СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ АВТОНОМНЫМ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
CONTROL METHOD OF INDEPENDENT ASYNCHRONOUS MOTOR

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для электроснабжения автономных объектов, требующих стабильную сеть переменного тока при переменной скорости вращения вала генератора.
Известен способ управления автономным асинхронным генератором, в котором сигнал по отклонению выходного напряжения генератора воздействует на инвертор в цепи ротора, а частоту коммутации вентилей преобразователя в статорной цепи задают постоянной [1].
В указанном способе асинхронная машина начинает работать в генераторном режиме, лишь когда скорость вращения первичного двигателя превышает синхронную скорость используемой асинхронной машины. Когда скорость ниже синхронной, асинхронная машина может работать только в двигательном режиме, потребляя энергию от автономного инвертора. Таким образом, диапазон рабочих скоростей автономного генератора, построенного по этому способу, имеет ограничение снизу.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ управления автономным асинхронным генератором с вентильным преобразователем в цепи ротора, заключающийся в воздействии сигналом по отклонению выходного напряжения генератора на вентильный преобразователь и поддержании постоянной частоты выходного напряжения при переменной скорости вращения ротора, в соответствии с которым частоту коммутации вентилей преобразователя задают по рассогласованию частот выходного напряжения и опорного генератора, формирующего постоянную частоту, причем частота коммутации вентилей преобразователя превышает частоту сети на величину, пропорциональную скорости вращения ротора [2].
Недостатком этого способа является невысокое качество выходного напряжения генератора при быстром изменении скорости вращения вала генератора из-за малого быстродействия и малой точности контура регулирования частоты. При изменении частоты вращения вала генератора изменяется задание на частоту напряжения ротора, однако из-за отсутствия датчика частоты вращения ротора точность задания частоты напряжения ротора невысокая, кроме того, измерение выходной частоты генератора может быть выполнено с запаздыванием на часть периода выходного напряжения, что также снижает точность поддержания требуемой частоты выходного напряжения генератора. ШИМ-инвертор напряжения питает обмотку ротора прямоугольными импульсами напряжения, это приводит к повышенному уровню высших гармоник в выходном напряжении генератора.
Целью изобретения является уменьшение отклонений частоты и снижение уровня высших гармоник выходного напряжения генератора.
В предлагаемом способе управления автономным асинхронным генератором с вентильным преобразователем в цепи ротора, заключающемся в воздействии сигналом по отклонению выходного напряжения генератора на вентильный преобразователь и поддержании постоянной частоты выходного напряжения при переменной скорости вращения ротора, причем частота напряжения на выходе преобразователя превышает частоту выходного напряжения генератора на величину, пропорциональную скорости вращения ротора, сигнал отклонения выходного напряжения генератора подают на пропорционально-интегральный регулятор, сигнал на выходе которого ограничивают при достижении предельно допустимого уровня и формируют сигнал задания амплитуды синусоидального напряжения на выходе вентильного преобразователя, задают желаемую частоту вращения магнитного поля статора генератора, измеряют частоту вращения ротора генератора и вычисляют сумму этих частот, пропорционально которой формируют сигнал задания частоты синусоидального напряжения на выходе вентильного преобразователя, на основе сформированных сигналов задания амплитуды и частоты, формируют сигналы задания мгновенных значений синусоидальных трехфазных напряжений на выходе вентильного преобразователя, смещенных относительно друг друга на угол 2π/3, подают эти синусоидальные сигналы на первые входы трехфазных релейно-гистерезисных регуляторов напряжения, измеряют сигналы мгновенных значений фазных напряжений на выходе вентильного преобразователя, подают эти сигналы на вторые входы релейно-гистерезисных регуляторов напряжения, в каждом релейно-гистерезисном регуляторе определяют отклонение между заданными и измеренными сигналами фазных напряжений, сравнивают отклонение с пороговым уровнем, при превышении которого подают на управляющие входы соответствующих фаз вентильного преобразователя сигналы управления, коммутируют ключевые элементы вентильного преобразователя и добиваются снижения отклонения между заданными и измеренными сигналами фазных напряжений на выходе вентильного преобразователя до значения, меньше чем пороговый уровень.
В предлагаемом способе управления автономным асинхронным генератором улучшено качество напряжения на выходе генератора, а именно снижены отклонения частоты и улучшен гармонический состав.
