Патент на изобретение №2246172

(54) СПОСОБ ФАЗОВОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в регулируемом электроприводе переменного тока. Техническим результатом является повышение точности и устойчивости регулирования асинхронного электродвигателя в замкнутых системах автоуправления. В способе фазового управления асинхронным исполнительным электродвигателем изменение величины и знака фазы основной гармоники напряжения на обмотке управления с помощью полупроводникового коммутатора, выполненного на двух парах транзисторных ключей по мостовой схеме, осуществляют поочередным двукратным включением каждой пары транзисторов в течение периода питающего напряжения с опережающими углами при первом и отстающими углами при втором включении при условии, что сумма модульных значений этих углов равна 180 эл.град. В зависимости от требуемого направления вращения с указанными углами включают первую или вторую пару транзисторов, обеспечивающих прямое или, соответственно, инверсное подключение обмотки управления, а другую пару включают в моменты времени, совпадающие с изменениями знака питающего напряжения. Линеаризацию статической характеристики электропривода осуществляют установкой на управляющем входе нелинейного регулятора с обратной регулировочной характеристикой. 1 з.п. ф-лы; 5 ил., 1 табл.

Изобретение относится к преобразовательной технике, получающей применение в регулируемом электроприводе переменного тока.

Известен способ фазового управления двухфазным асинхронным электродвигателем, при котором напряжение на обмотке возбуждения остается неизменным, а напряжение обмотки управления при постоянстве амплитуды и частоты изменяется по фазе, что приводит к изменению частоты вращения двигателя в режиме холостого хода в соотношении, пропорциональном синусу фазового рассогласования напряжений на указанных обмотках (см. Брускин Д.Э. и др. “Электрические машины и микромашины.” – М.: Высш. школа, 1981, с.193). С целью поддержания к.п.д. на высоком уровне регулирование фазы напряжения в цепях обмотки управления осуществляют импульсно-фазовым способом с помощью транзисторов, работающих в ключевом режиме. Переключения транзисторов искажают форму напряжения в обмотке управления, делая ее несинусоидальной. Основная задача регулирования в этом случае сводится к изменению фазы ₁ основной гармоники этого напряжения с поддержанием постоянства ее амплитуды U_oy1 во всем диапазоне. Наблюдающееся при известных способах импульсно-фазового управления одновременное произвольное изменение фазы и амплитуды основной гармоники делает регулировочные характеристики исполнительного двигателя нелинейными, снижающими точность регулирования с возможной потерей устойчивости. Поэтому основная цель предлагаемых технических решений состоит в поддержании линейности регулировочных характеристик при минимальных изменениях амплитуды основной гармоники напряжения обмотки управления во всем диапазоне регулирования. Близкие технические решения поставленной задачи имеются в ряде литературных источников (см., например, Глазенко Т.А., Хрисанов В.И. “Полупроводниковые системы импульсного асинхронного электропривода малой мощности.” – Л.: Энергоатомиздат, 1983, с. 108 или “Электропривод летательных аппаратов.” Под ред. В.А.Полковникова. – М.: Машиностроение, 1990, с.200-205). Согласно им, известный способ фазового управления предусматривает регулирование частоты вращения с возможностью изменения ее направления в двигательном режиме, а также регулирование тормозного момента в тормозном режиме путем изменения величины и знака фазы основной гармоники напряжения в цепи обмотки управления двухфазного асинхронного электродвигателя с помощью полупроводникового коммутатора, выполненного по симметричной мостовой схеме на четырех транзисторных ключах с двухсторонней проводимостью тока, одна диагональ которого подключена к источнику питания, а другая – к обмотке управления, в процессе поочередного двукратного за период питающего напряжения переключения каждой пары диагонально расположенных в мостовой схеме транзисторов, из числа которых первая обеспечивает прямое, а вторая пара – инверсное подключение указанной обмотки к источнику питания с углами управления ₁ при каждом первом включении и ₂ при каждом втором включении на периоде, отсчет которых ведется относительно моментов перехода питающего напряжения через нулевое значение, при поддержании равенства суммы модульных значений указанных углов | ₁|+| ₂|= , в функции знака сигнала задания скорости на управляющем входе устройства импульсно-фазового управления и величины ошибки регулирования, которую получают вычитанием из сигнала задания аналогичного по форме сигнала отрицательной обратной связи по частоте вращения электродвигателя.

