Способ управления асинхронным электроприводом и устройство для его осуществления

1458962 первый вход которого соединен с выходом пропорционально-интегральногорегулятора скорости, а выход - с одним из входов второго элемента сравнения, подключенного другим входом квыходу эадатчика начального потокосцепления ротора, второй сумматор,первый вход которого объединен свторым входом блока умножения, с управляющим входом по частоте блокапреобразования координат и подключен к выходу первого сумматора, второй вход второго сумматора через масштабный элемент подключен к выходупропорционально-интегрального регулятора скорости, а выходы второго элемента сравнения и выход второго сумматора подключены соответственно кпервому и второму управляющим входам по квадратурным составляющим напряжения статора блока преобразования координат, о т л и ч а ю щ е е -с я тем, что, с целью повышения качества переходных процессов за счетувеличения быстродействия, введенэлемент дифференцирования, а второйсумматор снабжен дополнительным третьим входом, подключенным к выходуэлемента дифференцирования, вход которого соединен с выходом пропорционально-интегрального регулятора скорости. Изобретение относится к электротехнике, в частности к регулируемому электроприводу, построенному на основе асинхронного двигателя с коротко 5 замкнутым ротором, и может. быть использовано для управления скоростью и моментом рабочих органов машин и механизмов, например, в приводах станков, сварочных агрегатов, промьпппенных роботов и следящих систем различного назначения,Целью изобретения является повыше ние качества регулирования за счет увеличения быстродействия при контроле мгновенной фазы фаэных напряжений на обмотках статора. 3. Устройство по п. 2, о т л и -ч а ю щ е е с я тем, что блок преобразования координат снабжен преобразователем напряжение - частота,адресным счетчиком, первым и вторымпостоянными запоминающими блоками,запрограммированными соответственнопо законам синуса и косинуса, блокомсумматоров и четырьмя цифроаналоговыми преобразователями, цифровыевходы первого и второго из которыхподключены к выходу первого постоянного запоминающего блока, аналоговые входы первого и третьего, второ,го и четвертого цифроаналоговых преобразователей попарно объединенымежду собой и образуют соответственно первый и второй управляющие входыпо квадратурным составляющим напряжения статора блока преобразованиякоординат, вход преобразователя напряжение - частота образует управляющий вход по частоте блока преобразования координат, а выход подключен квходу адресного счетчика, соединенного выходом с входами постоянных запоминающих блоков, выходы цифроаналоговых преобразователей подключены квходам блока сумматоров, выходы которого образуют. выходы блока преобразования координат,На фиг, 1 представлена функциональная схема устройства для управления асинхронным электроприводом, реализующего данный способ; на фиг. 2 функциональная схема блока преобразования координат; на фиг, 3 и 4 - диаграммы, поясняющие функционирование устройства.Устройство для управления асинхронным электроприводом содержит (фиг. 1) асинхронный двигатель 1 с короткозамкнутым ротором, статорные обмотки которого подключены к вьмодам автономного инвертора 2 напряжения, соединенного управляющими входами с выходами блока 3 преобразования координат, выполненного с управляю3 14589 щим входом по частоте и с первым и вторым управляющими входами по квадратурным составляющим напряжения статора, последовательно соединенные задатчик 4 скорости, лервый элемент 5 сравнения, пропорционально-интегральный регулятор 6 скорости и первый сумматор 7, датчик 8 скорости, установленный на валу асинхронного двигателя 1 с короткозамкнутым ротором, подключенный выходом к объединенным между собой другим входом первого элемента 5 сравнения и первого сумматора 7, блок 9 умножения, первый вход которого соединен с выходом пропорционально-интегрального регулятора 6 скорости, а выход - с одним из входов второго элемента 10 сравнения, подключенного другим входом к выходу задатчика 11 начального потокосцепления ротора, второй сумматор 12, первый вход которого объединен с вторым входом блока 9 умножения, с управляющим входом 25 по частоте блока 3 преобразования координат и подключен к выходу первого сумматора 7, второй вход второго сумматора 12 через масштабный элемент 13 подключен к выходу пропорционально-интегрального регулятора 6 скорости, а выход второго элемента 10 сравнения и выход второго сумматора 12 подключены соответственно к первому и второму управляющим входам по35 квадратурным составляющим напряжения статора блока 3 преобразования координат. В устройство для управления асинхронным электроприводом введен элемент 14 дифференцирования. Второй сумматор 12 снабжен дополнительным третьим входом, подключенным к выходу элемента 14 дифференцирования, вход которого соединен с вьпйдом пропорционально интегрального регулятора 45 6 скорости.