СПОСОБ И УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
METHOD AND DEVICE FOR CONTROL OF ASYNCHRONOUS MOTOR

Изобретение относится к преобразовательной технике, а именно к управлению асинхронными двигателями.
Известен способ управления асинхронным двигателем, при котором выходное силовое напряжение и его частота меняются одновременно (например, U/f=const), при этом при превышении частоты вращения двигателя заданного значения по сигналу обратной связи с тахогенератора выключают инвертор напряжения и включают только при равенстве заданного значения частоты вращения и фактического (RU, патент №2257663, кл. H02P 5/40, 2003 г.).
Недостатком известного способа управления является то, что для его осуществления необходимо двигатель оборудовать датчиком частоты вращения, что снижает область применения данного способа управления.
Известен способ управления асинхронным двигателем, при котором при выходе хотя бы одного из параметров управляемого асинхронного двигателя за пределы, определенные уставками или расчетными условиями надежного функционирования, микропроцессорный блок управления формирует управляющие сигналы, которые поступают на управляющие входы выпрямителя и инвертора и приводят эти параметры в норму (RU, патент №2219650, кл. H02P 7/26, Н02Н 7/08, 7/122, 7/26).
Недостатком этого способа является сложность алгоритма управления, по которому осуществляется управление не только инвертором, но и выпрямителем.
Известен способ управления, принятый за прототип, при котором по заданному значению частоты вращения асинхронного двигателя и по принятому закону управления двигателем (например, U/f=const) формируют на выходе преобразователя координат составляющие вектора напряжения, в неподвижных двухфазных координатах (Uα, Uβ), по которым генератор широтно-импульсной модуляции (ШИМ) вырабатывает управляющие сигналы для автономного инвертора напряжения, который из постоянного напряжения формирует выходное переменное напряжение с широтно-импульсной модуляцией, а тормозной режим реализуется включением транзисторным ключом тормозного резистора (Гарганеев А.Г., Каракумов А.С., Ланграф С.В., Нечаев М.А. «Опыт разработки преобразователя частоты для асинхронного электропривода общепромышленного применения». «Электротехника», 2005 г., №9, стр.23, 24, рис.1, 2).
Недостатком данного способа управления является то, что способ управления реализуется при стабильном входном силовом напряжении.
Известно устройство управления асинхронным двигателем, содержащим SKIM-инвертор, выходные силовые шины которого соединены с статорными обмотками асинхронного двигателя, на валу которого установлен тахогенератор, драйвер управления, управляющего силовыми ключами инвертора и подключенного через шины управления к системному контроллеру (блок управления), один из выходов которого подключен к устройству включения фильтрового конденсатора (RU, патент №2257663, кл. Н02Р 5/40, 2003 г.).
Недостатком известного устройства управления асинхронным двигателем является то, что необходимо двигатель оборудовать датчиком частоты вращения, что снижает область применения устройства.
Известно устройство управления асинхронным двигателем, содержащее выпрямитель напряжения и подключенный последовательно с ним фильтр, блок управления с формирователями сигналов, к выходам которых присоединены управляющие входы инвертора, связанного по входу с фильтром, а по выходу с обмотками двигателя, датчики входного тока и входного напряжения инвертора, датчики сверхтоков ключей инвертора, датчики выходных токов, по входу подключенных к выходным шинам инвертора (RU, патент №2219650, кл. Н02Р 7/26, Н02Н 7/08, 7/122, 7/26).
Недостатком этого устройства является сложность блока управления, осуществляющего управление не только инвертором, но и выпрямителем, а также невозможность повторного включения двигателя на «выбеге».
