Патент на изобретение №2331152

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в автоматизированных электроприводах переменного тока с преобразователями частоты. Устройство для управления частотно-регулируемым электроприводом содержит управляемый преобразователь частоты, состоящий из нерегулируемого выпрямителя, фильтра и инвертора, задатчик интенсивности, датчик ошибки ЭДС, датчик напряжения, блок сравнения. В устройство для управления введены регулятор частоты поля статора двигателя и регулятор ЭДС двигателя, функциональный преобразователь, обеспечивающий преобразование текущего значения напряжения двигателя в текущее значение ЭДС двигателя, задатчик абсолютного скольжения ротора двигателя, который задает величину скольжения, определяющую момент двигателя в пускотормозных режимах его работы. Управление работой двигателя осуществляется блоком управления инвертора, который работает по двум входным сигналам: сигналу управления частотой поля статора, подающемуся на первый его вход от регулятора частоты поля статора двигателя, и сигналу управления ЭДС двигателя, подающемуся на его второй вход от регулятора ЭДС. В зависимости от конкретного текущего значения ЭДС двигателя в любой момент времени обеспечивается соответствие текущего значения частоты поля статора двигателя текущему значению ЭДС двигателя во всех режимах его работы. Это адекватно частотному управлению с постоянством потокосцепления взаимоиндукции статора и ротора двигателя. 3 ил.

Область техники

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в автоматизированных электроприводах переменного тока с преобразователями частоты.

Уровень техники

При использовании автоматизированных электроприводов переменного тока с преобразователями частоты и частотным управлением двигателями переменного тока возникает проблема обеспечения их быстродействия в динамических режимах и устойчивости как систем автоматического регулирования.

Известно устройство для управления частотно-регулируемым электроприводом по авторскому свидетельству №922983. Это устройство предназначено для формирования оптимальных по быстродействию режимов разгона и торможения частотно-регулируемого электропривода. Устройство содержит преобразователь частоты, состоящий из последовательно соединенных регулируемого выпрямителя, сглаживающего фильтра, инвертора. Выпрямитель соединен с блоком управления выпрямителем, а инвертор – с блоком управления инвертором. Датчики напряжения и тока соединены с блоком выделения ЭДС, который соединен с блоком сравнения. Задатчик интенсивности содержит компаратор с ключевым элементом, соединенным с блоком сравнения. Блок сравнения и блок управления выпрямителем входами соединены с выходом блока ограничения ЭДС. К выходу инвертора подключен двигатель.

Устройство предназначено только для обеспечения оптимальных по быстродействию режимов частотного разгона и частотного торможения двигателя переменного тока.

Наиболее близкое техническое решение, взятое автором за прототип, изложено в описании к патенту РФ №1836802 «Устройство для управления частотно-регулируемым электроприводом». Устройство содержит преобразователь частоты, составленный из последовательно соединенных регулируемого выпрямителя, фильтра, инвертора. Управляющий вход выпрямителя подключен к выходу блока управления выпрямителем, управляющий вход инвертора – к выходу блока управления инвертором, вход которого подключен к выходу задающего генератора частоты. Выходы датчиков напряжения и тока двигателя подключены к входам блока определения ЭДС, выход которого подключен к одному из входов блока сравнения, другой вход которого подключен к выходу блока ограничения ЭДС. Вход блока ограничения ЭДС подключен к выходу задатчика интенсивности с компаратором и ключевым элементом, входом соединенного с выходом блока сравнения. Выход блока ограничения ЭДС соединен со входом блока управления выпрямителем и одним из входов датчика ошибки ЭДС двигателя, другой вход которого подключен к выходу блока определения ЭДС, а выход – к одному из входов суммирующего усилителя, другой вход которого подключен к выходу блока ограничения ЭДС. Фазы статорной обмотки двигателя подключены к выходам инвертора.

Техническое решение направлено на обеспечение поддержания постоянным соотношения между текущими значениями ЭДС и частоты поля (ЭДС) двигателя при перегрузках в статических и динамических режимах, т.е. когда начинает работать токоограничение, чтобы исключить «опрокидывание» двигателя.

Недостатком является то, что поддержание постоянства соотношения между текущими значениями ЭДС и частоты поля (ЭДС) двигателя обеспечивается только в режиме перегрузки при работе токоограничения, а не во всех режимах работы электропривода, что сужает его функциональные возможности.

