Способ управления двигателем двойного питания

СОЮЗ СОЯЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИКРЕСПУБЛИН А 1 4 Н 02 Р 7 46 ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИРМПРИ ГКНТ СССР ОБРЕТЕНИ 8 ИДЕТЕЛЬСТ 2 ЕН ИГАТ ЕЛ В 38 олитехнотнос зобрет ации с двойн ся к электроия я вля ется ески 8,8) етельст Р 7/46 ел ьст во Р 7/46,явт еля 1 ел ьно 0 зад о ССС1980СССР1979. Ьий ОПИСАНИ К АВТОРСКОМУ(57) Изобретени технике. Целью упрощение реали ления двигателе Способ заключае мотки 2,3 двига верторов 4, 5 ра с помощью блока особа управго питания.м, что на ободают от ин-. два напряжени ния разности3 15 153264 частот, устанавливают требуемое значение разности частот питающих напряжений пропорционально требуемой частоте вращения ротора двигателя 15 и коэффициенту электрической редукции. С помощью регуляторов 8,9 частоты определяют текущие значения частот питающих напряжений, в блоке 18 определяют разность этих частот, 10 сравнивают ее с требуемой и изменяют с помощью управляемого генератора 6 частоту первого питающего напряжения до величины, при которой полученная разность частот питающих напряжений не станет равной требуемой. С помощью блока 10 задают требуемый угол нагрузки, измеряют. посредством обмотки 16 и датчика 13 угла нагрузки действительное его значение и сравнивают указанные параметры по величине и 1Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано, в частности, при создании низкоскоростных следящих систем переменного тока с исполнительным двигателем двойного питания30Целью изобретения является упрощение реализации способа управления двигателем двойного питания.На фиг.1 представлен пример Функциональной схемы электропривода, реа лизующего способ управления двйгателем двойного питания", на фиг.2 и 3 векторные диаграммы, иллюстрирующие алгоритм выбора направления изменения частоты питающего напряжения в 40 зависимости от знаков требуемого угла нагрузки и рассогласования по углу нагрузки.Электропривод, реализующий способ управления двигателем двойного пита ния, содержит двигатель 1 (фиг.1) с двумя многофазными (в данном случае трехфазными) обмотками 2 и 3, которые подключены соответственно к выходам первого 4 и второго 5 инверторов, К входам регулирования частоты первого и второго инверторов 4 и 5 подсоединены соответственно выходы первого и второго управляемых генераторов 6 и 7, к входам которых подключены соот 55 ветственно выходы первого и второго регуляторов 8 и 9 частоты. Выход блока 10 задания угла нагрузки соединен с первым входом второго блока 11 сравзнаку, Если знаки требуемого и действительного углов нагрузки совпадают,то с помощью управляемого генератора7 увеличивают пропорционально рассогласованию частоту второго подводимого напряжения, а если указанные знаки противоположны, то частоту второго напряжения уменьшают пропорционально рассогласованию углов нагрузки до тех пор, пока рассогласованиепо углу нагрузки не станет меньшемаксимально допустимой величины, Всоответствии со способом все приращения электромагнитного момента обеспечиваются изменением частоты питающих напряжений, а не амплитуды. Врезультате появляется возможностьисключить из состава устройства узлыи блоки, связанные с регулированиемамплитуды питающих напряжений. 3 ил . нения и первым входом коммутатора 12 с изменяемым знаком, выход которого подключен к входу второго регулятора 9 частоты, К второму входу второго блока 11 сравнения подключен выход датчика 13 угла нагрузки, содержащего фазовый детектор 14, выход которого является выходом укаэанного датчика 13, и сумматор 15, выход которого соединен с первым входом фазового д тектора 14. К первому входу сумматора 15 подключен выход сигнальной обмотки 16, а к вторым входам сумматора 15 и фазового детектора 14 вьход датчика 17 тока, включенного в одну иэ фаз второй обмотки 3 двигателя 1 двойного питания, Выходы первого и второго регуляторов 8 и 9 частоты дополнительно подключены соответственно к первому и второму входам вычислителя 18 разности частот, выход которого соединен с первым входом первого блока 19 сравнения, выход которого соединен с входом первого регулятора 8 частоты, а второй вход - с выходом блока 20 задания разности частот. К входу блока 20 задания разности частот подключен выход блока 21 задания частоты вращения,Все