Спосіб керування асинхронним двигуном та електропривід, що його реалізує

ho СПОСІБ КЕРУВАННЯ АСИНХРОННИМ ДВИГУНОМ ТА ЕЛЕКТРОПРИВІД, ЩО ЙОГО РЕАЛІЗУЄ Винахід відноситься до керування електричними машинами, і може бути застосований в електроприводах з частотно-струмовим та векторним керуванням, які мають високі динамічні властивості, з метою зменшення споживання струму електроприводу в усталених режимах роботи при зниженому навантаженні, отже економного споживання електроенергії. Відомий спосіб керування асинхронний двигуном з короткозамкненин ротором, двома незалежними сигналами для регулювання магнітного потоку та моменту відповідно, з поданням струмів статора в вигляді складових по двох взаєноперпендикулярних осях статора шляхом перемноження кожного з сигналів на гармонічні функції частоти обертання поля статора, зформо&ані з сигналів, пропорційних взаєноперпендикулярним складовим магнітного потоку [1]. В заикненій по швидкості системі регулювання в якості сигналу зворотнього зв'язку використовується сигнал, що знімається з спеціального датчика (тахогенератора), встановленого навалу асинхронного двигуна. Найбільш близьким є спосіб керування асинхронним двигуном з короткозанкненим ротором, двома незалежними сигналами для регулювання магнітного потоку та моменту відповідно, з поданням струмів статора в вигляді складових по двох взаєноперпендикулярних осях статора шляхом перемноження кожного з сигналів на гармонічні функції частоти обертання поля статора, зфорновані з сигналів, пропорційних взаємоперпендикулярним складовим магнітного потоку [2]. В замкненій по швидкості системі регулювання сигнал зворотнього зв'язку по швидкості визначають непрямим шляхом, без застосування датчика швидкості (тахогенератора). Недоліком відомих способів є підвищене енергоспоживання електроприводу в усталених режимах роботи при зменшеному навантаженні, 2 оскільки способи не забезпечують автоматичного вибору раціонального співвідношення між активною та реактивною складовими струму статора. Найбільш близьким до запропонованого електроприводу є пристрій для регулювання частоти обертання асинхронного електродвигуна [3], який має силовий перетворювач частоти з виходанн для підключення до фаз асинхронного електродвигуна і силовими входами для підключення до мережі живлення, задатчнки частоти обертання і струну намагнічування, блок прямого перетворення координат, регулятор ковзання з елементом порівняння на вході, підключеним одним із входів до виходу задатчика частоти обертання, при цьому один із керуючих входів блока прямого перетворення координат підключений до виходу задатчнка струму намагнічування, а одна група виходів підключена до керуючих входів силового перетворювача частоти, датчик фазних напруї асинхронного електродвигуна, перетворювач числа фаз, пропорційнодиференцюючу ланку та блок зворотнього перетворення координат, причому вихід регулятора з'єднаний через пропорційно-диференцюючу ланку з другим керуючим входом блоку прямого перетворення координат, виходи датчика фазних напруг асинхронного електродвигуна підключені до входів перетворювач* числа фаз, з'єднаного виходами з входами блоку зворотнього перетворення координат. Недоліком відомого пристрою для регулювання частоти обертанні асинхронного електродвигуна є відсутність автоматичного вибору раціональною співвідношення ніж активною та реактивною складовими струну статора і той; підвищене енергоспоживання в усталених режимах роботи при зменшеному навантаженні. На фіг.1 зображено характер зміни моменту асинхронного двигуна при змін співвідношення складових струму статора, що одержано шляхом моделювання повністю відповідає результатам експериментальних досліджень та підтверджу! реальність здійснення винаходу. На фіг.2 зображена функціональна схемі електроприводу, який реалізує запропонований спосіб керування асинхронній еленктродвнгуном. В основу запропонованого способу керування асинхронним двигуної поставлено задачу, для електропр иводів з частотно- стру новин та векторнні керуванням, шляхом формування в контурі відтворення моменту систем керування асинхронним електродвигуном сигналу керування магнітним ПОТ О К ОІ рівним пронасштабованому максимальному значенню суии випрямлених значен сигналу керування мо менто м та його похідної, який порівнюють з, однакове полярності і відмінними від нуля, сигналами завдання номінального і мінімального робочого потоків намагнічування, і, якщо сигнал керувань ма гніт ним пот о ко м в их одить за їхмежі пр ийм ають йо го рів нин бл иж чо м , межовому