СПОСОБ ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ МОМЕНТОМ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
METHOD OF VARIABLE-FREQUENCY CONTROL OF ELECTROMAGNETIC MOMENT OF ASYNCHRONOUS MOTOR

Изобретение относится к электроприводам, а именно к способам частотного регулирования электромагнитного момента асинхронного двигателя.
Известен способ векторного управления электромагнитным моментом асинхронного двигателя (Панкратов В.В. Векторное управление асинхронными электроприводами. Учеб. пособие. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999 г. с.43-46), предусматривающий установку требуемого задания электромагнитного момента, измерение токов статора в каждой фазе, и последовательное вычисление сначала составляющих вектора заданного напряжения статора в двухфазной неподвижной системе координат, затем заданных величин напряжения статора в каждой фазе, и управление асинхронным двигателем путем изменения составляющих вектора напряжения статора. Для выполнения этого способа необходимо иметь асинхронный двигатель, автономный инвертор напряжения, управляющее устройство и датчик скорости, причем управляющее устройство и автономный инвертор напряжения представляют собой единое устройство - преобразователь частоты, продаваемое под брендовой маркой.
Недостатками известного технического решения являются сложность системы управления электропривода, вызванная использованием в электроприводе датчика скорости, а также организацией отдельного контура регулировании потокосцепления ротора для стабилизации магнитного потока асинхронного двигателя, и высокая стоимость устройств, реализующих данный способ.
Известен также способ прямого управления электромагнитным моментом асинхронного двигателя (Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. Учебник для студ. высш. учеб. заведений. - М.: Академия, 2006. - 272 с.), включающий установку требуемого задания электромагнитного момента, измерение токов статора в каждой фазе, вычисление заданных величин напряжения статора в каждой фазе и управление асинхронным двигателем путем изменения состояния ключей автономного инвертора напряжение. Для выполнения этого способа необходимо иметь асинхронный двигатель, автономный инвертор напряжения, управляющее устройство, причем управляющее устройство и автономный инвертор напряжения представляют собой единое устройство - преобразователь частоты, продаваемое под брендовой маркой и защищенное патентом.
Недостатками известного технического решения являются сложность системы управления электропривода, вызванная организацией отдельного контура регулировании потокосцепления статора для стабилизации магнитного потока асинхронного двигателя, а также высокая стоимость устройств, реализующих данный способ.
Наиболее близким техническим решением того же назначения к заявляемому является управление электромагнитным моментом асинхронного двигателя по закону U/f=const (Ключев В.И. Теория электропривода. Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1985 г. с.357-361). Этот способ управления предполагает установку требуемого задания электромагнитного момента, вычисление сначала заданной угловой скорости вектора напряжения статора и заданной амплитуды напряжения статора, затем вычисление заданных величин напряжения статора в каждой фазе и управление асинхронным двигателем путем изменения составляющих вектора напряжения статора. Для выполнения этого способа необходимо иметь асинхронный двигатель, автономный инвертор напряжения, входящий в состав преобразователя частоты, управляющее устройство и датчик скорости.
Недостатками известного технического решения, принятого за прототип, являются низкое быстродействие и точность регулирования электромагнитного момента, сложность системы управления электропривода и невысокая надежность электропривода, вызванные использованием в электроприводе датчика скорости.
Задачей предлагаемого изобретения является улучшение качества регулирования электромагнитного момента при невысокой стоимости устройств, необходимых для реализации данного способа, а также упрощение системы управления электропривода и повышение надежности электропривода.
Технический результат заявляемого изобретения выражается в повышении быстродействия и точности регулирования электромагнитного момента асинхронного двигателя, упрощении системы управления электропривода и повышении надежности электропривода за счет исключения датчика скорости.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе частотного управления электромагнитным моментом асинхронного двигателя, включающем установку требуемого задания электромагнитного момента, вычисление сначала заданной угловой скорости вектора напряжения статора и заданной амплитуды напряжения статора, затем вычисление заданных величин напряжения статора в каждой фазе и управление асинхронным двигателем путем изменения составляющих вектора напряжения статора, согласно изобретению предварительно выставляют начальное значение заданной угловой скорости вектора напряжения статора и выбирают весовой коэффициент закона управления, затем измеряют токи статора в каждой фазе, после чего из токов статора в каждой фазе вычисляют составляющие вектора тока статора в двухфазной неподвижной системе координат, из заданного значения угловой скорости вектора напряжения статора вычисляют амплитуду вектора напряжения статора и угловое положение вектора напряжения статора относительно двухфазной неподвижной системы координат, из амплитуды вектора напряжения статора и углового положения вектора напряжения статора относительно двухфазной неподвижной системы координат далее вычисляют составляющие вектора напряжения статора в двухфазной неподвижной системе координат, после чего из составляющих векторов тока и напряжения статора в двухфазной неподвижной системе координат оценивают составляющие вектора потокосцепления ротора в двухфазной неподвижной системе координат, из составляющих вектора потокосцепления ротора в двухфазной неподвижной системе координат и углового положения вектора напряжения статора относительно двухфазной неподвижной системы координат вычисляют составляющие вектора потокосцепления ротора в системе координат, неподвижной относительно вектора напряжения статора, далее из составляющих векторов потокосцепления ротора и тока статора в двухфазной неподвижной системе координат вычисляют электромагнитный момент, затем сравнивают электромагнитный момент с заданным электромагнитным моментом, из разности вычисленного и заданного электромагнитных моментов, составляющей вектора потокосцепления ротора в системе координат, неподвижной относительно вектора напряжения статора, с учетом весового коэффициента вычисляют значение заданной угловой скорости вектора напряжения статора.
