Устройство для управления асинхронным электродвигателем

(5)5 Р 7/42 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ЛЪСТ ВТОРСКОМУ СВИ ии электротехтвенного обьшников и И.И. Рег 1 огп) апсе е Ячептег,Тгапзастоп от 8, М 6, р.703 -ПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ электротехнидля управления ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(71) Научно - исследовательскнический институт Производсединения "ХЭМЗ"(56) Авторское свидетел ьствоЬЬ 1334347, кл. Н 02 Р 7/42, 1Ка(т)ойдо М, и д Рп)ргоче(пепт оФ Соггем Яоогпбостоп Мормог Огчез. - ЕЕЕпбцзсгу Аррсатопз, 1982, А 711,(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УАСИН ХРОН Н Ы М ЭЛ Е КТРО(57) Изобретение относится кке, а именно к устройствам частотно - регулируемыми асинхронными электроприводами на основе преобразователей частоты с автономными инверторами тока. Цель изобретения - улучшение динамических и энергетических характеристик. Укаэанная цель достигается тем, что блок 5 формирования задающих сигналов дополнительно снабжен двухвходовым коммутатором 13. а блок 12 управления частотой выполнен с преобразователем 14 координат, формирователем 15 сигналов задания частоты. узлом 16 широтно - импульсного управления, узлом 17 коррекции частот, задающим генератором 18, селектором 19 и пересчетным кольцом 20. При этом обеспечивается сочетание двух режимов управления - в зоне малых и в зоне более высоких скоростей, переключаемых в функции заданной частоты вращения. 3 ил,Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для управлениячастотно-регулируемыми асинхроннымиэлектроприводами на основе преобразова-телей частоты с автономными инверторами 5тока, и может быть использовано в механизмах; требующих высоких динамических свойств. в широком диапазоне регулирования частотывращения, включая значения, близкие к нулевым, и при реверсах. 10Цель изобретения - улучшение динамических и энергетических характеристик.На фиг, 1 представлена функциональная схема устройства для управления асинхронным электродвигателем; на фиг, 2 - 15схема формирования сигналов задания частоты; на фиг, 3 - схема узла широтно-импульсного управления.Устройство для управления асинхронным электродвигателем содержит преобразователь 1 частоты (фиг, 1) на основеавтономного инвертора тока с управляющими входами тока и частоты и с соответствующими выводами, предназначенными дляподключения к сети переменного тока и к 25обмоткам асинхронного электродвигателя,датчики 2 и 3 фазных токов и напряжений,подключенные выходами к соответствующим входам датчика 4 потока, блок 5 формирования задающих сигналов, выполненный с 30регулятором 6 частоты вращения, задатчиком7 потока, формирователем 8 задания амплитуды тока, сумматором 9 и генератором 10опорных сигналов, регулятор 11 тока и блок12 управления частотой с пятью входами, При 35этом задающий вход с сигналом д и входобратной связи с сигналом и регулятора 6частоты вращения образуют соответствующие входы блока 6 формирования задающихсигналов, Выход регулятора 6 и выход задатчика 7 потока подключены к входам формирователя 8 задания амплитуды тока, Входысумматора 9 подключены соответственно квыходу и входу обратной связи регулятора 6частоты вращения,Выход формирователя 8, образующийвыход блока 5 формирования задающих сигналов, подключен к входу регулятора 11 тока и к первому входу блока 12 управлениячастотой,50Выходы задатчика 7 потока и регулятора 6 образуют первую группу выходов, авыходы генератора 10 опорных сигналов -вторую группу выходов блока 5, подключенные соответственно к второму и третьемувходам блока 12 управления частотой, четвертый и пятый входы которого подключенысоответственно к выходу датчика 4 потока и к выходу датчика 2 фазных токов, Выходы блока 12 управления частотой и регулятора11 тока подключены соответственно к управляющим входам частоты и тока преобразователя 1 частоты,Блок 5 формирования задающих сигналов дополнительно снабжен двухвходовымуправляемым коммутатором 13. Блок 12 управления частотой снабжен дополнительным выходом и выполнен спреобразователем 14 координат, формирователем 15 сигналов задания частоты, узлом16 широтно - импульсного управления и споследовательно соединенными узлом 17коррекции частоты, задающим генератором18, селектором 19 и пересчетным кольцом20, выход которого образует основной выход блока 12,Первые и вторые входы преобразователя 14 координат и формирователя 15 сигналов задания частоты соединены попарномежду собой и образуют второй и третийвходы блока 12, четвертый вход которогообразован третьим входом формирователя15, а пятый вход - первым входом узла 17коррекции частоты, второй вход которогообъединен с первым входом узла 16 и подключен к выходу преобразователя 14 координат.