Устройство для управления асинхронным двигателем

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 4 Н 02 Р 7/42 ИСАНИ БРЕТЕНИ ЕНТУ митед (ЗР) роси Исида.072.9анни7/42, 196802 Р 7/42,(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ХРОННЫИ ДВИГАТЕЛЕМ (57) Изобретение от технике и может быт УПРАВЛЕНИЯ АСИ ится к электроспользовано в(р 4 Фь ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТ(71) фудзицу Фанук Ли(72) Сигеки Кавада, Хи Ютака Койвай ИР)(56) Патент ВеликобриУ 1120477, кл. Н 02 РПатент СССР, кл. Н02.11.79,ав 81 аи 1291034 АЗ механизмах с большим диапазоном изменения регулирования скорости. Цельюизобретения является повышение плавности регулирования при переменнойнагрузке. Цель достигается введениемгенератора 31 сигналов ограничениямомента, генератора 32 частоты сколь.жения и ограничителя (О) 33 напряжения. Первый вход 0 33, образованныйуправляющим входом переключателя 35,соединен с выходом генератора 31.Второй вход 0 33, образованный входом схемы 34 ограничения, подключенк выходу первого блока 10 формирова"ния абсолютного значения отклоненияскорости, входящего в состав блокарегулирования напряжения и частоты,Выход О 33 соединен с первым входомумножителя 15 блока регулирования1291 напряжения и частоты. Устройство соДержит также нелинейный блок 8 с характеристикой типа насьпцения вход которого связан с выходом блока б сравненияПервый вход блока 6 подключен к выходу блока 7 задания скорости вращения, а второй вход блока 6 - к выходу измерителя 5 Фактической скорости вращения, установленного на валу асинхронного двигателя. , Выход нелинейного блока 8 подключен к входам блока 10 и дискриминатора 12 полярности, входящего в состав блока регулирования напряжения и частоты. Выход дискриминатора 12 соединен с входом генератора 32 и управляющим входом кольцевого счетчика 14. Выход генератора 32 подключен к одному входу блока 9 суммирования, другим входом соединенного с измерителем 5. Асинхронный двигатель через инвертор Ч) 3, неуправляемый выпрямитель 2 подключен к источнику 1 питания. На вь.ходе И 3 включен блок измерения напряжения, связанный с блоком регулирования напряжения и частоты. Выход блока регулирования О 34напряжения и частоты связан с управляющим входом И 3. На выходе блока регулирования напряжения и частоты формируются сигналы АРМ АРМ ВРМ % / % 1) 1 1 ВРМ , СРМ, СРМ для поочередного открывания и закрывания транзисторов И 3. На выходе И 3 формируются ступенчатые напряжения переменного тока ЧвЧчиЧыо модулированные по ширине импульсов, для питания асинхронного двигателя 4, Эффективное напряжение Е, указанных напряжений пропорционально отклонению скорости Ч и сигналу частотной команды Ч ас первичная частота их Е пропорциональна сигналу командной частоты Ч . Отклонение скорости Ч примерно пропорционально степени колебаний нагрузки. При изменении нагрузки изменяется отклонение скорости Ч слеВ довательно, изменитс эффективное напряжение Е в результате чего иизменится вращающий момент. Устройство кроме регулирования скорости в зависимости от изменения нагрузкипозволяет и .плавно останавливать асинхронный двигатель 4. 2 ил.Изобретение относится к электротехнике, а точнее к частотно-регулируемому асинхронному электроприводу, и может найти применение в механизмах с большим длапазоном регулирования скорости.Цель изобретения - повышение плавности регулирования скорости вращения при переменной нагрузке.На фиг,1 приведено устройство для управления асинхронным двигателем; на Фиг.2 - временные диаграммы.