СИСТЕМА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО ДВУХЗОННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПРЯМЫМ УПРАВЛЕНИЕМ МОМЕНТОМ БЕЗ ДАТЧИКА ТЕМПЕРАТУРЫ ОБМОТОК

Система энергоэффективного двухзонного регулирования скорости асинхронного двигателя с прямым управлением моментом без датчика температуры обмоток
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).
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 - прототип). 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, она устойчива к возмущениям и неточности информации о переменных состояния объекта управления, 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 по нагреву и мощности двигателя, не оснащенного датчиком температуры обмоток.
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, 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 двигателя, датчика напряжения звена постоянного тока, а первый выход соединен с управляющим входом статического преобразователя, причем, в блоке DTC имеется адаптивная модель двигателя, включающая и тепловую модель, на основе которой рассчитывается температура обмоток статора двигателя; содержащую также задатчик интенсивности, подключенный к первому входу блока 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, на вход которого подается сигнал температуры обмоток двигателя со второго выхода блока DTC, 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 блока вычисления задания момента, а выход подключен к входу задания потокосцепления блока DTC.
Функциональная схема системы двухзонного регулирования скорости асинхронного двигателя (АД) представлена на рис. 1. Система содержит трехфазный АД 1 с датчиком частоты вращения ДЧВ 2; выпрямительно-инверторный статический преобразователь 3, от которого запитан АД; блок DTC 4, который управляет полупроводниковыми ключами преобразователя 3; блок вычисления задания момента 5; регулятор частоты вращения 6; блок вычитания 7, в котором определяется рассогласование между заданием на скорость и фактической скоростью двигателя, измеренной датчиком 2; задатчик интенсивности 8; блок вычисления заданной мощности 9 и блок вычисления задания на потокосцепление 10.
з
з
ω
з
Остановимся подробнее на конструкции устройства. В представленной системе (рис. 1) имеется внешний контур регулирования частоты вращения (угловой скорости) АД. Темп нарастания задания на частоту вращения ω определяться задатчиком интенсивности 8 (ЗИ). Действительная угловая скорость ротора АД измеряется датчиком частоты вращения 2 (ДЧВ). Рассогласование между заданной (ω) и действительной угловой скоростью двигателя (ω), определяемое в блоке вычитания 7, подается на регулятор скорости, который формирует предварительное задание на момент тягового двигателя (Мз). В блоке вычисления задания момента 5 (БВЗМ) с учетом ограничений определяются ограничения и окончательное задание на момент М, поступающее в блок DTC, по уравнениям
зогр
зmax
зω
з
где М - ограничение задания на момент АД; М - ограничение по моменту, устанавливаемое обычно, исходя из допустимого тока вентилей АИН статического преобразователя (СП); M - предварительное задание на момент, вычисленное регулятором частоты вращения; Р - заданная мощность двигателя.
з
з
В блоке вычисления заданной мощности 9 (БВ_Р) определяется величина заданной мощности Р в зависимости от температуры θ обмоток статора двигателя по следующим уравнениям:
доп
н
где θ - допустимая температура обмотки статора АД, Р - номинальная мощность двигателя.
В данной системе отсутствует датчик температуры обмоток двигателя, а определение температуры производится по тепловой модели двигателя, входящей в адаптивную модель двигателя блока DTC. Это снижает точность определения температуры, однако не требует установки датчика в асинхронном двигателе.
sз
з
sз
з
В блоке 10 определяется задание на потокосцепление статора ψ 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 на потокосцепление так же, как и задание на момент, поступает в блок DTC. Применение DTC позволяет отдельно регулировать электромагнитный момент и потокосцепление статора двигателя по энергосберегающему закону с высоким быстродействием.
sз
з
При функционировании устройства блок 3 подключается к трехфазной сети, производится предварительное намагничивание (о котором подробнее сказано ниже), блок 8 вырабатывает сигнал задания на скорость, из которого в блоке 7 вычитается сигнал скорости, измеренный датчиком 2, полученное рассогласование поступает на блок регулирования частоты вращения 6, который вычисляет предварительное задание на момент, которое поступает на блок 5. На этот же блок поступает величина заданной мощности, определяемая в блоке 9 по выражениям (2) с учетом температуры обмоток, и далее в блоке 5 с использованием значения заданной мощности и значения предварительного задания на момент по выражениям (1) определяется окончательное задание на момент, поступающее на блок 4 (DTC) и на блок 10, в котором определяется задание на потокосцепление по заранее рассчитанной энергосберегающей зависимости потокосцепления статора от момента ψ=f(M). Здание на потокосцепление, как и задание на момент, поступает на блок 4 (DTC), который вырабатывает сигналы управления, поступающие на блок 3 (СП), питающий асинхронный двигатель.
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 10). 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
Следует отметить, что 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 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 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.