Целью предлагаемого изобретения является создание устройства, обеспечивающего поддержание постоянства соотношения между текущими значениями ЭДС и частоты поля статора асинхронного двигателя переменного тока во всех режимах работы электропривода, что обеспечивает постоянство потокосцепления взаимоиндукции статора и ротора асинхронного двигателя во всех режимах его работы.

Раскрытие изобретения

Предлагаемое устройство для управления частотно-регулируемым электроприводом содержит преобразователь частоты, составленный из последовательно соединенных нерегулируемого выпрямителя, фильтра и инвертора, выход которого соединен через датчик напряжения двигателя со статором асинхронного двигателя. Для управления инвертором служит блок управления инвертором, выход которого соединен с управляющим входом инвертора. В состав устройства входят также задатчик интенсивности, определяющий заданное значение ЭДС двигателя, датчик ошибки ЭДС, определяющий ошибку регулирования ЭДС, а также блок сравнения, соединенный по выходу с задатчиком интенсивности, а по одному из своих входов – с датчиком ошибки ЭДС двигателя. Кроме того, устройство содержит регулятор ЭДС двигателя с двумя входами, регулятор частоты поля статора двигателя с тремя входами, функциональный преобразователь с тремя входами, а также задатчик абсолютного скольжения ротора двигателя, который задает величину скольжения, определяющую момент двигателя в пускотормозных режимах его работы. Задатчик абсолютного скольжения соединен с первыми входами функционального преобразователя и регулятора частоты, а также со вторым входом блока сравнения.

Блок управления инвертором имеет два входа, первый из которых связан с выходом регулятора частоты поля статора двигателя, а второй – с выходом регулятора ЭДС двигателя. Выход задатчика интенсивности связан с одним из входов датчика ошибки ЭДС и точкой соединения вторых входов: регулятора частоты поля статора двигателя, регулятора ЭДС двигателя и функционального преобразователя. Выход датчика ошибки ЭДС соединен с третьим входом регулятора частоты поля статора двигателя, а второй вход датчика ошибки ЭДС соединен с первым входом регулятора ЭДС двигателя и выходом функционального преобразователя, третий вход которого соединен с датчиком напряжения двигателя.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство управления электроприводом (например, асинхронным двигателем), регулируемым по частоте, которое содержит задатчик интенсивности, датчик ошибки ЭДС, управляемый преобразователь частоты, датчик напряжения, блок сравнения, введены элементы, позволяющие обеспечить соответствие текущего значения частоты поля статора текущему значению ЭДС двигателя. Это – регулятор частоты поля статора двигателя и регулятор ЭДС двигателя, соединенные с соответствующими входами блока управления, а также функциональный преобразователь, обеспечивающий преобразование текущего значения напряжения двигателя в текущее значение ЭДС двигателя. Кроме того, в устройство введен задатчик абсолютного скольжения ротора двигателя, который задает величину скольжения, определяющую момент двигателя в пускотормозных режимах его работы.

Благодаря тому, что управление работой двигателя осуществляется блоком управления инвертора, который работает по двум входным сигналам: сигналу управления частотой поля статора, подающемуся на первый его вход от регулятора частоты поля статора двигателя, и сигналу управления ЭДС двигателя, подающемуся на его второй вход от регулятора ЭДС, в зависимости от конкретного текущего значения ЭДС двигателя предлагаемое устройство обеспечивает (в любой момент времени) соответствие текущего значения частоты поля статора двигателя текущему значению ЭДС двигателя во всех режимах его работы. Это адекватно частотному управлению с постоянством потокосцепления взаимоиндукции статора и ротора двигателя.

Это позволяет улучшить качественные характеристики электропривода, в частности устойчивость и быстродействие, что расширяет функциональные возможности электропривода и область его применения.

Краткое описание графических фигур

На фиг.1 представлена блок-схема устройства для управления частотно-регулируемым электроприводом. Цифрами обозначены:

1 – Нерегулируемый выпрямитель

2 – Фильтр

3 – Инвертор

4 – Датчик напряжения

5 – Асинхронный двигатель

6 – Блок управления инвертором

7 – Регулятор ЭДС двигателя

8 – Регулятор частоты поля статора двигателя

9 – Функциональный преобразователь

10 – Задатчик интесивности

11 – Датчик ошибки ЭДС двигателя

12 – Задатчик абсолютного скольжения ротора двигателя

13 – Блок сравнения

На фиг.2 представлена Т-образная схема замещения асинхронного короткозамкнутого двигателя.

