Патент на изобретение №2222097
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) РЕГУЛИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИВОДА С АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
(57) Реферат: Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в регулируемом электроприводе для рельсового транспортного средства. Технический результат заключается в улучшении динамических свойств, увеличении демпфирования механических колебаний, уменьшении времени регулирования, упрощении пуска при эксплуатации. В регулирующем устройстве для привода с асинхронным двигателем, в частности для рельсового транспортного средства, содержащем первый регулирующий контур для регулирования двигателя и соединенный с ним второй регулирующий контур с регулятором сцепления, улучшенная регулировочная характеристика достигается за счет того, что регулирование двигателя выполнено в виде регулятора частоты статора, в пределах регулирования асинхронного двигателя создают фактическое значение Мist крутящего момента, оба регулирующих контура связаны между собой за счет того, что фактическое значение Мist крутящего момента от регулирования двигателя используют в качестве фактического значения для регулятора сцепления, при этом регулятор сцепления задает заданное значение fs, soll частоты статора для регулирования двигателя. 6 з.п.ф-лы, 11 ил. Настоящее изобретение относится к области электроприводов. Оно касается регулирования привода с асинхронным двигателем, в частности, для рельсового транспортного средства, регулирование которого основано на первом регулирующем контуре для регулирования двигателя и соединенном с ним втором регулирующем контуре с регулятором сцепления. Такое регулирование, при котором регулирование двигателя основано на крутящем моменте, а заданный крутящий момент для регулирования двигателя на основе измеренного на его валу числа оборотов отдается наложенным регулятором сцепления, известно из уровня техники. У локомотивов с приводными двигателями в виде асинхронных двигателей (ASM) с регулируемым крутящим моментом могут возникнуть состояния буксования, при которых ведущие колеса бесконтрольно прокручиваются более или менее сильно. За счет этого возникает неустойчивый режим, при котором не достигается максимально возможное силовое замыкание между колесом и рельсом. В то же время ведущие колеса и рельсы подвержены повышенному износу. Для решения проблемы предложено множество решений и существуют также реализованные на практике способы. Известное, основанное на крутящем моменте регулирование схематически изображено в качестве примера на фиг.1-4. Способ основан на каскаде из двух регулирующих контуров, схематично изображенных на фиг. 1. Регулирующее средство 100 содержит процессор 104, регулятор 103 двигателя, регулятор 102 сцепления и при необходимости встречный регулятор 101 в промежуточном контуре. Процессор 104 содержит в свою очередь на фиг.2 инвертор 108, присоединенный со стороны входа к промежуточному контуру 105 постоянного напряжения с конденсатором 107 в нем и управляемый переключающими командами SR, SS, ST, а также питаемый от инвертора 108 асинхронный двигатель 113, который через вал 112, редуктор 114 и колесо 115 стремится передать усилие на рельс 116 посредством соответствующего трения. На валу 112 двигателя установлен таходатчик 111, который измеряет число оборотов nWelle вала 112 и подает измеренное значение для дальнейшей обработки на блок управления. Другими необходимыми для управления входными величинами являются два из трех фазных токов iR, iS, снимаемых токовыми датчиками 109, 110 в питающих линиях, а также напряжение ud, измеряемое в промежуточном контуре 105 датчиком 106 напряжения. Полученные в процессоре 104 величины ud, iR,S и nWelle возвращаются в регулятор 103 двигателя. Путем сравнения с заданным динамическим значением Ms,soll крутящего момента из этих величин в блоке 103 регулирования двигателя создают управляющие команды SR,S,T для инвертора 108, которые вводят в процессор 104. Это происходит, например, в диапазоне разгона по изображенной на фиг.3 блок-схеме так называемого косвенного саморегулирования ISR, известного из журнала “Электрише Банен”, 89, 1991 г., вып.3, стр. 79-87. Так называемый наблюдатель 117 двигателя, т.е. вычислительная схема, содержащая модели инвертора 108 и асинхронного двигателя, вычисляет по названным входным величинам фактическое значение Psiist потока в статоре и фактическое значение Mist крутящего момента асинхронного двигателя 113. Регулятор 118 потока выводит из разности заданного Psisoll и фактического Psiist значений потока в статоре поправочное значение kPsi потока в статоре. Регулятор 119 крутящего момента выводит из разности заданного динамического Ms,soll и фактического Mist значений крутящего момента динамическую заданную частоту fs,soll статора, которая вместе со статической заданной частотой fT,soll статора дает заданную частоту fsoll статора. Заданная частота fT,soll образуется в блоке 120 предварительного управления из заданного крутящего момента Мs,soll путем наложения числа оборотов nWelle. Первый вычислительный блок 121 вычисляет по входным величинам kPsi и fsoll изменение ![]() ![]() – фиг. 1: регулирующее устройство для основанного на крутящем моменте привода с ASM и контролем сцепления согласно уровню техники; – фиг.2: примерные элементы процессора 104 по фиг.1; – фиг.3 – элементы регулятора 103 двигателя по фиг.1 на примере косвенного саморегулирования (ISR); – фиг. 4: установление рабочей точки на кривой юза колеса или характеристике силового замыкания при основанном на крутящем моменте регулировании ASM; – фиг. 5: установление рабочей точки на кривой юза колеса или характеристике силового замыкания при основанном на частоте статора регулировании ASM согласно изобретению; – фиг.6: сравнимая с фиг.1 блок-схема согласно первому предпочтительному примеру выполнения регулирующего устройства согласно изобретению; – фиг. 7: сравнимые с фиг.3 элементы регулятора двигателя по фиг.6 на примере косвенного саморегулирования (ISR); – фиг. 8: элементы регулятора 103 двигателя по фиг.1 на примере прямого саморегулирования (DSR) в диапазоне ослабления поля (высокие обороты); – фиг.9: сравнимая с фиг.8 блок-схема основанного на частоте статора регулятора двигателя по фиг.6; – фиг.10: элементы регулятора 103 двигателя по фиг.1 на примере прямого саморегулирования (DSR) при средних оборотах; – фиг. 11: сравнимая с фиг.10 блок-схема основанного на частоте статора регулирования двигателя по фиг.6. На фиг.6 изображен предпочтительный вариант выполнения регулирующего устройства согласно изобретению в форме, сравнимой с фиг.1 блок-схемы регулирующего устройства. Регулирующее устройство состоит из двух регулирующих контуров 141, 142. Регулирующий контур 141 включает в себя блок-процессор 104 и блок собственно регулирования двигателя, складывающийся из регулятора 127 частоты статора и наблюдателя 128 двигателя. Регулирующий контур 142 отвечает за регулирование сцепления и включает в себя регулятор 125 сцепления, встречный регулятор 124 в промежуточном контуре и механический встречный регулятор 126. В точке сопряжения регуляторов двигателя и сцепления согласно изобретению в качестве сигналов происходит обмен динамического заданного значения fs,soll частоты статора и вычисленное наблюдателем 128 двигателя фактическое значение Mist крутящего момента. Блок-процессор 104 включает в себя объект регулирования с инвертором, тяговым двигателем (ASM), механизмом привода и контактом колесо-рельс. Управление блок-процессором 104 осуществляется переключающими командами SR,S,T регулятора двигателя. Выходными сигналами процессора 104 являются известные величины для управления процессом регулирования двигателя, а именно фазные токи iR,S, напряжение ud промежуточного контура и число оборотов nWelle вала. Наблюдатель 128 двигателя оценивает неизмеряемые состояния двигателя, такие как фактическое значение Mist крутящего момента и фактическое значение Psiist потока в статоре. Наблюдатель 128 двигателя выполняет таким образом ту же задачу и имеет ту же структуру, что и при описанном выше, основанном на крутящем моменте способе регулирования. Как уже сказано, регулятор 127 частоты статора представляет собой вместе с наблюдателем 128 двигателя регулятор двигателя. Регулятор 127 частоты статора осуществляет высокодинамическое регулирование частоты статора, намагничивания (поток в статоре) и ограничения крутящего момента двигателя. В блоке скрыты различные алгоритмы регулирования для диапазона стабилизации напряжения и ослабления поля, более подробно поясняемые ниже на примере, а также для переключения между способами. В качестве выходных сигналов регулятор частоты статора подает переключающие команды SR,S,T для инвертора. Механический встречный регулятор 126 предусмотрен для активного демпфирования крутильных колебаний в цепи привода. Резонансные частоты в механизме кручения при задании частоты статора отфильтровываются из сигнала крутящего момента (входная величина: фактическое значение Mist крутящего момента). Механический встречный регулятор создает из этого поправочный сигнал fs,damp частоты и накладывает его на заданное значение fT,soll частоты статора регулятора 125 сцепления. Результирующее динамическое заданное значение fs,soll частоты статора вызывает затем активное демпфирование крутильных колебаний. Встречный регулятор 124 в промежуточном контуре создает из сигнала напряжения ud в промежуточном контуре поправочный сигнал fs,ud частоты и накладывает этот поправочный сигнал также на заданное значение частоты статора. За счет этого активно демпфируются колебания напряжения в промежуточном контуре. Такое демпфирование важно, в частности, в работающих на постоянном токе транспортных средствах. Описанные регулирующие блоки с 124 по 128 заботятся о том, чтобы заданная регулятором тяги рабочая точка могла быть стабильно установлена с соответствующим заданным значением soll силы тяги. В частности, процессам разноса препятствует большая крутизна характеристики привода системы, на которую происходит наложение (асинхронный двигатель с регулированием частоты статора). Благодаря этому наложенное регулирование тяги не должно больше оказывать высокодинамическое воздействие на заданное значение fT,soll частоты статора, а может, напротив, концентрироваться на установлении оптимальной рабочей точки. Описанный регулятор тяги выполняет, следовательно, две главные задачи: при низких требованиях к силе тяги со стороны машиниста локомотива он работает как регулятор силы тяги, согласовывая частоту статора со скоростью транспортного средства. Если заданное значение Fsoll силы тяги при недостаточном силовом замыкании не может быть больше достигнуто, то активизируется алгоритм поиска, который пытается за счет варьирования рабочей точки достичь оптимального силового замыкания и использовать эффекты кондиционирования колесно-рельсовой пары. Здесь можно сослаться на зарекомендовавшие себя способы, например, известные из журнала “Электрише Банен”, 91, 1993 г., вып.5, стр. 163 и далее. Для поиска максимума силового замыкания можно, например, варьировать частоту статора и с помощью реакции крутящего момента установить направление поиска. Регулятор 127 частоты статора на фиг.6 выполняет задачу регулирования скорости по траектории и величины вектора ![]() ![]() ![]() – улучшенные динамические свойства (т.