Устройство для управления асинхронным двигателем содержит трехфазный источник 1 переменного напряжения (фиг.1), который подключен к не- регулируемому выпрямителю 2, выход которого соединен с инвертором 3 напряжения. К выходу инвертора 3 подключен асинхронный двигатель 4, на валу которого установлен измеритель 5 фактической скорости вращения двигателя, выход которого подключен к первомувходу первого блока 6 сравнения, вто510 2ройвход которого подключен к блоку 7 задания скорости. Устройство содержит также нелинейный блок 8 с характеристикой типа насыщения, блок 9 суммирования, второй вход которого соединен с измерителем 5 фактической скорости вращения, блок регулирования напряжения и частоты, который составлен из двух блоков 1 С и 11 Формирования абсолютного значения отклонения скорости, дискриминатора 12 полярности, преобразователя 13 напряжение - частота, трехфазного кольцевого счетчика 14, первого и второго умножителей 15 и 16, блока измерения напряжения, выполненного в виде последовательно соединенных усилителя 11, ВС-фильтра 18 и выпрямителя 19, сое,диненного с выходом инвертора 3, вто 2 о рого блока 20 сравнения, генератора21 пилообразного напряжения, широтно- импульсного модулятора, составленногсиз трех компараторов 22,23 и 24, блоков 25-30 синхронизации, генератора3 1291 31 сигналов ограничения момента, генератора 32 частоты скольжения и ограничителя 33 напряжения, при этом первые входы трех компараторов 22,23 и 24 соединены с генератором 21 пило образного напряжения, а их выходы через блоки синхронизации 25-30 - с управляющими входами инвертора 3, Выход первого формирователя 10 абсолютного значения отклонения скорости О через ограничитель 33 напряжения и выход второго формирователя 11 абсолютного значения отклонения скорости соединены с входами первого умножителя 15, выход которого соединен с выходом блока измерения напряжения. Выход второго блока 20 сравнения связан с входом второго умножителя 16, выходы которого подсоединены к вторым входам трех компараторов 22,23 и 20 24. Другие входы второго умножителя 16 через кольцевой счетчик 14 соединены с выходом преобразователя 13 напряжение - частота, вход которого через второй блок 11 формирования аб солютного значения отклонения скорости соединен с выходом блока 9 суммирования. Дискриминатор 12 полярности подсоединен выходом к управляющему входу кольцевого счетчика 14 и входу ЗО генератора 32 частоты скольжения, выход которого подключен к первому входу блока 9 суммирования. Вход первого блока 10 формирования абсолютного значения отклонения скорости З соединен с выходом нелинейного блока 8, а выход подключен к второму входу ограничителя 33 напряжения, первый вход которого соединен с выходом генератора 31 сигналов ограни О чения момента.Ограничитель 33 напряжения содержит схему 34 ограничения, переключатель 35, блок 36 установки, при этом один вход переключателя образует первый вход ограничителя напряжения, второй вход переключателя 35 соединен с выходом блока 36 уставки, а выход переключателя 35 подключен к входу схемы 34 ограничения, второй вход которой образует второй вход ограничителя напряжения.Укаэанные блоки устройства для управления асинхронным двигателем выполняют следующие функции.55Трехфазный источник 1 переменного тока подает синусоидальный трехфазный переменный ток на двухполупериод 034 4ный выпрямитель 2, состоящий иэ дновдон, который вырабатывает напряжениепостоянного тока. Инвертар 3, состоящий иэ силовых транзисторов и диодов,получает выпрямленное напряжение отвыпрямителя 2 и преобразует это напряжение в трехфазное напряжение переменного тока, которое имеет ступенчатую, близкую к синусоидальной, формунапряжения, эффективное значение которого можно изменять управлениемдвухпозиционной синхронизацией силовых транзисторовТрехфазный асинхронщяй двигатель 4 имеет вал, на котором установлен измеритель 5 фактической скорости, например, тахометр,причем последний вырабатывает аналоговое напряжение, пропорциональноескорости вращения и двигателя, Блок7 задания скорости подает на первыйблок 6 сравнения аналоговое напряжение, пропорциональное скорости иБлок 6 сравнения вырабатывает выходное напряжение, пропорциональное от-клонению (и, - и) между заданной скоростью и реальной.