Способ управления синхронным электродвигателем
SYNCHRONOUS MOTOR CONTROL METHOD

Изобретение относится к электротехнике, к системам частотного регулирования скорости синхронных двигателей, питаемых от автономного инвертора напряжения (АИН), в режиме «бездатчикового» управления. Цель - разработка алгоритма для устойчивого и экономичного режима работы двигателя в условиях изменяющегося момента нагрузки на его валу.
Известны способы управления [1, 2], в которых статорные обмотки синхронных двигателей получают питание от m-фазного инвертора с амплитудами и частотой, регулируемыми за счет сигналов тока и напряжения фаз в обмотках статора или других сигналов и вычислительных процедур, позволяющих выявить угловое положение ротора синхронной машины. Недостатками их являются большое количество необходимых датчиков, сигналов и вычислений, замедляющих реакцию инвертора на изменение момента нагрузки [1, 3], либо усложнение конструкции ротора за счет короткозамкнутой обмотки [2].
m
зад
Технический результат - использование в алгоритме только сигналов датчиков тока фаз двигателя (отсутствие необходимости в сигналах других датчиков), повышение быстродействия и поддержание режима с максимальным коэффициентом мощности электродвигателя, достигается тем, что для питания обмоток статора используется автономный инвертор с вычислителем, содержащим канал регулирования амплитуды U и канал регулирования частоты напряжений обмотки статора ω, отличающийся тем, что с целью обеспечения устойчивого вращения ротора при наиболее выгодном значении коэффициента потребляемой двигателем мощности (Cosϕ=1):
m
- в канал регулирования амплитуды E вводится сигнал ΔU, увеличивающий амплитуду, если в обмотках статора возникает ток, опережающий напряжение статора и, соответственно, уменьшающий ее, если ток статора становится отстающим;
зад
- в канал регулирования частоты ω вводится сигнал в виде фазового сдвига (на угол ϕ) с положительным знаком, если в обмотках статора возникает ток, опережающий напряжение и, соответственно, с отрицательным знаком, если ток в обмотках оказывается отстающим;
A
B
C
a
b
- для управления автономным инвертором используется функциональная схема вычислителя, обведенная на фиг. 1 пунктиром, в которой для «выделения» сигналов ΔU≠0 и ϕ используются сигналы только датчиков тока Дm после их преобразований из трехфазной (физической) модели i, i, i в эквивалентную двухфазную модель i, i для ввода в вычислитель
a
ДТ
m
зад
i=КI[Sin(ωt+ϕ)],
a
ДТ
m
зад
i=КI[Cos(ωt+ϕ)]
и, повторяющейся для этих сигналов вычислительной процедуры,
a
b
u
u
ДТ
m
(i⋅Cosωt-i⋅Sinωt)К(1+1/Tp)=К(1+1/Тр)⋅К⋅ISinϕ=ΔU≠0;
a
b
ϕ
ϕ
ДТ
m
(i⋅Cosωt-i⋅Sinωt)К=К⋅К⋅ISinϕ→0 при ϕ→0;
ДТ
где К - коэффициент преобразования датчиков тока;
m
I - амплитудное значение токов фазных обмоток статора, А;
зад
ω - заданная угловая частота автономного инвертора, рад/с;
ϕ - угол сдвига между током и напряжением в обмотке статора, в рад;
ΔU - приращение задания напряжения статора для автономного инвертора, при котором ϕ→0;
зад
зад
Sin и Cos тригонометрические функции от угла θ=ω⋅t+ϕ.