Третий вход узла 17 коррекции частотыобъединен с вторым входом селектора 19 иподключен к первому выходу формирователя 15. Второй вход узла 16 широтно-импульсного управления образует первый входблока 12, а третий вход узла 16 соединен свыходом пересчетного кольца 20. Два выхода узла 16 подключены соответственноктретьему и четвертому входам селектора 19.Второй выход формирователя 15, образующий дополнительный выход блока 12,подключен к одному из входов управляемого коммутатора 13, другой вход которого иуправляющий вход соединены между собойи подключены к выходу сумматора 9, Выходуправляемого коммутатора 13 соединен свходом генератора 10 опорных сигналов,Формирователь 15 сигналов заданиячастоты содержит вектооный умножитель21(фиг. 2)сигналови ф,на выходе которого образуется сигнал, определяемый углом сдвига между входными векторами(мнимая часть векторного произведения),соединенный с его выходом пропорционально - интегральный (ПИ) регулято 22, делитель 23 задающих сигналов Ь и 1 Р,выходом соединенный с входом функционального преобразователя 24, реализующего функцию агссд, дифференцирующийконденсатор 25 и сумматор 26, первый входкоторого соединен с выходом ПИ-регулято 1663734ра 22, а второй через конденсатор 25 - свыходом функционального преобразователя 24. На выходе ПИ - регулятора 22, образующем второй выход формирователя 15,формируется сигнал а, задания частоты 5потокосцепления ротора. Сумматор 26 осуществляет суммирование сигнала а и производной угла сдвига задающего вектора1тока 12 в системе координат потокосцепления ротора, на его выходе формируется сигнал а, задания частоты тока двигателя(частоты переключения инвертора).Узел 16 широтно - импульсного управления (фиг. 3) содержит резисторы 27, первыевыводы которых предназначены для подключения фазных составляющих 1 А, 1 в,11 с задающего вектора тока 1, а вторыевыводы через управляемые ключи 28 подключены к входам сумматора 29.Управляющие входы ключей 27 предназначены для подачи фазных составляющих А, В, С выходного сигнала ПКпересчетного кольца 20. Выход сумматора29 подключен к первому входу делителя 30,второй вход которого предназначен для 25подключения задания амплитуды тока 1 свыхода формирователя 6,Выход делителя 30 через интегратор 31соединен с входами двух компараторов 32 и 33, на вторые входы которых подается раэнополярный сигнал О уставки. Выходы компараторов 32 и 33 ВП и НЗ образуют выход узла 16 с сигналом Н - направления работы схемы пересчетного кольца 20. Выходные сигналы компараторов 32 и 33 подаются также на.входы логической схемы 34, между выходом которой с импульсным сигналом О, образующим также импульсный выход узлэ 16, и входом включен элемент 35 задержки. Логическая схема 34 реализует функцию О = ОЛ(ВПЧНЗ),Датчик 4 потока содержит три аналогичных схемы интеграторов на операционных усилителях, входы которых через резисторсоединены с выходами датчика 3 фазных напряжений двигателя, а через параллельную цепь конденсатор - резистор - с выходом усилителя-инвертора, реэисторный вход которого в свою очередь соединен ссоответствующим выходом датчика 2 фазного тока двигателя. На выходе датчика 4 формируется трехфазный сигнал ф вектора потокосцепления ротора в неподвижной системе координат,Регулятор 6 частоты вращения, пропорционально-интегральный на основе операционного усилителя, выделяет сигнал рассогласования заданной 1 и фактической р частоты вращения двигателя, Выход 3035 4050 55 ной сигнал регулятора 6 является сигналом задания активной составляющей , тока двигателя,Задатчик 7 потока в простейшем случае представляет потенциометрический зэдатчик, формирующий сигнал задания реактивной составляющей р тока двигателя, определяющий в свою очередь величину потокосцепления ротора. Совокупность сигналов а и р представляют собой задающий вектор 12 тока двигателя в системе координат потокосцепления ротора.Формйрователь 8 задания амплитуды тока является функциональным преобразователем, реализующим функцию 1 =(,) + (р), и по входным сигналам эа- ДаниЯ а и р фоРмиРУет сигнал 1 заДаниЯ амплитуды тока.Регулятор 11 тока - замкнутая система автоматического регулирования тока выпрямителя, входящего в состав преобразователя 1 частоты, выполненная на основе пропорционально - интегрального регулятора,Сумматор 9 представляет собой операционный усилитель с двумя реэисторными входами, на которые поданы сигнал р обратной связи по частоте вращения и выходной сигнал регулятора 6, пропорциональный величине скольжения двигателя. Выходной сигнал сумматора 9 пропорционален частоте потокосцепления ротора со,.