значенню, забезпечити вибір раціонального співвідношення мі активною та реактивною складовими струму статора і , відповідно, забезпечив зменшення стру му спож ивання, отже еко номне спож ивання ел ектро енер гії, усталеному режнмі роботи при зменшеному навантаженні , та забезпечити висо динамічні властивості електроприводу . В основу запропонованого електроприводу поставлено задачу, шляхе реалізації запропонованого способу керування асинхронним двигуном короткозамкненнм ротором, що досягається введенням в склад електропрнво додаткового задатчнка струму намагнічування , пропорційної та днференцююч ланок, двох випрямлячів, суматора з двома входами і одним виходом, еленев вибору максимального сигналу з двома входами і одним виходом та обмежувв сигналу з двома в ходами і одним в иходом , причому в ходи пропорційної днференцюючої л анок підключені до в иходу р егулят ора ковзання, а в нхо підключені через незалежні випрямлячі до входів суматора, підключені виходом до одного з входів елементу вибору максимального сигналу , до інші входу якого підключений задатчик нижчої межі струму намагнічуваі асинхронного електродвигуна, а вихід підключений до одного з вхо обмежувача сигналу, на інший вхід якого підключеного до виходу другого , задатчика струну намагнічування, подається сигнал завдання максимального струму намагнічування асинхронного двигуна забез печити зменшення струму , споживання, отже економне споживання електроенергії, в усталеному режимі роботи пр и зм еншеном у навант аженні та забезпеч ити високі динанічн , властивості електроприводу . Для підтвердження можливості здійснення, розглянемо більш детальні фізичну суть запропонованого способу . Відомо, що електромагнітний момент асинхронно го двигуна в векторні формі визначається рівнянням: де Л/- електромагнітний момент асинхронного двигуна ; ZM - індуктивність кола намагнічування асинхронного двигуна ; Lr- повна індуктивність кола ротора асинхронного двигуна ; J&.- вектор потокозчеплення кола ротора асинхронного двигуна ; j і- вектор струму статора асинхронного двигуна. Розглядатимемо вектори електромагнітних величин як проекції перпендикулярні осі умовної прямокутної системи координат (х,у). Отже, піс необ хідних перетв орень (1), за умов и оріє нта ції синхр онної з пол ем дв игу прямокутної системи координат {х,у) за вектором потокозчеплення кола роте *=і. де Z p - число пар полюсів асинхронного двигуна ; іщу- проекція вектора струму статора асинхронного двигуна на вісь.у зорієнтовв за вектором потокозчеплення кола ротора %> системи координат (*,,у), прич< 07=0/ Для усталеного режиму роботи : "* J* 1 де і„ - проекція вектора струму статора асинхронного двигуна на вісь зорієнтованої за вектором потокозчеплення кола ротора J& системи коордиш Відносне значення моменту : ^ -Wv (4) де М - відносне значення моменту асинхронного двигуна. Рівняння (3) та (4) є справ едливим та кож для частотно-ст руновоі керування [4], тому приведені далі викладки стосуються як векторноготак , частотно-струиового керування . Знайдемо умови мінімального значення модуля струму статора асинхро нного двигуна для заданого мом енту М*. Відповідно до прив еден міркувань та викладок будуть справедливими рівняння : і 2„ і 2 **у І 2. *» " hx » і2 -і2 Похідна моменту відносно складової і/т: •2 * їх Електромагнітний момент Л/* буде максимальним, якщо: XX тоді: звідки умова мінімума струму статора для векторного тачастотно струнового керування: або: і =' = у ' (5) Отже, при векторному та частотно-струмовому керуванні для заданоп , електромагнітного моменту асинхро нного двигуна модуль стру му статор , матиме мінімальне значення при рівності складових струму статора„ та і^ і Окрім умови (5), з метою запобігання насиченню нагнітопровод асинхронного двигуна та виходячи з умови керованості електродвигуном, я* слідує з (4), а сане і„ Ф 0, на значення складової струму статораіг х необхідв накласти обмеження: - допустиме значення потокозчеплення кола намагнічувані асинхронного двигуна із умови ненасиченості магнітопроводу ; Lra- індуктивність розсіювання кола ротора асинхронного двигуна . Отже, виходячи з (1)-(3), в перехідних режимах роботи електродвигуна , д одержання ма ксимального мо менту, реакт ивну складову ст руну стате необхідно забезпечити на рівні її номінального значення Виходячи з (5), . сталому режимі роботи електродвигуна для забезпечення мінімального стру , статора, реактивна складова струну статора нае підтримуватись пропорційн активній складовій. На фіг Л зображена крива зміни моменту