СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ И СЛЕДЯЩАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR CONTROL OF INDUCTION FREQUENCY-CONTROLLED ELECTRIC DRIVE WITH SHORT-CIRCUITED ROTOR AND TRACKING SYSTEM FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к частотно-управляемым электрическим приводам, в частности к классу частотно-регулируемых асинхронных электроприводов, и может быть использовано совместно с промышленно-выпускаемыми преобразователями частоты.
Известны аналогичные способы управления частотно-регулируемым асинхронным электроприводом, основанные на использовании стандартных ПИ, ПИД-регуляторов в канале управления скоростью вращения вала асинхронного двигателя [Рудаков В.В., Столяров И.М., Дартау В.А. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. - Л.: Энергоатомиздат, 1987; Усольцев А.А. Векторное управление асинхронными двигателями. / Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2002].
Из известных способов управления частотно-регулируемым асинхронным электроприводом в качестве прототипа выбран способ, основанный на использовании частотно-регулируемого асинхронного электропривода с короткозамкнутым ротором с векторным управлением, имеющим ПИ-регулятор в канале управления скоростью. На вход указанного регулятора подается разность между сигналом задания скорости (поступающего с задатчика, выполненного в виде автоматического потенциометра, поставляемого в комплекте с преобразователем частоты) и сигналом от датчика вращения вала асинхронного двигателя [Рудаков В.В., Столяров И.М., Дартау В.А. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. - Л.: Энергоатомиздат, 1987; Усольцев А.А. Векторное управление асинхронными двигателями. / Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2002; Руководство по эксплуатации преобразователей частоты серий VECTORFLUX™ VFB и VECTORFLUX™ VFX. Номер документа: 01-1887-01, Версия документа: r4. Дата выпуска: 2004-03-25, © Copyright Emotron AB 2004].
Недостатком способа управления частотно-регулируемым асинхронным электроприводом является отсутствие возможности поддержания оптимального по точности значения скорости вращения вала электропривода.
Известны аналогичные следящие системы управления частотно-регулируемым асинхронным электроприводом, основанные на использовании преобразователя частоты совместно с асинхронным двигателем, в которых преобразователь частоты использует стандартные ПИ, ПИД-регуляторы в канале управления скоростью вращения вала асинхронного двигателя [Рудаков В.В., Столяров И.М., Дартау В.А. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. - Л.: Энергоатомиздат, 1987; Усольцев А.А. Векторное управление асинхронными двигателями. / Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2002].
Недостатком аналога является наличие ошибки при регулировании скорости вращения вала асинхронного двигателя [Клевцов А.В. Преобразователи частоты переменного тока. Практическое пособие для инженеров. - Тула: Гриф и К, 2008; MITSUBISHI ELECTRIC, Преобразователи частоты FR-A 540 ЕС и FR-A540 L ЕС. Технический каталог 2002/2003; http://vesper.ru/catalog/invertors/e3-9100/-руководство по эксплуатации].
Из известных следящих систем управления частотно-регулируемым асинхронным электроприводом в качестве прототипа выбрана система, основанная на использовании преобразователя частоты с векторным управлением совместно с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором и датчиком скорости вращения вала двигателя. Преобразователь частоты имеет ПИ-регулятор в канале управления скоростью вращения вала. На вход указанного регулятора подается разность между сигналом задания скорости (поступающего с задатчика, выполненного в виде автоматического потенциометра, поставляемого в комплекте с преобразователем частоты) и сигналом от датчика вращения вала асинхронного двигателя [Рудаков В.В., Столяров И.М., Дартау В.А. Асинхронные электроприводы с векторным управлением.- Л.: Энергоатомиздат, 1987; Усольцев А.А. Векторное управление асинхронными двигателями / Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2002; Руководство по эксплуатации преобразователей частоты серий VECTORFLUX™ VFB и VECTORFLUX™ VFX, Номер документа: 01-1887-01, Версия документа: r4. Дата выпуска: 2004-03-25, © Copyright Emotron AB 2004].
Недостатком прототипа является наличие ошибки при поддержании скорости вращения вала асинхронного двигателя на заданном уровне [Клевцов А.В. Преобразователи частоты переменного тока. Практическое пособие для инженеров. - Тула: Гриф и К, 2008; MITSUBISHI ELECTRIC, Преобразователи частоты FR-A 540 ЕС и FR-A540 L ЕС. Технический каталог 2002/2003; http://vesper.ru/catalog/invertors/e3-9100/-руководство по эксплуатации (в PDF); Усольцев А.А. Векторное управление асинхронными двигателями / Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2002].