Блок 3 преобразования координат снабжен (фиг. 2) преобразователем 15 напряжение - частота, адресным счетчиком 16, первым и вторым постоянными запоминающими блоками 17 и 18, запрограммированными соответственно по законам синуса и косинуса, блоком 19 сумматоров и четырьмя цифроаналоговыми преобразователями 20- 23. Цифровые входы цифроаналоговых преобразователей 20 и 21 подключены к выходу первого постоянного запоминающего блока 17, а цифровые вхо 62 4ды цифроаналоговых преобразователей22 и 23 - к выходу второго постоянного запоминающего блока .18,Аналоговые входы цифроаналоговыхпреобразователей 20, 22 и 21, 23 попарно объединены между собой и образуют соответственно первой и второйуправляющие входы по квадратурнымсоставляющим напряжения статора блока 3 преобразования координат. Входпреобразователя 15 напряжение - частота образует управляющий вход почастоте блока 3 преобразования координат, а выход подключен к входуадресного счетчика 16, соединенноговыходом с входами постоянных запоминающих блоков 17 и 18. Выходы цифроаналоговых преобразователей 20-23 подключены к входам блока 19 сумматоров,выходы которого образуют выходы блока3 преобразования координат.Устройство для управления асинхронным электроприводом работает следующим образомНа выходе задатчика скорости 4формируется напряжение задания скорости И . При У = 0 и отсутствии сиг 4. +нала на выходе датчика 8 скорости напряжение на выходе элемента 10 сравнения равно уставке ( , определяемойо фзадатчиком 11 начального потокосцепления ротора. С помощью блока 3 преобразования координат указанная устав.ка напряжения преобразуется в три постоянных напряжения, отрабатываемыхавтономным инвертором 2 напряженияс широтно-импульсной модуляцией. Приэтом статорные обмотки асинхронногодвигателя 1 питаются постоянным напряжением. Потокосцепление ротора фопостоянно по величине и неподвижнов пространстве. Момент и скоростьвращения асинхронного двигателя равны нулю.Блок 3 преобразования координат вуказанном режиме не изменяет фазу выходного напряжения, так как на выходе преобразователя 15 напряжение -частота (фиг. 2) отсутствуют импульсы развертки, адресный счетчик 16 определяет произвольное состояние постоянных запоминающих блоков 17 и 18в результате чего на выходах цифроаналоговых преобразователей 20 и 22при произвольных дискретных выборкахсинусной и косинусной функций формируются два постоянных напряжения,определяемые уставкой5 145896Векторная диаграмма (фиг, 3) поясняет начальное состояние асинхронного двигателя 1, в котором вектор напряжения статора 0 , вектор токаэа ф 5статора Ц и вектор потокосцепления5 оротора (г постоянны, При этом все"оукаэанные векторы совпадают по направлению,Вектор потокосцепления статора (17 совпадает с направлением 1 Овектора ( и момент равен нулю.При подаче на вход элемента 5сравнения напряжения задания скорости И на выходе пропорционально-интегрального регулятора 6 скорости 1 Ввозникает скачок напряжения с последующим его возрастанием, темп которого определяет величину напряжения на выходе элемента 14 дифференцирования. В результате напряжение 20Б на выходе элемента 10 сравненияскачком спадает и затем непрерывноуменьшается, напряжение Б на выходе второго сумматора 12 скачком нарастает и затем непрерывно возрастает и напряжение с выхода первого сумматора 7 также скачком изменяется ивозрастаетНа выходе блока 3 преобразованиякоординат происходит скачок и изме- ЗОнение Фазы трехфазного напряжения,скачок и изменение его амплитуды ичастоты, Эти изменения управляющихнапряжений на входе автономного инвертора 2 напряжения с широтно-им"пульсной модуляцией приводят к аналогичным изменениям фазы, частоты иамплитуды трехфазного напряжения статора асинхронного двигателя 1.