На фиг.1 приведена функциональная схема управления автономным асинхронным генератором; на фиг.2 показана схема релейно-гистерезисного регулятора напряжения; на фиг.3 показаны мгновенные значения фазных напряжений ротора.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит автономный асинхронный генератор с фазным ротором 1, соединенный с источником механической энергии вращения 2, имеющим переменную скорость вращения. В цепь фазного ротора автономного асинхронного генератора 1 включен регулируемый преобразователь 3, содержащий последовательно соединенные по цепи постоянного тока автономный инвертор тока 4, регулируемый выпрямитель 5, сглаживающий реактор 6. Регулируемый выпрямитель 5 работает в режиме источника тока. К силовому входу инвертора 4 параллельно с обмоткой ротора подключены конденсаторы 7. Силовой вход регулируемого выпрямителя 5 подключен к выходной цепи автономного асинхронного генератора. Для начального запуска автономного асинхронного генератора параллельно выпрямителю включена аккумуляторная батарея 8. Управление напряжением на выходе автономного инвертора тока 4 осуществляется с помощью релейно-гистерезисных регуляторов фазных напряжений 9, имеющих внутренние узлы сравнения входных сигналов. Первые входы релейно-гистерезисных регуляторов фазных напряжений 9 соединены с фазными выходами формирователя 10, вырабатывающего сигналы задания мгновенных значений напряжения на выходе инвертора, вторые входы релейно-гистерезисных регуляторов фазных напряжений 9 соединены с фазными выходами инвертора 4. Амплитудный вход формирователя 10 соединен с выходом блока ограничения 11, вход которого соединен с выходом пропорционально-интегрального регулятора напряжения 12, а его вход соединен с выходом узла сравнения 13. Положительный вход узла сравнения 13 соединен с выходом блока задания выходного напряжения генератора 14, отрицательный вход узла сравнения 13 соединен с выходом датчика 15 выходного напряжения генератора 1. Частотный вход формирователя 10 соединен с выходом сумматора 16, первый вход которого соединен с выходом блока задания выходной частоты 17, второй вход сумматора 16 соединен с выходом пропорционального блока 18, вход которого соединен с выходом датчика 19 частоты вращения ротора, установленного на одном валу с генератором 1 и источником механической энергии 2.
Управление автономным асинхронным генератором осуществляется следующим образом. При первоначальном запуске автономный инвертор тока преобразует постоянное напряжение от аккумуляторной батареи в трехфазное напряжение, подаваемое в ротор автономного асинхронного генератора. Под действием этого напряжения формируется вращающееся электромагнитное поле в воздушном зазоре автономного асинхронного генератора. В результате этого наводится ЭДС в обмотке статора. При появлении выходного напряжения автономного асинхронного генератора 1 появляется напряжение на выходе регулируемого выпрямителя 5, который теперь обеспечивает питание автономного инвертора 4 и подзарядку аккумуляторной батареи 8. Регулируемый выпрямитель 5 обеспечивает заданное значение входного тока инвертора 4. Для поддержания достаточного значения входного тока инвертора в регулируемом выпрямителе 5 может быть выполнен внутренний замкнутый контур регулирования тока. Пульсации тока в выпрямленной цепи сглаживаются реактором 6.
1
Порядок чередования фаз в роторе выбран таким образом, что электромагнитное поле в воздушном зазоре вращается в сторону, противоположную направлению вращения ротора, тогда частота выходного напряжения ω будет определяться формулой:
<mrow><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>ω</mi><mi>p</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>p</mi><mi>n</mi></msub><mo>,</mo><mtext>                                                                                            (1)</mtext></mrow>
2
р
n
где ω - частота напряжения на выходе инвертора; ω - измеренная частота вращения ротора генератора; p - число пар полюсов генератора.
Частоту напряжения на выходе инвертора 3 формируют в соответствии с формулой
<mrow><msub><mi>ω</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>ω</mi><mn>1</mn><mo>*</mo></msubsup><mo>+</mo><msub><mi>ω</mi><mi>p</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>p</mi><mi>n</mi></msub><mo>,</mo><mtext>                                                                                            (2)</mtext></mrow>
<mrow><msubsup><mi>ω</mi><mn>1</mn><mo>*</mo></msubsup></mrow>
где
- задаваемая частота напряжения статора.
1
Сигнал с выхода сумматора 16 поступает на частотный вход формирователя 10 задания синусоидальных фазных напряжений. Любое изменение частоты вращения вала генератора сопровождается изменением частоты напряжения на выходе инвертора в соответствии с формулой (2), в результате частота напряжения на выходе генератора ω поддерживается на заданном уровне.
