СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ
METHOD OF CONTROLLING FREQUENCY-CONTROLLED CAGE-ROTOR INDUCTION MOTOR

Изобретение относится к области частотно-регулируемого электропривода переменного тока на базе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (АДКР) и может быть использовано в тяжело нагруженных частотно-регулируемых электроприводах электровозов, электропоездов, в судовых гребных электроприводах, в металлургии и других регулируемых электроприводах. АДКР, работающие в тяжелых условиях и с частыми сменами режимов работы, имеют значительные переменные величины нагрева обмотки ротора и насыщения магнитной системы. Вследствие этого в процессе работы в широких пределах изменяется электромагнитная постоянная времени обмотки ротора, которая является главным параметром, определяющим энергетические показатели электропривода в целом - коэффициент полезного действия и коэффициент мощности. В связи с этим в процессе работы такого электропривода требуется непрерывное отслеживание изменяющегося значения электромагнитной постоянной времени обмотки ротора и адаптация алгоритма управления АДКР к этим изменениям с целью получения заданных энергетических показателей.
Известны способы управления частотно-регулируемым асинхронным двигателем, в которых определяют частоту вращения ротора, фазный ток статора, фазное напряжение статора, угол фазного сдвига между током и напряжением обмотки статора, частоту вращения магнитного поля статора, управляют преобразователем, питающем обмотку статора, задают режимы работы с помощью вычислительного устройства (Л.Х.Дацковский, В.И.Роговой, Б.И.Абрамов, Б.И.Мацохей, С.П.Жижин. Современное состояние и тенденции в асинхронном частотно-регулируемом электроприводе (краткий аналитический обзор). // Электротехника, 1996, №10, с.18-28).
К принципиальным недостаткам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известных способов, относится то, что в известных способах при их использовании в действующих электроприводах, работающих в реальном масштабе времени, необходимо применение вычислительных средств высокого быстродействия, что связано со сложностью и громоздкостью программного обеспечения и алгоритмов, используемых для идентификационных моделей.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ, включающий управление асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором путем определения частоты вращения ротора, фазного тока статора, фазного напряжения обмотки статора, угла фазового сдвига между током и напряжением обмотки статора, управления преобразователем, питающим обмотку статора и задание режимов работы с помощью вычислительного устройства через математическую модель параметра управления, причем в качестве вектора переменных состояний приняты компоненты намагничивающего тока ротора, в качестве входа - фазные токи статора, а математическая модель двигателя - в виде уравнений токов и момента (Ч.Аттаианесе, А.Дамиано, И.Марониу, А.Перфетто. Управление асинхронным двигателем с адаптацией к изменяющейся электромагнитной постоянной времени ротора. // Электротехника, 1966, №7, с.29-31).
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе управления с адаптацией к изменяющейся электромагнитной постоянной времени обмотки ротора из-за трудности обеспечения адекватности эталонной модели по току ротора и моменту, сложности математического аппарата, требующей высокого быстродействия средств моделирования, не может быть обеспечено безошибочное управление АДКР.
Задачей предлагаемого способа является обеспечение безошибочного управления и экономичной работы АДКР в частотно-регулируемом электроприводе переменного тока во всех режимах работы.
ск
Поставленная задача решается тем, что в известном способе управления асинхронным двигателем, включающим определение частоты вращения ротора, фазного тока статора, фазного напряжения обмотки статора, угла фазового сдвига между током и напряжением обмотки статора, частоты вращения магнитного поля статора, управление преобразователем, питающим обмотку статора, задание режимов работы с помощью вычислительного устройства через математическую модель параметра управления, при котором для нахождения алгоритма идентификации электромагнитной постоянной времени обмотки ротора, изменяющейся в процессе работы в реальном времени, введены отличия, заключающиеся в том, что управление асинхронным двигателем осуществляют по изменяющимся параметрам обмотки ротора вследствие ее нагрева и насыщения магнитной цепи двигателя путем определения электромагнитной постоянной времени обмотки ротора, связанной с абсолютной частотой скольжения ротора ω соотношением:
R
ск
ск
где: T - электромагнитная постоянная времени обмотки ротора; ω - частота скольжения ротора - частота тока ротора; Ω - относительная частота скольжения ротора, определяемая по формуле:
1
m
1
1
2
0
где: ω - частота вращения магнитного поля статора; L - индуктивность цепи намагничивания; R - активное сопротивление обмотки статора; φ - угол фазового сдвига между током и напряжением в выбранной для измерения фазе обмотки статора; σ и σ - коэффициенты рассеяния магнитных полей соответственно статора и ротора; |Z| - модуль электрического сопротивления фазы, равный:
1
1
где: U - напряжение обмотки статора; I - ток фазы статора.
