ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к регулируемым частотным электроприводам переменного тока механизмов с вентиляторным статическим моментом, уменьшающимся при уменьшении скорости вращения, и может использоваться для минимизации потребляемого из сети тока.
Известен электропривод переменного тока, содержащий асинхронный двигатель, трехфазный инвертор с ШИМ-регулятором тока, два датчика тока статора, с помощью которых реализуются обратные связи по фазным токам статора, датчик скорости, установленный на валу двигателя, с помощью которого реализуется обратная связь по скорости, регулятор скорости, блок расчета задания на момент двигателя, блок расчета задания модуля тока статора, блок задания фазных токов статора, блоки расчета фазных потокосцеплений ротора, блок расчета скольжения, блок задания частоты вращения поля статора, блок коррекции задания момента двигателя, с помощью которого формируется модуль вектора тока статора, в котором корректирующий сигнал определяется путем сравнения заданного и рассчитанного угла между векторами тока статора и потокосцепления ротора, и суммируется с сигналом задания на момент двигателя [1].
Недостатками данного устройства являются сложность и малая точность адаптивных блоков расчета фазных потокосцеплений ротора, параметры которых изменяются при изменении скольжения, а также появление дополнительной погрешности вычисления угла между моментообразующими векторами, обусловленной температурным дрейфом параметров двигателя.
Наиболее близким к изобретению по технической сути и достигаемому результату является электропривод переменного тока, содержащий 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 ABC, 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 ABC в dq, первый выход которого 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 ABC и блоком преобразования координат ABC в dq, второй выход которого соединен с блоком расчета угловой скорости потокосцепления статора, выходы блока преобразования координат ABC 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 со 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 ABC [2].
d
d
d
Недостатками данного устройства являются сложность определения требуемого сигнала коррекции задания на продольную составляющую тока I, т.к. управляющий контроллер выполняет сложные операция деления одной измеряемой переменной на другую и определения арктангенса от полученного результата. Также система коррекции оказывает положительное действие только в области величин статического момента на валу, меньших номинального значения. В пусковом режиме, когда момент двигателя и ток статора превышают номинальное значение, система коррекции оказывает отрицательное воздействие, т.к будет вырабатывать сигнал на увеличение продольной составляющей тока I, несмотря на то, что магнитопровод двигателя будет находиться в насыщении, поэтому увеличение продольной составляющей тока I приведет к возрастанию потерь энергии в двигателе.
Целью полезной модели является повышение работоспособности электропривода, за счет упрощения системы коррекции, вырабатывающей корректирующий сигнал задания продольной составляющей тока статора двигателя на основании рассчитываемой с наименьшим количеством вычислительных процедур разности между измеряемыми продольной и поперечной составляющими тока статора.
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 ABC, 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 отрицательными входами первого сумматора, выходы датчиков тока и выход сумматора тока соединены со вторыми фазными входами блока ШИМ-регулятора тока, а также с входами блока преобразования координат ABC в dq, первый выход которого 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 ABC и блоком преобразования координат ABC в dq, второй выход которого соединен с блоком расчета угловой скорости потокосцепления статора, выход блока задания продольной составляющей тока статора соединен с положительным входом второго сумматора, выход блока коррекции соединен с отрицательным входом второго сумматора, выход первого сумматора соединен с входом блока ограничения, выход которого соединен с вторым входом блока преобразования координат dq в ABC, выход для продольной составляющей тока статора блока преобразования координат ABC в dq соединен с входом первого фильтрующего блока, выход которого соединен с положительным входом узла сравнения, а выход для поперечной составляющей тока статора блока преобразования координат ABC в dq соединен с входом второго фильтрующего блока, выход которого соединен с отрицательным входом узла сравнения, выход которого соединен с входом блока расчета сигнала коррекции, выход которого соединен с отрицательным входом второго сумматора.
На фиг. 1 приведена функциональная схема электропривода переменного тока; на фиг. 2 приведена векторная диаграмма асинхронного двигателя, поясняющая определение корректирующего сигнала.
