УСТРОЙСТВО ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ
VARIABLE-FREQUENCY CONTROL DEVICE OF ASYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в частотно-регулируемых электроприводах. Предлагаемое устройство может быть использовано для создания автоматизированных электроприводов переменного тока с частотным управлением, испытывающих нагрузки выше номинальных, без дополнительных датчиков скорости, и, в частности, для создания тягового электропривода транспортных устройств городского хозяйства, например, привода троллейбуса, трамвая; горнорудной промышленности, например, привода шахтного электровоза, шахтного самоходного вагона.
При использовании автоматизированных электроприводов с частотным управлением двигателями переменного тока без дополнительных датчиков скорости возникают проблемы поддержания скорости и защиты двигателя и преобразователя при нагрузках выше номинальных. Сложности управления асинхронными двигателями характерны для многодвигательных приводов, когда два и более двигателей питаются от одного преобразователя.
Скалярное частотное управление является основным видом управления, используемым в автоматизированном асинхронном электроприводе. В настоящее время, несмотря на конкуренцию с векторными способами управления, оно довольно широко распространено, т.к. позволяет решать многие технические задачи массового электропривода проще и эффективнее. Это относится в первую очередь к приводам с низкими требованиями по динамике. При скалярном способе управления можно управлять двумя и более двигателями, к тому же он не требует дополнительных датчиков (скорости, потока). Поэтому наиболее часто в частотно-регулируемых электроприводах используется скалярное управление.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство частотного управления асинхронным двигателем (Система управления электроприводом / В.М.Терехов, О.И.Осипов. - М.: Академия, 2005, - 301 с., стр.191-195, рис.6.27). Данный вариант используется в тех случаях, когда невозможна установка датчиков скорости, либо в многодвигательных приводах, когда два и более двигателей питаются от одного преобразователя.
Устройство содержит асинхронный двигатель, преобразователь частоты и напряжения и функциональный преобразователь, в котором реализуется зависимость амплитуды напряжения от частоты. В устройство входят датчики тока статорной обмотки двигателя, сигналы с выходов которых подаются на входы функционального преобразователя тока, где формируются выходные сигналы, пропорциональные действующему значению тока статора и активной составляющей этого тока. Положительная обратная связь по активной составляющей тока статора, которая корректирует одновременно сигнал канала напряжения и сигнал канала частоты и напряжения, обеспечивает увеличение потока. Отрицательная обратная связь по действующему значению тока статора корректирует эти же сигналы.
Схема работает удовлетворительно при номинальных нагрузках (ток статора и скольжение не превышают своих номинальных значений), когда участки электромеханических и механических характеристик линейны. При максимальных нагрузках (ток статора и скольжение больше своих номинальных значений) за счет функции токоограничения снижается перегрузочная способность двигателя. Схема сохраняет работоспособность, если за время перегрузки не срабатывают защиты от перегрева преобразователя или двигателя. Когда действуют продолжительные максимальные нагрузки, защита отключает преобразователь. Для ряда приводов это приводит к аварийной ситуации.
Данный алгоритм функции токоограничения - это основной недостаток. При таком алгоритме поток в двигателе, а следовательно, и жесткость механической характеристики значительно снижаются.
Сигнал отрицательной обратной связи по действующему значению тока статора поступает на инверсный вход второго сумматора, при этом уменьшается только амплитуда напряжения на статоре двигателя, частота этого напряжения остается постоянной. Жесткость характеристики снижается, уменьшается поток и момент двигателя, вызывая опрокидывание механической характеристики асинхронного двигателя. Токи статора и ротора резко возрастают, вызывая перегрев двигателя и преобразователя, что в итоге приводит к аварийной ситуации.
Работа положительной обратной связи по току со стороны второго блока при номинальной скорости асинхронного двигателя - второй недостаток схемы. Второй блок одновременно увеличивает выходные частоту и напряжение преобразователя частоты при росте нагрузки на валу двигателя. Если допустимые значения частоты и напряжения питания соответствуют номинальным значениям, то данный контур при номинальной скорости не оказывает никакого влияния на работу схемы.