2a
2b
2c
2a
2b
2c
Блок 14 вырабатывает задание на выходное напряжение генератора 1, которое сравнивается в узле сравнения 13 с измеренным датчиком 15 значением выходного напряжения генератора 1. Сигнал отклонения преобразуется ПИ-регулятором в сигнал задания на амплитуду выходного напряжения инвертора и поступает на амплитудный вход формирователя 10, который формирует сигнал задания на синусоидальные фазные напряжения на выходе инвертора 3, сдвинутые относительно друг друга на угол 2π/3. Эти сигналы задания мгновенных значений фазных напряжений u*, u*, u* поступают на первые входы релейно-гистерезисных регуляторов напряжения 9 в виде синусоидального сигнала требуемой амплитуды U* и частоты ω*, на вторые входы регуляторов 9 поступают мгновенные значения фазных напряжений u, u, u, измеряемые на выходе инвертора 3. В фазных регуляторах 9 (фиг.2) на выходах элементов сравнения получаем разницу между заданным и действительным значениями напряжения в фазах:
<mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>u</mi><mrow><mn>2</mn><mi>A</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msup><mi>u</mi><mo>*</mo></msup><msub><mrow /><mrow><mn>2</mn><mi>A</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>u</mi><mrow><mn>2</mn><mi>A</mi></mrow></msub></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>u</mi><mrow><mn>2</mn><mi>B</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msup><mi>u</mi><mo>*</mo></msup><msub><mrow /><mrow><mn>2</mn><mi>B</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>u</mi><mrow><mn>2</mn><mi>B</mi></mrow></msub><mo>,</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>u</mi><mrow><mn>2</mn><mi>C</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msup><mi>u</mi><mo>*</mo></msup><msub><mrow /><mrow><mn>2</mn><mi>C</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>u</mi><mrow><mn>2</mn><mi>C</mi></mrow></msub></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow><mtext>                                                                                    (3)</mtext></mrow>
затем полученные сигналы поступают на входы блоков гистерезиса, работающих по следующему алгоритму:
<mrow><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>е</mi><mi>с</mi><mi>л</mi><mi>и</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>Δ</mi><msub><mtext>u</mtext><mtext>2</mtext></msub><mo>≤</mo><mo>−</mo><mi>Δ</mi><mtext>, </mtext><mtext> </mtext><mtext>на выходе</mtext><mtext> </mtext><mtext> активное </mtext><mtext> </mtext><mtext>состояние </mtext><mtext> </mtext><mtext>(0);</mtext></mtd></mtr><mtr><mtd><mtext>если</mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>Δ</mi><msub><mtext>u</mtext><mtext>2</mtext></msub><mo>≥</mo><mi>Δ</mi><mtext>, </mtext><mtext> </mtext><mtext>на выходе </mtext><mtext> </mtext><mtext>активное</mtext><mtext> </mtext><mtext> состояние</mtext><mtext> </mtext><mtext> (1),</mtext></mtd></mtr></mtable></mrow><mtext>                               (4) </mtext></mrow>
где Δ - модуль гистерезиса, задаваемый из условия точности поддержания напряжения.
Формируемые фазные напряжения на выходе инвертора 3 имеют два граничных значения - верхнее и нижнее, отличающиеся от заданной синусоиды напряжения на величину Δ (фиг.3), в пределах которых в любой момент времени должно находиться напряжение на выходе инвертора 4. Если отклонение между заданным и измеренным сигналами превышает пороговый уровень, релейно-гистерезисных регулятор вырабатывает сигнал g*, поступающий в инвертор, и осуществляются коммутация соответствующих ключей инвертора, в результате чего происходит уменьшение рассогласования и напряжение на выходе инвертора входит в допустимую зону отклонения. При нарушении верхней границы напряжения переключается ключ в соответствующем плече автономного инвертора 4 и формируется отрицательный импульс тока, который разряжает соответствующий фазный конденсатор 7, понижая напряжение на нем. В случае нарушения нижней границы напряжения переключается ключ в другом плече автономного инвертора 4 и формируется положительный импульс тока, который заряжает соответствующий фазный конденсатор 7, повышая напряжение на нем.
р
При изменении скорости вращения ω вала источника механической энергии вращения 2, в случае изменения амплитуды и частоты напряжения на выходе автономного асинхронного генератора, появляется рассогласование на входе регулятора напряжения, изменяется сигнал задания на амплитуду напряжения на выходе инвертора, а также изменяется сигнал задания частоты напряжения на выходе автономного инвертора 4, определяемый по выражению (2). Эти изменения сигналов задания воздействуют на автономный инвертор напряжения 4, и отклонения выходного напряжения генератора устраняются за счет изменения частоты и напряжения на выходе автономного инвертора 4.
В устройстве, реализующем предложенный способ управления автономным асинхронным генератором, с целью достижения улучшенной, наиболее близкой к синусоиде, формы напряжения и тока в обмотке ротора, что обеспечивает высокое качество напряжения на выходе автономного асинхронного генератора с минимальным уровнем гармоник, автономный инвертор тока 3 выполнен с внутренним контуром регулирования мгновенных значений фазных напряжений, и управляется фазными релейно-гистерезисными регуляторами напряжения 9, которые осуществляют переключения ключей инвертора в момент достижения порогового уровня отклонением между заданным и измеренным мгновенными значениями напряжения ротора.
Список литературы
1. Авторское свидетельство СССР №543121. МКП Н02Р 9/14 26.03.73.
2. Патент РФ №2213409. Способ управления автономным асинхронным генератором. МКП Н02Р 9/00, 9/48, 27.09.2003. Бюл. №27.