асинхронного двигуна 4A100L4 одержана в результаті моделювання, при зміні співвідношення складових стрn чиї запропонований спосіб керування асинхронним двнгуном дозволяє забезпечнт високі динамічні властивості електроприводу та мінімальне споживання струм від мережі живлення в усталенону режимі роботи при зменшеному навантаженні На фіг.2 зображена функціональна схема, що підтверджує ножливіст здійснення електроприводу, в якому реалізовано розглянутий спосіб керування. Електропривід має силовий перетворювач частоти І з виходами дл підключення до фаз асинхронного електродвигуна 2 і силовими входами д/ підключення до мережі живлення, задаєм; частоти обертання 3 і перші зада&ач струму намагнічування 4, блок керування 5, блок прямого перетворені координат б з входами сигналів за дання активної та реактивної складових струї статора та двома групами виходів, регулятор 7 з елементом порівняння 8 навхо; підключеним одним із входів до виходу задачам частоти обертання 3, щ цьому одна група виходів блоку прямого перетворення координат б під ключ є через перетворювач двох до трьох фаз 9 до керуючих входів силово перетворювача частоти 1, датчики фазних струмів 10 асинхронно електродвигуна, перетворювач фаз 11 з трьох до двох, блок зворотньо перетворення координат 12 доповнений додатковим виходом, з'єднаним з вході блокування регулятора 7» причому вихід регулятора 7 з'єднаний з перш керуючим входом блоку прямого перетворення координат б, одна група вхо; блоку зворотнього перетворення координат 12 підключена до другої гру виходів блоку пряного перетворення координат б, а друга група вхо, підключена до виходів блоку 11 перетворювача фаз з трьох до двох. Другий ви блоку 12 підключений до другого входу елементу порівняння 8. Блок обчислювача фазних сигналів потокозчеплення кола ротора доповнений трьс входами, підключеними до виходів фазних датчиків струмів 10. Електропри доповнено другим задатчяком струну намагнічування 14, а блок керуванн доповнено пропорційною 15 та диференційною 16 ланками, випрямлячами 11 18, суматором 19, блоками визначення більшого сигналу 20, обмеження сигв і 21. Фазні потокозчеплення кола ротора визначаються за миттєвими сигналами фазних напруг та струмів (блок 13) зарівнянням: де ¥*- оці нка м итт євого фаз ного з начення пот окозчеплення кола рот ор а асинхронного двигуна; и, і,- миттєві значення напруги та струму обмоток статора асинхронного двигуна ; R» Zff - активний опір обмотки статора та еквівалентна індуктивність розсіювання обмоток асинхронного двигуна де L&Lj.- індуктивності розсіювання кола статора та кола ротора асинхронного двигуна Електропривід працює слідуючим чином. За допомогою ланки U встановлюється коефіцієнт пропорційності між значеннями активної ті намагнічуючої складових струму статора двигуна . В даному випадку коефіцієн' дорівнює одиниці , але, в загальному випадку, він може змінюватись , в залежпосі від вимо г, щ о ст авлять ся до елект ро пр иводу (пр и інш их алгорит мах роб от електроприводу коефіцієнт може бути відмінним від одиниці). Задатчикани 4 т 14 задають відповідно мінімальне, необхідне для стійкої роботи, та нонінальв значення намагнічуючої складової струну статора двигуна . Слід виділити три режими роботи електроприводу режим пуску, усталені : режим (при незмінних значеннях навантаження та завдання кутової швидкост режим відпрацювання зміни сигналу завдання або зміни навантаження. , Робота блоку керування 5 організована таким чипом, що при пускові, ніс ввімкнення живлення, сигнал на виході блока 7 блокується (встановлюєть рівним нулю ) нульовим значенням сигналу модуля потокозчеплення кола рото ] що подається з бло ку зворотнього перетвор ення координат 12. Відповідно виході блоку 19 сигнал також дорівнює нулю . З задабоч 4» через блоки 20 та 2 на блок 6 поступає сигнал (більший від нуля), який визначає мінімальне значення намагнічуючої складової струму статора/„ двигуна. Здійснюється намагнічування двигуна. Коли сигнал мо дуля потокозчеплення кола ротор а набуває сталого значення, блок 7 розблоковується. З задатчнка швидкості З сигнал поступає на блок 8, де від сигналу завдання віднім ається сигнал зворот нього зв'язку, пропорційний швидкості ротора двигуна, який надходить з блока 12 [3]. Сигнал похибкиподається на в хід р егулят ора 7, з виходу я кого одерж им о сигнал, пропорційний номентостворюючій складовій струму статора і^ (3). Змінна складова сигналу з виходу блоку 7 про ходить чер ез днференцюючу ла пку 16, саряиляється блоком 18, поступає на блок 19, де складається