УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к регулируемым электроприводам переменного тока, и может использоваться для минимизации потребляемого тока статора при питании асинхронного электродвигателя с фазным ротором от преобразователя частоты.
Известно устройство управления электроприводом переменного тока, содержащее асинхронный двигатель, трехфазный инвертор с ШИМ-регулятором тока, два датчика тока статора, с помощью которых реализуются обратные связи по фазным токам статора, датчик скорости, установленный на валу двигателя, с помощью которого реализуется обратная связь по скорости, регулятор скорости, блок расчета задания на момент двигателя, блок расчета задания модуля тока статора, блок задания фазных токов статора, блоки расчета фазных потокосцеплений ротора, блок расчета скольжения, блок задания частоты вращения поля статора, блок коррекции задания момента двигателя, с помощью которого формируется модуль вектора тока статора, в котором корректирующий сигнал определяется путем сравнения заданного и рассчитанного угла между векторами тока статора и потокосцепления ротора, и суммируется с сигналом задания на момент двигателя [1].
Недостатками данного устройства являются сложность и малая точность адаптивных блоков расчета фазных потокосцеплений ротора, параметры которых изменяются при изменении скольжения, а также появление дополнительной погрешности вычисления угла между моментообразующими векторами, обусловленной температурным дрейфом параметров двигателя.
Наиболее близким к полезной модели по технической сути и достигаемому результату является устройство для управления электроприводом переменного тока содержащее выпрямитель, соединенный через сглаживающий реактор с инвертором на полностью управляемых вентилях, имеющим дополнительные отсекающие диоды по числу управляемых вентилей, включенные последовательно с управляемыми вентилями и дополнительные демпфирующие конденсаторы по числу управляемых вентилей, подключенные к точкам соединения отсекающих диодов и управляемых вентилей, фильтрующую конденсаторную батарею, подключенную к выходам инвертора, релейный регулятор тока, датчик скорости, датчики фазных токов статора, датчик тока в выпрямленной цепи, систему управления выпрямителем [2].
Недостатком данного устройства является сложность конструкции, вследствие наличия датчика скорости, установленного на валу двигателя, а также сложность поддержания постоянства скорости при изменении значения момента на валу двигателя.
Целью полезной модели является упрощение и повышение работоспособности схемы управления, поддержание постоянства скорости двигателя и минимума потребления тока статора при изменении момента на валу двигателя, без использовании датчика скорости в системе управления.
Сущность полезной модели заключается в том, что устройство для управления асинхронным двигателем с фазным ротором, содержащее выпрямитель, соединенный через сглаживающий реактор с инвертором на полностью управляемых вентилях, имеющим дополнительные отсекающие диоды по числу управляемых вентилей, включенные последовательно с управляемыми вентилями и дополнительные демпфирующие конденсаторы по числу управляемых вентилей, подключенные к точкам соединения отсекающих диодов и управляемых вентилей, фильтрующую конденсаторную батарею, подключенную к выходам инвертора, также содержит релейный регулятор напряжения, три отрицательных фазных входа релейного регулятора напряжения подключены к трем выходам блока датчиков фазных напряжений статора, три положительных фазных входа релейного регулятора напряжения подключены к трем фазным выходам блока формирования мгновенных значений фазных напряжений, частотный вход которого соединен с первым частотным выходом блока задания сигналов управления, амплитудный вход блока формирования мгновенных значений фазных напряжений соединен с выходом первого сумматора, один вход которого соединен со вторым амплитудным выходом блока задания сигналов управления, третий выход которого соединен с положительным входом узла сравнения значений тангенса угла между векторами тока статора и потокосцепления ротора, выход которого соединен со входом блока коррекции напряжения, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора, два фазных вывода ротора через датчики тока соединены в общую точку, к которой также напрямую подключен третий фазный вывод ротора, выходы двух датчиков тока соединены с входами сумматора фазных токов ротора, а также соединены с фазными входами блока вычисления тангенса угла между векторами тока статора и потокосцепления ротора, выход сумматора фазных токов ротора соединен с третьим входом, блока вычисления тангенса угла между векторами тока статора и потокосцепления ротора, выход которого соединен со вторым входом узла сравнения значений тангенса угла между векторами тока статора и потокосцепления ротора.