блоки электропривода являются типовыми или выполняются по известным схемам. Инверторы 4 и 5 представЛяют собой обычные мостовые инверторы (например транзисторные) с соответст,вующими цепями управления. Управля5 15153емые генераторы 6 и 7 являются преобразователями напряжение - частота иликод - частота. Блоки 11 и 19 сравненияи вычислитель 18 разности частот ваналоговом варианте могут быть вы 5полнены в виде сумматоров на операционных усилителях (точнее, в видевычислителей) . В качестве блока 21задания частоты вращения обычно выступает какое-либо устройство управления более высокого уровня управления (например, регулятор положения,выполненный на базе управляющей ЭВМ),Блок 10 задания угла нагрузки может 15быть реализован в виде резисторногоделителя напряжения, питаемого напряжением той или иной полярности взависимости от того, какого знакадолжен быть требуемый угол нагрузки. 10Блок 20 задания разности частот ваналоговом варианте представляет собой обычный масштабный усилитель наоперационном усилителе с коэффициентом передачи, равным коэффициенту 25электрической редукции, Коммутатор12 с изменяемым знаком в аналоговомварианте может представлять собой аналоговый ключ, который коммутируетвходной сигнал на выход непосредствен-З 0но или через инвертор (например, наоперационном усилителе) в зависимости от сочетания знаков сигнала рассогласования по углу нагрузки и требуемого угла нагрузки, для чего поуправляющему входу аналогового ключадолжна стоять логическая схема, вьгполняющая логическую функцию "Эквивалентность". Регуляторы 8 и 9 частоты представляют собой последователь 40ные корректирующие устройства и выполняются, например, на операционныхусилителях с корректирующими цепочками, параметры которьм выбираются поизвестным методикам теории автомати"ческого управления. Датчик 17 токав простейшем случае - резистор с малым сопротивленим,1Согласно выражению (1) для обеспе" чения требуемой частоты вращения ротора ыР необходимо задать требуемую разность частот питающих напряжений ы, и ш пропорциональную требуемой частоте вращения ротора и коэффициенту электрической редукции К , причем значения частот ш, и ы,не играют роли, так как важна только их разность. В системе управления предусмотрен контур поддержания (стабилизации) разности частот питающих напряжений где до - разность частот питающихнапряжений.В системе управления двигателем двойного питания частоты ы второго питающего напряжения задается (может меняться), а частота ы, первого питающего напряжения автоматически выбирается в соответствии с выражением, получаемым из (1):ы,(с 1 = К,оэ,(е 1 +ы,(с 1, (3) где К о) - фактически требуемая раз"Р Рность частот питающих напряжений.Выполнение условия (3) обеспечивается во всех режимах работы двигателя двойного питания с помощью специального контура регулирования разности частот. Для этого измеряют текущие частоты Ы, первого и ь 1 второго питающих напряжений, вычисляют их текущуюраэность ды по формуле 50 55 Сущность способа управления двига" телем двойного питания заключается в следующем.Запитывают первую и вторую обмотки двигателя двойного питания от отдельных источников (инверторов) многофазными напряжениями переменного тока. У двигателя двойного питания на основе асинхронного двигателя с фазным ротором первой обмоткой можно считать обмотку статора, а второй 26 бобмотку ротора. У.индукторного двига-,. теля двойного питания обе обмотки расположены ыа статоре,Вынужденная составляющая частоты вращения ротора двигателя двойного питания определяется следующим выражением;.( ) ьз 1 с - с 7 х(г,)КРгде ьр - частота вращения ротора; м, и ы- угловые частоты соответственно первого и второго питающих напряженийК Р - коэффициент электрическойредукции (для двигателя двойного питания на основе асинхронного двигателя с фаэнымротором равен числу пар полюсов, а для индукторногодвигателя двойного питаниячислу зубцов ротора) .1535326 то угол нагрузки выражается следующим образом: сравнивают текущую разность частот стребуемой, равной К Рфыр , и подаютсигнал рассогласования по разностичастот на регулятор частоты первогопитающего напряжения. В результатетребуемая разность частот обеспечивается за счет изменения частоты перво 1 Ого питающего напряжения. Величина инаправление изменения частоты М первого питающего напряжения определяются автоматически самой системой, какэто имеет место во всех замкнутыхсистемах автоматического регулирова 5ния, использующих принцип работыпо. отклонению, т.