з сигналом з блок ) 17, про пор ційним мом енто створюючій складовій стр уну статора. Б локом 2( визначається більший із двох вхідних сигналів, яким є снгнал на виході б лою складання 19, цей сигнал поступає на блок 21, де обмеж ується з наченням визначеним задатчикон максимального значення намагнічуючої складової струм статор а 14, пост упає на блок 6. Відтворюваний двигуном електро магнітне момент визначається добутком значення модуля потокозчеплення кола ротора Ч та складов ою струну стато ра і^ Такий ч ином, в перехідних ре жимах р оботі ланки 15 -19 забезпечують номінальне значення потокозчеплення кола рото{ асинхронного двигуна, чим забезпечується повне використання його габарити v потужності та забезпечуються високі динамічні властивості В усталеному р ежимі роботи, на виходах блоків 16 та 18 енгна дорівнюють нулю, значення сигналів з авдання струмів і„ та i v встановлюють ™ коефіцієнтом пропорційності, визначеним блоками 15-19, чим забезпечує™ режим мінімального споживання струну статора, відповідно з запропонован способом керування, для заданого значення електромагнітного моменту двкг ] (пропорційно сигналу на виході регулятора7), при зменшеному навантаженні. Досліди показують, що в номінальному реж имі робот и асинхр онні двигуна, значення i v майже втричі перевищує значення і ІХ, отже і tc навантаженнях, близьких до номінального, з виходу блока 7, через блоки 15 - IS на вхід блока 20, поступає сигнал значно більший від заданого зад аг чи ком4, том 5 сигнал з виходу блока 20 подається на блок обмеження сигналу 21, на виход якого вста новлюється сигна л, значе ння яко го об межу ється рівнем, задания з ад а о ач . 14, чим запобігається перемагнічування нагнітопроводу . Б режимі відпрацювання зміни сигналу завдання, або зміни навантаження сигнал похибки з виходу елемента порівняння 8 проходить через ланки 15-2] причому, завдяки випрямленому сигналу з виходу диференцюючої ланки 16, в виході блоку 21 встановлюється сигнал завдання струну намагнічувана асинхронного двигуна, рівний заданому задатчикон 14 значенню струн намагнічування, чин забезпечується повне використання габаритної потужнос та забез печуються високі динамічні властивості електродвигунаОскі льки проц< . намагнічування асинхронного двигуна характеризується інерційністю, з мето забезпечення високих динамічних властивостей електроприводу, перех електро приводу з устале ного режиму р оботи з зменшеним нава нтаженням ; нового усталеного режиму відпрацьовується за рахунок активної складов струму статора, котра зменшується по мірі збільшення потокозчеплення ко ротора за рахунок намагнічуючої складової струму статора . Розімкнувши контур керування швидкості та подаюче сигнал керував безпосередньо на вхід блоків 6,15,16, електропривід ножна використовувати ; виріш ення задач стабі ліз ації, або програмного керув ання номеі електродвигуна. Контур керування моментом електроприводу в розглянутому внпадк ; нелінійним, що обмежує діапазон регулювання швидкості електроприводу випадку, якщо необхідно розширити діапазон регулювання блок 12 доповню , додатковим виходом (значення модуля потокозчеплення кола ротора *¥г). Б керування доповнюють ланкою ділення причому вхід "ділене" підключакш , виходу регулятора 7, вхід "дільник" підключають до додаткового виходу 6 J і 12, а вихід підключають до входів блоків 6,15,16. Для більш значного розширення діапазону регулювання швидкост електропривід доповнюють тахогенератором, вихід якого підключають до вход блоку порівняння 8. Практично, електропривід може бути реалізований на дискретне напівпровідникових елементах. Застосування сучасних елемент мікропроцесорної техніки дозволяє виконати блок керування 5 на ба микроконтроллера, доповнивши входи блоку керування 5 аналогово-цифровнни, виходи цифро-аналоговини перетворювачами, а блоки блоку керування вико напр о грам но, причому блок керування 5 доповнюють додатковим портом, чі передбачається можливість підключення ПЕОМ для програмував микроконтроллера та можливість виводу необхідної інформації про робо електроприводу на блоки відображення інформації ЛІТЕРАТУРА 1. А.С. №493882 Н02Р5/40 Способ частотно-токового управлен асинхронной машиной. 2. А.С. №680130 H02PS/40 Способ частотно-токового управлев асинхронной машиной с короткозанкнутын ротором. 3. А.С. №1534736 Н02Р7/42 Устройство для регулирования чаете вращения асинхронного электродвигателя. 4. Бродовский В.Н., Иванов Е.С. Приводы с частотно-токов управлением. Под ред. В.Н.Бродовского. М.: "Энергия", 1974. 11 -ЭЙ : лам ФІГ.1.