СПОСОБ ФАЗОВОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
METHOD FOR PHASE CONTROL OF INDUCTION MOTOR

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором, в том числе тяговыми, конкретно к системам регулируемого привода, в которых асинхронный двигатель питается от источника регулируемого напряжения, например автономного инвертора напряжения, матричного преобразователя, циклоконвертора и т.п. Такие источники позволяют реализовать любое желаемое напряжение и частоту питания двигателя с точностью до высокочастотной модуляционной составляющей.
Известны способы частотного управления асинхронными двигателями, в которых частота, или амплитуда и частота напряжения питания двигателя изменяются согласованно или раздельно, так, чтобы обеспечить требуемую частоту вращения ротора. Системы, реализующие способы частотного управления, просты в реализации и широко применяются в различных отраслях промышленности. Такие системы являются разомкнутыми (например, системы u/f=Const) или замкнутыми по частоте вращения, току двигателя, электромагнитному моменту и т.д. (см. книгу Г.Г.Соколовского: Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. Учебник для ВУЗов. - М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 272 стр., стр.137-145). Недостатками существующих разомкнутых систем являются ограниченный диапазон частоты вращения и невысокая точность регулирования частоты вращения ротора, зависимость частоты вращения ротора от нагрузки, невысокая перегрузочная способность. Недостатками существующих замкнутых систем частотного регулирования является невысокое быстродействие и склонность к возникновению колебаний (неустойчивости), особенно в нижней части диапазона регулирования частоты вращения. Такие системы зачастую не обеспечивают требуемого качества процессов регулирования в современных промышленных устройствах.
Известны способы векторного управления асинхронными двигателями, в которых регулирование механического движения (электромагнитного момента) и электромагнитной составляющей (магнитного потока) осуществляется раздельно, с помощью регулирования активной и намагничивающей компонент вектора тока, за счет соответствующего формирования напряжения питания (см. книгу В.В.Рудакова: Асинхронные электроприводы с векторным управлением. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 134 стр., стр.79-80). Способы векторного управления позволяют получить предельное быстродействие и высокую точность регулирования, они хорошо зарекомендовали себя, например, в станкостроении; однако для реализации систем векторного управления необходима информация о направлении и величине магнитного поля в двигателе, для чего, как правило, используются модели электромагнитных процессов. Для удовлетворительной работы таких моделей требуется, во-первых, достоверная информация о параметрах двигателя, и, во-вторых, параметры двигателя не должны непредсказуемым образом изменяться в процессе работы. Поэтому в системах векторного управления обычно используются режимы работы двигателя с постоянным полем, при которых параметры модели поля изменяются незначительно; при изменении величины магнитного поля в двигателе, что характерно, например, для тягового двигателя, существующие модели без принятия специальных мер не работоспособны.
3
z
N
1N
2N
Наиболее близким к изобретению является способ управления асинхронным двигателем, заключающийся в том, что измеряют частоту вращения ротора асинхронного двигателя f, вводят в регулятор напряжения разность между заданной и текущей частотами вращения ротора асинхронного двигателя, определяют частоту напряжения суммированием частоты вращения ротора асинхронного двигателя и оптимальной частотой скольжения; оптимальное скольжение определяют по формуле , а величину напряжения асинхронного двигателя - по формуле , изменяют частоту и величину напряжения на асинхронном двигателе в соответствии с требуемыми значениями, где M - требуемый момент асинхронного двигателя; M - номинальный момент двигателя; f - номинальная синхронная частота вращения двигателя; f - номинальная частота вращения двигателя (описание к патенту Российской Федерации на изобретение № 2294050 С2, опубл. 20.02.2007).
Использование известного способа позволяет регулировать скорость вращения ротора двигателя в более широком диапазоне с коэффициентом мощности и перегрузочной способностью, близкими к номинальным значениям.
Недостатком известного способа является то, что вследствие неизбежных погрешностей в измерении частоты вращения ротора, которые, как правило, сопоставимы с величиной оптимальной частоты скольжения, частота напряжения питания двигателя, и, следовательно, электромагнитный момент устанавливаются с определенной ошибкой, которая, при относительно малой частоте скольжения, может даже приводить к противоположному знаку реализуемого электромагнитного момента. Увеличение частоты скольжения по сравнению с оптимальной позволяет сохранить работоспособность привода с частотным управлением, однако приводит к снижению КПД привода, что недопустимо в приводах, в которых КПД является основным критерием качества работы привода, в частности в тяговом приводе.