На фиг.1 приведена функциональная схема устройства для управления асинхронным двигателем с фазным ротором.
Устройство управления асинхронным двигателем с фазным ротором содержит выпрямитель 1 и инвертор 2, соединенные между собой через сглаживающий реактор 3, выходы инвертора 2 подключены к статору электродвигателя с фазным ротором 4. Инвертор выполнен по мостовой схеме на полностью управляемых вентилях - IGBT-транзисторах 5. В анодную и катодную группы инвертора последовательно с управляемыми вентилями включены дополнительные отсекающие диоды 6 и 7 по числу управляемых вентилей, и дополнительные буферные блоки конденсаторов 8 и 9, подключенные к точкам соединения отсекающих диодов и управляемых вентилей между каждым диодным и IGBT-транзисторным полумостом. К выходам инвертора подключена фильтрующая конденсаторная батарея 10. На выводах ПЧ установлен блок датчиков фазных напряжений статора 11, выходы которого соединены с отрицательными фазными входами релейного регулятора напряжения 12, имеющего узлы сравнения фазных напряжений 13, 14, 15 и релейный блок 16 формирования импульсов на IGBT-транзисторы, положительные фазные входы релейного регулятора напряжения 12 соединены с фазными выходами блока 17 формирования мгновенных значений фазных напряжений, частотный вход которого соединен с первым частотным выходом блока 18 задания сигналов управления, амплитудный вход блока формирования мгновенных значений фазных напряжений 17 соединен с выходом первого сумматора 19, один вход которого соединен со вторым амплитудным выходом блока задания сигналов управления 18, третий выход которого соединен с положительным входом узла сравнения тангенса угла 20, выход которого соединен со входом блока коррекции напряжения 21, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора 19, два фазных вывода ротора через датчики тока 22, 23 соединены в общую точку, к которой также напрямую подключен третий фазный вывод ротора двигателя 4, выходы двух датчиков тока соединены с входами сумматора 24 фазных токов ротора, а также соединены с фазными входами блока 25 вычисления тангенса угла между векторами тока и потокосцепления ротора, выход сумматора фазных токов ротора 24 соединен с третьим входом блока вычисления тангенса угла между векторами тока и потокосцепления ротора 25, выход которого соединен со вторым отрицательным входом узла сравнения тангенса угла между векторами тока и потокосцепления ротора 20.
Устройство работает следующим образом. Инвертор тока 2 питает статорные обмотки асинхронного двигателя 4 релейно-модулируемыми пульсациями силового тока, длительность которых определяется управляющими пульсациями, поступающими с выхода релейного блока 16, осуществляющего регулирование напряжения по синусоидальной огибающей с отклонением от нее на величину зоны нечувствительности релейного блока 16.
На положительные входы сумматоров 13, 14, 15 релейного регулятора напряжения 12 поступают с выхода блока 17 сигналы задания на напряжение каждой из фаз , ,  в виде синусоидального сигнала требуемой амплитуды  и частоты со
1a
1в
1c
С выхода блока 11 на отрицательные входы сумматоров 13, 14, 15 релейного регулятора напряжения 12 поступают сигналы обратной связи по напряжению фаз u, u, u. В результате сравнения этих сигналов на выходах блоков 13, 14, 15 получаем разницу между заданным и действительным значениями напряжения в фазах статора:
Полученные сигналы поступают на входы релейного блока 16 имеющего гистерезис, работающего по следующему алгоритму:
где Δ - модуль гистерезиса, задаваемый из условия точности поддержания напряжения статора.
Величина модуля гистерезиса может быть принята:
1н
где U - действующее значение номинального напряжения статора.