В связи с инерционностью простран" 40ственного перемещения вектора потокосцепления ротора ( при форсированном увеличении напряжения 05 иуменьшении 05 образуется скачок фазы вектора тока статора 1 и скачок 4 Вфазы потокосцепления статора ,(Фиг. 4). Образуется момент двигателя, скорость ротора возрастает, возрастает выходное напряжение датчика8 скорости, которое уменьшает выход- ВОное напряжение пропорционально-интегрального регулятора 6 скорости,соответствующее требуемому моментуМ, до установления равенства требуемого момента М и момента нагрузкиМна валу асинхронного двигателя 1,Приращение требуемого момента Ми действительного момента М происходит до выравнивания требуемой скорости уф и действительной скорости Ю В результате указанный электропривод имеет абсолютно жесткие механические характеристики скорости при любом, в том числе и скачкообразном, измении момента М.фаза напряжения статора, задаваемая с малым шагом дискретизации порядка 1 , управляется путем взаимоосвязанного изменения трех входных аналоговых напряжений блока 3 преобразования координат, одно из которых характеризует требуемую частоту напряжения статора Я" = 2 Гц при условии постоянства двух других входных аналоговых напряжений 17 = сопят9 Псопв 1 в статическом режиме элезкктропривода, а в общем случае соответствует требуемой частоте потокосцепления ротора ( (Т) и угловой скорости вращения вектора потокосцепления ротора относительно статора йв = 2 и 1, . Второе входное аналогоЮгвое напряжение ц 5 характеризует первую квадратурную составляющую напряжения статора П 5. Третье входное аналоговое напряжение П 5 характеризует вторую квадратурную составляющую напряжения статора Б . Амплитуда напряжения статора Пэ и две его квадратурные составляющие связаны соотношениемц - цг +у (1)Х 7где Б и П - проекции вектора на 5 5 хпряжения в декартовойсистеме координат,ориентированные повектору потокосцепления ротора (оВеличину И изменяют в зависимости от требуемого момента М и требуемой частоты Яэ, определяя ее какразность уставки (7 и напряжения, пропорционального произведению Мсдфдрмируемого на выходе блока 9 ум 4ножения, Уставка Ц 7 определяет велиочину начального потокосцепления ротора ( = юг . При этом взаимосвязанные действия над частотой цз и квадратурными составляющими О и Бопределяют из условия постояйства амплитуды потокосцепления ротора вовсех режимах работы асинхронного двигателя (== 4 = сопя из известных дифференциальных уравнений;описывающих электромагнитные переходные процессы в асинхронном двигателе.7 145896В режиме постоянства потокосцепления ротораразность абсолютных уголовых скоростей вращения относительно оси статора Б вектора потокосцеплею 5 ция ротора(,ц и вектора ротора К (фиг.4),соответствующая скрльжению вектора потокосцепления ротора у.относительно ротора, пропорциональна моменту двигателя: 1 О 2 Кг 4 Ы=а -1 = --- - М (2) 3 Е Р фо, - амплитуда потокосцепленияротора,М - момент двигателя,Так как целью управления моментом 20является соответствие действительного момента М требуемому моменту М,т.е.: то управляемая частота напряжения статора, пропорциональная требуемому моменту М, характеризует согласно (2) требуемую угловую скорость вра щения вектора потокосцепления ротора относительно ротора ья, а сумма этой частоты и скорости ротора определяет требуемую абсолютную угловую скорость вращения вектора потокосцепления ротора относительно неподвижной оси статора, т.е. требуемую частоту потокосцепления ротора, которую задают выходным напряжением первого сумматора 5 и преобразуют в по О следовательность импульсов развертки с помощью преобразователя 15 напряжение - частота. Каждый выходной импульс развертки преобразователя 15 напряжение - частота сдвигает фазо 45 вый угол ц потокосцепления ротора относительно оси статора И (фнг. 4). на одну дискрету ЫРз, составляющуюомалую величину (порядка 1 ), с помощью адресного счетчика 16 и постоянных запоминающих блоков 17 и 18, на выходе которых формируются коды дискретных выборок синусной и косинусной функций фазового угла потокосцеп ления ротора (рз, а именно сов (р на выходе блока 17, з 1 п(р - на выходе блока 18.