Известно устройство управления асинхронным двигателем, принятое за прототип, содержащее автономный инвертор напряжения, один силовой выход которого напрямую, а два других через датчики фазных токов подключены к статорным обмоткам асинхронного двигателя, силовые входы инвертора подключены к выходу звена постоянного тока, состоящего из параллельно включенных емкости, датчика напряжения, тормозного резистора с транзисторным ключом, входы звена постоянного тока подключены к выходам выпрямителя, при этом один из входов звена постоянного тока подключен напрямую, а другой - через зарядную цепь, состоящую из резистора, шунтированного силовым ключом, входы выпрямителя подключены к источнику переменного напряжения, дискретный интерфейс, входы и выходы которого подключены к блоку управления, аналоговый интерфейс, входы которого подключены к блоку управления, а выходы - к одним входам блока гальванической развязки, другие входы которого соединены с выходами датчика напряжения и датчиков фазных токов, коммутационный модуль, подключенный к блоку управления, блок драйверов, выходы которого подключены к управляющим входам инвертора напряжения, а входы соединены с блоком управления, состоящего из задатчика интенсивности, выход которого подключен через первый сумматор к входам генератора пилообразного сигнала (интегратор) и формирователю напряжения, выход которого через второй сумматор соединен с одним из входов преобразователя координат, а другой вход соединен с выходом генератора пилообразного сигнала, при этом выходы преобразователя координат подключены к входам генератора ШИМ, который своими выходами соединен с входами блока драйверов (Гарганеев А.Г., Каракумов А.С., Ланграф С.В., Нечаев М.А. «Опыт разработки преобразователя частоты для асинхронного электропривода общепромышленного применения», «Электротехника» №9, 2005 г., стр.23, 24, рис.1, 2).
Недостатками известного электропривода является то, что он реализуется при стабильном входном напряжении и для осуществления режима торможения необходимо дополнительное оборудование (тормозной резистор, транзисторный ключ).
Техническим результатом изобретения является управление асинхронным двигателем при изменении входного напряжения в широком диапазоне, пуск асинхронного двигателя на «выбеге» без использования датчика частоты вращения и эффективное торможение.
Указанный технический результат достигается способом управления асинхронным двигателем, при котором по заданному значению частоты вращения асинхронного двигателя и по принятому закону скалярного частотного управления двигателем формируют на выходе преобразователя координат составляющие вектора напряжения в неподвижных двухфазных координатах (Uα, Uβ), по которым генератор широтно-импульсной модуляции (ШИМ) вырабатывает управляющие сигналы для автономного инвертора напряжения, который из постоянного напряжения формирует выходное переменное напряжение с широтно-импульсной модуляцией, отличающимся тем, что останавливают изменение задания по частоте при изменении входного переменного напряжения в широких пределах или изменении значения задания по частоте, когда ток или напряжение в звене постоянного тока достигают своих критических значений, и отключают автономный инвертор напряжения от источника постоянного тока до тех пор, пока ток или напряжение в звене постоянного тока не станет ниже критического значения для определения частоты вращения двигателя на «выбеге», на выходе автономного инвертора напряжения кратковременно формируют низковольтное постоянное напряжение, возбуждающее электродвигатель, в статорных обмотках которого магнитное поле ротора наводит переменный ток, частоту которого измеряют и с этой частотой осуществляют повторный пуск двигателя на «выбеге» для эффективного торможения асинхронным двигателем, на выходе инвертора напряжения формируют напряжение постоянного тока, амплитуда которого линейно нарастает от нуля до значения, зависящего от типа асинхронного двигателя, которое создает требуемый тормозной момент, при этом момент остановки двигателя определяют по кратковременному уменьшению его фазного тока, после чего инвертор напряжения выключают.