Нелинейный блок 8 включает усилитель ошибки, имеющий характеристикупервоначальной задержки или цепи ог-раничения,Блок 9 суммирования предназначендля суммирования реальной скоростии сигнала с выхода блока 8.Блок 1 О формирования абсолютного значения производит выходной сигнал, представляющий абсолютное значение отклонения скорости (и - и), а блок 11 абсолютного значения производит выходной сигнал, представляющий абсолютное значение сигнала скорости, полученного в блоке 9 суммирования. Преобразователь 13 напряжение - частота выдает цепочку импульсов, часто та которых пропорциональна напряжению, задаваемому блоком 11 формирования абсолютного значения. Кольцевой счетчик 14 имеет три состояния триггера, которые вырабатывают трехфазные прямоугольные сигналы АБ, ВБ и СБ, последовательно сдвинутые по фазе на 2/3 (фиг.2). Направление фазы вращения трехфазных прямоугольных сигналов АБ, ВБ, СБ определяется выходом дискриминатора 12 полярности.Первый умножитель 15 умножает значение отклонения скорости (и, - и) на выход (и ) блока 11 и выдает выходное напряжение и (а, - и), соответствую1291034 6 5 10 15 2 О 25 ЗО 35 40 Я тель 1 б,55 Формирования абсолютного значения отщее отклонению скорости и сигналускорости и,. Двухполупериодцый выпрямитель 19 выпрямляет трехфазцое напряжение переменного тока, получаемоеот инвертора 3. Фильтр 18 нижних частот, содержащий резисторы и конденсатор, осуществляет сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения постоянного тока, подаваемого выпрямителем19, Второй умножитель 1 б умножаетпрямоугольные сигналы АБ, ВБ, СБ навыходе кольцевого счетчика 14 на сигнал ошибки напряжения с блока 20 ивыдает трехфазные прямоугольные сигкалы АБ , ВБ , СБ , амплитуды которых соответствуют отклонению скорости и сигналу скорости.Генератор 21 пилообразного напряжения вырабатывает пилообразный сигнал БТБ с периодом, значительно меньшим, чем у сигналов АЯ , ВЯСБТри компаратора .2-24 сравнивают амплитуды пилообразного сигнала и сиг .налов АБ , ВБ , Б и каждый вырабатывает выходной сигнал, Генератор21 пилообразного напряжения, умножитель 1 б и три компаратора 22-24 составляют цепь модулятора ширины импульсов, предназначенного для управления Фазой сигналов АРМ, ВРИ; СРМ(Фиг.2), которые соответственно посвтоят из сигналов АБ, ВБ, СБ после ихмодулирования по ширине импульса всоответствии с их амплитудами, Выходы компараторов 22-24 через блоки25-30 синхронизации подают свои выходные сигналы на соответствующиебазы силовых транзисторов инвертора 3,Устройство работает следующим образом.В случае, когда асинхронный двигатель 4 вращается в прямом направлении, изменение нагрузки приведет кизменению Фактической скорости двигателя Ч согласно увеличению илиуменьшецйю нагрузки. Предположим,что нагрузка возросла, фактическаяскорость Ч в результате уменьшилась, Фактическая скорость двигателяЧ выявляется измерителем 5 фактической скорости (тахогенератором), вырабатывающиМ напряжение, пропорциональное скорости, На сумматор б отблока 7 задания скорости приходитсигнал скоростной команды Ч и сигнал Фактической скорости двигателяЧ для получения выходного сигнала,представляющего разность этих сигналов Ч = (Ч - Ч) . Выходной сигнал подаетсяна схему 10 абсолютного значения отклонения скорости и на дискриминатор 12 полярности, сигнал разделяется на сигнал абсолютного значения Ч и на сигнал направления вращения КРБ. Сигнал абсолютного значения Чз поступает затем на ограничигель 33 напряжения. Сигнал направления вращения КРБ подается на генератор 32 сигнала скольжения и на кольцевой счетчик 14Генератор 32 сигнала скольжения вырабатывает сигнал скольжения Чз , содержащий положительное или отрицательное неизмен-. ное напряжение, соответствующее направлению вращения асинхронного двигателя 4, т.