СИСТЕМА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО ДВУХЗОННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПРЯМЫМ УПРАВЛЕНИЕМ МОМЕНТОМ

Полезная модель относится к асинхронному электроприводу и может быть использовано в промышленности и на транспорте в системах электропривода с прямым управлением моментом асинхронных двигателей (АД).
Известен способ двухзонного регулирования скорости асинхронного электропривода с ослаблением потока ротора в системе векторного управления (Козярук А.Е., Рудаков В.В. Современное и перспективное алгоритмическое обеспечение частотно-регулируемых электроприводов. - СПб.: Санкт-Петербургская электротехническая компания, 2004 - прототип). В данном способе блок задания потокосцепления в первой зоне регулирования (при частоте вращения двигателя ниже номинальной) устанавливает номинальное значение потокосцепления ротора двигателя. Во второй зоне регулирования (при частоте вращения двигателя выше номинальной) ослабление поля (уменьшение магнитного потока по отношению к номинальному значению) достигается за счет изменения задания на потокосцепление ротора обратно-пропорционально увеличению частоты вращения по отношению к номинальной. Минимизация тока статора может осуществляться путем поддержания равенства составляющих тока статора.
Недостатками этого способа являются традиционная для векторных систем сложность и большой объем вычислений, невысокая устойчивость к возмущениям, косвенное влияние на потокосцепление ротора через изменение тока статора, отсутствие регулирования потокосцепления двигателя в первой зоне, недоиспользование двигателя по мощности и нагреву во второй зоне.
Известна система прямого управления моментом (Direct Torque Control, - DTC) (Козярук A.E., Рудаков В.В. Системы прямого управления моментом в частотно-регулируемых электроприводах переменного тока / под ред. Народицкого А.Г. - СПб.: Санкт-Петербургская электротехническая компания, 2005), которую можно использовать для энергоэффективного двухзонного управления АД. В системе прямого управления моментом реализовано непосредственное высокодинамичное релейное регулирование потокосцепления статора и момента двигателя по отклонению. К отличительным особенностям DTC можно отнести наличие в системе (рис. 1):
- гистерезисных релейных регуляторов потокосцепления статора (РРп) и момента (РРм) асинхронного двигателя;
- электронной адаптивной модели двигателя (АМД) для вычисления текущих управляемых координат асинхронного двигателя (потокосцепления статора, электромагнитного момента, температуры и др.) по значению фазных токов, напряжения в звене постоянного тока и коммутационной функции автономного инвертора напряжения (АИН);
- блока вычисления фазового сектора (БВФС), в котором в текущий момент времени находится вектор потокосцепления статора двигателя;
- табличного (матричного) вычислителя оптимального вектора напряжения двигателя, выполняемого в виде блока логического автомата (БЛА) и определяющего функцию переключения вентилей АИН.
Система DTC обладает высоким быстродействием и, в то же время, в ней не требуются необходимые при реализации векторного управления преобразователи координат, регуляторы составляющих тока статора, блоки компенсации перекрестных обратных связей АД, организация широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Кроме того, система более устойчива к возмущениям и неточности информации о переменных состояния объекта управления, чем векторная система. Однако для систем DTC недостаточно проработаны энергосберегающие способы управления двигателями, что не позволяет полостью реализовать все преимущества DTC.
Целью полезной модели является реализация энергоэффективного двухзонного регулирования асинхронного двигателя в системе прямого управления моментом при наиболее полном использовании двигателя, оснащенного датчиком температуры обмоток статора, по нагреву и мощности.
Технический результат достигается тем, что в систему двухзонного регулирования скорости асинхронного двигателя, использующую прямое управление моментом (Direct Torque Control - DTC), содержащую статический преобразователь напряжения и частоты с автономным инвертором напряжения, питающий асинхронный двигатель, снабженный датчиком температуры обмоток; датчик частоты вращения двигателя; датчики токов фаз А, В, С двигателя; датчик напряжения звена постоянного тока статического преобразователя; блок прямого управления моментом (DTC), на соответствующие входы которого подаются сигналы датчиков тока фаз двигателя, датчика напряжения звена постоянного тока, датчика температуры обмоток двигателя, а выход соединен с управляющим входом статического преобразователя, содержащую также задатчик интенсивности, подключенный к блоку вычитания, на второй вход которого подается сигнал с датчика частоты вращения двигателя, а выход соединен с входом регулятора частоты вращения, выход которого подключен к первому входу блока вычисления задания момента, второй вход которого соединен с выходом датчика частоты вращения двигателя, а выход подключен к входу задания момента блока DTC,
введены:
блок вычисления заданной мощности, вход которого соединен с выходом датчика температуры обмоток двигателя, а выход соединен с третьим входом блока вычисления задания момента, и
блок задания потокосцепления статора в зависимости от электромагнитного момента двигателя, на вход которого подается сигнал задания момента с выхода блока вычисления задания момента, а выход подключен к входу задания потокосцепления блока DTC.
