УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводах, в которых требуется регулирование скорости в широких диапазонах, как вниз, так и вверх от номинальной скорости, высокая перегрузочная способность, а также работа без датчика на валу электродвигателя во всем диапазоне регулирования скорости вращения ротора, включая нулевую.
Известно устройство для управления электродвигателем двойного питания, в котором подают синусоидальное напряжение в ротор, синусоидальное напряжение в статор, контролируют амплитуду и частоту тока статора, амплитуды фазных напряжений и токов ротора, регулируют амплитуду и частоту тока статора, регулируют амплитуды напряжения и тока ротора, причем в ротор подают синусоидальное напряжение фиксированной частоты и амплитуды, необходимой величины для обеспечения коммутации тока статора [авторское свидетельство SU №1073870, кл. H02P 5/40; H02P 7/42 от 30.08.82].
Недостатками данного устройства являются повышенные потери в стали статора и ротора на высоких частотах вращения вала электродвигателя за счет поддержания согласного вращения магнитных полей статора и ротора.
ys
xs
ys
xs
ys
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для управления двигателем двойного питания, содержащее асинхронный двигатель с фазным ротором, статорные и роторные обмотки которого подключены к выходам преобразователей частоты статора и частоты ротора соответственно, датчик фазных токов статора, датчик фазных напряжений статора, подключенный к входам датчика частоты токов статора, выход которого подключен к второму управляющему входу преобразователя частоты статора, блоки задания амплитуд напряжений статора и ротора, подключенные выходами к первым управляющим входам преобразователей частоты статора и ротора соответственно, умножители, сумматор, соединенный входами с выходами умножителей, а выходом подключенный через интегратор к третьему управляющему входу преобразователя частоты статора, задатчик амплитуды магнитного потока, первый арифметический блок, подключенный выходом к первым входам третьего и второго арифметических блоков и к первому входу компаратора частоты, задающий генератор двухфазного гармонического сигнала, соединенный выходом с вторым входом второго арифметического блока и со вторым входом компаратора частоты, управляемый аналоговый коммутатор, подключенный входом к выходу второго арифметического блока, а управляющим входом - к выходу частотного компаратора, третий арифметический блок, второй вход которого соединен с выходом управляемого аналогового коммутатора, делитель, введены преобразователь числа фаз статора, наблюдатель результирующего магнитного потока, тригонометрический анализатор, обратный преобразователь координат токов статора, первый синусно-косинусный преобразователь, обратный преобразователь координат токов ротора, преобразователь числа фаз ротора, датчик токов ротора, регулятор результирующего магнитного потока, блок компенсации ЭДС ротора, прямой преобразователь координат напряжений ротора, второй синусно-косинусный преобразователь, блок заданий частоты токов ротора, задатчик угловой скорости ротора, регулятор угловой скорости ротора, блок вычисления угловой скорости ротора, блок вычисления частоты токов ротора, регулятор момента, вычислитель момента, регулятор составляющей тока статора i, блок компенсации ЭДС статора, регулятор составляющей тока статора i, прямой преобразователь координат напряжений статора, выход которого соединен с входом блока задания амплитуды напряжения статора, а первый вход соединен с выходом блока компенсации ЭДС статора, два других при этом соединены с первым и вторым выходами тригонометрического анализатора. Первый вход блока компенсации ЭДС статора соединен с выходом регулятора составляющей тока статора i, второй - с выходом регулятора составляющей тока статора i, первый вход которого «зануден», а второй вход соединен со вторым выходом обратного преобразователя координат токов статора. Первый вход регулятора составляющей тока статора i соединен с выходом регулятора момента, а второй вход - с первым выходом обратного преобразователя координат токов статора. Один вход регулятора момента соединен с выходом вычислителя момента, первый вход которого подключен к третьему выходу тригонометрического анализатора, а второй вход подключен к первому выходу обратного преобразователя координат токов статора. Другой вход регулятора момента соединен с выходом регулятора угловой скорости ротора, первый вход которого подключен к выходу задатчика угловой скорости ротора, а второй - к выходу блока вычисления угловой скорости ротора, соединенного первым входом с выходом блока заданий частоты токов ротора, а вторым входом - с выходом датчиков частоты токов статора. Вход блока заданий амплитуды напряжения ротора соединен с выходом прямого преобразователя координат напряжений ротора, первый вход которого соединен с выходом блока компенсации ЭДС ротора, а два других входа - с выходами второго синусно-косинусного преобразователя, вход которого