В целях регулирования фазы основной гармоники напряжения в обмотке управления с поддержанием в определенных пределах постоянства действующего значения этой гармоники предлагается регулирование частоты вращения двигателя вперед в двигательном режиме при положительных сигналах задания скорости и ошибки регулирования осуществлять изменением фазовых углов включения первой пары с одновременным выключением второй пары транзистров, замеряя эти углы относительно моментов перехода питающего напряжения через нуль в положительную сторону, в диапазоне – ₁ – /2, 0 ₂ /2 в то время, как включения второй пары с одновременным выключением первой пары транзисторов осуществлять в каждый момент перехода питающего напряжения через нулевое значение, а в тормозном режиме при положительном сигнале задания и отрицательном знаке ошибки регулирования осуществлять аналогичные переключения транзисторов при регулировании моментов включения первой пары транзисторов в диапазоне – /2 ₁ 0, /2 ₂ ; в свою очередь, регулирование частоты вращения назад в двигательном режиме при отрицательных сигналах задания скорости и ошибки регулирования осуществлять изменением фазовых углов включения второй пары с одновременным выключением первой пары транзисторов, замеряя эти углы относительно моментов перехода питающего напряжения через нуль в отрицательную сторону, в диапазоне углов – ₁ /2, 0 ₂ /2 в то время, как включения первой пары с одновременным выключением второй пары транзисторов осуществлять в каждый момент перехода питающего напряжения через нулевое значение, а в тормозном режиме при отрицательном сигнале задания и положительном знаке ошибки регулирования осуществлять аналогичные переключения транзисторов при регулировании моментов включения второй пары транзисторов в диапазоне – /2 ₁ 0, /2 а₂ .

Дополнительно для получения линейной характеристики ₀( ), связывающей относительные значения частоты вращения холостого хода двигателя ₀ и ошибки регулирования , на управляющем входе устройства импульсно-фазового управления предлагается установить нелинейный регулятор с характеристикой U_y( ), обратной по отношению к регулировочной характеристике электропривода, следующего вида

где U_y – сигнал, поступающий с выхода нелинейного регулятора на управляющий вход устройства импульсно-фазового управления.

На фиг.1 изображена принципиальная схема электропривода, работа которого происходит в соответствии с предлагаемым способом управления; на фиг.2 – временные диаграммы, иллюстрирующие работу данного устройства при вращении двигателя вперед в двигательном (а) и тормозном (б) режимах; на фиг.3 – аналогичные диаграммы, иллюстрирующие работу устройства при вращении назад в двигательном (а) и тормозном (б) режимах; на фиг 4а приведена структурная схема рассматриваемого устройства, содержащая звенья: HP – нелинейный регулятор, УФУ – устройство импульсно-фазового управления, ПК – полупроводниковый коммутатор, ДАД – двухфазный асинхронный двигатель, а также зависимость действующего значения напряжения основной гармоники на обмотке управления U_oy1 от угла управления в ортогональной (фиг.4б) и полярной (фиг.4в) системах координат; на графике фиг.5 изображена: во втором квадранте – исходная зависимость частоты вращения в режиме холостого хода от угла управления транзисторами ₀( ), в четвертом квадранте – статическая характеристика HP U_y( ), в первом квадранте – характеристика звеньев HP-УФУ-ПК-ДАД ₀( ), которые иллюстрируют влияние нелинейного регулятора на форму результирующей регулировочной характеристики электропривода.

Пример выполнения электропривода на базе ДАД с предлагаемым способом фазового управления приведен на фиг.1. Силовая схема данного устройства содержит полупроводниковый коммутатор по симметричной мостовой схеме на четырех транзисторных ключах 1-4 с двухсторонней проводимостью тока. К одной диагонали моста подведено питающее (сетевое) напряжение, а к другой диагонали подключена обмотка управления (ОУ) электродвигателя. К этим же точкам схемы присоединена обмотка возбуждения (0В). Формирование управляющих импульсов для транзисторных ключей осуществляется с помощью согласующих каскадов усиления (драйверов) 5-8, каждый из которых своим выходом присоединен к переходу “затвор – исток” соответствующих силовых МОП-транзисторов. Управление драйверами происходит с помощью УФУ в составе системы автоматического регулирования скорости, основными элементами которой служат: потенциометрический задатчик скорости ( _з) 9 на первом входе HP 10, на второй вход которого поступает сигнал отрицательной обратной связи по скорости вала ₀ с тахогенератора 11. Сигнал ошибки регулирования = _з– ₀ перед подачей на вход УФУ пропускается через инвертирующий повторитель 12 с коэффициентом передачи ±1. С выхода данного узла сигнал ошибки регулирования в виде управляющего сигнала U_y поступает на первый вход УФУ 13, второй вход которого служит для подачи опорного сигнала U_оп с выхода специального формирователя 14 опорного сигнала. Для выработки широких управляющих импульсов длительностью, равной проводящему состоянию транзисторов, на третий вход УФУ 13 подаются синхронизирующие импульсы с выхода формирователя 15. Выработка синхроимпульсов осуществляется в моменты времени, совпадающие с моментами перехода питающего напряжения через нулевое значение. Распределение управляющих импульсов с выходов блока 13 по транзисторным ключам осуществляется с помощью блока логики 16.