Техническим результатом, который обеспечивается изобретением, является расширение диапазона устойчивой работы простых в реализации систем вплоть до нулевых частот вращения, повышение точности регулирования и сохранение перегрузочной способности двигателя во всем диапазоне частот вращения, повышение КПД привода.
3
z
z
z
3
z
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором, питаемым от силового преобразователя, заключающемся в том, что в каждый момент времени измеряют или определяют частоту вращения ротора f, задают частоту вращения ротора f, а также электромагнитный момент M, определяют величину амплитуды напряжения питания обмоток статора асинхронного двигателя, требуемую для обеспечения заданного электромагнитного момента M при текущем значении частоты вращения ротора f, дополнительно измеряют угол поворота ротора, определяют соответствующий углу поворота ротора электрический угол на интервале 0÷2π, задают частоту скольжения, одинаковую по знаку с заданным электромагнитным моментом M, определяют величину фазы скольжения, интегрируя частоту скольжения на интервале 0÷2π, определяют величину фазы напряжения питания обмоток статора асинхронного двигателя как сумму величины фазы скольжения и величины измеренного электрического угла поворота ротора, формируют с помощью силового преобразователя определенные выше амплитуду и фазу напряжения питания обмоток статора асинхронного двигателя.
z
z
3
Сигнал, соответствующий заданному электромагнитному моменту M, может быть получен на выходе ПИ-регулятора, на разностные входы которого подают сигналы, соответствующие заданной f и измеренной f частоте вращения ротора.
Фаза напряжения питания двигателя ϕ определяется как сумма измеряемого датчиком угла поворота ротора и угла скольжения:
3
s
ϕ=ϕ+ϕ
Амплитуда U напряжения питания обмоток статора асинхронного двигателя может быть определена по формуле
s
r
h
s
r
3
s
-1
-1
1
n
где U - амплитуда напряжения, В; L, L,L - индуктивности обмотки статора, обмотки ротора и взаимоиндуктивность обмоток статора и ротора соответственно, Гн; R, R - активные сопротивления обмоток статора и ротора соответственно, Ом; f - частота вращения, сек, f - частота скольжения, сек (амплитуда напряжения приведена в переменных обобщенной электрической машины; фазные напряжения реального двигателя f… f в данный момент времени равны проекциям обобщенного вектора напряжения на направляющие орты фаз).
S
r
r
r
r
S
z
1H
2H
H
H
1H
2H
-1
-1
Частота скольжения может быть определена по формуле f=R/L, где R и L - активное сопротивление и индуктивность обмотки ротора соответственно, или по формуле f=M(f-f)/М, где М - номинальный электромагнитный момент асинхронного двигателя, Нм; f - номинальная синхронная частота вращения асинхронного двигателя, сек; f - номинальная частота вращения асинхронного двигателя, сек.
Согласно изобретению управление двигателем осуществляется не частотой и амплитудой напряжения питания двигателя, как в прототипе, а его фазой и амплитудой одновременно.
3
s
Отличием фазового регулирования от существующих систем частотного регулирования является то, что фазовый угол напряжения питания определяется как сумма измеряемого датчиком угла поворота ротора ϕ и угла скольжения ϕ. Это означает, что в системе управления используется обратная связь по фазовому углу поворота ротора (фазовый угол питающего напряжения формируется как сумма фазового угла поворота ротора и фазового угла скольжения).
Способ фазового управления асинхронным двигателем поясняется на примере работы устройства фазового управления асинхронным двигателем, изображенного на чертеже.
3
3
Устройство фазового управления асинхронным двигателем состоит из силового преобразователя 1, датчика 2 угла поворота ϕ и частоты вращения f ротора, задатчика частоты скольжения 3, интегратора 4, сумматора 5, регулятора частоты вращения 6, функционального преобразователя 7, блока модуляции 8 сигналов управления силовым преобразователем 1, питающим асинхронный двигатель 9 с короткозамкнутым ротором.
3
3
3
2z
Разностные входы регулятора частоты вращения 6 (выполненного, например, в виде ПИ-регулятора) подключены к выходу f датчика 2 угла поворота ϕ и частоты вращения f ротора и задатчику частоты вращения f ротора.
3
3
В качестве датчика 2 угла поворота ϕ и частоты вращения f ротора может использоваться кодовый, аналоговый или импульсный датчики углового положения или перемещения (энкодер); отсутствие абсолютного измерения углового положения ротора не принципиально, поскольку начальное значение углового положения не имеет значения для формирования требуемого электромагнитного момента асинхронного двигателя.
Выход регулятора частоты вращения 6 соединен со входом функционального преобразователя 7, выход которого подключен ко входу задания амплитуды напряжения питания обмоток статора асинхронного двигателя блока модуляции 8.