е, с отрицательной обратной связью по регулируемому параметру. Следовательно, при любой частоте и) второго питающего напряжения 20разность частот будет равна требуемой а следовательно, и частота вра щения ротора будет равна требуемой.В установившемся режиме при постоянной частоте вращения ротора и пос-,- 25тоянном моменте нагрузки на валу дви"гателя угол нагрузки также постоянен,так как электромагнитный момент двигателя равен моменту нагрузки. Приизменении задания по частоте вращения 30(при переходе на новую частоту враще-.ния ротора) или при изменении момента нагрузки на валу возникает дисбаланс между электромагнитным моментоми моментом нагрузки. 35Двигатель двойного питания, каки любая синхронная машина, имеет внутренний контур регулирования электромагнитного момента, под действиемкоторого начинает изменяться угол нагруэки так, чтобы в конечном итогеэлектромагнитный момент стал равныммоменту нагрузки. Наличие этого контура обусловлено самой конструкциейдвигателя двойного питания, Если бы 45в системе отсутствовало принудительноевнешнее регулирование угла нагрузки,то угол нагрузки мог бы выйти за пределызначений +90 в некоторых режимах, двигатель выпал бы из синхронизма и сталнеуправляемым. Поэтому в системе управления двигателем предусмотрензамкнутый контур регулирования угланагрузки (внешний контур).Для принудительного регулированияугла нагрузки задают требуемое значение угла нагрузки и сравнивают егос измеренным действительным. Сигналрассогласования по углу нагрузки подают на регулятор частоты второго инвертора, и частота м, второго питающего напряжения измеряется таким образом, чтобы в конечном итоге рассогласование по углу нагрузки стало минимальным (в йдеале - равным нулю).Необходимая величина изменения частоты второго питающего напряжения определяется системой автоматически, как это имеет место во всех системах автоматического регулирования, построенных с использованием принципа регулирования по отклонению регулируемого параметра (в данном случае - угла нагрузки). Необходимо только, чтобы обратная связь по регулируемому параметру всегда была отрицательной.Для двигателя двойного питания возможны два режима работы: когда момент нагрузки на валу является тор мозным, а электромагнитный момент двигателя - вращающим и когда момент нагрузки на валу является вращающим,а электромагнитный момент двигателя - тормозным. В первом случае угол нагрузки в установившемся режиме отрицательнЫй, поэтому требуемый угол нагрузки задается отрицательным, а во втором случае - угол нагрузки положительный и требуемый угол нагрузки должен задаваться положительным. Оба случая иллюстрируются векторными диаграммами на фиг.2 (тормозной момент нагрузки) и на фиг.З (вращающий момент нагрузки). На диаграммах показаны: ц - обобщенный вектор питающих напряжении;Б - ось, связанная со статором, относительно которойизмеряются все углы;К - заданное положение осиоротора, соответствующеетребуемому углу нагрузки; В и Й- возможные положения осиротора при отклонении ееот заданного положения/действительного угланагрузки от требуемого/Угол нагрузки определяется как угол между осью ротора и обобщенным вектором питающих напряжений. Если принять для простоты величину коэффициента,электрической редукции(6) где б" - угол нагрузкиЧр- угол поворота ротора;Ч- угол поворота обобщенного 5вектора питающих напряжений, все углы измеряются относительно одной оси Б, связанной со статором.Рассогласование по углу нагрузки вычисляется по следующей формуле: где дК- рассогласование по углу нагрузки;д, - заданный (требуемый) угол15нагрузки;Ф - действительный угол нагрузки,Понятие обобщенного вектора питающих напряжений для двигателя двойного питания имеет следующий смысл. Так как имеются две обмотки, питаемые от отдельных источников, то фактически существуют и два вектора питающих напряжений. Однако их можно условно заменить одним обобщенным вектором, вращающимся в пространстве с разностной скоростью согласно выражению (2). Угол поворота обобщенного вектора питающих напряжений тог- ЗО да выразится следующим образом: Мн(С) =И,(С) - 41(С)1 С) (7) где С - текущее время. 