматора через детектор подключен к другому входу элемента И, выходы первого, второго, третьего и четвертого сумматоров образуют соответственно первую и вторуюпары выходов блока вычисления текущихпеременных, подключенных соответст"венно к вторым входам регуляторовсоставляющих тока статора и к опорным входам блока вычисления задающихпеременных,