Спосіб частотного керування асинхронним двигуном з несиметричними параметрами обмоток статора

Реферат: Спосіб частотного керування асинхронним двигуном з несиметричними параметрами обмоток статора включає незалежне формування активної та реактивної складової вектора струму статора, в якому використовують пристрої виміру потокозчеплення фаз ротора, який дозволяє здійснювати примусову взаємну орієнтацію вектора струму статора і потокозчеплення ротора, в якому використовують окремі контури регулювання за кожною фазою двигуна. В обертовій ортогональній системі координат відбувається задання тільки активної складової струму, що перетворюють до трифазної системи координат, задання потокозчеплень здійснюють в трифазній системі координат з можливістю регулювання потокозчеплення окремої фази, після регуляторів потокозчеплення сформовані сигнали задання реактивного струму підсумовують з сигналами задання активного струму і утворюють сигнали задання струму фаз статора, після чого вони поступають до регуляторів струму та формують сигнали задання напруг кожної фази двигуна. UA 103708 U (12) UA 103708 U UA 103708 U 5 10 15 20 Корисна модель належить до систем керування електроприводами змінного струму та може бути використана для частотного регулювання асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором в різних галузях промисловості, таких як електротранспорт, машинобудування, електроенергетика, металургія, гірничо-видобувна промисловість. Відомий спосіб векторного керування асинхронними двигунами [Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учебник для студ. высш. учебн. зав. -М.: Академия, 2006. -272 с.], який базується на взаємодії наступних функціональних складових: перетворювача частоти (ПЧ), що містить некерований випрямляч і автономний інвертор напруги; швидкодіючих струмових контурів, виконаних в обертовій системі координат, яка передбачає застосування контурів струмів за осями d, q, та каналів регулювання потокозчеплення та швидкості; перетворювачів координат прямого та зворотного каналів (ПКП і ПКЗ), які визначаються перетворенням Парка. Для отримання в перетворенні координат кута  кута між віссю "  " нерухомої системи координат і віссю "d" обертової системи координат, у систему вводиться блок визначення модуля потокозчеплення ротора r , що визначається за допомогою функціональних перетворювачів. Система керування формує два незалежні контури підпорядкованого регулювання, один з яких підтримує встановлене значення потокозчеплення ротора двигуна, а другий забезпечує регулювання частоти обертання ротора. Кожний контур містить в собі два регулятори: потокозчеплення (швидкості) ротора, і підлеглого йому регулятора струму. Незалежне керування потокозчепленням ротора та електромагнітним моментом (швидкістю) двигуна вирішується за допомогою блока компенсації, який виконує відокремлення каналів регулювання шляхом нейтралізації впливів внутрішніх зворотних зв'язків за проекціями вектора струму статора Id і Iq в обертовій системі координат та уведенням на вхід інвертора напруги таких же перехресних зв'язків, як і в математичній моделі двигуна, але взятих із протилежними знаками: 1  Ukd   k Idk1;  fc (1)  1  Ukq  Iqk1  k 2 ,  kf c  де Ukd, Ukq - напруга компенсації; k f c - коефіцієнт передачі перетворювача частоти; Id ,Iq  25  проекції вектора струму статора на осі обертової системи координат d, q ; k1  Lspnr ; k 2  pnr r L  / Lr ; r - електрична швидкість обертання ротора; r - модуль вектора  30 35 40 45 50  потокозчеплення ротора. Суттєві ознаки, що збігаються із способом, що заявляється: - формування контуру регулювання швидкості обертання двигуна в обертовій системі координат; - використання теорії координатних перетворень для формування моментоутворюючої складової вектора струму; - методики синтезу та налаштування регуляторів швидкості, потокозчеплення і струму в замкнених контурах регулювання; - використання блока компенсації перехресних зв'язків за проекціями вектора струму статора для формування незалежного керування потокозчепленням та моментом (швидкістю) двигуна; - використання спостерігача для непрямого визначення величини потокозчеплення ротора. До причин, що перешкоджають досягненню очікуваного технічного результату при використанні відомого способу, відноситься те, що у відомому способі формування сигналів керування автономним інвертором напруги перетворювача частоти базується на використанні ортогональної моделі асинхронного двигуна, що не дозволяє проводити корекцію режимів роботи системи електропривода за рахунок формування керуючих впливів окремо на кожну фазу статора двигуна. Відсутність можливості роздільного регулювання кожної фази не дозволяє використовувати відомий спосіб керування електродвигунами з несиметрією обмоток фаз статора. Найбільш близьким технічним рішенням до корисної моделі, що заявляється, вибраним як прототип, є спосіб, який базується на взаємодії наступних функціональних складових: перетворювача частоти, що містить керований випрямляч і автономний інвертор струму; формувача напруги керування, на вхід якого підключено датчик потокозчеплення ротора; задатчиків активної IA та реактивної IR складової струму статора ["Устройство для частотного 1 UA 103708 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 управления асинхронным двигателем" Патент СРСР № 744887. / Ю.М. Гусяцкий, В.Ф. Гельдман]. Згідно з даним технічним рішенням задане значення модуля результуючого вектора струму забезпечується регулятором струму, на вході якого порівнюється сигнал задання струму з сигналом датчика зворотного зв'язку за струмом статора двигуна, та який формує сигнали керування керованим випрямлячем. Аргумент результуючого вектора струму (частота та фаза струму) двигуна при живленні від інвертора струму визначається моментами подачі імпульсів керування на ключі автономного інвертора струму з виходу блока керування. Дана властивість автономного інвертора струму дозволяє здійснювати примусову взаємну орієнтацію вектора струму статора та потокозчеплення ротора двигуна без використання векторного аналізатора та перетворювача координат. Відповідно до чого IA  I sin, IR  I cos , де  - кут між першими гармоніками струму статора та потокозчеплення ротора відповідної фази двигуна. Таким чином сигнал задання IR в статичних та динамічних режимах визначає проекцію струму статора та напрям вектора потокозчеплення ротора, а сигнал IA - ортогональну складову струму двигуна. При цьому використання сигналів потокозчепленням трьох фаз ротора дозволяє реалізувати три незалежні канали регулювання, які дозволяють формувати напругу задання інвертора для кожної фази окремо. Суттєві ознаки, що збігаються із способом, що заявляється: - незалежне формування активної та реактивної складових вектора струму фаз статора асинхронного двигуна; - використання пристроїв виміру чи розрахунку потокозчеплення фаз ротора; - примусова взаємна орієнтація вектора струму статора та потокозчеплення ротора двигуна без використання векторного аналізатора та перетворювача координат; - використання окремих контурів регулювання для формування напруги задання кожної фази двигуна. До причин, що перешкоджають досягненню очікуваного технічного результату при використанні даного способу, належить те, що при даному способі керування неможливо формувати потокозчеплення кожної фази окремо через відсутність регуляторів потокозчеплень. Також недоліком зазначеного способу є те, що сигнали задання проекцій вектора струму формуються однаковими для усіх фаз і немає можливості задавати їх для кожної фази незалежно. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення якості регулювання вихідних координат асинхронного двигуна у несиметричному режимі роботи двигуна, а також компенсації впливу несиметрії обмоток статора на енергетичні показники електропривода. Це досягається шляхом формування сигналів керування автономним інвертором напруги за кожною фазою двигуна окремо. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб частотного керування асинхронним двигуном з несиметричними параметрами обмоток статора, який включає незалежно формувати активну та реактивну складову вектора струму статора, в якому використовують пристрої виміру потокозчеплення фаз ротора, який дозволяє здійснювати примусову взаємну орієнтацію вектора струму статора і потокозчеплення ротора, в якому використовують окремі контури регулювання за кожною фазою двигуна. Додатково в обертовій ортогональній системі координат відбувається задання тільки активної складової струму, що перетворюють до трифазної системи координат, задання потокозчеплень здійснюють в трифазній системі координат з можливістю регулювання потокозчеплення окремої фази, після регуляторів потокозчеплення сформовані сигнали задання реактивного струму підсумовують з сигналами задання активного струму і утворюють сигнали задання струму фаз статора, після чого вони поступають до регуляторів струму та формують сигнали задання напруг кожної фази двигуна. Суть корисної моделі пояснює креслення. На кресленні наведено функціональну схему системи векторного керування з компенсацією впливу несиметрії обмоток статора з використанням наступних позначень: 1 - задатчик інтенсивності швидкості; 2, 7, 8, 12, 13, 15, 16, 22, 26, 29 - суматори; 3 - регулятор швидкості; 4 блок ділення; 5, 6 - перетворювачі координат; 9, 14, 17 - регулятори струму; 10 - блок компенсації; 11 - перетворювач частоти; 18 - спостерігач; 19 - блок датчиків напруги; 20, 25, 28 блоки коригувальних коефіцієнтів; 21 - блок формування трифазного сигналу задання потокозчеплення; 23, 27, 30 - регулятори потокозчеплення; 24 - датчик швидкості; ref - сигнал задання швидкості;  - сигнал зворотного зв'язку за швидкістю; I ,I - сигнали задання sd sq проекцій вектора струму в обертовій ортогональній системі координат; Is ,Is - сигнали задання 2 UA 103708 U проекцій вектора струму в нерухомій ортогональній системі координат; I ,I ,I sAa sBa sCa - сигнали задання активних складових струму в трифазній системі координат; I ,I ,I sAr sBr sCr - сигнали задання реактивних складових струму в трифазній системі координат, I ,I ,I - сигнали sA sB sC задання струму в трифазній системі координат; IsA,IsB,IsC - сигнали зворотного зв'язку за 5  струмами фаз статора; U ,UB ,U - сигнали задання напруги інвертора; A,B, C - найменування A C фаз мережі; c - кут між нерухомою та обертовою ортогональними системами координат; r величина модуля потокозчеплення ротора; ref - сигнал задання потокозчеплення ротора; - сигнали задання потокозчеплень фаз ротора з урахуванням коригувальних a , b , c ref 10 15 ref ref    коефіцієнтів; a , b , c - сигнали задання потокозчеплень фаз ротора в трифазній нерухомій системі координат; a, b, c - сигнали зворотних зв'язків за потокозчепленням ротора. Спосіб реалізується наступним чином. У запропонованому способі контур регулювання швидкості двигуна виконується в обертовій системі координат d, q . Сигнал зворотного зв'язку за швидкістю надходить з датчика швидкості (креслення, блок 24) або розраховується за допомогою спостерігача (креслення, блок 18). Розділення вихідного сигналу регулятора швидкості на модуль потокозчеплення ротора (креслення, блок 4) дозволяє отримати сигнал задання активної складової струму (I ) статора, значення якої за допомогою координатних sq перетворювачів перетворюється на трифазну (I ,I ,I ) систему координат в два етапи. sAa sBa sCa Перехід від обертової до нерухомої ортогональної системи координат (креслення, блок 5) відбувається за наступними виразами: Is cos   sin  0 (2)    , Is sin  cos  Isq 20 де  - кут повороту координатної системи d, q відносно нерухомої , . Перетворення сигналів від нерухомої до трифазної системи координат (креслення, блок 6) здійснюється відповідно до виразів: I sAa 1 I  1 sBa  2 I sCa 25 0 3 2 1 I s .  