Электропривод переменного тока содержит трехфазный инвертор 1, два силовых выхода которого соединены через датчики тока 2 и 3 с двумя обмотками статора асинхронного двигателя 4, а третий выход инвертора 1 соединен с третьей обмоткой статора двигателя 4 напрямую. На валу двигателя 4 установлен датчик скорости 5, выход которого подключен к отрицательному входу первого блока сравнения 6, положительный вход которого подключен к выходу блока задания скорости 7. Выход первого блока сравнения 6 подключен к входу пропорционально-интегрального регулятора скорости 8, выход которого соединен с одним входом блока задания поперечной составляющей тока статора 9, выход которого подключен к первому входу блока преобразования координат dq в ABC 10, имеющего три фазных выхода, каждый из которых соединен с блоком ШИМ-регулятора тока 11, шесть выходов которого соединены с шестью управляющими входами трехфазного инвертора 1. Выходы датчиков тока 2,3 соединены с отрицательными входами первого сумматора 12, выходы датчиков тока 2,3 и выход первого сумматора тока 12 соединены со вторыми фазными входами блока ШИМ-регулятора тока 11, а также с входами блока преобразования координат ABC в dq 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 первым входом блока расчета угловой скорости потокосцепления статора 15, выход которого соединен с блоком преобразования координат dq в ABC 10 и блоком преобразования координат ABC в dq 13, второй выход которого соединен со вторым входом блока расчета угловой скорости потокосцепления статора 15, третий вход которого соединен с выходом датчика скорости 5. Выход блока задания продольной составляющей тока статора 16 соединен с положительным входом второго сумматора 17, с отрицательным входом которого соединен с выход блока расчета сигнала коррекции продольной составляющей тока 18. Первый выход преобразования координат ABC в dq 13 соединен с входом первого фильтрующего блока 19, выход которого соединен с положительным входом второго блока сравнения 20, а второй выход блока преобразования координат ABC в dq 13 соединен с входом второго фильтрующего блока 21, выход которого соединен с отрицательным входом узла сравнения 20, выход которого соединен с входом третьего фильтрующего блока 22, выход которого соединен с входом блока расчета сигнала коррекции продольной составляющей тока статора 18, выход которого соединен с отрицательным входом второго сумматора 17, выход которого соединен с входом блока ограничения 23, выход которого соединен с вторым входом блока преобразования координат dq в ABC 10.
Электропривод переменного тока работает следующим образом.
2d
Инвертор 1 через датчики 2, 3 фазных токов питает статорные обмотки асинхронного двигателя 4. Сигналы управления на инвертор 1 поступают с выхода ШИМ-регулятора тока 11, получающего входные сигналы от блока преобразования координат dq в ABC 10, на вход которого поступают сигналы задания продольной и поперечной составляющих тока статора. Сигнал поперечной составляющей тока статора формируется следующим образом. Блок задания скорости 7 вырабатывает управляющий сигнал, поступающий на положительный вход первого узла сравнении 6, на отрицательный вход которого поступает сигнал с выхода датчика скорости 5, а с выхода блока сравнения 6 сигнал рассогласования поступает на вход регулятора скорости 8. Выработанный на выходе регулятора скорости сигнал задания на момент двигателя М* поступает на первый вход блока задания поперечной составляющей тока статора 9, на второй вход которого поступает сигнал Ψ с выхода блока расчета потокосцепления ротора 14. Значение сигнала задания поперечной составляющей тока статора определяется в блоке 9 по формуле
m
где  - приведенное полное потокосцепление ротора; L - основное потокосцепление двигателя.
1a
1b
1c
la
lb
1c
d
2d
Сигнал  с выхода блока 9 поступает на первый вход блока преобразования координат dq в ABC 10. Сигнал задания на продольную составляющую тока статора , формируемый в блоке 16, поступает на положительный вход сумматора 17 и затем передается с его выхода через блок ограничений 23 на второй вход блока преобразования координат dq в ABC 10. Сигналы , ,  с выхода блока 10 подаются на первые положительные входы ШИМ-регулятора тока 11, на вторые отрицательные входы которого подаются сигналы тока статора I, I, I c выходов датчиков тока 2,3 и сумматора 12. На шести выходах ШИМ-регулятора тока 11 формируются управляющие сигналы, поступающие на ключевые элементы инвертора 1. Сигналы тока статора I, I, I с датчиков тока 2,3 и сумматора 12 подаются также на вход блока преобразования координат А, В, С в dq 13. Сигнал I подается с первого выхода блока 13 на вход блока 14, рассчитывающего потокосцепления ротора Ψ по формуле
где  - постоянная времени обмотки ротора;  - приведенное активное сопротивление ротора.