е. ![]() ![]() – упрощенный пуск в эксплуатацию (меньше параметров, концептуально и физически лучший подход к решению с задаванием частоты статора). Формула изобретения 1. Регулирующее устройство (140) для привода с асинхронным двигателем (113), в частности для рельсового транспортного средства, содержащее первый регулирующий контур (141) с блоком регулирования двигателя и блок-процессором (104), а также соединенный с первым контуром второй регулирующий контур (142) с регулятором (125) сцепления, отличающееся тем, что блок регулирования двигателя выполнен в виде регулятора (127) частоты статора и в пределах этого блока для асинхронного двигателя (113) создают фактическое значение (Мist) крутящего момента, при этом оба регулирующих контура (141, 142) связаны между собой за счет того, что фактическое значение (Мist) крутящего момента из блока регулирования двигателя используют в качестве фактического значения для регулятора (125) сцепления, который выполнен с возможностью устанавливать задаваемое значение (fs,soll) частоты статора для блока регулирования двигателя. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в пределах регулирования двигателя предусмотрен наблюдатель (128, 129) двигателя, который с помощью моделей выполнен с возможностью вычислять фактическое значение (Мist) крутящего момента по нескольким исходным величинам (ud, iR, iS, nWelle). 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что асинхронный двигатель (113) выполнен с возможностью отдавать свою механическую мощность на валу (112) с числом оборотов (nWelle) и с возможностью запитываться от управляемого инвертора (108) соответствующими фазными токами (iR, iS, iT), инвертор (108) подключен со стороны входа к промежуточному контуру (105) постоянного напряжения (ud), при этом наблюдатель (128, 129) двигателя выполнен с возможностью принимать число оборотов (nWelle), фазные токи (iR, iS) и напряжение (ud) промежуточного контура (105) в качестве входных величин для расчета фактического значения (Мist) крутящего момента. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что наблюдатель (128, 129) двигателя выполнен с возможностью вычислять по входным величинам (ud, iR, iS, nWelle), одновременно фактическое значение (Psiist) потока в статоре, при этом из фактического (Psiist) и заданного (Psisoll) значений потока в статоре, а также заданного значения (fs,soll) частоты статора создавать переключающие команды (SR, SS, ST) для инвертора (108). 5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что во втором регулирующем контуре (142) предусмотрен механический встречный регулятор (124) в промежуточном контуре для демпфирования колебаний в промежуточном контуре (105) постоянного напряжения, причем встречный регулятор (124) в промежуточном контуре имеет в качестве входной величины напряжение (ud) промежуточного контура и выполнен с возможностью отдавать на выходе поправочный сигнал (fs,ud) частоты от подключения промежуточного контура, а регулятор (125) сцепления выполнен с возможностью отдавать на выходе заданное значение (fT,soll) частоты статора, при этом отдаваемое регулятору двигателя заданное значение (fs,soll) частоты статора образуется из наложения заданного значения (fT,soll) частоты статора и поправочного сигнала (fs,ud) частоты от подключения промежуточного контура. 6. Устройство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что во втором регулирующем контуре (142) предусмотрен механический встречный регулятор (126) для демпфирования колебаний механической цепи (112, 113, 114, 115) привода, имеющий в качестве входной величины фактическое значение (Mist) крутящего момента и выполненный с возможностью отдавать на выходе поправочный сигнал (fs,damp) частоты от механической амортизации, а регулятор (125) сцепления выполнен с возможностью отдавать на выходе заданное значение (fT,soll) частоты статора, при этом отдаваемое регулятору двигателя заданное значение (fs,soll) частоты статора образуется из наложения заданного значения (fT,soll) частоты статора и поправочного сигнала (fs,damp) частоты от механической амортизации, а при необходимости поправочного сигнала частоты (fs,ud) от подключения промежуточного контура. 7. Устройство по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что регулирование двигателя выполнено в качестве прямого саморегулирования (DSR) в диапазоне средних оборотов и ослабления поля и в качестве косвенного саморегулирования (ISR) в диапазоне разгона. 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: 19.06.2004
Извещение опубликовано: 10.03.2006 БИ: 07/2006
|
||||||||||||||||||||||||||