соединен с выходом блока заданий частоты токов ротора и первым входом блока вычисления угловой скорости ротора. Вход блока заданий частоты токов ротора соединен с выходом делителя, выход которого подключен к входу блока вычисления частоты токов ротора. Вход блока компенсации ЭДС ротора соединен с выходом регулятора результирующего магнитного потока, один вход которого соединен с третьим выходом тригонометрического анализатора, а другой - с выходом задатчика амплитуды магнитного потока. Третий и четвертый выходы тригонометрического анализатора соединены также со входами умножителей, а входы - с выходами наблюдателя результирующего магнитного потока. Вход преобразователя числа фаз ротора соединен с выходами датчика токов ротора, а его выход подключен к третьему входу обратного преобразователя координат токов ротора, первый и второй входы которого подключены к выходам первого синусно-косинусного преобразователя, соединенного своим входом с выходом блока вычисления угловой скорости ротора и входом первого арифметического блока. При этом выходы обратного преобразователя координат токов ротора соединены с третьим и четвертым входами наблюдателя результирующего магнитного потока, первый и второй входы которого подключены к выходам преобразователя числа фаз статора. Третий и четвертый входы обратного преобразователя координат токов статора также соединены с выходами преобразователя числа фаз статора, а первый и второй выходы обратного преобразователя координат токов статора соединены с соответствующими входами умножителей. Вход преобразователя числа фаз статора подключен к выходам датчика фазных токов статора [патент RU №2320073 C1, кл. H02P 21/13; H02P 27/05 от 11.12.2006].
В данном устройстве, при превышении указанной частоты вращения электромагнитного поля ротора, поддерживается встречное вращение магнитных полей статора и ротора и равенство частот токов статора и ротора, что обеспечивает минимальность суммарных потерь в стали. Также в процессе работы поддерживается ортогональность векторов тока статора и результирующего магнитного потока, что обеспечивается минимальность электрических потерь в обмотке статора.
Недостатками данного устройства являются применение тиристорного преобразователя частоты в статорной цепи, который требует сложную систему управления, минимизация электрических потерь только в обмотках статора и неучет электрических потерь в обмотках ротора.
Кроме этого в устройстве не используется возможность регулирования магнитного потока, что позволяет повысить КПД машины при нагрузках на валу ниже номинальной, а также обеспечивает двухзонное регулирование скорости со снижением магнитного потока во второй зоне.
1x
1y
2x
2y
1x
1
2
1yk
2x
2y
n
Сущность изобретения заключается в том, что устройство для управления двигателем двойного питания, содержащее асинхронный двигатель с фазным ротором, статорные и роторные обмотки которого подключены через датчики фазных токов к выходам преобразователей частоты статора и ротора соответственно, два прямых преобразователя двухфазно-трехфазных координат напряжений статора и ротора, выходы которых соединены с управляющими входами преобразователей частоты статора и ротора соответственно, первый и второй входы прямого преобразователя двухфазно-трехфазных координат напряжения статора подключены к выходам блока компенсации перекрестных связей статора, первый и второй входы прямого преобразователя двухфазно-трехфазных координат напряжения ротора подключены к выходам блока компенсации перекрестных связей ротора, обратный преобразователь двухфазно-трехфазных координат напряжения статора, вход которого подключен к выходу прямого преобразователя двухфазно-трехфазных координат статора, а выходы к первому и второму входам наблюдателя главного магнитного потока, обратный преобразователь двухфазно-трехфазных координат тока статора, вход которого подключен к выходу датчика тока статора, выходы подключены к входам обратного преобразователя декартовых координат тока статора, а также к третьему и четвертому входам наблюдателя главного магнитного потока, обратный преобразователь двухфазно-трехфазных координат тока ротора, вход которого подключен к выходу датчика тока ротора, выходы подключены к входам обратного преобразователя декартовых координат тока ротора, а также к пятому и шестому входам наблюдателя главного магнитного потока, наблюдатель главного магнитного потока, первый и второй выходы которого подключены к первому и второму входам обратного преобразователя декартовых координат тока статора, а также к третьему и четвертому входам прямого преобразователя двухфазно-трехфазных координат напряжения статора, третий выход подключен к третьему входу блока компенсации перекрестных связей статора и четвертому входу блока компенсации перекрестных связей ротора одновременно, четвертый и пятый выходы подключены к первому и второму входам обратного преобразователя декартовых координат тока ротора, а также к третьему и четвертому входам прямого преобразователя