Коммутатор 13, осуществляющий подключение входа генератора 10 опорных сигналов либо к выходу сумматора 9 в области низких частот в, либо к дополнительному выходу блока 12 в области более высоких частот вч в функции выходного сигнала вч сумматора 9, содержит переключающий элемент с двумя входами и компаратор, на входе которого сравниваются по модулю некоторый постоянный сигнал уставки, определяющий границу области низких частот, и выходной сигнал гд сумматора 9.Генератор 10 опорных сигналов является генератором парофазных гармонических сигналов, частота которых определяется значениемвходного сигнала,Преобразователь 14 координат представляет собой векторный умножитель на выходе которого присутствует сигнал 1 задающего вектора тока в неподвижной системе координат, полученный в результате векторного умножения сигналов Т 12 и ,у,Узел 17 коррекции частоты осуществляет импульсное преобразование сигнала а задания частоты тока в функции угла рассогласования между задающим вектором 1ШФтока двигателя и вектором 1 фактическоготока двигателя, В качестве задающего генератора 18 может быть использована схемапреобразователя аналог - код, в частностина основе генератора пилообразного напряжения.Пересчетное кольцо 20 представляетсобой реверсивную кольцевую схему распределения импульсных сигналов и осуществляет преобразование входногоимпульсного сигнала О в систему трехфазных импульсных сигналов ПК, порядок следования которых ,"Вперед" или "Назад" )определяется значением входного единичного сигнала Н (направление).Селектор 19, осуществляющий выборрежима управления пересчетного кольца 20от узла 16 в области низких частот либо отзадающего генератора 18 в области болеевысоких частот в зависимости от значениявыходного сигнала а формирователя 15,содержит логическую переключающую схе му, управляемую компаратором, на входахкоторого сравниваются сигнал а и сигналуставки,Устройство для управления асинхронным электродвигателем работает следующим образом.Управление режимом работы асинхронного двигателя осуществляется управлением амплитуды и частоты тока статора,Задание амплитуды токаформируетсяблоком 8 формирования задающих сигналов по двум составляющим тока:- повыходному сигналу регулятора 6; р - по1выходному сигналу задатчика 7 потока двигателя,При изменении момента двигателя меняется составляющая, а р, как правило,остается неизменной, что влечет за собойизменение выходного сигналана выходеблока 8, которое отрабатывается регулятором 11 тока и силовым управляемым выпрямителем преобразователя 1 частоты.Одновременно с изменением момента двигателя изменяется частота потокосцепления ротора в, на выходе сумматора 9 исигнал а задания частоты потокосцепления ротора на выходе формирователя 15 вблоке 12, которые поступают на входы коммутатора 13 блока 5, В зависимости от величины выходного сигнала вр сумматора 9, т.е. от величины частоты вращения, на выходкоммутатора 13 передается либо сигналЙс выхода сумматора 9 при малых скоростях, либо сигнал с выхода блока 12 приболее высоких скоростях, каждый из которых в соответствующем диапазоне скорости определяет параметры (частоту и фазовый сдвиг) выходного сигнала 1 генератора 10, являющегося опорным векторомпотокосцепления ротора в неподвижной системе координат,5 Использование двух источников сигнала задания частоты опорного векторапотокосцепления ротора позволяет существенно расширить диапазон регулированияскорости двигателя и улучшить его динами 10 ческие характеристики при одновременномснижении требований и упрощении датчика4 потока и устройства измерения скорости всистеме электропривода (при этом в отсутствие тахометрического устройства вместо15 сигнала ю возможно использование сигнала а задания частоты тока с выхода формирователя 15). Это обусловлено тем, что вобласти низких частот невозможна качественная работа общепринятых простых схем20 датчика потока, а также тем, что именно вобласти более высоких частот для качественной работы привода повышаются требования к тахометрическому устройству,Как уже упоминалось, блок 12 управле 25 ния частотой в данном устройстве в частиуправления пересчетным кольцом 20 работает в двух режимах, выбираемых селектором 19 в зависимости от величины сигналаа задания частоты тока на выходе форми 30 рователя 15: в области малых частот управление осуществляется узлом 16Ш ИМ - управления, в области более высокихчастот - узлом 17 коррекции частоты череззадающий генератор 18.35 Целесообразность двух режимов работы блока 12 обусловлена тем, что в зонемалых частот ШИМ-управление обеспечивает необходимые быстродействие и точность отработки сигнала задающего40 вектора тока двигателя, а в зоне большихчастот, где иэ-эа свойств силовой схемыавтономного инвертора тока ШИМ-управление принципиально невозможно, высокоекачество регулирования обеспечивается им 45 пульсным управлением сигнала а заданиячастоты тока посредством узла 17 коррекции частоты,На выходе преобразователя 14 координат блока 12, осуществляющего векторное50 умножение задающих сигналов 12 и ,формируется векторный сигналзаданиятока двигателя в неподвижной системе координат, который является входным сигналом как узла 16 ШИМ-управления, так и55 узла 17 коррекции частоты, т. е, используется качество задающего сигнала в обоих режимах работы блока 12,В формирователе 15 задающих сигналов частоты (фиг, 2) посредством векторногоумножителя 21 вычисляется угловое рассогласование опорного сигнала 7 увектора потокосцепления ротора, синтезированного в блоке 5 задающих сигналов, с фактическим сигналом )Ь вектора потокосцепления ротора, определенного датчиком 4 потока, которое на выходе ПИ - регулятора 22 преобразуется в сигнал ф, задания частоты потокосцепления ротора (для режима больших скоростей). Здесь же с помощью . делителя 23 задающих сигналов 1 и 1 р, функционального преобразователя 24, реализующего функцию агст 9, и конденсатора 25 вычисляется производная угла сдвига задающих сигналов тока и потока, которая всумматоре 26 добавляется к сигналу и 5 10 15 На выходе сумматора 26 получаем сигнал а 1 задания частоты тока двигателя, подаваемого на вход узла 17 коррекции частоты(используется в зоне больших частот). 20Узел 17 коррекции частоты совместно с задающим генератором 18 и пересчетным кольцом 20 воздействием импульсного сигнала на сигнал а 1 задания частоты осуществляет быстродействующее согласование по фазе вектороных сигналов 1 фактического тока двигателя с выхода датчика 2 тока и 1задания тока двигателя с выхода преобразователя 14 координат на каждом такте работы инвертора, в том числе и при резких изменениях угла запаздывания инвертора тока при изменении режима работы двигателя.В зоне больших частот на вход пере- счетного кольца 20 селектор 19 подает импульсы задающего генератора 18, блокируя выходные сигналы узла 16 ШИМ-управления. В этом режиме имеются поочередные переключения пересчетного кольца с частотой задающего генератора с однонаправ ленным порядком чередования фаэ, определяемым заданным направлением вращения двигателя.В зоне малых частот селектор 19 блокирует импульсы задающего генератора 18 и 45 подает на вход пересчетного кольца 20 выходные сигналы узла 16 ШИМ-управления. И - импульсный сигнал, определяющий частоту переключений, и Н (ВП - вперед, НЗ - назад) - потенциальный сигнал направле ния, определяющий прямой либо обратный порядок переключений пересчетного кольца. Режим работы селектора 19 определяется величиной входного сигнала а задания частоты тока двигателя. 55Узел 16 ШИМ - управления (фиг, 3) работает следующим образом,Трехфазный сигнал 1 вектора задания тока двигателя через резисторы 27 и управляемые ключи 28 поступает на вход сумматора 29. На управляющие входы ключей 28 поступает выходной трехфазный сигнал ПК (А, В, С) пересчетного кольца 20, Поскольку в зоне малых частот выходной ток инвертора тока и, следовательно, фактический ток 1 двигателя определяется исключительно диаграммой включенных вентилей инвертора, которая в свою очередь однозначно определяется сигналом ПК, последний используется в качестве сигнала единичной амплитуды вектора 1 - фактического тока двигателя. Вследствие этого, разделив выходной сигнал сумматора 29 на сигнал 11 задания амплитуды тока посредством делителя 30, на выходе последнего получаем сигнал, пропорциональный синусу угла рассогласования векторов 1 и 1 . Полученный сигнал угловой ошибки интегрируется интегратором 31 и сравнивается на входах двух компараторов 32 с разнополярными сигналами уставки+0 - О 1. При достижении выходного сигнала интегратора 31 величины той или иной уставки нэ выходе соответствующего коммутатора 32.и 33 формируется соответствующий сигнал напряжения переключения (ВП или НЗ) пересчетного кольца 20, а на выходе логической схемы 34 с помощью .