35физическое обоснование регулирования угла нагрузки путем изменения частот питающих напряжений заключается в следующем.Пусть, например, на ротор двигате О ля двойного питания действует тормозный момент нагрузки (фиг.2) . Тогда ротор двигателя (его ось) будет от" ставать от обобщенного вектора питающих напряжений. Это означает, что 45 угол нагрузки в установившемся режиме отрицательный . согласно выражению (5) . Положение оси ротора, соответствующее этому режиму, обозначено К .Допустим, что момент нагрузки несколько увеличился и ось ротора заяняла положение К . Тогда вычисленное согласно выражению (6) рассогласование по углу нагрузки а ъО.Для уменьшения рассогласования по углу нагрузки необходимо увеличить электромагнитный момент двигателя, чтобы он стал равен изменившемуся 1 увеличившемуся) моменту нагрузки, за,счет внешнего регулирования . Если уменьшить частоты питающих напряжений, то пропорционально уменьшатся индуктивные сопротивления обмоток и при постоянных амплитудах питающих напряжений произойдет обратно пропорциональное изменение токов (т.е. увеличение их), которое приведет к увеличению электромагнитного момента. Угол нагрузки начнет уменьшаться дотех пор, пока рассогласование по углу нагрузки не станет минимальным (в идеале - равным нулю).Нри уменьшении момента нагрузки ось.ротора займет положение К, Рассогласован ие по углу нагрузки в этом случае будет ддО.Для уменьшения рассогласования необходимо также уменьшить электромагнитный момент двигателя. Для этого следует увеличить частоты питающих напряжений, соответственно, уменьшаются токи в обмотках и. электромагнитный момент. Действительный угол нагрузки остается равным (или близким) требуемому.На фиг,З приведена векторная диаграмма для случая вращающего момента нагрузки направленного по ходу вращения ротора. В данном случае угловое положение ротора опережает угловое положение обобщенного вектора питающих напряжений, поэтому согласно (5) угол нагрузки в установившеммя режиме (и требуемый угол нагрузки) будет положителен. При увеличении момента нагрузки ось ротора займетф Ъположение К ирассогласование пО углу нагрузки согласно (6) Л Р с О,Для уменьшения рассогласования по углу нагрузки необходимо увеличить электромагнитный момент двигателя. Поэтому следует уменьшить частоты питающих напряжений, что приведет к увеличению токов в обмотках и возрастанию электромагнитного момента. Если момент нагрузки уменьшится, то ось ротора займет положение К , а рассогласование по углу нагрузки согласно (6) лдО.Для уменьшения рассогласования по углу нагрузки необходимо уменьшить электромагнитный момент двигателя. Поэтому следует увеличить частоты питающих напряжений, что приведет к уменьшению токов в обмотках и умень-шению электромагнитного момента.15153 10 Поэтому разность частот питающих нап ряжений остается неизменной, неизменнеобходимое для восстановления ба- щланса с момента нагрузки, обеспечива 25 ванием амплитуды, Постоянство амплиту 35 и второго 7 управляемых генератороврегулируется в соответствии с сигна 55 Таким образом, если знаки рассогласования по углу нагрузки и требуемого угла нагрузки совпадают, то для стабилизации угла нагрузки следует увеличить частоту второго питающего напряжения, а если знаки противоположны - уменьшить.При изменении частоты второго питающего напряжения изменяется и частота первого питающего напряжения согласно выражению (3), что обеспечивается контуром регулирования разности частот питающих напряжений. ной остается и скорость ротора. В соответствии со способом все приращение электромагнитного момента,ется не изменением угла нагрузки или амплитуды напряжения, а изменениемчастот питающих напряжений, Инверторы с регулировкой только частоты выходного напряжения всегда проще инверторов с дополнительным регулироды выходного напряжения инверторовпозволяет полностью использоватьих по напряжению во всех режимах работы, что снижает потери насинцовых элементах и повьппает эконо 1мичность инверторов.Электропривод, реализующий способ . управления двигателем двойного питания, работает следующим образом.Первая 2 и вторая 3 обмотки двигателя 1 двойного питания запитаны многофазными (в данном случае трехфаэными) питающими напряжениями с.