двухфазно-трехфазных координат напряжения ротора, блок компенсации перекрестных связей статора, первый вход которого подключен к выходу регулятора синфазной составляющей тока статора i, второй вход подключен к выходу блока расчета ортофазной составляющей напряжения статора i, пятый вход подключен ко второму выходу обратного преобразователя декартовых координат тока статора, а шестой вход подключен к первому выходу обратного преобразователя декартовых координат тока ротора, блок компенсации перекрестных связей ротора, первый вход которого подключен к выходу регулятора синфазной составляющей тока ротора i, второй вход подключен к выходу регулятора ортофазной составляющей тока ротора i, пятый вход подключен к первому выходу обратного преобразователя декартовых координат тока статора, а шестой вход подключен ко второму выходу обратного преобразователя декартовых координат тока ротора, регулятор синфазной составляющей тока статора i первый вход которого подключен к функциональному преобразователю через блок умножения на коэффициент синфазной составляющей статора , где r - активное сопротивление обмотки статора, r - активное сопротивление обмотки ротора, второй вход подключен к первому выходу обратного преобразователя декартовых координат тока статора, блок расчета ортофазной составляющей напряжения статора на входе блока компенсации перекрестных связей статора u, вход которого подключен ко второму выходу обратного преобразователя декартовых координат тока статора, регулятор синфазной составляющей тока ротора i, первый вход которого подключен к функциональному преобразователю через блок умножения на коэффициент синфазной составляющей тока ротора , а второй вход к первому выходу обратного преобразователя декартовых координат тока ротора, регулятор ортофазной составляющей тока ротора i, первый вход которого подключен к блоку деления, а второй вход ко второму выходу обратного преобразователя декартовых координат тока ротора, блок вычисления оптимального значения главного магнитного потока, выход которого подключен к входу функционального преобразователя и к блоку деления через блок умножения на коэффициент пропорциональности , где p - число пар полюсов двигателя, блок расчета частот токов статора и ротора, на первый вход которого подается значение минимальной частоты тока статора, второй вход подключен к шестому выходу наблюдателя главного магнитного потока, первый выход подключен к первому входу блока вычисления оптимального значения главного магнитного потока и к четвертому входу блока компенсации перекрестных связей статора, второй выход подключен ко второму входу блока вычисления оптимального значения главного магнитного потока и к третьему входу блока компенсации перекрестных связей ротора, регулятор скорости, на первый вход которого подается заданное значение скорости, второй вход подключен к шестому выходу наблюдателя главного магнитного потока, а выход подключен к блоку деления и к третьему входу блока вычисления оптимального значения главного магнитного потока.
1x
2x
2y
1x
1yk
2x
2y
10
Электропривод по схеме на фиг.1 содержит асинхронный двигатель с фазным ротором 1, статорные и роторные обмотки которого подключены через датчики фазных токов 4, 5 к выходам преобразователей частоты статора и ротора 2, 3 соответственно, два прямых преобразователя двухфазно-трехфазных координат напряжений статора и ротора 12, 13, выходы которых соединены с управляющими входами преобразователей частоты статора и ротора соответственно. Первый и второй входы прямого преобразователя двухфазно-трехфазных координат напряжения статора 12 подключены к выходам блока компенсации перекрестных связей статора 15, первый и второй входы прямого преобразователя двухфазно-трехфазных координат напряжения ротора 13 подключены к выходам блока компенсации перекрестных связей ротора 14, Вход обратного преобразователя двухфазно-трехфазных координат напряжения статора 8, подключен к выходу прямого преобразователя двухфазно-трехфазных координат напряжения статора 12, а выходы к первому и второму входам наблюдателя главного магнитного потока 9. Вход обратного преобразователя двухфазно-трехфазных координат тока статора 6 подключен к выходу датчика тока статора 4, выходы подключены к входам обратного преобразователя декартовых координат тока статора 10, а также к третьему и четвертому входам наблюдателя главного магнитного потока 9. Вход обратного преобразователя двухфазно-трехфазных координат тока ротора 7 подключен к выходу датчика тока ротора 5, выходы подключены к входам обратного преобразователя декартовых координат тока ротора 11, а также к пятому и шестому входам наблюдателя главного магнитного потока 9. Первый и второй выходы наблюдателя главного магнитного потока 9 подключены к первому и второму входам обратного преобразователя декартовых координат тока статора 10, а также к третьему и четвертому входам прямого преобразователя двухфазно-трехфазных координат напряжения статора 12, третий выход подключен к третьему входу блока