На фиг.3 представлена одноконтурная схема замещения асинхронного короткозамкнутого двигателя

Осуществление изобретения

Предлагаемое устройство для управления частотно-регулируемым электроприводом (фиг.1) содержит преобразователь частоты, составленный из последовательно соединенных нерегулируемого выпрямителя 1,индуктивно-емкостного фильтра 2 и инвертора 3, выход которого подключен через датчик 4 напряжения к фазам статорной обмотки асинхронного двигателя 5. Блок управления 6 инвертором подключен по своему выходу к управляющему входу инвертора 3, а по своим двум входам – соответственно к выходу регулятора 7 ЭДС двигателя, имеющему два входа, и к выходу регулятора 8 частоты поля статора двигателя, имеющему три входа. Задатчик 12 абсолютного скольжения ротора связан с первым из трех входов функционального преобразователя 9, а также с первым входом регулятора 8 частоты поля статора двигателя и одним из двух входов блока 13 сравнения, другой вход которого соединен с выходом датчика 11 ошибки ЭДС двигателя, который также связан с третьим входом регулятора 8 частоты поля статора двигателя. Выход блока 13 сравнения соединен с входом задатчика 10 интенсивности, выход которого связан с вторыми входами регулятора 8 частоты поля статора двигателя, регулятора 7 ЭДС двигателя и функционального преобразователя 9, а также с первым из двух входов датчика 11 ошибки ЭДС двигателя. С датчиком 4 напряжения соединен третий вход функционального преобразователя 9, а его выход – со вторым входом датчика 11 ошибки ЭДС двигателя и первым входом регулятора 7 ЭДС двигателя.

В качестве конкретных элементов описанной блок-схемы могут быть выбраны следующие:

1 (нерегулируемый выпрямитель) – трехфазный выпрямительный модуль типа М6Д-63-400, 63А, 400В;

2 (фильтр) – дроссель постоянного тока с индуктивностью 1 мГ, сердечником ШЛ 20×25, воздушным зазором 1,25 мм на ток 25А; электролитический конденсатор типа К50-77-250 В-4700 мкФ;

3 (инвертор) – трехфазный инверторный модуль типа М13А1-50-6, 50А, 600В;

4 (датчик напряжения) – тип LV25-P/SP3;

5 (асинхронный двигатель) – асинхронный короткозамкнутый двигатель мощностью 2 кВт, 12000 об/мин;

6…13 – устройства могут быть выполнены на микроконтроллере типа C167CS – LM серии С 167.

Устройство (фиг.1) работает следующим образом.

С выхода задатчика 10 интенсивности сигнал задания ЭДС двигателя е₁* поступает на один из входов (2) регулятора 7 ЭДС двигателя. Этот же сигнал в качестве сигнала задания частоты поля статора двигателя *=е₁* поступает на один из входов (2) регулятора 8 частоты поля статора двигателя.

На другой вход (1) регулятора 7 ЭДС двигателя поступает сигнал текущего значения ЭДС двигателя е₁ в качестве сигнала обратной связи по ЭДС с выхода функционального преобразователя 9.

Регулятор 7 ЭДС двигателя является ИП-регулятором, т.е. имеет астатизм первого порядка. Он реализует функцию управления в виде:

,

где e₁=e₁*-e₁;

U_y – сигнал управления ЭДС двигателя, поступающий с выхода регулятора 7 ЭДС двигателя на один из входов (2) блока 6 управления инвертором;

Т_Е – постоянная времени интегральной составляющей сигнала U_y;

К_Е – коэффициент передачи пропорциональной составляющей сигнала U_y.

Очевидно, в регуляторе 7 с астатизмом первого порядка е₁ в установившихся режимах работы электропривода является величиной высокого порядка малости по сравнению с е₁* и е₁ и поэтому корректно соотношение е₁=е₁*. Однако в динамических режимах величиной е₁ пренебречь нельзя.