Наиболее часто при росте частоты выше номинального значения напряжение на статоре оставляют неизменным и равным номинальному значению напряжения питания двигателя. В пределах номинальных нагрузок (ток статора и скольжение не превышают своих номинальных значений) скорость двигателя поддерживается при штатном режиме работы. При нагрузках выше номинальных (ток статора и скольжение больше своих номинальных значений) данный алгоритм вызывает опрокидывание механической характеристики асинхронного двигателя. Это возникает из-за смягчения механической характеристики, что приводит к увеличению тока статора, работе схемы токоограничения и дальнейшему снижению жесткости.
Существующие алгоритмы поддерживают постоянным поток в асинхронном двигателе и жесткость механической характеристики. При выходе на максимальное напряжение жесткость характеристики снижается, т.к. запас по частоте больше запаса по напряжению. Увеличение скольжения приводит к росту токов в обмотках статора и ротора и, соответственно, потерь.
Техническая задача предлагаемого устройства - обеспечение перегрузочной способности привода, снижение потерь в статоре и роторе двигателя, испытывающего большие нагрузки, за счет снижения скольжения и увеличения потока.
Техническая задача достигается тем, что в устройстве управления асинхронным двигателем, содержащем асинхронный двигатель и преобразователь частоты и напряжения, управляющие входы которого соединены соответственно с выходами второго и третьего сумматоров, первый вход второго сумматора соединен с функциональным преобразователем, первый вход третьего сумматора соединен с выходом первого сумматора, первый вход которого соединен с источником сигнала задания, а также датчики тока статорной обмотки двигателя, выходы которых соединены с первым и вторым входами функционального преобразователя тока, второй выход которого соединен со вторым реверсивным входом четвертого сумматора, первый вход которого соединен с источником сигнала ограничения тока статора, а выход четвертого сумматора соединен с входом второго статического нелинейного преобразователя, выход которого соединен с входом пропорционально-интегрального регулятора, согласно изобретению первый выход функционального преобразователя тока соединен с входом статического преобразователя и с входом первого статического нелинейного преобразователя, выходы которых соединены со вторыми входами второго и третьего сумматоров соответственно, выход пропорционально-интегрального регулятора соединен со вторым входом первого сумматора.
Техническая задача достигается тем, что перегрузочная способность привода обеспечивается снижением частоты при больших нагрузках с разрывом связи между напряжением и частотой. Выходной сигнал второго статического нелинейного преобразователя меняет свой знак с плюса на минус при превышении сигнала, пропорционального активной составляющей тока статора, своего номинального значения. Это приводит к снижению задания на частоту и синхронной скорости двигателя. При этом происходит увеличение потока двигателя, а следовательно, увеличение жесткости механической характеристики. Это приводит к уменьшению скольжения двигателя в полтора-два раза, а скорость снизится на пять-семь процентов по сравнению со скоростью двигателя при начальной большей синхронной скорости двигателя, работающего от прототипа. При этом снижаются потери в двигателе. Защита преобразователя частоты и двигателя от перегрузок по току обеспечивается за счет поступающего на первый сумматор сигнала отрицательной обратной связи по току статора. Когда ток статора превышает свое допустимое значение, выходной сигнал четвертого статического нелинейного преобразователя воздействует одновременно на уменьшение частоты и напряжения питания асинхронного двигателя. Таким образом, обеспечивается постоянство магнитного потока, абсолютного скольжения и, в итоге, момента двигателя.