Функциональная схема системы двухзонного регулирования скорости асинхронного двигателя, оснащенного датчиком температуры обмоток, представлена на рис. 1; в данной системе температура обмоток статора двигателя измеряется датчиком температуры обмоток.
з
з
ω
з
В представленной схеме (рис. 1) имеется внешний контур регулирования частоты вращения (угловой скорости) двигателя. Темп нарастания задания на частоту вращения ω определяться задатчиком интенсивности (ЗИ). Действительная угловая скорость ротора АД измеряется датчиком частоты вращения ДЧВ. Рассогласование между заданной (ω) и действительной угловой скоростью двигателя (ω), определяемое в блоке вычитания 5, подается на регулятор скорости, который формирует предварительное задание на момент тягового двигателя (Мз). Затем в блоке вычисления задания момента с учетом ограничений (БВЗМ) определяются ограничения и окончательное задание на момент М, поступающее в блок DTC, по уравнениям
зогр
зmax
з
где М - ограничение задания на момент АД; М - ограничение по моменту, устанавливаемое обычно, исходя из допустимого тока вентилей АИН статического преобразователя (СП); Р - заданная мощность двигателя.
з
з
Величина заданной мощности Р определяется в зависимости от температуры θ обмоток статора двигателя (измеряемой датчиком температуры) в блоке вычисления заданной мощности (БВ_Р, блок 7 на рис. 1) по следующим уравнениям:
доп
н
где θ - допустимая температура обмотки статора АД, Р - номинальная мощность двигателя.
sз
з
sз
з
Задание на потокосцепление статора ψ определяется в первой и второй зоне регулирования скорости АД по найденному с использованием уравнений (1, 2) заданию на момент М на основе заранее рассчитанной зависимости потокосцепления статора от момента двигателя ψ=f(M) по условию минимума тока статора, имеющей вид кривой с насыщением. Найденное задание потокосцепления поступает в блок DTC. Применение DTC позволяет отдельно регулировать электромагнитный момент и потокосцепление статора двигателя по энергосберегающему закону с высоким быстродействием.
sз
з
зmax
В первой зоне регулирования скорости при реализации низких скоростей и низких заданиях на момент (в случае пониженной нагрузки двигателя) задание на потокосцепление статора автоматически снижается по заданной кривой ψ=f(M) (рис. 1, блок 8). При увеличении нагрузки задание на момент возрастает (вплоть до М) и соответственно увеличивается задание на потокосцепление статора.
sз
з
По мере разгона двигателя и увеличения частоты вращения ω вверх от номинального значения задание на момент с учетом принятых ограничений (см. выражения 1) неизбежно снижается с ростом ω и одновременно снижается задание на потокосцепление статора по той же расчетной зависимости ψ=f(M). При этом двигатель автоматически переходит в зону ослабления поля (во вторую зону).
sз
з
В данной системе электропривода перед пуском двигателя необходимо установить заданный уровень потокосцепления. Для этого используется режим предварительного намагничивания, заключающийся в установке задания на потокосцепление на заданном начальном уровне при задании на момент равном нулю. После намагничивания АД задание на момент повышается с требуемой интенсивностью и далее реализуется расчетная зависимость ψ=f(M).
Таким образом, в первой и второй зонах производится регулирование потокосцепления статора по энергосберегающему закону, причем во второй зоне одновременно реализовано регулирование максимально допустимой мощности двигателя в зависимости от температуры обмоток, позволяющее дозировано изменять его перегрузочную способность.
з
Изменение заданной мощности Р в зависимости от температуры обмоток позволяет без сокращения срока службы повышать мощность двигателя, временно перегружая его в случае необходимости, например, при преодолении подъема транспортным средством или снижении давления в магистрали при увеличении разбора жидкости, а также предохранять двигатель от превышения температуры. Одновременно предлагаемая реализация энергосберегающего двухзонного регулирования в системе прямого управления моментом позволяет снизить потери и повысить к.п.д. асинхронного двигателя.