элемента 35 временной задержки - импульсный сигнал И, осуществляющий подключение пересчетного кольца. В результате в течение одного такта работы инвертора (1/6 часть периода сигнала 1 ) осуществляются многократные переключения пересчетного кольца между двумя соседними (по фазе) состояниями так, что при каждом подключении меняется знак угла сдвига векторов 1 и 11 , чем обеспечивается режим ШИМ - управления,Таким образом, в сравнении с известным решением устройство обеспечивает более качественное управление асинхронным двигателем в широком диапазоне регулирования скорости с повышенным быстродействием и улучшенными энергетическими показателями, в том числе в динамичных режимах разгона, торможения и реверса, путем сочетания двух режимов управления - в зоне малых и в зоне более высоких скоростей за счет введения дополнительных узлов и элементов в блок управления частотой и новых связей между ними, образующих два соответствующих канала управления, автоматически переключаемых в функции заданной частоты вращения,Формула изобретения Устройство для управления асинхронным электродвигателем, содержащее преобразователь частоты на основеавтономного инвертора тока с управляющимивходами тока и частоты и соответствующими выводами для подключения к сети переменного тока и к обмоткам асинхронного электродвигателя, датчики фазных токов и напряжений асинхронного электродвигателя, подключенные выходами к соответствующим входам датчика потока, блок формирования задающих сигналов, выполненный с регулятором частоты вращения, задатчиком потока, формирователем задания амплитуды тока, сумматором и генератором опорных сигналов, регулятор тока и блок управления частотой с пятью входами, при этом задающий вход и вход обратной связи регулятора частоты вращения образуют соответствующие входы блока формирования задающих сигналов, выход регулятора частоты вращения и выход эадатчика потока подключены к входам формирователя задания амплидуты тока, входы сумматора подключены соответственно к выходу и входу обратной связи регулятора частоты вращения, выход формирователя задания амплитуды тока, образующий выход блока формирования задающих сигналов, подключен к входу регулятора тока и к первому входу блока управления частотой, выходы эадатчика потока и регулятора частоты вращения образуют первую группу выходов, а выходы генератора опорных сигналов - вторую группу выходов блока формирования задающих сигналов, подключенные соответственно по второму и третьему входам блока управления частотой, четвертый и пятый входы которого подключены соответственно к выходу датчика потока и к выходу датчика фазных токов, выходы блока управления частотой и регулятора тока подключены к управляющим входам частоты и тока преобразователя частоты, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью улучшения динамических и энергетических характеристик, блок формирования30 35 40 5 10 15 20 25 задающих сигналов дополнительно снабжен двухвходовым управляемым коммутатором, а блок управления частотой снабжен дополнительным выходом и выполнен спреобразователем координат, формирователем сигналов задания частоты, узлом широтно - импульсного управления и с последовательно соединенными узлом коррекции частоты, задающим генератором, селектором и пересчетным кольцом, выход которого образует основной выход блока управления частотой, при этом первые и вторые входы преобразователя координат и формирователя сигналов задания частоты соединены попарно между собой и образуют второй и третий входы блока управления частотой, четвертый вход которого образован третьим входом формирователя сигналов задания частоты, а пятый вход - первым входом узла коррекции частоты, второй вход которого обьединен с первым входом узла широтно в импульсно управления и подключен к выходу преобразователя координат, третий вход узла коррекции частоты объединен с вторым входом селектора и подключен к первому выходу формирователя сигналов задания частоты, второй входузла широтно-импульсного управленияобразует первый вход блока управления частотой, а третий вход указанного узла соединен с выходом пересчетного кольца, два выхода узла широтно - импульсного управления подключены соответственно к третьему и четвертому входам селектора, второй выход формирователя сигналов задания частоты, образующий дополнительный выход блока управления частотой, подключен кодному из входов управляемого коммутатора,другой вход которого и управляющий вход соединены между собой и подключены к выходу сумматора, а выход управляемого коммутатора соединен с входом генератора.Гагарина, 101 аз 2272 Тираж 352 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Рауаская наб 4/5