компенсации перекрестных связей статора 15 и четвертому входу блока компенсации перекрестных связей ротора 14 одновременно, четвертый и пятый выходы подключены к первому и второму входам обратного преобразователя декартовых координат тока ротора 11, а также к третьему и четвертому входам прямого преобразователя двухфазно-трехфазных координат напряжения ротора 13. Первый вход блока компенсации перекрестных связей статора 15 подключен к выходу регулятора 16 синфазной составляющей тока статора i, второй вход подключен к выходу блока расчета 17 ортофазной составляющей напряжения статора щук, пятый вход подключен ко второму выходу обратного преобразователя декартовых координат тока статора 10, а шестой вход подключен к первому выходу обратного преобразователя декартовых координат тока ротора 11. Первый вход блока компенсации перекрестных связей ротора 14 подключен к выходу регулятора 18 синфазной составляющей тока ротора i, второй вход подключен к выходу регулятора 19 ортофазной составляющей тока ротора i, пятый вход подключен к первому выходу обратного преобразователя декартовых координат тока статора 10, а шестой вход подключен ко второму выходу обратного преобразователя декартовых координат тока ротора 11. Первый вход регулятора 16 синфазной составляющей тока статора i подключен к выходу функционального преобразователя 22 через блок умножения 20 на коэффициент синфазной составляющей тока статора , а второй вход к первому выходу обратного преобразователя декартовых координат тока статора 10. Вход блока расчета 17 ортофазной составляющей напряжения статора u подключен ко второму выходу обратного преобразователя декартовых координат тока статора 10. Первый вход регулятора 18 синфазной составляющей тока ротора i подключен к выходу функционального преобразователя 22 через блок умножения 21 на коэффициент синфазной составляющей тока ротора , а второй вход к первому выходу обратного преобразователя декартовых координат тока ротора 11. Первый вход регулятора 19 ортофазной составляющей тока ротора i подключен к блоку деления 24, а второй вход ко второму выходу обратного преобразователя декартовых координат тока ротора 11. Выход блока вычисления оптимального значения главного магнитного потока 27 подключен к входу функционального преобразователя 22 и к блоку деления 24 через блок умножения 23 на коэффициент пропорциональности . На первый вход блока расчета частот токов статора и ротора 26 подается значение минимальной частоты тока статора ω, второй вход подключен к шестому выходу наблюдателя главного магнитного потока 9, первый выход подключен к первому входу блока вычисления оптимального значения главного магнитного потока 27 и к четвертому входу блока компенсации перекрестных связей статора 15, второй выход подключен ко второму входу блока вычисления оптимального значения главного магнитного потока 27 и к третьему входу блока компенсации перекрестных связей ротора 14. На первый вход регулятора скорости 25 подается заданное значение скорости ω∗, второй вход подключен к шестому выходу наблюдателя главного магнитного потока 9, выход подключен к блоку деления 24 и к третьему входу блока вычисления оптимального значения главного магнитного потока 27.
m
m
m
m
m
m
m
Электропривод по схеме на фиг.1 работает следующим образом. Преобразователи частоты 2,3 питают статорные и роторные обмотки асинхронного двигателя 1 широтно-модулированными импульсами силового напряжения. Задающими сигналами для преобразователей частоты являются синусоидальные сигналы напряжений фаз статора и ротора, генерируемые блоками прямого преобразователя двухфазно-трехфазных координат 12 и 13. Блоки прямого преобразователя двухфазно-трехфазных координат 12, 13 преобразуют заданные значения напряжений статора и ротора из двухфазной системы координат x-y, ориентированной осью x по вектору главного потокосцепления ψ в трехфазные системы координат ABC статора и ротора. Блоки обратного преобразователя двухфазно-трехфазных координат 6, 8 преобразуют значения напряжения и тока статора из трехфазной системы координат ABC в двухфазную систему координат a-b, ориентированной осью a по оси обмотки A статора, блок обратного преобразователя двухфазно-трехфазных координат 7 преобразует значение тока ротора из трехфазной системы координат ABC в двухфазную систему координат d-q, ориентированной осью d по оси обмотки A ротора. Наблюдатель главного потокосцепления 9 вычисляет сигналы sin, cos, характеризующие функции фазы φ вектора главного потокосцепления ψ относительно системы координат a-b, сигналы sin, cos, характеризующие функции фазы φ вектора главного потокосцепления ψ относительно системы координат d-q, амплитуду вектора ψ, а также скорость вращения ротора ω следующим образом. Проекции вектора ЭДС взаимоидукции E на оси a-b равны:
1a
1b
1a
1b
s1
где u, u - проекции напряжения статора на ось a и ось b соответственно; i, i - проекции тока статора на ось a и ось b соответственно; L - индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора.