Технический результат достигается также с помощью устройства управления асинхронным двигателем, содержащего автономный инвертор напряжения, силовые выходы которого через три датчика фазных токов подключены к статорным обмоткам асинхронного двигателя, а силовые входы - через звено постоянного тока, состоящего из датчика постоянного тока и параллельно включенных датчика напряжения и емкости, соединены с выходами выпрямителя, входы которого подключены к источнику трехфазного переменного напряжения, зарядную цепь, при этом управляющие входы автономного инвертора напряжения и выпрямителя соответственно через блок драйверов и драйвер соединены с блоком управления, состоящего из блока интерфейса, выходы которого подключены к блоку коммутации, второй выход которого соединен с вторым входом задатчика интенсивности, выход которого подключен к интегратору и блоку формирования выходного напряжения, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам преобразователя координат, выход которого подключен к первому входу генератора ШИМ, который своими выходами соединен с входами блока драйверов, отличающегося тем, что зарядная цепь включена между входом выпрямителя, подключенного к одной из фаз источника трехфазного переменного напряжения, и плюсовым выходом выпрямителя и состоит из последовательно соединенных резистора и диода, а выпрямитель выполнен управляемым с релейным законом управления, а также в блок управления введены блок выбора максимально возможной частоты, блок защиты, блок заряда, блок задания фиксированной фазы вектора напряжения, блок задания амплитуды вектора напряжения, усилитель, компаратор, измеритель частоты, при этом блок выбора максимально возможной частоты подключен первым входом к первому выходу блока коммутации, вторым входом к выходу датчика напряжения, а выходом к первому входу задатчика интенсивности, пять входов блока защиты соответственно соединены с выходами датчиков постоянного тока, напряжения, трех фазных токов, при этом первый выход подключен к второму входу генератора ШИМ, второй выход подключен к четвертому входу задатчика интенсивности и к второму входу блока заряда, выход которого подключен к входу драйвера, а первый вход соединен с вторым входом задатчика интенсивности и с вторым выходом блока коммутации, выход блока задания фиксированной фазы вектора напряжения соединен с первым входом преобразователя координат и выходом интегратора, выход блока задания амплитуды вектора напряжения соединен со вторым входом преобразователя координат и выходом блока формирования выходного напряжения, при этом первые и вторые входы блока задания фиксированной фазы вектора напряжения и блока задания амплитуды вектора напряжения объединены попарно и подключены соответственно к третьему и четвертому выходам блока коммутации, вход усилителя подключен к выходу датчика первого фазного тока, а выход соединен с входом компаратора, выход которого подключен к входу измерителя частоты, выход которого подключен к третьему входу задатчика интенсивности.
0
60
120
180
240
300
На фиг.1 представлена структурная схема устройства управления асинхронным двигателем, реализующая предложенный способ. На фиг.2 схематично изображен автономный инвертор напряжения, выход которого подключен к асинхронному двигателю. На фиг.3 показан процесс формирования выходного напряжения инвертора с использованием шести базовых векторов U, U, U, U, U, U, представленных в неподвижных двухфазных координатах (Uα, Uβ).
Устройство, реализующее способ управления асинхронным двигателем, содержит (фиг.1) автономный инвертор напряжения 1, который представляет собой двухуровневый инвертор напряжения и выполнен на IGBT-транзисторах. Силовые выходы автономного инвертора напряжения 1 через три датчика фазных токов 2, 3, 4 подключены к статорным обмоткам асинхронного двигателя 5, а силовые входы через звено постоянного тока 6, состоящего из датчика постоянного тока 7 и параллельно включенных датчика напряжения 8 и емкости 9, соединены с выходами выпрямителя 10, состоящего из тиристоров (катодная часть) и диодов (анодная часть), входы которого подключены к источнику трехфазного переменного напряжения 11, зарядную цепь 12, при этом управляющие входы автономного инвертора напряжения 1 и выпрямителя 10 соответственно через блок драйверов 13 и драйвер 14 соединены с блоком управления 15, состоящего из блока интерфейса 16, выходы которого подключены к блоку коммутации 17, второй выход которого соединен с вторым входом задатчика интенсивности 18, выход которого подключен к интегратору 19 и блоку формирования выходного напряжения 20, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам преобразователя координат 21, выход которого подключен к первому входу генератора ШИМ 22, который своими выходами соединен с входами блока драйверов 13, который усиливает по