Известно, что частота вращения ДАД в режиме холостого хода при фазовом управлении пропорциональна синусу фазового угла между векторами напряжений на ОВ и ОУ. Изменение знака фазового рассогласования ± ведет к изменению направления вращения электромагнитного поля внутри электрической машины. В зависимости от соотношения между реальной частотой вращения вала и частотой вращения поля ₀, работа машины может происходить в двигательном при ₀ или тормозном при ₀ режимах.

Регулирование угла ₁ осуществляется импульсно-фазовым способом на основе двукратного включения каждой пары транзисторов коммутатора в течение периода питающего напряжения. В двигательном режиме при вращени вперед ( _з 0, 0) изменение фазового угла в пределах 0 ₁ /2 предлагается обеспечивать изменением углов управления первой пары транзисторных ключей, замеряемых относительно начала положительной полуволны питающего напряжения в пределах – ₁ – /2, 0 ₂ /2 с поддержанием постоянства суммы модульных значений этих углов | ₁|+ ₂= . Указанные включения первой пары транзисторов 1, 2, сопровождаемые выключением второй пары транзисторных ключей 3, 4, должны чередоваться на каждом сетевом периоде с включениями второй пары и одновременным выключением первой пары в моменты времени, совпадающие с переходами питающего напряжения через нуль. В режиме рекуперативного торможения при вращении вперед ( _з 0) превышение ₀ вызывает изменение знака ошибки регулирования 0, что должно повлечь увеличение фазового угла ₁ /2 и перевод коммутатора в инверторный режим. Для этого порядок переключения транзисторных пар должен остаться прежним, но углы управления необходимо изменять в пределах – /2 а₁ 0, /2 ₂ .

Данное предложение поясняется диаграммами фиг.2а напряжения на обмотке управления U_oy, управляющего U_y и опорного U_оп сигналов на входах УФУ, а также управляющих импульсов, подаваемых на транзисторные ключи первой U_uy1,2 и второй U_uy3,4 пары. Формирование регулируемых фронтов этих импульсов осуществляется на основе вертикального принципа в моменты равенства управляющего и опорного сигналов. Пример выполнения формирователя опорного сигнала на операционных усилителях показан на схеме фиг.1 (блок 14). Принцип действия данного блока очевиден и предполагает последовательное преобразование формы питающего напряжения с сохранением его периода по схеме “синус-меандр-пила-меандр-пила”, в результате чего на выходе можно получить опорный сигнал знакопеременной пилообразной формы, совпадающий по фазе с питающим напряжением. Это напряжение подается на вход УФУ, где сравнивается на входах компараторов А13.1, А13.2 с управляющим сигналом U_y. В данном случае этот сигнал имеет положительный знак U_y= 0, так как при положительном задающем сигнале _з 0 повторитель 12 работает в режиме неинвертирующего операционного усилителя с коэффциентом передачи +1. Напряжение на выходе компаратора А13.1 меняет знак на отрицательный в моменты равенства управляющего и опорного сигналов по модулю и по знаку, а на выходе компаратора А13.2 – в моменты равенства этих сигналов по модулю при разном знаке. Указанные переключения приводят к переводу триггера Д13.1 в S-состояние, а его возврат в R-состояние происходит под воздействием синхроимпульсов, поступающих из блока 15. В результате на прямом и инверсном выходах указанного триггера появляются так называемые широкие управляющие импульсы, распределение которых по силовым транзисторам с помощью блока 16 происходит с учетом знака задающего сигнала _з, а именно: при положительном задающем сигнале _з 0 на первую пару транзисторов 1, 2 пропускаются импульсы с прямого выхода, а на вторую пару транзисторов 3, 4 пропускаются импульсы с инверсного выхода указанного триггера. При отрицательном задающем сигнале _з 0 порядок подачи импульсов на первую и вторую пары транзисторов взаимно меняется. Это приводит к тому, что при _з 0 переход из двигательного режима в тормозной не изменит порядка распределения импульсов, однако вследствие изменения знака ошибки регулирования (управляющего сигнала на входе УФУ) на отрицательный 0 регулирование путем изменения фазовых углов включения силовых транзисторов будет происходить в диапазоне – /2 ₁ 0, /2 ₂ (см. фиг.2б).