Таким образом, воздействие на закон управления весовым коэффициентом позволяет повысить быстродействие регулирования электромагнитного момента асинхронного двигателя. Наличие в системе управления электроприводом обратной связи по электромагнитному моменту позволяет получить высокую точность регулирования электромагнитного момента асинхронного двигателя без использования в электроприводе датчика скорости, что повышает надежность электропривода. Применение в системе управления электроприводом управляющего воздействия в виде заданного значения угловой скорости вектора напряжения статора позволяет реализовать заявляемый способ при помощи общепромышленных преобразователей частоты, имеющих невысокую стоимость, и стабилизировать магнитный поток асинхронного двигателя без организации отдельного контура регулирования.
Изобретение поясняется чертежом, где показана функциональная схема способа частотного управления электромагнитным моментом асинхронного двигателя.
*
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Для управления электромагнитным моментом асинхронного двигателя 1 в соответствии с установленным требуемым значением заданного электромагнитного момента М при установленном начальном значении заданной угловой скорости вектора напряжения статора и выбранном весовом коэффициенте осуществляют измерение токов статора в каждой фазе с помощью датчиков тока 2. Из измеренных токов статора в каждой фазе в блоке 3 вычисляют составляющие вектора тока статора в двухфазной неподвижной системе координат, в соответствии с зависимостями:
,
1α
1β
где i, i - составляющие вектора тока статора в неподвижной двухфазной системе координат (α-β);
a
b
c
i, i, i - токи статора в фазах a, b и c соответственно.
Из заданного значения угловой скорости вектора напряжения статора в блоках 4 и 5 вычисляют угловое положение вектора напряжения статора относительно двухфазной неподвижной системы координат и амплитуду вектора напряжения статора в соответствии с зависимостями:
;
1
ω
0
u=kω,
1
где u - амплитуда вектора напряжения статора;
0
ω - угловая скорость вектора напряжения статора;
φ - угловое положение вектора напряжения статора относительно двухфазной неподвижной системы координат;
ω
k - отношение номинальной амплитуды напряжения статора и номинальной угловой скорости вектора напряжения статора.
Из амплитуды вектора напряжения статора и углового положения вектора напряжения статора относительно двухфазной неподвижной системы координат в блоке 6 вычисляют составляющие вектора напряжения статора в двухфазной неподвижной системе координат в соответствии с зависимостями:
1α
1
u=u·cosφ;
1β
1
u=u·sinφ,
1α
1β
где u, u - составляющие вектора напряжения статора в неподвижной двухфазной системе координат (α-β).
Из составляющих векторов тока и напряжения статора в двухфазной неподвижной системе координат в блоке 7 оценивают составляющие вектора потокосцепления ротора в двухфазной неподвижной системе координат в соответствии с зависимостями:
;
,
2α
2β
где ψ, ψ, - составляющие вектора потокосцепления ротора в двухфазной неподвижной системе координат (α-β);
1
R - активное сопротивление обмотки статора;
1
1
1
T=L/R - постоянная времени обмотки статора;
1
2
L, L - собственные индуктивности обмоток статора и ротора соответственно;
m
L - взаимная индуктивность между обмотками статора и ротора;
- коэффициент рассеяния.
2у
Из составляющих вектора потокосцепления ротора в двухфазной неподвижной системе координат и углового положения вектора напряжения статора относительно двухфазной неподвижной системы координат в блоке 8 вычисляют составляющую вектора потокосцепления ротора ψ в системе координат, неподвижной относительно вектора напряжения статора:
.
Из составляющих векторов потокосцепления ротора и тока статора в двухфазной неподвижной системе координат в блоке 9 вычисляют электромагнитный момент:
,
где p - количество пар полюсов.
з
Вычисленный электромагнитный момент сравнивают с заданным электромагнитным моментом: М-М.
Из разности вычисленного и заданного электромагнитных моментов, составляющей вектора потокосцепления ротора в системе координат, неподвижной относительно вектора напряжения статора, с учетом весового коэффициента в блоке 10 вычисляют заданное значение угловой скорости вектора напряжения статора:
где k - весовой коэффициент.