Заявленное устройство представлено на следующих чертежах: на фиг.1 представлена блок-схема устройства для управления частотно-регулируемым асинхронным электроприводом, на фиг.2 представлена характеристика статического преобразователя, на фиг.3 представлена характеристика первого статического нелинейного преобразователя, на фиг.4 представлена характеристика второго статического нелинейного преобразователя, на фиг.5 представлена характеристика пропорционально-интегрального регулятора, на фиг.6 представлены поясняющие его работу механические и электромеханические характеристики асинхронного двигателя. На фиг.1 цифрами обозначены:
1 - первый сумматор;
2 - функциональный преобразователь;
3 - третий сумматор;
4 - пропорционально-интегральный регулятор;
5 - второй сумматор;
6 - статический преобразователь;
7 - первый статический нелинейный преобразователь;
8 - второй статический нелинейный преобразователь;
9 - преобразователь частоты и напряжения;
10 - четвертый сумматор;
11 - датчик тока фазы А;
12 - датчик тока фазы С;
13 - функциональный преобразователь тока;
14 - асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.
f
u
1
1
1
2
2
1
1a
1a
1
1max
1max
Устройство управления асинхронным двигателем содержит асинхронный двигатель 14 и преобразователь частоты и напряжения 9. Управляющие входы uи u, которые определяют значения частоты f и напряжения U на выходе преобразователя частоты и напряжения 9, соединены соответственно с выходами второго 5 и третьего 3 сумматоров. На первый вход третьего 3 сумматора подается сигнал u с выхода первого сумматора 1, а на первый вход второго сумматора 5 этот сигнал проходит через функциональный преобразователь 2, в котором реализуется зависимость амплитуды напряжения от частоты, и на выходе формируется сигнал u. На первый вход первого сумматора 1 подается сигнал задания u. В устройство входят датчики тока статорной обмотки двигателя 11 и 12, сигналы с выходов которых подаются на входы функционального преобразователя тока 13, где формируются выходные сигналы I и I, пропорциональные соответственно действующему значению тока статора и активной составляющей этого тока. Сигнал I подается на вход статического преобразователя 6, характеристика которого представлена на фиг.2, и на вход первого статического нелинейного преобразователя 7, характеристика которого представлена на фиг.3. Выход первого статического нелинейного преобразователя 7 соединен со вторым входом третьего сумматора 3. Сигнал на выходе первого статического нелинейного преобразователя 7 меняет свой знак с плюса на минус при превышении сигнала, пропорционального активной составляющей тока статора, своего номинального значения. Выход статического преобразователя 6 соединен со вторым входом второго сумматора 5. Сигнал I подается на второй реверсивный вход четвертого сумматора 10, на первый вход которого подается сигнал I. Сигнал I соответствует установленному максимальному действующему значению тока статора. Выход четвертого сумматора 10 соединен с входом второго статического нелинейного преобразователя 8, характеристика которого представлена на фиг.4. Его выход соединен с входом пропорционально-интегрального регулятора 4, характеристика которого представлена на фиг.5. Выход пропорционально-интегрального регулятора 4 соединен со вторым реверсивным входом первого сумматора 1.
1max
Устройство работает следующим образом: при токах меньших I работает контур с обратной связью по активной составляющей тока статора, и происходит поддержание скорости с минимальным скольжением. При дальнейшем увеличении нагрузки с помощью четвертого сумматора 10 и второго статического нелинейного преобразователя 8 подключается контур с обратной связью по действующему току статора, и работает режим токоограничения.
1
1max
8
4
Второй статический нелинейный преобразователь 8 инвертирует только поступающий на его вход отрицательный сигнал с четвертого сумматора 10. Если ток I меньше допустимого значения I, сигналы с выхода второго статического нелинейного преобразователя 8, а следовательно, и с выхода пропорционально-интегрального регулятора 4 равны нулю (u=0 и u=0), работает только контур с обратной связью по активной составляющей тока статора.
6
u
Когда активная составляющая тока статора меньше своего номинального значения, положительная обратная связь по активной составляющей тока статора корректирует одновременно сигнал канала напряжения и сигнал канала частоты. По мере увеличения момента статической нагрузки асинхронного двигателя 14 и соответствующего увеличения тока статора на вход второго сумматора 5 поступает дополнительный сигнал u, увеличивающий сигнал u, определяющий значение напряжения на выходе преобразователя частоты.