Технической задачей настоящего изобретения является получение оптимального по точности управления скоростью вращения вала электропривода за счет введения задатчика сигнала скорости вращения вала электропривода, сигнал с которого будет подаваться на вход задания ПИ-регулятора, находящегося в канале управления скоростью частотно-регулируемого асинхронного электропривода с короткозамкнутым ротором.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе управления асинхронным частотно-регулируемым электроприводом с короткозамкнутым ротором сигнал задания на вход регулирования скорости вращения вала электропривода подают с задатчика, выполненного в виде релейного регулятора, работающего в скользящем режиме, на который поступает сумма соответствующих разностей сигналов задания уровня координат электропривода и сигналов обратных связей по соответствующим координатам, умноженных на соответствующие весовые коэффициенты.
В предлагаемой системе задатчик сигнала скорости вращения вала электропривода выполнен в виде релейного регулятора, содержащего датчик фазных токов, датчик мгновенного значения сигнала скорости, датчик фазных напряжений, преобразователь числа фаз тока, вектор-анализатор, преобразователь числа фаз напряжения, ротатор тока, ротатор напряжения, блок параметрических коэффициентов, блок коэффициентов функции переключения, блок сумматоров, блок умножения, сумматор, блок сигналов задания, блок произведения сигнала задания потокосцепления ротора и соответствующего пропорционального коэффициента ПИ-регулятора, блок произведения сигнала задания скорости вращения вала электропривода и соответствующего пропорционального коэффициента ПИ-регулятора, реле с высокой частотой переключения, масштабирующий блок, содержащий максимальный сигнал задания скорости вращения вала электропривода, умножитель, переключатель и выключатель; выход датчика фазных токов соединен со входом преобразователя числа фаз тока, выход датчика фазных напряжений соединен со входом преобразователя числа фаз напряжения, выход с преобразователя числа фаз тока, а также выход с датчика мгновенного значения сигнала скорости соединены со входом вектор-анализатора, выход с преобразователя числа фаз тока, а также выход с вектор-анализатора соединены со входом ротатора тока, выход с вектор-анализатора и выход с преобразователя числа фаз напряжения соединены со входом ротатора напряжения, выходы с блока произведения сигнала задания потокосцепления ротора и соответствующего пропорционального коэффициента ПИ-регулятора и блока произведения сигнала задания скорости вращения вала электропривода и соответствующего пропорционального коэффициента ПИ-регулятора соединены с соответствующими положительными и отрицательными входами блока сумматоров, выходы которого соединены со входами блока умножения, остальные входы которого соединены с выходами блока коэффициентов функции переключения, вход которого соединен с выходом блока параметрических коэффициентов, выходы с блока умножения соединены с положительными входами сумматора, выход которого соединен с реле с высокой частотой переключения, выход которого соединен с входом умножителя, другой вход которого соединен с выходом масштабирующего блока, содержащего максимальный сигнал задания скорости вращения вала электропривода, выход указанного блока также соединен с первым из входом переключателя, выход умножителя соединен с вторым входом переключателя, выход указанного переключателя соединен со входом задания ПИ-регулятора канала управления скоростью в преобразователе частоты, реализующему векторное управление, к которому подключен асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.
Данный способ может быть использован в любой следящей системе с асинхронным частотно-регулируемым электроприводом.
Техническая сущность предложенного изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена структурная схема следящей системы, реализующей оптимальный по точности способ управления скоростью асинхронного частотно-регулируемого электропривода с короткозамкнутым ротором.