Блок 16 формирует сигналы управления IGBT-транзисторами инвертора 2. При нарушении верхней границы Δ напряжения  инвертор 2 формирует отрицательный импульс тока, который разряжает в соответствующей фазе конденсатор 10, понижая напряжение на нем и в фазе статора двигателя. В случае нарушения нижней границы Δ напряжения  инвертор 2 формирует положительный импульс тока, конденсатор соответствующей фазы 10 заряжается, повышая напряжение соответствующей фазы статора двигателя.
Сигналы требуемой амплитуды  и частоты  формирует блок задания сигналов управления 18. Эти сигналы поступают на вход блока формирования мгновенных значений фазных напряжений 17, причем с сигналом  складывается на сумматоре 19 сигнал коррекции напряжения ΔU, и на выходе сумматора 19 формируется сигнал .
При пуске двигателя и регулировании его частоты вращения блок задания сигналов управления 18 реализует изменение сигналов задания  и  в соответствии с запрограммированным в этом блоке рассчитанным на номинальную нагрузку законом частотного управления . При изменении условий работы электропривода, в частности изменения нагрузки на валу двигателя и регулировании частоты вращения, для обеспечения минимального значения тока статора при заданном значении статического момента на валу двигателя необходимо изменять амплитуду напряжения  так, чтобы угол между векторами тока статора и потокосцепления ротора  был близок к 45°, тогда .
Уравнение связи между током статора и потокосцеплением ротора, представленными в операторной форме, являющееся передаточной функцией, имеет вид
где
m
α
2
1
2
где  - приведенная индуктивность рассеивания обмотки ротора, L - индуктивность намагничивания;  - приведенное активное сопротивление обмотки ротора; s относительное скольжение; T - постоянная времени цепи ротора; ω - круговая частота тока статора; ω - круговая частота тока ротора.
1
Выражение для расчета угла между током статора и потокосцеплением ротора при частоте тока статора ω имеет вид
Тангенс угла между этими переменными определяется
2
Значение круговой частоты тока ротора ω определяется в блоке 25 на основании обработки измеренных мгновенных значений фазных токов ротора.
На положительный вход блока сравнения 20 поступает с третьего выхода блока 18 заданное значение , а на отрицательный вход - с блока 25 рассчитанное по выражению (9) значение . Величина сигнала коррекции напряжения ΔU определяется в блоке коррекции 21 согласно алгоритму, работающему следующим образом. Если , то на очередном (n+1) шаге расчета происходит уменьшение приращения ΔU к напряжению  с шагом убывания , пока угол  не станет равным 45°, a , если , то происходит увеличение приращения ΔU к напряжению  с шагом возрастания , если , то значение приращения ΔU к напряжению не изменяется. Считывание мгновенных значений  происходит циклически с дискретностью, определяемой быстродействием системы.
Поддержание постоянства  позволяет поддерживать на постоянном уровне частоту тока ротора и, следовательно, разницу между частотой вращения поля статора и частотой вращения ротора. Поэтому при изменении нагрузки на валу при постоянстве частоты вращения поля статора поддерживается постоянство частоты вращения ротора.
Преимущество предлагаемого электропривода переменного тока заключается в простоте конструкции, высокой работоспособности схемы управления, минимизации тока статора, обеспечивающего заданный момент двигателя, за счет более простого и точного определения требуемого сигнала коррекции напряжения, выполняемого на основании сравнения заданного и вычисленного тангенса угла между векторами тока статора и потокосцепления ротора, определяемого с помощью измеренных мгновенных значений тока ротора.
Источники информации.
1. Патент РФ №2447573 МПК Н02 27/04. Электропривод переменного тока. В.Н.Мещеряков, Зотов В.А., Мещерякова О.В. Опубл. 10.04.2012. Бюл.№10.
2. Патент на полезную модель РФ №112554. Н02 27/06. Устройство для управления асинхронным электроприводом. В.Н.Мещеряков, Башлыков A.M., Безденежных Д.В. Опубл. 10.01.2012. Бюл.№1.