Коды соз ( и зп(у поступают на цифровые входы цифроаналоговых преобг 8разователей 20, 21 и 22, 23 соответственно, в результате чего каждая дискретная вЫборка соз рэ и з 1 пз умножается на второе и третье ана 4 клоговые напряжения цз и цз, постузхфпающие на соответствующие аналоговые входы указанных цифроаналоговых преобразователей. На выходах цифроаналаговых преобразователей 20-23 образуются дискретно изменяющиеся аналоговые напряжения, пропорциональные произведениям квадратурных составляющих напряжения ц и ц на косинус иэ ксинус фазового угла потокосцепления ротоРа, которые суммируются в блоке 19 сумматоров согласно известным уравнениям векторного преобразования из декартовой вращающейся системы у, х, к декартовой неподвижной системе координат ( Н, ориентированной по оси статора Г, а именно по оси фазной обмотки а: цэ = цз = ц,соз(Р - - ц з 1 п(Р ,(4) эа зо,3 зх 5)= ц з 1 пЧ + цз озЧ (5) где ц - мгновенное фазное напряженание статора в опорной фазной обмотке статора ц , относительно .которой осуществляют преобразование координат.С помощью блока 19 сумматоров из двухфазного напряжения Ц 5, Цз образуется трехфазное напряжение,соответствующее напряжениям питания статорных обмоток с учетом схемы соединения обмоток двигателя.На управляющий вход по частотег блока 3 преобразования координат поступает сигнал, соответствующий частоте изменения потокосцепления ротора. При этом напряжения ц 5 , цзх определяются как проекции вектора напряжения статора ц во вращающейся системе координат у, х, ориентированной по вектору потокосцепления ротора ф, , при совпадении оси у с направлением вектора потокосцепления ротора (у, т.е., = 9 г,4 х= 0связи с этим управление фазой напряжения ц (е) относительно потоко- . сцепления ротора 4 (с) осуществляют процессом взаимосвязанных действий над квадратурными составляющими ц , ц , соответствующими проекциями векбкфтора напряжения цз на ось у вектора(13) 9 14589 потокосцепления ротораи ось х, ортогональную по отношению к вектору потокосцепления ротора у (фиг. 4).Эти действия определяют в эависи% 5 мости от требуемого момента М и требуемой частоты Я с учетом эаданхного с помощью постоянного напряжениярежима постоянства амплитудыопотокосцепления ротораиэ известоных дифференциальных уравнений асин- хронного двигателя для статорной цепи при вращении координат у, х со скоростью Яэ .При постоянстве амплитуды потоко сцепления ротора ( = сопвй амплитуда потокосцепления статора эМэ непостоянна, а фаза потокосцепления статора относительно потокосцепления ротора изменяется в зависимости от 20 момента двигателя так,что проекция вектора потокосцепления статора на ось у, совпадающую с направлением вектора потокосцепления ротора, постоянна, т.е.: 25 где Ь - индуктивность статора;Ь - взаимная индуктивность;Ь - индуктивность ротора;Ь - переходная индуктивность. 35+Для требуемого момента М , пропорционального выходному напряжению пропорционаЛьно-интегрального регулятора 6 скорости, при соблюдении усло вия (2) для управляемой частоты ЬМ = 40Фйо и условия для суммарной частоты на выходе. первого сумматора 5 45 с учетом связей потокосцеплений (6), (7) и квадратурных составляющих напряжения (1) из дифференциальных; уравнений статорной цепи, описывающих связь проекций напряжения и проекций 0 потокосцепления статора, определяют ,составляющие напряжения статора: При этом управляющие напряжения О и У на входах блока 3 преобразоЬ Ъ,квания координат определяются как П П% КМИС П П 5 КЦ Ф а посто янное управляющее воздействиекак= 1/КЕ/1.,(К- коэффициент передачи по напряжению в блоках 2 и 3).Фаза напряжения статора, равная фаэовому углу вектора напряженияотносительно неподвижной оси статора, Б, изменяется согласно предлагаемому способу управления как сумма фазы потокосцепления ротора Ц равной фазовому углу вектора потоко" сцепления ротора ( относительно неподвижной оси статора Б, которую получают путем развертки во времени требуемой частоты (Я (С)ЙС,ои фазы напряжения статора относительно потокосцепления ротора(фиг.4):- -и,"йс + (11)опри этом фазу напряжения статора относительно потокосцепления ротораизменяют путем изменения соотношения первой и второй квадратурных составляющих напряжения,Согласно связи фаэ (11) фазу напряжения статораизменяют путем изменения требуемой частоты Яв и относительной фазы напряжения статораопределяемой связями (9), (10), соотношением мгновенных величин квадратурных составляющих напряжения статора Б и Пз согласно связи (12), которое зависит от требуемого момента М , скорости его изменения ЙМ ЯТ и .к Ф требуемой частоты ЯПри этом частота напряжения статора изменяется как сумма частот, определяемых из (11) и (12):Первая составляющая частоты напряжения статора И , равная частоте по%14589 токосцепления ротора, изменяется синхронно с магнитным полем, сцепленным с ротором, поэтому называется синхронной частотой. Синхронная% 5 частота Я является опорной частотой для преобразования синхронно вращающейся декартовой системы координат у, х в неподвижную систему декартовых координат о, й, причем неподвиж ная осьсовпадает с осью фазы а трехфаэной статорной обмотки а,Ь,с.