Для пояснения предложенного способа воспользуемся уравнениями, описывающими, при отключенной функции регулирования момента и отключенных регуляторах токов в соответствующих каналах управления, динамику асинхронного частотно-регулируемого электропривода в системе координат, ориентированной по вектору потокосцепления ротора:
r
где R - активное сопротивление фазы обмотки ротора, соотнесенное с сопротивлением обмотки статора,
r
L - индуктивность фазы обмотки ротора, соотнесенное с индуктивностью обмотки статора,
r
K - коэффициент ротора двигателя,
r
T - постоянная времени ротора двигателя,
ss
T - постоянная времени статора двигателя,
p - число пар полюсов
J - момент инерции,
ss
L - индуктивность рассеяния статорной обмотки,
c
M - постоянный момент сопротивления,
K1p - пропорциональный коэффициент ПИ-регулятора потокосцепления ротора,
K1u - интегральный коэффициент ПИ-регулятора потокосцепления ротора,
T1 - постоянная времени ПИ-регулятора потокосцепления ротора,
K2p - пропорциональный коэффициент ПИ-регулятора скорости вращения вала,
K2u - интегральный коэффициент ПИ-регулятора скорости вращения вала,
T2 - постоянная времени ПИ-регулятора скорости вращения вала,
ψr_zad - задание по потокосцеплению ротора,
ω_zad - задание по скорости вращения вала,
r
ψ - потокосцепление ротора,
sd
i - проекция обобщенного вектора тока на ось d (преобразования и система координат Парка-Горева),
sq
i - проекция обобщенного вектора тока на ось q (преобразования и система координат Парка-Горева),
ω - скорость вращения вала электропривода,
sd
u - проекция обобщенного вектора напряжения на ось d (преобразования и система координат Парка-Горева),
sq
u - проекция обобщенного вектора напряжения на ось q (преобразования и система координат Парка-Горева).
Из уравнений (1) следует, что асинхронный частотно-регулируемый электропривод представляет собой объект регулирования с двумя управляющими воздействиями: ψr_zad и ω_zad.
Воспользовавшись теорией аналитического конструирования регуляторов А.А.Красовского, запишем оптимальный по точности закон управления скоростью вращения электропривода:
где ω_zad_max - максимальное значение сигнала задания скорости, которое можно подать на вход регулирования скорости преобразователя частоты;
sd
isd_zad - задающее воздействие для тока i;
sd
isq_zad - задающее воздействие для тока i;
*
sd
usd_zad - задающее воздействие для величины u+K1p·ψr_zad;
*
sq
usq_zad - задающее воздействие для величины u+K2p·ω_zad.
Сигналы задания определяются:
sd
sq
sd
sq
sα
sβ
sα
sβ
Мгновенные значения переменных вращающейся системы координат dq (i, i, u, u) определяются через переменные неподвижной системы координат αβ (i, i, u, u):
sα
sβ
sα
sβ
a
b
c
a
b
c
Переменные неподвижной системы координат (i, i, u, u) определяются через реальные фазные токи (i, i, i) и фазные напряжения (u, u, u):
(dq)
(dq)
Значения косинуса и синуса угла смещения системы координат dq относительно системы координат αβ (cosϑ и sinϑ) определяются:
Весовые коэффициенты А, В, С, Н определяются:
Коэффициенты α1, α2, α3, α4, α5, α6, β1, β2, β3, β4, γ1, γ2, γ3, γ4, κ1, κ2, κ3 выражаются через параметры частотно-регулируемого асинхронного электропривода:
Параметры ПИ-регулятора скорости вращения вала задаются:
Т2=2.
a
b
c
a
b
c
α
β
α
β
α
β
α
β
sd
sq
sd
sq
Из формул (2)-(12) следует, что рассматриваемый способ требует задатчиков уровней соответствующих координат (3), системы вычисления весовых коэффициентов (4), системы вычисления параметрических коэффициентов (8)-(11), реле с высокой частотой переключения, системы преобразования мгновенных значений фазных токов и напряжений (i, i, i, u, u, u) в мгновенные значения токов и напряжений неподвижной системы координат αβ (i, i, u, u), системы для преобразования величин неподвижной системы координат (i, i, u, u) в сигналы подвижной системы координат (i, i, u, u) dq, системы вычисления мгновенного значения потокосцепления ротора (поскольку при снижении частоты вращения отношение полезного сигнала к шуму на выходе датчиков магнитного потока ротора снижается настолько, что их использование становится невозможным), системы для вычисления косинуса и синуса угла смещения вращающейся системы координат dq относительно неподвижной системы координат αβ, датчиков скорости вращения вала двигателя, фазных токов, фазных напряжений, соответствующей настройки ПИ-регулятора скорости вращения вала (12), системы вычисления сигнала задания по потокосцеплению ротора (поскольку вход управления потокосцеплением ротора недоступен в большинстве преобразователей частоты с векторным управлением).