Проекции главного потокосцепления в системе координат α-β можно вычислить как:
При этом проекции угла поворота вектора главного потокосцепления  в статорной системе координат α-β можно вычислить по формуле:
Проекции угла поворота вектора тока ротора  в системе a-b равны:
m
Здесь неизвестной является амплитуда тока намагничивания I, ее вычисление будет показано дальше. Проекции угла поворота вектора тока ротора  в системе координат d-q, жестко связанной с трехфазной обмоткой ротора равны:
где ,  - проекции тока ротора на ось d и ось q соответственно;  - амплитуда тока ротора.
Проекции угла положения ротора 9 вычисляются по формуле:
Амплитуду тока намагничивания можно определить по формуле:
2a
2b
где проекции токов ротора i', I' на оси a-b на k-ом интервале расчета вычисляются, используя значение угла положения ротора, полученного на (k-1)-ом интервале расчета по формуле:
Проекции угла поворота вектора главного потокосцепления  в роторной системе координат d-q равны:
ь
Амплитуда вектора потокосцепления ψ определяется как:
1
где ω - частота тока статора.
Скорость вращения ротора ω вычисляется как:
Обратный преобразователь декартовых координат тока статора 10 преобразует ток статора из системы координат a-b в систему координат x-y, обратный преобразователь декартовых координат тока ротора 11 преобразует ток ротора из системы координат d-q в систему координат x-y. Блоки компенсации перекрестных связей 14, 15 компенсируют взаимное влияние каналов управления синфазными и ортофазными составляющими токов статора и ротора по следующим формулам:
1x
1y
2x
2y
1xk
1yk
2xk
2yk
m
s2
2
где u, u - проекции напряжения статора на ось x и ось y соответственно; u, u - проекции напряжения ротора на ось x и ось y соответственно; u, u - составляющие напряжения статора на входе блока компенсации перекрестных связей 15 на ось x и ось y соответственно; u, u - составляющие напряжения ротора на входе блока компенсации перекрестных связей 14 на ось x и ось y соответственно; L - взаимная индуктивность; L - индуктивность рассеяния обмотки ротора; ω - частота тока ротора.
Астатическое регулирование амплитуд ортофазных составляющих тока ротора и синфазных составляющих токов статора и ротора осуществляется пропорционально-интегральными регуляторами 16, 18, 19, ортофазная составляющая тока статора всегда равна ортофазной составляющей тока ротора, взятой с противоположным знаком. Таким образом, ортофазная составляющая напряжения статора вычисляется в блоке 17 по формуле:
эм
В электроприводе осуществляется минимизация электромагнитных потерь статора и ротора ΔP равных:
c
1x
2x
10
где k - постоянный коэффициент, характеризующий удельный вес потерь в стали статора и ротора. При заданном значении главного потокосцепления минимизация потерь осуществляется исходя из условий ,  путем поддержания соотношения между синфазными составляющими токов статора и ротора i, i равному . с помощью блоков умножения 20, 21 на коэффициенты синфазных составляющих токов, а также исходя из условий ,  путем поддержания соотношения частот токов, изображенного на фиг.2, с помощью блока 26. Минимальная частота тока статора задается равной ω, что позволяет определять положение вектора главного потокосцепления в наблюдателе 9 во всем диапазоне частот вращения ротора.
m
∗
Блок 27 осуществляет вычисление оптимального значения главного потокосцепления ψ в зависимости от заданного электромагнитного момента M и частот токов статора и ротора. Электромагнитные потери при условии  имеют вид:
1
4
m
mнас
mнас
m
где ; M - электромагнитный момент двигателя. Квадрат тока намагничивания  аппроксимируется тремя функциями, где a…a - коэффициенты аппроксимации:  - на линейном участке кривой намагничивания,  - на нелинейном участке, и ψ=ψ участке насыщения, где ψ - потокосцепление насыщения. Оптимальное значение ψ при этом определяется исходя из условия . В блоке 27 потокосцепление вычисляется в зависимости от участка кривой намагничивания (фиг.3) по формулам:
где ; ; .
0
mогр
При работе электропривода во второй зоне регулирования скорости, когда частота вращения поля статора или ротора превышает синхронную скорость ω, заданное значение оптимального потокосцепления корректируется с целью ограничения напряжений статора или ротора. Значение ограничения потокосцепления ψ в блоке 27 вычисляется по формулам:
1ном
2ном
где U - номинальное напряжение обмотки статора, U - номинальное напряжение обмотки ротора; ; ; ; ; ; ; .
По сравнению с известным решением предлагаемое позволяет минимизировать электромагнитные потери, как в статоре, так и в роторе, обеспечить высокий КПД за счет регулирования магнитного потока в функции частоты вращения и электромагнитного момента, а также обеспечить двухзонное регулирование скорости с ограничением магнитного потока во второй зоне.