мощности сигналы с генератора ШИМ 22, а также осуществляет гальваническую развязку между силовыми цепями автономного инвертора напряжения 1 и слаботочными цепями блока управления 15, при этом зарядная цепь 12 включена между входом выпрямителя 10, подключенного к одной из фаз источника трехфазного переменного напряжения 11, и плюсовым выходом выпрямителя 10 и состоит из последовательно соединенных резистора 23 и диода 24, а выпрямитель 10 выполнен управляемым с релейным законом управления, а также в блок управления 15 введены блок выбора максимально возможной частоты 25, включенный первым входом к первому выходу блока коммутации 17, вторым входом к выходу датчика напряжения 8, а выходом к первому входу задатчика интенсивности 18, блок защиты 26, пять входов которого соединены соответственно с выходами датчиков постоянного тока 7, напряжения 8, трех фазных токов 2, 3, 4, при этом первый выход подключен к второму входу генератора ШИМ 22, второй выход подключен к четвертому входу задатчика интенсивности 18 и к второму входу блока заряда 27, выход которого подключен к входу драйвера 14, а первый вход соединен с вторым входом задатчика интенсивности 18 и с вторым выходом блока коммутации 17, блок задания фиксированной фазы вектора напряжения 28, выход которого соединен с первым входом преобразователя координат 21 и выходом интегратора 19, блок задания амплитуды вектора напряжения 29, выход которого соединен со вторым входом преобразователя координат 21 и выходом блока формирования выходного напряжения 20, при этом первые и вторые входы блока задания фиксированной фазы вектора напряжения 28 и блока задания амплитуды вектора напряжения 29 объединены попарно и подключены соответственно к третьему и четвертому выходам блока коммутации 17, усилитель 30, вход которого подключен к выходу датчика первого фазного тока 2, а выход соединен с входом компаратора 31, выход которого подключен к входу измерителя частоты 32, выход которого подключен к третьему входу задатчика интенсивности 18.
Предложенный способ реализуется следующим образом.
Включают источник трехфазного переменного напряжения 11, при этом положительная полуволна переменного напряжения (например, фаза А) через зарядную цепь 12 заряжает емкость 9 в звене постоянного тока 6, при этом направление тока определяется диодом 24, а величина тока ограничивается резистором 23. Как только напряжение на емкости 9, измеренное датчиком напряжения 8, превысит минимально допустимое напряжение в звене постоянного тока 6, блок защиты 26 сформирует разрешающий сигнал для блока заряда 27 и задатчика интенсивности 18.
Команды управления («Пуск», «Поиск», «Задание по частоте», «Тормоз» и др.) поступают на блок интерфейса 16 от внешних источников управления. Управляющие сигналы могут быть представлены в виде кодов, дискретных или аналоговых сигналов. Блок интерфейса 16 обеспечивает сопряжение внешних сигналов управления с сигналами блока управления 15. Сигналы с блока интерфейса 16 поступают на блок коммутации 17, который осуществляет выбор источника управления.
α
β
По команде «Пуск» с блока коммутации 17 по второму выходу включают задатчик интенсивности 18 и запускают блок плавного заряда 27, выход которого через драйвер 14 включает тиристоры выпрямителя 10. Драйвер 14 усиливает по мощности сигнал управления с блока заряда 27, а также осуществляет гальваническую развязку блока управления 15 от силовых цепей выпрямителя 10. Тиристоры выпрямителя 10 при включении шунтируют токозарядную цепь 12. Вследствие этого конденсатор 9 дозаряжается и напряжение в звене постоянного тока 6 (Ud) возрастает. Команда «Задание по частоте» с первого выхода блока коммутации 17 через блок выбора максимально возможной частоты 25 поступает на задатчик интенсивности 18, который осуществляет плавное нарастание задания по частоте, обеспечивая тем самым разгон асинхронного двигателя 5 с постоянным ускорением. Блок выбора максимально возможной частоты 25 осуществляет обратное преобразование выходного напряжения в частоту. Если задание по частоте не соответствует выходному напряжению, то блок выбора максимально возможной частоты 25 ограничивает задание по частоте. Частота с выхода задатчика интенсивности 18 одновременно поступает на интегратор 19 и блок формирования выходного напряжения 20, на выходе которого формируют значение вектора выходного напряжения (Uвых) в соответствии с принятым законом скалярного частотного управления (например ). На выходе интегратора 19 формируют угол положения вектора выходного напряжения (θ). По этим двум сигналам (Uвых, θ) на выходе преобразователя координат 21 формируют составляющие вектора напряжения в неподвижных двухфазных координатах (U, U,) (фиг.2, 3), по которым генератор ШИМ 22 вырабатывает сигналы, которые через блок драйверов 13 управляют автономным инвертором напряжения 1.