Предлагаемый способ реализуется в следящей системе с частотно-управляемым асинхронным электроприводом с короткозамкнутым ротором, реализующим векторное управление по каналам скорости вращения вала и потокосцепления ротора, с ПИ-регулятором в канале управления скоростью, где на вход управления скоростью преобразователя частоты подается сигнал, реализуемый формулой (2).
Следящая система (фиг.1) содержит преобразователь частоты, реализующий векторное управление 1, асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором 2, а также задатчик, содержащий датчик фазных токов 3, датчик мгновенного значения сигнала скорости 4, датчик фазных напряжений 5, преобразователь числа фаз тока 6, вектор-анализатор 7, преобразователь числа фаз напряжения 8, ротатор тока 9, ротатор напряжения 10, блок параметрических коэффициентов 11, блок коэффициентов функции переключения 12, блок сумматоров 13, блок умножения 14, сумматор 15, блок сигналов задания 16, блок произведения сигнала задания потокосцепления ротора и соответствующего пропорционального коэффициента ПИ-регулятора 17, блок произведения сигнала задания скорости вращения вала и соответствующего пропорционального коэффициента ПИ-регулятора 18, реле с высокой частотой переключения 19, масштабирующий блок, содержащий максимальный сигнал задания скорости вращения вала электропривода 20, умножитель 21, переключатель 22 и выключатель 23.
Выход датчика фазных токов 3 соединен со входом преобразователя числа фаз тока 6, выход датчика фазных напряжений 5 соединен со входом преобразователя числа фаз напряжения 8, выход с преобразователя числа фаз тока 6, а также выход с датчика мгновенного значения сигнала скорости 4 соединены со входом вектор-анализатора 7, выход с преобразователя числа фаз тока 6, а также выход с вектор-анализатора 7 соединены со входом ротатора тока 9, выход с вектор-анализатора 7 и выход с преобразователя числа фаз напряжения 8 соединены со входом ротатора напряжения 10, выходы с блока произведения сигнала задания потокосцепления ротора и соответствующего пропорционального коэффициента ПИ-регулятора 17 и блока произведения сигнала задания скорости вращения вала и соответствующего коэффициента ПИ-регулятора 18 соединены со входом блока сигналов задания 16, выход с датчика мгновенного значения сигнала скорости 4, выход с вектор-анализатора 7, выход с ротатора тока 9, выход с ротатора напряжения 10, выход с блока сигналов задания 16, выход с блока произведения сигнала задания потокосцепления ротора и соответствующего пропорционального коэффициента ПИ-регулятора 17 непосредственно и последовательно через выключатель 23, выход с блока произведения сигнала задания скорости вращения вала и соответствующего коэффициента ПИ-регулятора 18 соединены с соответствующими положительными и отрицательными входами блока сумматоров 13, выходы которого соединены со входами блока умножения 14, остальные входы которого соединены с выходами блока коэффициентов функции переключения 12, вход которого соединен с выходом блока параметрических коэффициентов 11, выходы с блока умножения 14 соединены с положительными входами сумматора 15, выход которого соединен с входом реле с высокой частотой переключения 19, выход с которого соединен с входом умножителя 21, другой вход которого соединен с выходом масштабирующего блока 20, выход которого также соединен со входом 1-1 переключателя 22, выход умножителя 21 соединен с входом 1-2 переключателя 22, выход переключателя 22 соединен со входом задания ПИ-регулятора канала управления скоростью в преобразователе частоты с векторным управлением 1, к которому подключен асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором 2.