1 Is (3) Регулювання потокозчеплення відбувається за кожною фазою окремо. У даному випадку множення сигналу задання потокозчеплення ( ref ) на корегувальні коефіцієнти (a, b, c , креслення, блоки 20, 25, 28) дозволяє змінювати амплітудне значення потокозчеплення ( a , b , c ) у кожній фазі двигуна. Коефіцієнти корегування задання потокозчеплення ref ref ref визначаються наступним чином: w   d , (4) wq де w d - кількість витків у пошкодженій фазі статора; w q - кількість витків у справній фазі. Перемноження даних коефіцієнтів на сигнали сформованої системи трифазних синусоїдних 30    впливів дозволяє отримати сигнали задання потокозчеплення ( a , b , c ) . Для реалізації зворотних зв'язків за потокозчепленням використовується спостерігач (креслення, блок 18), в якому розраховуються потокозчеплення фаз ротора (5) та модуль вектора потокозчеплення (6).  da L a dI  (UA  R AIA  L A A );  dt L dt   db Lb dIB   (UB  RBIB  LB );  L dt  dt  dc L c dI  (UC  RCIC  L C C ),  L dt  dt  (5) 3 UA 103708 U де L A ,LB,LC та La,Lb,Lc - індуктивності фаз статора і ротора відповідно; L  - індуктивність намагнічування; RA ,RB,RC - активні опори фаз статора; IA ,IB,IC та UA ,UB,UC - струми та напруги фаз статора відповідно;  - коефіцієнт розсіювання; 2 2 2 2 (6) ( a  b  c ) . 3 Вихідні сигнали регуляторів потокозчеплення являють собою сигнали задання реактивних r  5 10 15 20 складових струму фаз (I ,I ,I ) статора. Підсумовуючи задані активні та реактивні складові sAr sBr sCr струму статора, за відповідними фазами двигуна отримуємо задані сигнали струму (I ,I ,I ) , sA sB sC що порівнюються з реальними сигналами (IsA,IsB,IsC ) . Всі регулятори в представленій системі керування, мають пропорційно-інтегральну структуру та такі передавальні функції: 1. Регулятор потокозчеплення: k (7) Wp (p)  k p  i , p Tr k дс k дс де k p  . ; k i  2Tc k дпk rLr 2Tc k дпk rLr 2. Регулятор струму: k (8) Wрс (p)  k cp  ci , p Re де k cp  ReTe ; k ci  . 2Tk пчk дс 2Tk пчk дс 3. Регулятор швидкості: k (9) Wрш (p)  k шр  шi , p Jk дпk дс Jk дпk дс де k рш  . ; k i  2 3Tшk дшk r pn 12Tшk дшk r pn Вихідні сигнали регуляторів струму подаються на блок компенсації перехресних зв'язків. Нейтралізація впливу внутрішніх зворотних зв'язків за проекціями вектора струму статора відбувається на основі виразів:  1 ( Idk1 cos()  (Iqk1  k 2 ) sin( ));  UkA  kf c   1 1 1 3  (10) ( Idk1 sin( )  (Iqk1  k 2 ) cos());  Idk1 cos()  (Iqk1  k 2 ) sin( )   UkB  kf c  2 2 2    1 1 1 3  ( Idk1 sin( )  (Iqk1  k 2 ) cos()).  Idk1 cos()  (Iqk1  k 2 ) sin( )   UkC  kf c  2 2  2  Проекції струму статора на вісі обертової системи координат розраховуються на основі безпосереднього переходу від трифазної системи координат до ортогональної, наступним чином:   1   1  2 3 3 Id   IA cos()  Ib   cos()  sin( )   Ic   cos()  sin( )    2   2  3 2 2        (11). ;    1   1  2 3 3      Iq  3  IA sin( )  Ib   2 sin( )  2 cos()   Ic   2 sin( )  2 cos()  .        Вихідні сигнали блока компенсації перехресних зв'язків за проекціями струму статора представляють сигнали задання напруги (U , U , U ) фаз автономного інвертора напруги. sA sB sC 4 UA 103708 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 1. Спосіб частотного керування асинхронним двигуном з несиметричними параметрами обмоток статора, який включає незалежне формування активної та реактивної складової вектора струму статора, в якому використовують пристрої виміру потокозчеплення фаз ротора, який дозволяє здійснювати примусову взаємну орієнтацію вектора струму статора і потокозчеплення ротора, в якому використовують окремі контури регулювання за кожною фазою двигуна, який відрізняється тим, що в обертовій ортогональній системі координат відбувається задання тільки активної складової струму, що перетворюють до трифазної системи координат, задання потокозчеплень здійснюють в трифазній системі координат з можливістю регулювання потокозчеплення окремої фази, після регуляторів потокозчеплення сформовані сигнали задання реактивного струму підсумовують з сигналами задання активного струму і утворюють сигнали задання струму фаз статора, після чого вони надходять до регуляторів струму та формують сигнали задання напруг кожної фази двигуна. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що використовують спостерігач швидкості ротора, в якому розрахунок швидкості обертання ротора здійснюють на основі виміряних сигналів фазних струмів і напруг. Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5