оответственно от первого 4 и второго 5 инверторов. Частота инвертора 4 задается с помощью первого управляемого генератора 6, а частота работы второго инвертора 5 - с помощью второго управляемого генератора 7. Частота выходных импульсов первого 6 лами, получаемыми с выходов соответ-, ственно первого 8 и второго 9 регуляторов частоты. Первый 6 и второй 7 управляемые генераторы представляют собой преобразователи аналог-частота или код-частота (в зависимости от того, аналоговая или цифровая система управления) . Регуляторы 8 и 9 частоты являются последовательными 30 40 26 2корректирующими устройствами, реализующими какой-либо из законов управления (пропорциональный, пропорционал ьно-интеграл ьный, пр опор ционал ьно-интегрально-дифференциальный и т.п.), определяемый из условия обеспечения устойчивости и точности регулирования по известным методикам теории автоматического управления. Блок 21 задания частоты вращения, в качестве которого может служить, например, регулятор положения следящей системы, формирует сигнал, соответствующий требуемой частоте вращения ротора, преобразуемый блоком 20 задания разности частот в требуемую разность частот питающих напряжений (преобразование сводится к умножению входного сигнала на масштабный коэффициент, равный коэффициенту электрической редукции К). С помощью первого блока 19 сравнения определяется рассогласование по разности частот, для чего из требуемой разности частот питающих напряжений вычитается текучая разность частот питающих напряжений, определяемая с помощью вычислителя 18 разности частот, выполняющего операцию вычитания сигнала, соответствующего частоте второго питающего напряжения, иэ сигнала, соответствующего частоте первого питающего напряжения. Сигнал рассогласования по разности частот поступает на вход первого регулятора 9 частоты и, таким образом, получается замкнутый контур регулирования разности частот питающих напряжений с отрицательной обратной связью, Датчиком обратной связи, измеряющим текущую (действительную) разность частот, служит вычислитель 18 разности частот. Этот контур регулирования обеспечивает изменение частоты первого питающего напряжения (частоты выходного напряжения первого инвертора 4) таким образом, что при любой частоте питающего напряжения, которая задается сигналом с выхода второго регулятора 9 частоты, текущая разность частот питающих напряжений всегда будет равна (или очень близка) требуемой разности, поэтому и частота вращения ротора будет равна (или очень близка) требуемой частоте вращения .1С помощью блока 10 задания угла нагрузки задается рабочий угол нагрузки, который должен поддерживаться.Возможны и другие конкретные исполнения датчика 13 угла нагрузки. Требуемый и действительный углы нагрузки сравниваются с помощью второго 10 блока 11 сравнения, на выходе которого формируется сигнал рассогласования по углу нагрузки. Коммутатором 15 12 с изменяемым знаком сигнал рассогласования по углу нагрузки подаетсяна вход второго регулятора 9 частоты.Таким образом, получается замкнутыйконтур регулирования угла нагрузки своздействием на частоту второго инвертора 5 (на частоту второго питающего напряжения). Этот контур оказывает стабилизирующее действие только 25 тогда, когда обратная связь по углунагрузки отрицательнаЗнак и величина угла нагрузки зависят как от электромагнитного момента двигателя (который определяется частотами питающихнапряжений в данном случае), так и от 30 момента нагрузки на валу. При изменении знака момента нагрузки электромагнитный момент двигателя также меняетзнак под действием внутреннего контура регулирования момента, присущегодвигателю двойного питания, как ивсякой синхронной машине. При этомзнак обратной связи, по углу нагрузкитакже меняется. В рассматриваемомэлектроприводе предусмотрено принудительное изменение знака обратной связи по углу нагрузки в зависимостиот того, с каким по знаку углом нагрузки работает двигатель, Знак требуемого угла нагрузки задается блоком10 задания угла нагрузки в зависимости от того, в каком режиме предполагается работа двигателя двойногопитания - с вращающим или с тормозным моментом нагрузки. Для переключения знака обратной связи служиткоммутатор 12 с изменяемым знаком,который обеспечивает передачу сигна-ла рассогласования по углу нагрузкина вход второго регулятора 9 частотыс тем или иным знаком. Логическаясхема