Текущее значение ЭДС (е₁) определяется функциональным преобразователем 9 из текущего значения напряжения U₁ двигателя, поступающего с выхода датчика 4 напряжения на один из входов (3) функционального преобразователя 9, и заданных значений * и *, поступающих на второй и первый входы функционального преобразователя 9 с выхода задатчика 10 интенсивности и с выхода задатчика 12 абсолютного скольжения ротора двигателя, по уравнению:

,

где

– активное сопротивление обмотки ротора, приведенное к статору, Ом;

X_1S, – индуктивные сопротивления полей рассеяния статора и ротора, приведенные к статору при номинальной частоте поля статора, Ом;

Х – индуктивное сопротивление взаимоиндукции полей статора и ротора при номинальной частоте поля статора, Ом;

– полное индуктивное сопротивление ротора, приведенное к статору при номинальной частоте поля статора, Ом

Приведенные параметры указаны на фиг.2, 3.

Регулятор 8 частоты поля статора двигателя реализует сигнал функции управления U, который поступает с выхода регулятора 8 на первый вход блока 6 управления инвертором в виде:

,

где e₁=e₁-e₁* – функция управления, реализуемая датчиком 11 ошибки ЭДС и поступающая с его выхода на один из входов регулятора 8 частоты двигателя.

С учетом этого выражения из (3) получаем:

,

где U – сигнал управления частотой поля статора, поступающий с выхода регулятора 8 на первый вход блока 6 управления инвертором.

Таким образом, сигнал управления U частотой поля статора определяет такую частоту поля статора, которая в любой момент времени соответствует текущему значению ЭДС двигателя.

Такое управление асинхронным двигателем адекватно частотному управлению с постоянством потокосцепления взаимоиндукции полей статора и ротора, что позволяет обеспечить устойчивую, без автоколебаний работу двигателя во всех режимах при минимальной постоянной времени интегральной составляющей сигнала управления U_y регулятора 7 ЭДС двигателя и тем самым повысить быстродействие электропривода в динамике. Кроме указанной функции управления регулятор 8 частоты осуществляет функциональное преобразование сигнала управления U в виде: если *, то U·=K·*, если >*, то U=К·, т.е. частота поля статора равна либо частоте абсолютного скольжения ротора двигателя ^*, что характерно для начала пускового режима и окончание тормозного режима, либо во всех остальных режимах работы электропривода.

Задатчик 12 абсолютного скольжения ротора двигателя задает величину скольжения, которая определяет момент двигателя в пускотормозных режимах его работы и поступает с выхода задатчика 12 на один их входов регулятора 8 частоты поля статора двигателя, на один их входов функционального преобразователя 9 и на один из входов блока 13 сравнения.

Устройство для управления частотно-регулируемым электроприводом позволяет улучшить качественные характеристики электропривода, в частности устойчивость и быстродействие, путем обеспечения постоянства потокосцепления взаимоиндукции полей статора и ротора асинхронного двигателя во всех режимах его работы, что расширяет функциональные возможности и область применения электропривода.

Формула изобретения

Устройство для управления частотно-регулируемым электроприводом, содержащее преобразователь частоты, составленный из последовательно соединенных нерегулируемого выпрямителя, фильтра и инвертора, выход которого соединен через датчик напряжения двигателя со статором асинхронного двигателя, блок управления инвертором, выход которого соединен с управляющим входом инвертора, блок сравнения, соединенный по выходу с задатчиком интенсивности, а по одному из двух входов – с датчиком ошибки ЭДС двигателя, отличающееся тем, что содержит регулятор ЭДС двигателя с двумя входами, регулятор частоты поля статора двигателя с тремя входами, функциональный преобразователь с тремя входами, обеспечивающий преобразование текущего значения напряжения двигателя в текущее значение ЭДС двигателя, а также задатчик абсолютного скольжения ротора двигателя, соединенный с первыми входами функционального преобразователя и регулятора частоты поля статора, а также со вторым входом блока сравнения, при этом блок управления инвертором имеет два входа, первый из которых связан с выходом регулятора частоты поля статора двигателя, а второй – с выходом регулятора ЭДС двигателя, кроме того, выход задатчика интенсивности связан с одним из входов датчика ошибки ЭДС и точкой соединения вторых входов регулятора частоты поля статора двигателя, регулятора ЭДС двигателя и функционального преобразователя, выход датчика ошибки ЭДС соединен с третьим входом регулятора частоты поля статора двигателя, а второй вход датчика ошибки ЭДС соединен с первым входом регулятора ЭДС двигателя и выходом функционального преобразователя, третий вход которого связан с датчиком напряжения двигателя.

РИСУНКИ