При данном способе управления симметричное трехфазное напряжение етатора, характеризуемое пространствен ным вектором напряжения статора 0 формируют в декартовых координатах х, у, синхронизированных требуемой частотой потокосцепления ротора ЯФ 5 = а + 2 К/32(1 М, которую изменя ют в функции измеренной скорости Я требуемой амплитуды потокосцепления ротора (, пропорциональной величинеуфпостоянного входного воздействия, и+требуемого момента М, пропорциональ ного входному управляющему воздействию.Регулирование в декартовых координатах.х, у угла фазового сдвига пространственного вектора напряжения 30 статора 0 относительно пространстэвенного вектора потокосцелления роторапроизводят путем регулирования временных векторов фазных напряжений статора 115 , Гэь, 05 по закону для мгновенного фазного напряжения статора в фазе а(14) 40 где О - мгновенная амплитуда фаз 5 г 1ного напряжения, равная квадратурной сумме двух составляющих напряжения статора Ц и Ц 45 Эп 5 Э"М) с 1 Е,а фазаэ напряжения статора образуется только разверткой частоты во50. времени: Б (т) - 13, .оэср Б эдпс5 5 5 х Ь) где фаза синхронизации ц изменяется путем изменения синхронной частоты1%- 2 Кг Ч = (д с 1 = (Я + -- щ-чще3 Ко о а составляющие фазного напряжения статора Б 5 и Б 5 являю 1 ся проекци ями пространственного вектора напряжения статора в декартовых координа- тах, ориентированных осью у по направлению пространственного вектора потокосцепления ротора,Это позволяет осуществлять мгновенный скачок фазы напряжения статора путем скачкообразного изменения 62 12проекций 05,05, которые при управ 5 хфленни в полярных координатах влияют лишь на величину амплитуды напряжения статора и на частоту напряжения статора. Скачок частоты не приводит к скачку фазы, что является недостатком управления напряжением статора в полярных координатах, так как мгно- венная фаза и, следовательно, относительный фазовый сдвиг напряжения статора и потокосцепления ротора не регулируется при набросе и сбросе требуемого моментаВводя обозначения: К, = К 5/Ь .К =2 Ь Ьг/ЗЕМЬ Уг(Ь = Ь 5 - Ь /Ьг переходная индуктивность); Кэ =2 К/32111; К = Ж 5 Ьг/32 Ь,; К Ь /Ь Юг ф Кб 2 ЬэЬг/32 Ьг(г (4 - требуемая амплитуда фаэного потокосцепления ротора, пропорциональная постоянному входному воздействию), операции над напряжением ста. тора описывают прямой аналитической зависимостью мгновенного фазного напряжения статора в одной из фаэ, например фазе о , в функции от входных воздействий М , уи измеренной+ сгоскорости Я ,В полярных координатах управления мгновенное фазное напряжение статора Б (с) описывается уравнением эаи,= ц, йп( (и+ к,и) + 5(И+ К 1 М) +")йй (16) о В этом случае скачок величины требуемого момента приводит к скачку лишь мгновенной амплитуды 115 , нофаза 11 скачком не изменяется.(19) 1 ЗВ декартовых координатах управления фазное напряжение статора Оэ (С) формируют по законуэдУ (Е) = Ц сов (Са+К М)5 5-О в 1 п (и км), (17)опри котором мгновенная амплитуда фазного напряжения изменяется по тому же закону (15), справедливому и для полярных координат управления, но мгновенная фаза напряжения статора изменяется по другому закону и скачком .изменяется как при скачке величичны требуемого момента М , так и при любом его изменении М(С) по закону," 1 (и + ,и")йс +К,М+К, +Касс"ф К ч +К М( +К М)(18)Уг+ йэ Наличие динамической составляющейнапряжения статора 5 дополнительно создает форсировку изменения как мгновенной амплитуды напряжения статора, так и его мгновенной фазы при любом изменении требуемого момента М(й),1 О Предлагаемый способ управления напряжением статора в декартовых координатах в совокупности с введением 15динамической составляющей напряжениястатора 05 , определяемой согласновыражению (19), обеспечивает регулирование мгновенной фазы напряжениястатора в динамике и регулированиефазового сдвига напряжения статора 20относительно потокосцепления ротора.В результате достигается инвариантноеи безынерционное управление моментомасинхронного двигателя, что повышаеткачество регулирования скорости замкнутого по скорости асинхронногоэлектропривода,.вводе ге ХФО Составитель А.Жилжнина Техред И.Дидык Подписноеобретениям и открытРаушская наб., д. 4