6
2
y
1a
где k - коэффициент усиления статического преобразователя 6, k - коэффициент усиления функционального преобразователя 2, u - сигнал задания, I - активная составляющая тока статора.
7
f
Также при увеличении тока статора на вход третьего сумматора 3 поступает дополнительный сигнал u, увеличивающий сигнал u, определяющий значение частоты на выходе преобразователя частоты.
7
где k - такой переменный коэффициент статического нелинейного преобразователя 7, что его выходная функция соответствует характеристике, представленной на фиг.3.
6
7
В итоге по мере увеличения тока статора увеличивается частота и напряжение на выходе преобразователя частоты 9. Повышение напряжения на обмотках статора асинхронного двигателя 14 способствует компенсации падения напряжения на полном их сопротивлении и, в результате, увеличению потока намагничивания асинхронного двигателя 14. За счет увеличения частоты при росте нагрузки на валу асинхронного двигателя 14 соответственно увеличивается скорость идеального холостого хода асинхронного двигателя 14, обеспечивая тем самым стабилизацию его скорости. В результате сохраняется постоянство перегрузочной способности асинхронного двигателя 14 к моменту. Предел увеличения коэффициентов k и k определяется условиями устойчивости замкнутой системы управления и допустимыми значениями потока намагничивания, частоты и напряжения питания асинхронного двигателя 14.
При превышении активной составляющей тока статора своего номинального значения, но, когда еще ток статора не превышает своего допустимого значения, меняется знак обратной связи в канале регулирования частоты. На фиг.6 представлена механическая 1 и электромеханическая 1' характеристики, построенные для номинального режима работы. В прототипе при дальнейшем росте нагрузки на валу увеличивается только выходная частота преобразователя, а напряжение питания сохраняется равным номинальному. При этом критический момент асинхронного двигателя убывает в первом приближении обратно пропорционально увеличению частоты, а перегрузочная способность по моменту уменьшается обратно пропорционально частоте (кривая 2 на фиг.6). В заявляемом устройстве выходной сигнал первого статического нелинейного преобразователя 7 меняет свой знак с плюса на минус при превышении сигнала, пропорционального активной составляющей тока статора, своего номинального значения. Это приводит к снижению задания на частоту и синхронной скорости двигателя.
2
3
При этом увеличивается магнитный поток в двигателе, который пропорционален отношению U/f. Жесткость механической характеристики двигателя увеличивается. Это приводит к уменьшению скольжения s в 1,5-2 раза до скольжения s (кривая 3 на фиг.6), а скорость снизится на 5-7% по сравнению со скоростью двигателя при начальной большей синхронной скорости двигателя, работающего от прототипа. При этом происходит снижение токов статора и ротора, снижаются потери в двигателе и сохраняется работоспособность привода.
1
1max
Когда сигнал, пропорциональный действующему значению тока статора I со второго выхода функционального преобразователя тока 13, превышает сигнал ограничения тока статора I, на выходе третьего статического нелинейного преобразователя 8 формируется инверсный сигнал с выхода четвертого сумматора 10.
1
1max
где I - сигнал, пропорциональный действующему значению тока статора, I - сигнал ограничения тока статора.
4
y
Этот сигнал поступает на вход пропорционально-интегрального регулятора 4. При условии, что пропорционально-интегральный регулятор 4 имеет интегральный канал регулирования, за счет отрицательной обратной связи по току преобразователь частоты 9 из источника напряжения переходит в режим источника тока. Выходной сигнал u воздействует одновременно на уменьшение выходного напряжения преобразователя частоты 9 и на уменьшение частоты питания асинхронного двигателя 14 за счет снижения сигнала задания u.
4
4
где k - коэффициент усиления пропорционально-интегрального регулятора, Т - постоянная времени пропорционально-интегрального регулятора.
За счет этого поток в двигателе, который пропорционален отношению U/f, поддерживается постоянным.
Таким образом, обеспечивается постоянство жесткости механической характеристики, абсолютного скольжения, момента двигателя и, в итоге, снижаются потери в статоре и роторе двигателя, испытывающего большие нагрузки.