0
60
120
180
240
300
0
Процесс формирования выходного напряжения инвертора 1 осуществляют с использованием шести базовых векторов U, U, U, U, U, U и одного нулевого вектора U(0). Длина каждого базового вектора равна максимальному выходному фазному напряжению и составляет 2/3 от напряжения в звене постоянного тока 6 (Ud). Порядок включения базовых векторов определяется кодами (100, 110, 010, 011, 001, 101), которые соответствуют определенной комбинации включения ключей инвертора. В кодах базовых векторов единица соответствует включению верхнего ключа инвертора, а ноль соответствует включению нижнего ключа инвертора. Код нулевого вектора составляет (000) или (111). На фиг.2 показан момент включения базового вектора U (100).
Путем переключения на периоде ШИМ между двумя соседними базовыми векторами (100 и 110 и т.д.) и одним из нулевых векторов (000, 111) формируется любой требуемый вектор выходного напряжения:
1
0
где T - время включения вектора U;
2
60
T - время включения вектора U;
0
Т - время включения нулевого вектора U(0);
1
2
0
Т - период ШИМ (T=T+T+T).
В соответствии с выражением (1) величину выходного фазного напряжения автономного инвертора 1 можно контролировать по напряжению (Ud) в звене постоянного тока 6, измеряемого датчиком напряжения 8.
При резком снижении величины напряжения входного источника трехфазного переменного напряжения 11 (например, сброс позиции контроллера машиниста тепловоза с верхней позиции на нижнюю) блоком выбора максимально возможной частоты 25 устанавливают задание по частоте, которое соответствует принятому закону управления (например, ). Задатчик интенсивности 18 начинает плавно снижать задание по частоте до нового значения. При этом частота вращения асинхронного двигателя 5 начинает превышать частоту питания и асинхронный двигатель 5 входит в генераторный режим, при котором начинает дозаряжаться емкость 9 и расти напряжение Ud в звене постоянного тока 6. При возрастании напряжения Ud в звене постоянного тока 6 до критического значения, которое составляет 75% от максимально возможного значения, блок защиты 26 вырабатывает сигнал (второй выход), по которому блок заряда 27 выключает тиристоры выпрямителя 10 и блокирует задатчик интенсивности 18. При этом снижение частоты прекращают до тех пор, пока напряжение в звене постоянного тока 6 не станет ниже критического значения. Такое регулирование будет продолжаться до тех пор, пока блок управления 15 не отработает новое задание по частоте при пониженном входном переменном напряжении.
При резком повышении величины напряжения источником трехфазного переменного напряжения 11 блок выбора максимально возможной частоты 25 снимает ограничение по частоте и задатчик интенсивности 16 начинает плавно увеличивать задание по частоте. Если при этом токи в фазах асинхронного двигателя 5, измеренные датчиками фазных токов 2, 3, 4, достигают критического значения, что составляет 75% от максимального фазного тока, блок защиты 26 вырабатывает сигнал, по которому задатчик интенсивности 18 прекращает набор частоты. Как только фазные токи станут ниже критического значения, задатчик интенсивности 18 продолжит набор частоты. Регулирование продолжится до тех пор, пока блок управления 15 не отработает задание по частоте.