Управление асинхронным двигателем 1 осуществляют с помощью преобразователя частоты 11 путем изменения величины напряжения в каждой фазе, аппаратно определяемого, исходя из заданной угловой скорости вектора напряжения статора.
ω
Поддержание постоянным соотношения амплитуды напряжения статора и угловой скорости вектора напряжения статора, определяемого коэффициентом k, позволяет в рабочем диапазоне частот стабилизировать магнитный поток асинхронного двигателя без организации отдельного контура регулирования, что обеспечивает высокое качество регулирования электромагнитного момента асинхронного двигателя при простой структуре системы управления электропривода.
Сравнение заданного значения электромагнитного момента с вычисленным электромагнитным моментом, определение с учетом текущего значения потокосцепления ротора и выбранного весового коэффициента на основании результатов сравнения заданной угловой скорости вектора напряжения статора и вычисление напряжения статора в каждой фазе, производимое аппаратно преобразователем частоты, позволяет осуществлять управление электромагнитным моментом с высокой точностью и большим быстродействием.
Отсутствие в электроприводе датчика скорости для вычисления управляющего воздействия позволяет упростить систему управления электропривода и технически повысить надежность электропривода.
0
Примером применения предлагаемого способа служит управление электромагнитным моментом асинхронного двигателя электропривода подъема мостового крана, обеспечивающее поддержание постоянного усилия на барабане лебедки для подхвата груза при растормаживании. Для этого предварительно задают требуемое значение электромагнитного момента. Далее устанавливают начальное значение заданной угловой скорости вектора напряжения статора ω=0,1 и выбирают весовой коэффициент, исходя из мощности асинхронного двигателя 1. Для крана грузоподъемностью 3,2 т и высотой 16 м при использовании асинхронного двигателя 1 марки 4А180М6У3 весовой коэффициент k=632.
С помощью датчиков тока 2 марки LA 55-P/SP1 осуществляют измерение токов статора в каждой фазе. Полученные токи подвергают аналого-цифровому преобразованию, так как последующие операции производятся в цифровой форме в виде программы управляющего микропроцессорного контроллера (на чертеже не показано).
Из измеренных токов статора в каждой фазе в блоке 3 вычисляют составляющие вектора тока статора в двухфазной неподвижной системе координат.
Из заданного значения угловой скорости вектора напряжения статора в блоках 4 и 5 вычисляют угловое положение вектора напряжения статора относительно двухфазной неподвижной системы координат и амплитуду вектора напряжения статора, из которых в блоке 6 вычисляют составляющие вектора напряжения статора в двухфазной неподвижной системе координат.
Из этих величин, а также из составляющих вектора тока статора в двухфазной неподвижной системе координат в блоке 7 оценивают составляющие вектора потокосцепления ротора, из которых с учетом углового положения вектора напряжения статора относительно двухфазной неподвижной системы координат в блоке 8 вычисляют составляющую вектора потокосцепления ротора в системе координат, неподвижной относительно вектора напряжения статора.
Из составляющих векторов потокосцепления ротора и тока статора в двухфазной неподвижной системе координат в блоке 9 вычисляют электромагнитный момент и сравнивают его с заданным электромагнитным моментом.
Из полученной разности электромагнитных моментов, составляющей вектора потокосцепления ротора в системе координат, неподвижной относительно вектора напряжения статора, с учетом весового коэффициента в блоке 10 вычисляют заданное значение угловой скорости вектора напряжения статора.
Все операции, производимые блоками 3-10, а также аналогово-цифровое преобразование токов, поступающих от датчиков тока 2, выполняют микропроцессорной платой марки DSP56F803 16-bit Digital Signal Processor. Управление асинхронным двигателем 1 осуществляют с помощью преобразователя частоты 11 марки EI-7011-025Н.
Предлагаемый способ проверен на кафедре электропривода и автоматизации ГУ КузГТУ на образце асинхронного двигателя 1 марки 4АМ80А4СУ1 с использованием преобразователя частоты марки FR-E520-0,4К-2,2К(-ЕС), микропроцессорной платы марки DSP56F803 16-bit Digital Signal Processor, реализующий блоки 3-10, датчиков тока 2 марки LA25-P/SP25. Проведенные эксперименты дали положительный результат.
Таким образом, заявляемый способ позволяет достичь управления электромагнитным моментом асинхронного двигателя с высокой точностью и большим быстродействием за счет стабилизации магнитного потока асинхронного двигателя без организации отдельного контура регулирования и определения заданной угловой скорости вектора напряжения статора по результатам сравнения заданного значения электромагнитного момента с вычисленным электромагнитным моментом с учетом текущего значения потокосцепления ротора и выбранного весового коэффициента, а также получить упрощение структуры системы управления электропривода за счет отсутствия в электроприводе датчика скорости, что удешевляет электропривод и повышает надежность электропривода.