е, логическую величину сигнала направления вращения КРБ. В данном случае амплитуда сигнала скольжения Чз регулируется до получения равенства амплитуде сигнала скоростного отклонения Чз в момент времени, когда асинхронный двигатель 4 вращается в установивше ся режиме, Сумматор 9 складывает сигнал скольжения Ч и сигнал фактической скорости Чои в ответ вы абатывает сигнал частотной командыца блок 11 формирования"абсолю;ого значения отклонение скорости. Сигнал частотной команды Ч поступает на преобразователь 13 напря:ение - частота, который преобразует его в импульсную последовательность РР (фиг,2), частота которой пропорциональна сигналу. Кольцевой счетчик 14 воспринимает сигнал направления врещения от дискриминатора 12 полярности и импульсную последовательность РР от преобразователя 13 напряжение - частота, вырабатывая в ответ трехфазные сигналы прямоугольной формы АБ, ВБ, СБ, Амплитудное значение этих сигналов неизменно, частота пропорциональна сигналу частотной команды Ч., а сами сигналы проявляют указанное выше направление движения фазы. В свою очередь, сигналы АЯ, ВБ, СБ подаются на умножиВ то же время сигнал скоростного отклонения Ч , поданный от ограничителя 33 нагряжения, вместе с сигналом частотной команды Ч от блока 11 клонения скорости используются дляполучения командного сигнала первичного напряжения для осуществлениярегулирования изменением напряжения.34 Япилообразного сигнала, причем каждый компаратор приспособлен для получения на выходе сигнала "1", если амплитуда сигналов АБ , ВБ , СБ превышает амплитуду пилообразного сигнала. Таким образом, компараторы 22-24 вырабатывают сигналы фазового управления АРМ, ВРМ, СРИ для трех фаэ и этй сигналы модулированы по ширине импульсов в соответствии с амплитудой каждого из прямоугольных сигналов АБ , ВБ , СБ . Эффективное значение напряжения каждого иэ сигналов фазового управления АРГ 1, ВРМ, СРМ пропорционально скоростному отклонению Ч и сигналу частотной козманды Ч , поскольку амплитуда каж дого иэ прямоугольных сигналов АБВБ , СБ пропорциональна Чэ и Ч Кроме того, частота каждого из сигналов фазового управления АРМ, ВРИ, СРИ пропорциональна сигналу частотной команды Ч в силу того, что частота сигналов АБ, ВБ , СБ пропорциональна ему, На выхоДе блоков синхронизации 25-30 формируются сигналы АРМ, АРМ , ВРГ 1, ВРИ , СРМ, СРМ для регулирования открывания и закрывания силовых транзисторов Ц, - Я в инвертора 3 напряжения, где АРМ , ВРИ , СРМ инвертированные сигналы АРМ, ВРМ, СРМ. Эти сигналы управляют силовыми транзисторами 1 - 0 поочередно с6тем, чтобы получить от инвертора 3 ступенчатые напряжения переменного тока Ч, Ч, Ч , модулированные по ширине импульсов. Трехфазные напряжения Чц Ч , Ч и подаются в качестве первичного напряжения на асинхронный электродвигатель 4 и служат для регулирования его скорости. В то же время эффективное значение Е трехфаэных напряжений Чо, Ч, Чц про1 порционально отклонению скорости Ч и сигналу частотной команды.Ч, а первичная частота их Г, пропорциональна сигналу командной частоты ЧФ Когда отклонение скорости Ч является постоянной величиной, эффективное значение Е первичного напряжения иlпервичная частота Г будут пропорциональны друг другу, Следовательно, скорость асинхронного двигателя 4 будет регулироваться в соответствии с изме- некием частоты и напряжения.Описанный порядок работы повторяется до тех пор, пока скоростное отклонение между фактической скоростью Ч и командной скоростью Чк не достиг 7 12910 С этой целью сигналы Ч и Ч перемнов : жаются в умножителе 15, вырабатывающем командный сигнал первичного напряжения Ч , амплитуда которого равна)проиэведейию Ч Ч . В то время какЕасинхронный двигатель 4 продолжает вращаться с командной скоростью Ч, и с предписанным скоростным отклонением, возрастание нагрузки приведет к увеличению скоростного отклонения 10Ч и, следовательно, увеличит амплитуду командного сигнала первичного напряжения Ч.