При реверсе для изменения знака фазового рассогласования напряжений на обмотках ОУ и OB ₁ 0 полярность задающего сигнала следует изменить _з 0, в результате чего повторитель 12 переходит в режим инвертирующего усилителя с коэффициентом передачи -1. Тогда знак управляющего напряжения будет противоположен знаку ошибки регулирования U_y=- . Это позволит по-прежнему осуществлять формирование управляющих импульсов с помощью указанных компараторов и транзисторно-конденсаторных формирователей на их выходах. Однако блок логики 16 изменит порядок распределения управляющих импульсов, в результате чего на управляющие входы первой пары транзисторов начнут поступать импульсы с инверсного выхода триггера Д13.1, а на управляющие входы второй пары – импульсы с прямого выхода этого же триггера. Это приведет к тому, что в двигательном режиме при 0 регулирование будет происходить в диапазоне углов управления – ₁ – /2, 0 ₂ /2 (см. фиг.3а), а в тормозном режиме при 0 регулирование будет осуществляться аналогично, но в диапазоне углов управления – /2 ₁<0, /2 ₂ (см. фиг.3б).

При анализе статических свойств данного электропривода воспользуемся известным из указанного литературного источника выражением механических характеристик ДАД при фазовом управлении

где – относительная частота вращения ротора, приведенная к частоте вращения холостого хода;

m – относительный момент на валу, приведенный к базовому значению М_б=2U²₁/ ₀R^‘₂.

Здесь относительная частота вращения холостого хода при m=0

зависит от углов включения силовых транзисторов, которые должны находиться в соотношении | ₁|+| ₂|= . Раскладывая напряжение на обмотке управления U_oy в ряд Фурье, запишем выражения для косинусного и синусного коэффициентов при первом слагаемом ряда, полагая при этом ₂= – ₁; ₁= .

где U_m – амплитуда напряжения питания обмоток.

Отыскивая действующее значение основной гармоники напряжения на ОУ приходим к выводу, что в процессе регулирования эта составляющая напряжения не остается постоянной, изменяясь в пределах, не превышающих 36% (см. графики зависимостей U_oy1( ) в ортогональной фиг.4б и полярной фиг.4в системах координат). Это служит одной из причин того, что график регулировочной характеристики ДАД ₀( ), представленный во втором квадранте фиг.5, имеет на каждом из участков вращения двигателя в одну сторону =0- /2 нелинейный вид. Для устранения этого недостатка на управляющем входе УФУ предлагается установить нелинейный регулятор HP со статической характеристикой U_y( ), обратной по отношению к упомянутой регулировочной характеристике двигателя ₀( ). Из структурной схемы электропривода фиг.4а видно, что результирующая характеристика звеньев НР, УФУ, ПК, ДАД ₀( ) будет линейной при условии, что в каждой точке диапазона регулирования наблюдается равенство относительных значений входной и выходной координат электропривода = ₀. Для этого требуемая характеристика HP должна быть обратной по отношению к нелинейной характеристике звеньев УФУ-ПК-ДАД ( ₀). С учетом того, что характеристика УФУ при линейной форме опорного сигнала имеет вид обратная характеристика HP должна удовлетворять соотношению

Результаты расчета правой части равенства (4) с помощью выражений (1-3) приведены в таблице.

