ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Электропривод переменного тока относится к области электротехники, в частности к системам управления электроприводами переменного тока на базе асинхронных двигателей с преобразователями частоты (ПЧ). Техническим результатом является минимизация потерь электроэнергии при питании асинхронного электродвигателя от ПЧ.
Известен электропривод переменного тока, содержащий асинхронный двигатель, подключенный статорными обмотками к выходам импульсного преобразователя тока, выполненного с управляющими входами для частоты и для ортогональных составляющих тока статора, датчик частоты вращения, установленный на валу асинхронного двигателя, последовательно соединенные блок задания скорости, элемент сравнения и пропорционально-интегральный регулятор скорости, при этом другой вход элемента сравнения подключен к выходу датчика частоты вращения [1].
Недостатком данного устройства является сложность измерения ортогональных составляющих магнитного потока в воздушном зазоре машины из-за наличия датчиков ЭДС Холла.
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является электропривод переменного тока, содержащий адаптивный регулятор момента, который формирует вектор потокосцепления ротора путем формирования задания его мгновенных значений, амплитуда и частота которых зависит от задания на момент. Путем изменения частоты достигается формирование оптимального, с точки зрения минимизации, потребления тока статора, угла между векторами тока статора и потокосцепления ротора, равным 45°. Поддержание потокосцепления ротора осуществляется путем введения фазных регуляторов, выходы которых подключены к управляющим входам ШИМ-регулятора тока. Инвертором формируются фазные токи статора с частотой и амплитудой, необходимой для формирования заданного значения момента при условии минимизации потребления тока статора из сети и наиболее полного использования магнитопровода [2].
Недостатком данного устройства является сложность регулирования контролируемых координат векторов тока статора и потока ротора из-за наличия множественных преобразований координат, для расчета тригонометрических функций, не позволяет изменять момент двигателя в процессе разгона и как следствие, повысить быстродействие системы.
Предлагаемый электропривод переменного тока содержит трехфазный инвертор, два силовых выхода которого подключены через датчики тока к двум статорным обмоткам асинхронного двигателя, а третий силовой выход инвертора соединен с третьей обмоткой статора двигателя напрямую. На валу двигателя установлен датчик скорости, выход которого соединен с отрицательным входом блока сравнения, положительный вход которого подключен к блоку задания скорости, а выход блока сравнения подключен к входу пропорционально-интегрального регулятора скорости. Выход пропорционально-интегрального регулятора скорости соединен с одним входом блока задания поперечной составляющей тока статора, выход которого подключен к первому входу блока преобразования координат dq в АВС, имеющего три фазных выхода, каждый из которых соединен с блоком ШИМ - регуляторов тока, шесть выходов которого соединены с шестью управляющими входами трехфазного инвертора. Выходы датчиков тока соединены с входами сумматора тока. Выходы датчиков тока и выход сумматора тока соединены со вторыми фазными входами блока ШИМ регулятора тока, а также с входами блока преобразования координат АВС в dq. Первый выход блока преобразования координат АВС в dq соединен с блоком определения продольной составляющей потокосцепления ротора, выход которого соединен со вторым входом блока задания поперечной составляющей тока статора и блоком расчета угловой скорости потокосцепления статора, выход которого соединен с блоком преобразования координат dq в АВС и блоком преобразования координат АВС в dq, второй выход которого соединен с блоком расчета угловой скорости потокосцепления статора. Выходы блока преобразования координат АВС в dq соединены с блоком определения отношения продольной и поперечной составляющих тока статора, выход которого соединен с блоком определения угла между током статора и потокосцеплением ротора, выход которого соединен с сумматором, второй вход которого соединен с блоком задания угла. Выход сумматора углов соединен с входом пропорционального блока, выход которого соединен с блоком коррекции, второй вход которого соединен с блоком преобразования заданного значения продольной составляющей потокосцепления ротора в значение продольной составляющей тока статора. Выход блока коррекции соединен со вторым входом блока преобразования координат dq в АВС.
В данном электроприводе переменного тока заданное значение электромагнитного момента обеспечивается при минимальных значениях тока статора, что достигается путем поддержания постоянного угла между векторами тока статора и потокосцепления ротора равным 45°.
На фиг.1. приведена функциональная схема электропривода переменного тока.