на входе коммутатора 12 с изменяемым знаком определяет сочетаниезнаков рассогласования по углу наг" 35 50 13 15153 системой управления электроприво/дом. Датчик 13 нагрузки измеряет действительный угол нагрузки двигателя двойного питания, используя для этого, например, сигналы, получаемые5 с сигнальной обмотки 16 и датчика 17 тока. 26 )4рузки и требуемого угла нагрузки: если знаки совпадают, то на вход второгб регулятора частоты 9 передается сигнал рассогласования по углу нагрузки с положительным знаком (и частота выходного напряжения второго инвертора 5 увеличивается), если знакиЪ противоположны, то сигнал рассогласования по углу нагрузки передается с 1 отрицательным знаком (и частота вы-:ходкого напряжения второго инвертора 5 уменьшается) .При отклонении действительного угла нагрузки от требуемого в системе управления электроприводом будут одновременно протекать два процесса автоматического регулирования: процесс стабилизации угла нагрузки (эа счет изменения второго питающего напряжения) и процесс стабилизации разности частот питающих напряжений (за счет изменения частоты первого питающего напряжения). Процессы регулирования прекратятся после того, как рассогласование по углу нагрузки станет минимальным (в идеале - равным нулю). Оба процесса регулирования протекают автоматически благодаря самому принципу регулирования по отклонению с отрицательной обратной связью, используемому в данном случае. Зависимости разности частот питающих напряжений от частоты первого питающего напряжения и угла нагрузки от частоты второго питающего напряжения нелинейны. Однако эти нелинейности находятся внутри соответствующих контуров регул лирования и охвачены отрицательными обратными связями, а в таком случае, как известно иэ теории автоматического управления, эти нелинейности практически не сказываются на качестве регулированияТаким образом, в соответствии с предлагаемым способом управления двигателем двойного питания нет необходимости выполнять источники питания (инверторы) с регулировкой амплитуды выходного напряжения, что в сравнении с известным решением определяет упрощение реализации, повьг шение экономичности и надежности системы управления.Формула изобретенияСпособ управления двигателем двойного питания с двумя многофазными обмотками, при котором указанные обмотки подключают соответственно к. Вес еловская Техред А, Кравчук ектор Л.11 атаи еда Заказ Ь 29 1/54 5 Тираж 5 1 Подпис ноета по изобретениям и открытиям при 1 КНТ СС , Ж, Раушская наб., д, 4/5 осударственного коми 113035, МоскПроизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 1 первому и второму многофазным питающим напряжениям переменного тока, устанавливают требуемую разность частот питающих напряжений пропорционально требуемой частоте вращения5 ротора и коэффициенту электрической редукции, измеряют текущее значение частот первого и второго питающих напряжений, вычитают текущее значение частоты второго питающего напря,жения из текущего значения частоты первого питающего напряжения и сравнивают полученную разность с требуемой разностью частот питающих напря жений, изменяют частоту первого питающего напряжения до величины, при которой текущее значение разности частот питающих напряжений станет равной требуемой разности питающих напряжений, обеспечивая тем самым требуемую частоту вращения ротора двигателя, задают требуемый угол нагрузки и максимально допустимую величину рассогласования по углу нагрузки, измеряют действительный угол нагрузки,вычитают действительный угол нагрузкииз требуемого угла нагрузки и используют полученный сигнал рассогласования для регулирования угла нагрузки,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью упрощения реализации, определяют знаки требуемого угланагрузки и рассогласования по углу нагрузки, сравнивают знак рассогласования по углу нагрузки сознаком требуемого угла нагрузки и,если укаэанные знаки совпадают, увеличивают пропорционально рассогласованию по углу нагрузки частоту второго питающего напряжения, а если указан-ные знаки противоположны, то уменьшают пропорционально рассогласованиюпо углу нагрузки частоту второго питающего напряжения до тех пор, пока рассогласование по углу нагрузки не станет меньше максимально допустимойвеличины рассогласования по углу нагрузки,г