Табл.
(рад.)	0	/10	/5	3 /10	4 /10	/2
2 / (от.ед)	0	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0
0(от.ед)	0	0,061	0,237	0,51	0,83	1,0
Uу(от.ед)	0	0,22	0,37	0,59	0,84	0,97

С помощью численных значений зависимости 2 / ( ₀) методом регрессии было найдено аналитическое выражение характеристики HP в следующем виде:

Результаты расчета данного выражения приведены в четвертой строке таблицы. Можно видеть, что выражение (5) достаточно точно совпадает с исходной зависимостью (4), так как значения второй и четвертой строк таблицы отличаются не более чем на 10%. Для иллюстрации на фиг.5 показан ход графического построения зависимости ₀( ) с помощью характеристик отдельных звеньев электропривода. Так, например, задаваясь значением ошибки регулирования на горизонтальной оси графика, можно путем его проецирования на представленную в четвертом квадранте характеристику HP получить на вертикальной оси значение управляющего сигнала U_y. В свою очередь, проецируя значение U_y на представленный во втором квадранте график характеристики звеньев УФУ-ПК-ДАД, получаем на вертикальной оси соответствующее значение частоты вращения ₀ Повторяя данные построения, можно убедиться, что получаемая в первом квадранте результирующая регулировочная характеристика электропривода ₀( ), благодаря применению HP, приобретает необходимую линейную форму.

Формула изобретения

1. Способ фазового управления асинхронным исполнительным электродвигателем, предусматривающий регулирование частоты вращения с возможностью изменения ее направления в двигательном режиме, а также регулирование тормозного момента в тормозном режиме путем изменения величины и знака фазы основной гармоники напряжения в цепи обмотки управления двухфазного асинхронного электродвигателя с помощью полупроводникового коммутатора, выполненного по симметричной мостовой схеме на четырех транзисторных ключах с двухсторонней проводимостью тока, одна диагональ которого подключена к источнику питания, а другая – к обмотке управления, в процессе поочередного двухкратного за период питающего напряжения переключения каждой пары диагонально расположенных в мостовой схеме транзисторов, из числа которых первая обеспечивает прямое, а вторая пара – инверсное подключение указанной обмотки к источнику питания с углами управления ₁ при каждом первом включении и ₂ при каждом втором включении на периоде, отсчет которых ведется относительно моментов перехода питающего напряжения через нулевое значение, при поддержании равенства суммы модульных значений указанных углов | ₁|+| ₂|= , в функции знака сигнала задания скорости на управляющем входе устройства импульсно-фазового управления и величины ошибки регулирования, которую получают вычитанием из сигнала задания аналогичного по форме сигнала отрицательной обратной связи по частоте вращения электродвигателя, отличающийся тем, что регулирование частоты вращения двигателя вперед в двигательном режиме при положительных сигналах задания скорости и ошибки регулирования осуществляют изменением фазовых углов включения первой пары с одновременным выключением второй пары транзисторов, замеряя эти углы относительно моментов перехода питающего напряжения через нуль в положительную сторону, в диапазоне – ₁ – /2, 0 ₂ /2 в то время, как включения второй пары с одновременным выключением первой пары транзисторов осуществляют в каждый момент перехода питающего напряжения через нулевое значение, а в тормозном режиме при положительном сигнале задания и отрицательном знаке ошибки регулирования осуществляют аналогичные переключения транзисторов при регулировании моментов включения первой пары транзисторов в диапазоне – /2 ₁ 0, /2 ₂ ; в свою очередь, регулирование частоты вращения назад в двигательном режиме при отрицательных сигналах задания скорости и ошибки регулирования осуществляют изменением фазовых углов включения второй пары с одновременным выключением первой пары транзисторов, замеряя эти углы относительно моментов перехода питающего напряжения через нуль в отрицательную сторону, в диапазоне углов – /2 ₁ – /2, 0 ₂ /2, в то время, как включения первой пары с одновременным выключением второй пары транзисторов осуществляют в каждый момент перехода питающего напряжения через нулевое значение, а в тормозном режиме при отрицательном сигнале задания и положительном знаке ошибки регулирования осуществляют аналогичные переключения транзисторов при регулировании моментов включения второй пары транзисторов в диапазоне – /2 ₁ 0, /2 ₂ .

2. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что для получения линейной характеристики ₀( ), связывающей относительные значения частоты вращения холостого хода двигателя ₀ и ошибки регулирования , на управляющем входе устройства импульсно-фазового управления устанавливают нелинейный регулятор с характеристикой U_y( ), обратной по отношению к регулировочной характеристике электропривода, следующего вида

где U_y – сигнал, поступающий с выхода нелинейного регулятора на управляющий вход устройства импульсно-фазового управления.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 16.07.2005

Извещение опубликовано: 10.12.2006 БИ: 34/2006