a
b
c
a
b
c
α
β
r
α
β
α
β
sd
sq
r
sd
sq
sd
sq
r
sd
sd
sq
sd
sq
(dq)
(dq)
(dq)
(dq)
Способ управления асинхронным частотно-регулируемым электроприводом с короткозамкнутым ротором реализован в следящей системе, работающей следующим образом. Определяют задание по потокосцеплению ротора (ψr_zad), для чего используются данные (об установившемся значении потокосцепления ротора) опыта пуска частотно-регулируемого асинхронного электропривода на максимальных оборотах (сигнал задания скорости подается с автоматического потенциометра) и при отсутствии момента нагрузки (эти же данные использует система управления преобразователя частоты с векторным управлением [Руководство по эксплуатации преобразователей частоты серий VECTORFLUX™ VFB и VECTORFLUX™ VFX, Номер документа: 01-1887-01, Версия документа: r4. Дата выпуска: 2004-03-25, © Copyright Emotron AB 2004]), получаемые с выхода вектор-анализатора 7 в установившемся режиме работы электропривода, для чего переключатель 22 переводят в положение 1, а выключатель 23 переводят во включенное состояние. После проведения опыта первого пуска установившееся значение потокосцепления ротора записывается в блоке произведения сигнала задания потокосцепления ротора и соответствующего коэффициента ПИ-регулятора 17 как ψr_zad, переключатель 22 переводят в положение 2, а выключатель 23 переводят в отключенное положение, на вход управления скоростью вращения вала электропривода подают сигнал с умножителя 21. При этом с выхода датчика скорости вращения вала 4 снимают мгновенное значение скорости вращения вала электропривода, с датчика фазных токов 3 снимают мгновенные значения фазных токов i, i, i, с датчика фазных напряжений 5 снимают мгновенные значения фазных напряжений u, u, u. Сигналы с выхода датчика фазных токов 3 поступают на вход преобразователя числа фаз тока 6, реализующего уравнение (5) для токов, где происходит преобразование трехфазного тока в двухфазный. Сигналы с выхода датчика фазных напряжений 5 поступают на вход преобразователя числа фаз напряжения 8, реализующего уравнения (5) для напряжений, где происходит преобразование трехфазного напряжение в двухфазное. Полученные сигналы двухфазного тока (i, i), а также сигнал мгновенного значения скорости вращения вала (ω), поступают на вход вектор-анализатора 7, реализующего уравнения (6). На выходе вектор-анализатора 7 формируются сигналы синуса и косинуса угла смещения вращающейся системы координат dq относительно неподвижной системы координат αβ (sinϑ, cosϑ), а также мгновенное значение сигнала потокосцепления ротора (ψ). Сигналы sinϑ, cosϑ с выхода вектор-анализатора 7, а также сигналы (i, i) с выхода преобразователя числа фаз тока 6 и сигналы (u, u) с выхода преобразователя числа фаз напряжения 8 поступают на входы соответствующих ротаторов 9, 10, реализующих уравнения (4). Полученные на выходе ротатора тока 9 значения i, i, сигнал мгновенного значения скорости вращения вала (ω) с выхода мгновенного значения сигнала скорости 4, сигнал потокосцепления ротора (ψ) с выхода вектор-анализатора 7 поступают на отрицательные входы блока сумматоров 13, на положительные входы которых поступают соответствующие сигналы задания уровня координат, формирующиеся блоком сигналов задания 16 согласно уравнениям (3). Полученные на выходе ротатора напряжения 10 сигналы u, u суммируются в блоке сумматоров 13 с произведениями сигналов задания и соответствующих пропорциональных коэффициентов ПИ-регуляторов 17, 18 и полученные значения (u+K1p·ψr_zad, u+K2p·ω_zad) подаются на отрицательные входы сумматоров 13, на положительные входы которых поступают соответствующие сигналы задания уровня координат, формирующиеся блоком сигналов задания 16 согласно уравнениям (3). Полученные разности между сигналами задания координат, поступающими с блока 16, и координатами (ψr_zad-ψ, isd_zad-i, isd_zad-i, isd_zad-i, ω_zad-ω, usd_zad*-u-K1p·ψr_zad, usq_zad-u-K2p·ω_zad) умножаются в блоке умножения 14 на соответствующие весовые коэффициенты, формируемые на выходе блока коэффициентов функции переключения 12 (реализующего уравнения (7)), на вход 12 подаются сигналы с выхода блока параметрических коэффициентов 11, реализующего уравнения (8)-(11). Полученные таким образом произведения суммируются 15 и полученный сигнал подается на реле 19 с высокой частотой переключения. На выходе реле 19 сигнал масштабируется максимальным значением уровня задания скорости 20 (ω_zad_max), при этом получается оптимальный по точности сигнал управления скоростью вращения вала, реализуемый формулой (2), который поступает на вход управления скоростью преобразователя частоты 1.
Точность работы современных систем автоматического регулирования обычно ограничивается ошибкой системы. Предлагаемое изобретение позволяет свести ошибку систем автоматического регулирования к нулю (теоретически). Это повышает эффективность работы систем автоматического регулирования и расширяет их функциональные возможности.