Параллельно с рассмотренной выше оаботой схемы трехфазные напряжения 15 переменного тока Ч 1,Чд,Чд (фиг.2) от инвертора 3 проходят двухполупериодное выпрямление в выпрямителе 19. Низкочастотный фильтр 18 уменьшает уровень пульсаций в постоянном напря жении, полученном после двухполупериодного выпрямления, и вырабатывает выходное напряжение; пропорциональное суммарному сигналу ошибки, полученному в результате колебаний напряжения в трехфазном силовом источнике 1, а также погрешности в работе системы фазового управления, осуществляющей возбуждение инвертора 3. Командный сигнал первичного напряжения Ч и З 0 постоянное напряжение с низкочастотного фильтра 18 поступают на сумматор 20, определяющий разность между ними, т.е, командный сигнал первичного напряжения Ч корректируется в соответствии с сигналом ошибки, являющимся следствием колебаний напряжения и погрешности системы фазового управления. Корректированный командный сигнал первичного напряжения, обозначенный Чпосле усиления в усилителе 37, подается на умножитель 16, который в силу поступления на него трехфазных сигналов прямоугольной формы АБ, ВБ, СБ перемножа- ет сигналы АБ, ВБ, СБ на командный сигнал первичного напряжения Ч для получения трехфазных сигналов прямо угольной формы АБ , ВБ , СБ , соответствующих по амплитуде сигналу ско О ростного отклонения Ч и сигналу частотной команды Ч и пропорциональных по частоте сигналу командной частоты ЧКомпараторы 22-24 сравнивают пи 55 ковые значения соответстующих прямо )угольных сигналов АБ , ВЫ , СБ с амплитудой пилообразного сигнала БТБ, полученного от генератора 211291034 ограничивается, ограничивается и создаваемый .двигателем вращающий момент, что позволяет плавно остановить двигатель без повреждения шпин"4 О делЯ. 55 щения, блок суммирования, один входкоторого соединен с измерителем фактической скорости вращения двигателя, блок регулирования напряжения и частоты, составленный из двух блоков форнет предписанного значения скоростногоотклонения, Эффективное значение т",-.фазных напряжений переменного токаЧу:, Ч, Ч зависит от скоростногоотклонения Ч. Кроме этого, скорост"ное отклонение пропорционально степени колебаний нагрузки. Поэтому,если фактическая скорость упадет, т,е.возрастет скоростное отклонение Чвследствие возрастания нагрузки, то 1 Оэффективное значение Е, первичныхнапряжений Ч 11, Ч, Ч станет больше величины, определяемой регулированием при.пОмощи изменения частотыи напряжения, в результате возрастет 15создаваемый вращающий момент. Когдавозрастет фактическая скорость или1уменьшится скоростное отклонение Чв силу уменьшения нагрузки, эффективное значение Е первичных напряжений 2 ОЧ, Ч, станет меньше значения,определенного пр,. помощи регулирования изменением частоты и напряжения,в результате вращающий момент уменьшится.2Амплитуда сигнала скольжения Чзов каждом случае поддерживается постоянной, хотя фактическая скоростьасинхронного электродвиг.ееля и:зя-.ется. Такое регулирование приводит к ЗОплавному и устойч; вому вращению асинхронного двигателя 4.Рассмотрим регулирование двигателяв режиме ориентации.Переход от режнма резания к режиму ориентации может происходить лишьпри условии остановки асинхронногоэлектродвигателя, Для того, чтобыдвигатель прекратил вращаться, генератор 31 сигнала ограничения вращающего момента выработает сигнал ори-,ентации, эквивалентный сигналу ограничения момента ТЕЗ, и блок 7 задания скорости выдаст сигнал;,".оманднойскорости Ч меньшей величины, чем врежиме резания, В результате действия сигнала ориентации схема 34ограничения действует по ограничению скоростного отклонения Ч допредписанного значения напряженияограничения Ч , установленного с помощью схемы 36 установки,В установившемся режиме скоростное отклонение поддерживается равным постоянной малой величине, иасинхронный двигатель вращается смалой скоростью, соответствующей командной скорости, Таким образом, выполняется неравенство ЧЧ и ограничитель 33 напряжения вырабатывает в качестве выходного сигнала Ч В результате получается малое значение командного сигнала первичного напряжения ЧВ то время, когда двигатель продолжает вращаться в установившемся режиме, штырь, выступающий из шпинделя