3
3
3
Выход задатчика частоты скольжения 3 через интегратор 4 подключен к одному из входов сумматора 5, другой вход которого присоединен к выходу ϕ датчика 2 угла поворота ϕ и частоты вращения f ротора, выход ко входу задания фазы напряжения питания обмоток статора асинхронного двигателя блока модуляции 8.
1
n
Выходы f…f блока модуляции 8, равные фазным напряжениям питания двигателя, соединены со входами силового преобразователя 1.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
z
s
z
S
r
r
r
r
Задают величину частоты вращения ротора f, а также величину частоты скольжения f, одинаковую по знаку с требуемым электромагнитным моментом M. Частота скольжения формируется задатчиком частоты скольжения 3, равной f=R/L, где R и L - активное сопротивление и индуктивность обмотки ротора соответственно. Ом и Гн.
3
3
3
В каждый момент времени датчиком 2 угла поворота ϕ и частоты вращения f ротора измеряют угол поворота ротора, измеряют или определяют частоту вращения ротора f, определяют соответствующий углу поворота ротора электрический угол на интервале 0÷2π.
s
s
3
3
s
Частоту скольжения f интегрируют блоком 4 на интервале 0÷2π, и получают фазовый угол скольжения ϕ Фаза напряжения питания двигателя ϕ определяется как сумма измеряемого датчиком 2 угла поворота ϕ, и угла скольжения: ϕ=ϕ+ϕ.
z
Регулятор частоты вращения 3 (ПИ-регулятор частоты вращения) формирует сигнал заданного электромагнитного момента M, по которому функциональный преобразователь 7 формирует требуемое значение амплитуды напряжения питания двигателя U.
s
s
sопт
sопт
sопт
r
r
Повышение КПД двигателя возможно за счет формирования соответствующего режима его работы, а именно формирования оптимального соотношения между изменениями фазы и амплитуды напряжения питания, позволяющего, при данном (текущем) значении развиваемого момента, минимизировать потери энергии в двигателе. Для этого значение частоты скольжения f формируется, как известно из теории частотного управления (см. А.А.Булгаков Частотное управление асинхронными двигателями. М. Энергоиздат, 1982 г. 216 стр., стр.51-78), в отличие от прототипа, постоянным по величине и равным оптимальному по потерям в двигателе, f=f. Значение f определяется теоретически (f=R/L) или экспериментально.
S
S
z
1H
2н
H
z
H
1H
2H
-1
-1
Возможно формирование значение частоты скольжения f, как f=M(f-f)/М, где M - заданный электромагнитный момент асинхронного двигателя, Нм; М - номинальный электромагнитный момент асинхронного двигателя, Нм; f - номинальная синхронная частота вращения асинхронного двигателя, сек; f - номинальная частота вращения асинхронного двигателя, сек.
z
z
s
sопт
3
Значение амплитуды напряжения формируется таким образом, чтобы реализовать требуемый электромагнитный момент двигателя M. Значение амплитуды напряжения U, при текущих значениях момента двигателя M, частоты скольжения f=f и частоты вращения ротора f определяется как
где:
U - амплитуда напряжения, В;
s
r
h
L, L, L - индуктивности обмотки статора, обмотки ротора и взаимоиндуктивность обмоток статора и ротора соответственно, Гн;
s
r
R, R - активные сопротивления обмоток статора и ротора, соответственно. Ом;
3
-1
f - частота вращения, сек;
s
-1
f - частота скольжения, сек.
С помощью силового преобразователя 1 формируют определенные выше амплитуду и фазу напряжения питания обмоток статора асинхронного двигателя.
Использование датчика угла поворота ротора (датчика углового положения) позволяет избежать неизбежных погрешностей в измерении частоты вращения ротора и, следовательно, погрешностей в формировании частоты питания двигателя. Это позволяет реализовать сколь угодно малые значения частоты скольжения, требуемые для формирования режима работы двигателя.
Формирование частоты скольжения и амплитуды в терминах параметров схемы замещения фазы асинхронного двигателя, а не в терминах номинальных значений частот вращения, моментов, и скольжений для тягового привода представляется естественным, поскольку само понятие номинального режима для тяговых приводов затруднительно.
Системы фазового регулирования сохраняют простоту систем частотного регулирования, а их относительно невысокое быстродействие во многих случаях не является препятствием, например в тяговом приводе вследствие относительной медленности процессов изменения движения транспортного средства. Системы фазового управления реализуются на цифровых управляющих устройствах, в частности на современных специализированных микропроцессорных контроллерах.