зад
A
B
C
A
B
C
Функциональная схема электропривода состоит из пульта управления (ПУ) 1, вычислителя (2÷18), реализующего способ и обведенного на фиг. 1 пунктирной линией, автономного инвертора напряжения (АИН) 19 и синхронного двигателя 20. Она позволяет с помощью сигнала задания частоты ω и сигнала обратной связи по токам фаз статорной обмотки двигателя i, i, i сформировать сигналы задания для АИН U, U, U и обеспечить устойчивую работу двигателя в режиме Cosϕ=1 в диапазоне нагрузок от холостого хода до момента опрокидывания
Схема содержит следующие сигналы и элементы математических преобразований над ними:
зад
1 - пульт управления электроприводом (ПУ), формирует график заданной угловой частоты вращения вектора напряжения обмотки статора ω(t);
зад
зад
2 - интегратор или узел умножения ω на время t, обеспечивающий преобразование заданной угловой частоты в заданное значение углового перемещения вектора напряжения статора ωt в электрических радианах;
зад
m
зад
3 - узел умножения ω на величину потокосцепления Ψ, обеспечивающий формирование амплитудного значения выходного напряжения инвертора, компенсирующего ЭДС обмоток эквивалентного двухфазного синхронного двигателя E=ω⋅Ψ;
m
m
дт
m
зад
a
b
4, 6, 7 и 12 - узлы алгебраического суммирования сигналов соответствсенно (E+ΔU)=U, (1+1/Тр) К⋅ISinϕ, (ωt+ϕ)=θ и i⋅Cosωt-i⋅Sinωt;
U
дт
m
ϕ
дт
m
5 и 8 - узлы умножения, обеспечивающие получение корректирующие уровни сигнала ΔU=К⋅(1+1/Тр)К⋅ISinϕ для канала регулирования амплитуды и сигнала ϕ=К⋅К⋅ISinϕ для канала регулирования частоты;
9 - узел интегрирования с коэффициентом 1/Т в составе сигнала коррекции по каналу задания амплитуды;
зад
10, 11 - узлы преобразования θ в тригонометрические функции этого угла;
a
m
зад
b
m
зад
13, 14 - узлы умножения для формирования заданных значений напряжений в эквивалентной двухфазной машине U=U⋅Cosθ и U=U⋅Sinθ;
a
зад
b
зад
15,16 - узлы умножения (формирования произведений) i⋅Cosθ, i⋅Sinθ;
a
b
A
B
C
17 - узел преобразования двухфазного задания напряжений U и U в трехфазное задание U, U, U для автономного инвертора напряжения (АИН)
A
a
m
зад
B
m
зад
C
m
зад
U=U=U⋅Cosθ, U=U⋅Cos(θ-2π/3), U=U⋅Cos(θ +2π/3);
A
B
C
a
b
a
A
18 - преобразователь трехфазных сигналов тока i, i, i в сигналы тока эквивалентной двухфазной машины i, i [i=i,
A
B
C
19 -автономный инвертор напряжения (АИН), питающий двигатель и формирующий сигналы датчиков тока (Дm) i, i, i 3-х фазной синхронной машины;
20 - синхронный двигатель.
дт
m
u
ϕ
С целью упрощения алгоритма (сокращения математических операций, а значит и времени на повторяющуюся вычислительную процедуру) допустим менее строгий синтез, обеспечивающий устойчивый режим вращения синхронной машины во всем диапазоне скоростей. Режим с Cosϕ=1 при этом достигается только на одной скорости и при одной величине момента нагрузки. В качестве обратной связи в ней также используется сигнал по реактивной составляющей тока статора К⋅ISinϕ. Через безразмерные коэффициенты К и К он подается в каналы управления амплитудой ΔU и частотой ϕ. Пример такой «упрощенной» структуры приведен на фиг. 2. По сравнению со структурой на фиг. 1 в структуре на фиг. 2 исключен интегратор 9 с коэффициентом 1/Т и элемент суммирования 6.
m
Вычислительная процедура, используемая в алгоритме управления АИН на фиг. 2, повторялась каждые 60 мкс. Это позволило работать АИН в электроприводе, формируя трехфазное синусоидальное напряжение с выходной частотой до 150 Гц и амплитудой выходного напряжения до U=650 вольт.
На фиг. 3 приведена осциллограмма напряжения и тока в одной из обмоток трехфазного синхронного двигателя мощностью 150 кВт при номинальном моменте нагрузки и при скорости 3000 об/мин. Управление электроприводом осуществлялось по «упрощенному» алгоритму фиг. 2. Осциллограмма получена с помощью измерительной системы FLUKE - 435.
н
Экспериментальная проверка электропривода с «упрощенным» алгоритмом управления АИН, показала устойчивую его работу в широком диапазоне скоростей и моментов нагрузки. Однако, режим Cosϕ=1 поддерживался лишь при одном установившемся значении момента нагрузки М=М. При меньших значениях М, в том числе и при моменте нагрузки близком к холостому ходу, ток в обмотках статора снижался, но не пропорционально величине момента, а это значит, что в токе статора возникала реактивная (размагничивающая/подмагничивающая) составляющая. Потери энергии по сравнению с алгоритмом по схеме фиг. 1 получались незначительно выше.
зад
A
B
C
Предлагаемый способ управления АИН обеспечивает плавный пуск и устойчивую (без колебаний) работу электропривода на заданной скорости в широком диапазоне моментов нагрузки с помощью лишь сигнала задания ω, обратной связи по току i, i, i синхронной машины (сигналов датчиков тока Дm) и достаточно «короткой» по времени процедуры в вычислителе по алгоритму фиг. 1 или фиг. 2.
Заметим, предлагаемый способ пригоден для управления синхронными двигателями и с электромагнитным возбуждением, в том числе и для управления высоковольтными двигателями, если их питание осуществляется от высоковольтного инвертора или преобразователя частоты.
Источники информации
1. Мищенко В.А., Мищенко Н.И., Мищенко А.В. Способ векторного управления синхронным электродвигателем с постоянными магнитами на роторе и электропривод для осуществления этого способа. Патент Российской Федерации №2141719 от 25.03.1998
2. Донской Н.В. Регулируемые электроприводы переменного тока. Чебоксары. Издательство Чувашского государственного университета, 2011.
3. Хачатуров Д.В. Способ управления синхронным электродвигателем на постоянных магнитах. Патент Российской Федерации №2683586 от 20.03.2018