2d
q
Сигнал потокосцепления ротора Ψ также подается с выхода блока 14 на первый вход блока расчета угловой скорости потокосцепления статора 15, на второй вход которого подается со второго выхода блока преобразования координат А, В, С в dq 13 сигнал I, а на третий вход блока 15 подается сигнал с датчика скорости двигателя 5. Угловая скорость потокосцепления статора рассчитывается по формулам
2
где Δω - угловая частота токов ротора; ω - угловая частота вращения вала электродвигателя.
Корректирующий сигнал задания продольной составляющей тока  статора формируется следующим образом.
d
q
d
q
d
q
*
Сигналы продольной I и поперечной I составляющих тока статора фильтруются высокочастотными фильтрами 19 и 21, и поступают: I - на положительный вход второго сумматора 20, I - на отрицательный вход второго сумматора 20, с выхода которого сигнал ΔI=I-I поступает на вход среднечастотного фильтра 22, с выхода которого отфильтрованный сигнал ΔI подается на вход блока расчета сигнала коррекции продольной составляющей тока статора 18. Расчет сигнала коррекции выполняется по формуле
где α - коэффициент.
Значение коэффициента α устанавливается исходя из следующего. Момент двигателя пропорционален произведению обоих составляющий тока статора
где k - постоянный коэффициент.
0
0
Минимум отношения «ток статора / момент» достигается при поддержании оптимального угла ϕ=45° между векторами тока статора и потокосцепления ротора, показанного на фиг. 2, на уровне ϕ=45°, при этом проекции тока статора равны между собой
d
*
*
В установившемся режиме момент двигателя равен статическому моменту на валу двигателя. При неполной статической нагрузке для получения заданного момента двигателя, соответствующего статическому моменту, действие системы коррекции направлено на уменьшение составляющей тока I, за счет введения корректирующего сигнала δI=α⋅ΔI, тогда
q
В системе электропривода за счет действия канала управления скоростью двигателя происходит соответствующее увеличение составляющей тока I. При этом момент двигателя определяется по выражению
Для обеспечения устойчивости системы управления коэффициент α, входящий в выражение (5) должен быть
Блок расчета сигнала коррекции продольной составляющей тока статора 18 может быть также выполнен адаптивным, с перенастраиваемым в процессе, работы значением коэффициента α.
Если момент двигателя начинает превышать номинальное значение, например, при пуске двигателя, и действие системы коррекции будет направлено на увеличение задающего сигнала, равного
то, блок ограничения 23 ограничивает значение сигнала , уровень ограничения соответствует насыщению магнитной цепи двигателя, при этом .
Преимущество предлагаемого электропривода переменного тока заключается в повышении работоспособности электропривода, за счет упрощения системы коррекции, обеспечивающей минимизацию тока статора, при заданном моменте двигателя, путем более простого и точного определения требуемого сигнала коррекции задания продольной составляющей тока статора двигателя, выполняемого на основании сравнения продольной и поперечной составляющих тока статора. Электропривод работает с реально измеряемыми переменными, с упрощенным алгоритмом расчета корректирующего сигнала, что снижает требования к управляющему контроллеру.
Список литературы
1. Патент РФ №2447573 МПК Н02 27/04. Электропривод переменного тока. Мещеряков В.Н., Зотов В.А., Мещерякова О.В. Опубл. 10.04.2012. Бюл. №10.
2. Патент РФ ПМ №116721. МПК Н02Р 27/04. Электропривод переменного тока. Мещеряков В.Н., Цветков П.Е. Опубл. 27.05.2012 Бюл. №15.