Пуск асинхронного двигателя 5 с выбега осуществляется следующим образом. По команде «Поиск» с блока коммутации 17 по первым входам включаются блок задания фиксированной фазы вектора напряжения 28 (θ) и блок задания амплитуды вектора напряжения 29 (Uвых). При этом угол θ имеет постоянное значение, а вектор напряжения Uвых линейно меняется от нуля до величины, определяемой конкретным типом асинхронного двигателя 5. В режиме поиска частоты вращения интегратор 19 и блок формирования выходного напряжения 20 отключены.
По углу θ и амплитуде вектора напряжения Uвых преобразователь координат 21 и генератор ШИМ 22 формируют сигналы, которые управляют автономным инвертором напряжения 1. Автономный инвертор напряжения 1 кратковременно (на время действия команды «Поиск») формирует выходное низковольтное постоянное напряжение в соответствии с векторной ШИМ (фиг.3). Выходное напряжение автономного инвертора напряжения 1 возбуждает асинхронный двигатель 5, в статорных обмотках которого магнитное поле вращающегося ротора наводит переменный ток, частота которого соответствует частоте вращения асинхронного двигателя 5. Переменный ток, измеренный датчиком фазного тока 2, поступает на вход усилителя 30. Усиленный сигнал переменного тока с выхода усилителя 30 поступает на вход компаратора 31, который из синусоидального сигнала формирует прямоугольный сигнал положительной полярности и ограниченный по амплитуде. Сигнал с компаратора 31 поступает на вход измерителя частоты 32, где по входным импульсам определяют частоту вращения асинхронного двигателя 5. Измеренное значение частоты подают с измерителя частоты 32 на третий вход задатчика интенсивности 18. По команде «Пуск», следующей за командой «Поиск», выключают блок задания фиксированной фазы вектора напряжения 28, блок задания амплитуды вектора напряжения 29 и включают интегратор 19 и блок формирования выходного напряжения 20. При этом асинхронный двигатель 5 запускается с измеренной частотой вращения, а задатчик интенсивности начинает отрабатывать заданное значение частоты.
По команде «Тормоз» с блока коммутации 17 по вторым входам включаются блок задания фиксированной фазы вектора напряжения 28 (θ) и блок задания амплитуды вектора напряжения 29 (Uвых). При этом угол θ имеет постоянное значение, а вектор напряжения Uвых линейно меняется от нуля до величины, определяемой конкретным типом асинхронного двигателя 5. По заданному углу положения вектора напряжения 9 и амплитуде вектора выходного напряжения Uвых преобразователь координат 21 и генератор ШИМ 22 формируют управляющие сигналы, которые через блок драйверов 13 поступают на автономный инвертор напряжения 1. Автономный инвертор напряжения 1 формирует выходное постоянное линейно-нарастающее напряжение, осуществляющее динамическое торможение асинхронного двигателя 5. При торможении двигателя ток фазы представляет собой геометрическую разность между намагничивающим током и током, наведенным полем ротора. При остановке асинхронного двигателя 5 фазный ток станет равным намагничивающему и достигнет своего минимального значения. При этом блок защиты 26 по сигналам с датчиков фазных токов 2,3,4 формирует сигнал, который поступает на второй вход генератора ШИМ 22 и запрещает выработку сигналов управления автономным инвертором напряжения 1.
При возникновении аварийной ситуации в работе устройства блок защиты 26, контролирующий состояние силовых цепей посредством датчиков фазных токов 2, 3, 4, датчика постоянного тока 7, датчика напряжения 8, формирует сигнал «Авария». По сигналу «Авария» блок заряда 27 выключает тиристоры выпрямителя 10, блок генератора ШИМ 22 прекращает формирование сигналов управления автономным инвертором напряжения 1, а блок задатчика интенсивности 18 обнуляет задание по частоте.
Предлагаемый способ и устройство управления асинхронным двигателем реализованы в опытных вспомогательных преобразователях частоты новых магистральных тепловозов 2ТЭ25К, 2ТЭ25А и показали свою надежность и эффективность.