станка, ударяет по остановочному участку, что приводит к останов. ке вращения двигателя. В той позиции, где произошло соударение штыря с остановочным участком, образованный на инструменте участок с вырезом оказывается перед участком, образованным на шпинделе, и затем инструмент жестко устанавливается в шпинделе. Поскольку фактическая скоростьравна нулю - двигатель прекратил вращение, сигнал частотной команды Ч становится равным сигналу скольжения Ч , Скоростное отклонениеоЧ = Ч - Ч= Чстановится максимальным, в результате чего Ч оказывается больше маг д напряжения ограничения Ч, Ог.,;. ничитель 33 действует по ограничению скоростного отклонения и вырабатывает в качестве выходного .н,.нала Ч.Сигнал част,.".ной команды делается равным сигна; у скольжения Ч и коо ф мандный сигнал первичного напряжения Ч. д.лее".ея разным Ч Ч . ВследЕ -Б 5 ос;вне .того приложенное к асинхронному двигателю первичное напряжение Формула и э о б р е т е н и я Устройство для упр:" пения асинхронным двигателем, содержащее инвертор напряжения, предназначенный для подключения выходо," к асинхронному двигателю, а входом - к неуправляемому выпрямителю, измеритель фактической скорости вращения двигателя, выход которого подключен к первому входу блока сравнения, второй вход которого подключен к блоку задания скорости, нелинейный блок с характеристикой типа насы 12910 мирования абсолютного значения отклонения скорости, дискриминатора полярности, преобразователя напряжение - частота, трехфазного кольцевого счетчика, двух умножителей, блока измерения напряжения, выполненного . в виде последовательно соединенных усилителя, КС-фильтра и выпрямителя, соединенного с выходом инвертора напряжения, блока сравнения, генератора Ю пилообразного напряжения и широтно- импульсного модулятора, составленного из трех компараторов, первые входы которых соединены с генератором пилообразного напряжения, аих выходы 15 через блоки синхронизации - с управляющими входами инвертора напряжения, выход второго формирователя абсолют- ного значения отклонения скорости.соединен с одним входом первого умножи теля, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, блока регулирования напряжения и частоты, второй вход указанного блока сравнения соединен с выходом блока измерения напряжения, выход упомянутого блока сравнения связан с одним входом второго умножителя, выходы которого подсоединены к вторым входам трех компараторов, другие входы вто ЗО рого умножителя через кольцевой счетчик соединены с преобразователем нап 34 12 ряженке - частота, вход которого через второй блок формирования абсолютного значения отклонения скоростисоединен с выходом блока суммирования,выход дискриминатора полярности подсоединен к управляющему входу кольцевого счетчика, вход первого блокаформирования абсолютного значения отклонения скорости соединен с выходомуказанного нелинейного блока, о т -л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения плавности регулированияскорости вращения при переменной нагрузке в блок регулирования напряжения и частоты введены генератор сигналов ограничения момента, генераторчастоты скольжения и ограничительнапряжения с двумя входами, при этомвыход генератора сигналов ограничения момента соединен с первым входомограничителя напряжения, второй входкоторого соединен с выходом первогоблока формирования абсолютного значения отклонения скорости, а выходограничителя напряжения подключен кдругому входу первого умножителя,вход дискриминатора полярности подсоединен к выходу упомянутого нелинейного блока, а выход дискриминатора полярности соединен через генератор частоты скольжения с другим входом блока суммирования..Лежнина корректор С.Шекмар Техред И.Ходанич Редакт аказ 7920/60 Тираж 661 ВНИИПИ Государс по делам изо 113035, Москва, Ж Подписноемитета СССР венного ретений 5 у Рауш и открытийкая наб., д. 4/5 Производственно-полиграФическое предприятие, г. Ужгород, ул.Проектная, 4