Электропривод переменного тока содержит трехфазный инвертор 1, два силовых выхода которого соединены через датчики тока 2 и 3, подключенные к двум статорным обмоткам асинхронного двигателя 4, а третий силовой выход инвертора соединен с третьей обмоткой статора двигателя напрямую. На валу двигателя установлен датчик скорости 5, выход которого соединен с отрицательным входом блока сравнения 6, положительный вход которого подключен к блоку задания скорости 7, а выход блока сравнения подключен к входу пропорционально-интегрального регулятора скорости 8, выход которого соединен с одним входом блока задания поперечной составляющей тока статора 9. Выход блока 9 подключен к первому входу блока преобразования координат dq в АВС 10, имеющего три фазных выхода, каждый из которых соединен с первыми входами блока ШИМ-регуляторов тока 11, шесть выходов которого соединены с шестью управляющими входами трехфазного инвертора 1. Выходы датчиков тока 2 и 3 соединены с входами сумматора тока 12, также со вторыми фазными входами ШИМ регулятора тока 11 и входами блока преобразования координат АВС в dq 13, выход сумматора тока 12 соединен с соответствующим входом блока 11 и фазным входом блока 13, первый выход которого соединен с блоком определения продольной составляющей потокосцепления ротора 14, выход которого соединен со вторым входом блока задания поперечной составляющей тока статора 9 и блоком расчета угловой скорости потокосцепления статора 15, выход которого соединен с блоком преобразования координат dq в АВС 10 и вторым входом блока преобразования координат АВС в dq 13. Второй выход блока 13 соединен с блоком расчета угловой скорости потокосцепления статора 15, выходы блока преобразования координат АВС в dq 13 соединены с блоком определения отношения продольной и поперечной составляющих тока статора 16. Выход блока 16 соединен с блоком определения угла между током статора и потокосцеплением ротора 17. Выход блока 17 соединен с сумматором 18, второй вход которого соединен с блоком задания угла 45° 19. Выход сумматора 18 соединен со входом пропорционального блока 20, выход которого соединен с блоком коррекции 21, второй вход которого соединен с блоком преобразования заданного значения продольной составляющей потокосцепления ротора в значение продольной составляющей тока статора 22. Выход блока коррекции 21 соединен со вторым входом блока преобразования координат dq в АВС 10.
Электропривод переменного тока работает следующим образом.
Инвертор 7 через датчики 8, 9 фазных токов питает статорные обмотки асинхронного двигателя 14 широтно-модулируемыми пульсациями силового напряжения, длительность которых определяется управляющими пульсациями, поступающими с выхода ШИМ регулятора тока 6. Формирование задания на блок ШИМ регулятора тока 6 происходит следующим образом.
2
2
1d
2d
2d
1q
Сигнал задания на скорость ω*, поступающий с блока задания скорости 7, сравнивается на блоке сравнения 6 с сигналом текущей скорости вращения ротора ω, поступающего с датчика скорости 5, и поступает на вход регулятора 8. Значение заданного момента выхода блока 8 поступает на первый вход блока 9. Рассчитанная продольная составляющая тока статора I в блоке 13 поступает в блок определения продольной составляющей потокосцепления ротора ψ 14. Расчетный ψ поступает на второй вход блока 9, в котором рассчитывается задание на продольную составляющую тока статора. На входы блока 5 поступают значения поперечной составляющей тока статора I с блока 13, угловая скорость ротора с блока 5 и продольная составляющая потокосцепления ротора с блока 14. В блоке 5 производится расчет текущей угловой скорости системы координат dq по следующим формулам:
1
2
ω=Δω+ω,
,
,
m
где Δω - угловая частота токов ротора; p - число пар полюсов; L - взаимная индуктивность обмотки статора и ротора;  - приведенная индуктивность рассеивания обмотки ротора;  - приведенное активное сопротивление обмотки ротора. Задание потокосцепления ротора подается на вход блока преобразования заданного значения продольной составляющей потокосцепления ротора в значение продольной составляющей тока статора  22, которая рассчитывается по формуле:
.
Путем введения коррекции по продольной составляющей тока статора 21 достигается осуществляется поддержание угла между током статора и потокосцеплением ротора равным 45°. Выбор значения угла в 45° осуществлен из условия минимизации потребления тока статора векторным электроприводом при формировании момента по формуле:
n
r
1
где φ - угол между вектором тока статора и потокосцеплением ротора; m - число фаз машины; p - число пар полюсов; L - собственная индуктивность обмотки ротора; I - вектор тока статора.
Коррекция по продольной составляющей тока статора для поддержания оптимального угла φ состоит из следующих блоков: 16, 17, 18, 19, 20, 21. Вычисленное отношение проекций тока на оси dq статора в блоке 16 поступает в блок определения угла между током статора и потокосцеплением ротора 17. После чего выход блока 17 поступает на сумматор 18, на выходе которого формируется отклонение от заданного угла между током статора и потокосцеплением ротора, поступающего с выхода блока 19. Сигнал через коэффициент пропорциональности 20 поступает на сумматор 21, который вносит коррекцию в канал задания продольной составляющей тока статора.
Преимущество предлагаемого электропривода переменного тока заключается:
- система является универсальной, т.е. внести коррекцию по продольной составляющей тока статора можно в любой преобразователь частоты, который в качестве опорного вектора использует вектор потокосцепления ротора;
- вычисление потокосцепления ротора происходит без применения датчиков Холла.
Источник информации:
1. Патент СССР №548220, кл. H02P 5/40 "Электропривод с асинхронной машиной" Феликс Блашке. Приоритет 10.08.1970. Опубл. 25.02.77. Бюл. №7.
2. Патент РФ №2254666, кл. H02P 7/42. Электропривод переменного тока. Левин П.Н., Мещеряков В.Н. Приоритет 26.01.2004. Опубл. 20.06.2005. Бюл. №17.