ск.тр
Требуемая частота скольжения ротора ω находится из соотношения
Rтeк
ск.
ск.тр
где: T - текущее значение электромагнитной постоянной времени обмотки ротора, полученное в результате оперативного измерения и вычисления Ω Полученное значение требуемой частоты скольжения ротора ω используется для коррекции частоты тока инвертора, питающего статорные обмотки по правилу
1
p
ск.тр
Ω=ω+ωв двигательном режиме
1
p
ск.тр
или Ω=ω-ωв рекуперативном режиме.
Полученные результаты используют для корректировки алгоритмов управления двигателем. Предложенный способ обеспечивает непрерывное и адекватное безошибочное управление асинхронным двигателем при изменениях в процессе работы его главного параметра - электромагнитной постоянной времени обмотки ротора без идентификационных моделей, удешевление и улучшение схемы управления и экономичную работу двигателя.
Данный способ реализуется с помощью устройства, представленного блок-схемой на чертеже.
ск
1
1
ск
m
1
1
2
ск.зад.
Все параметры, необходимые для определения относительной частоты скольжения, Ω - фазный ток I, фазное напряжение U, угол сдвига между ними φ, частота скольжения ротора ω, измеряют при помощи штатных аппаратных средств имеющейся системы управления без эталонных моделей. К обмотке статора АДКР 1 подключены: инвертор 2, питающий обмотку статора, датчик фазного тока 3, датчик фазного напряжения 4 и датчик угла фазового сдвига между током и напряжением 5. К ротору подключен датчик частоты вращения 6, а к вычислительному устройству 7 подключены датчики 3, 4, 5, 6, сигнал задания требуемого момента от блока 8, сигналы конструктивных параметров L, R, σ, σ, сигнал текущей частоты фазного тока. Вычислительное устройство 7 определяет текущее значение момента, которое используется для выработки задания на амплитуду фазного тока для управления инвертором 2, и текущее значение электромагнитной постоянной времени ротора, которое блоком 9, получающим задание на выполняемый режим тяги или торможения, сигнал задания относительной частоты скольжения ротора Ω и информацию от датчика частоты вращения ротора 6, и преобразует в задание на текущее значение частоты тока инвертора 2.
1
m
1
1
2
ск
1
Способ управления частотно-регулируемым асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором осуществляют следующим образом. В вычислительное устройство 7 вводят конструктивные параметры: значения активного сопротивления обмотки статора R и индуктивности цепи намагничивания L, как функции тока I, коэффициентов рассеяния магнитных потоков статора σ и ротора σ, затем в процессе работы электропривода в вычислительное устройство 7 поступает информация от датчиков 3-6 о силе тока, величине напряжения фазы статора, величине угла фазового сдвига между фазным током и напряжением и о частоте вращения ротора. Вычислительное устройство 7 на основании полученных данных определяет текущее значение относительной частоты скольжения ротора Ω на момент времени производства измерений и соответствующее ему значение электромагнитной постоянной времени обмотки ротора. По полученным данным блоком 9 определяют новое значение абсолютной частоты скольжения ротора, обеспечивающей заданное значение относительной частоты скольжения, затем посредством блока управления инвертора 2 формируют частоту вращения магнитного поля статора ω и таким образом адаптируют эти изменения применительно к текущим режимам работы и состоянию его параметров.
При этом вычислительным устройством 7 определяют частоту вращения ротора, фазного тока статора, фазного напряжения статора, угла фазового сдвига между током и напряжением обмотки статора, частоты вращения магнитного поля статора, управляют преобразователем, питающим обмотку статора, задают режимы работы через математическую модель параметра управления, а управление асинхронным двигателем осуществляют по изменяющимся параметрам обмотки ротора вследствие ее нагрева и насыщения магнитной цепи двигателя путем определения электромагнитной постоянной времени обмотки ротора, связанной с абсолютной частотой скольжения ротора соотношением:
R
ск
ск
где: T - электромагнитная постоянная времени обмотки ротора; ω - абсолютная частота скольжения ротора; Ω - относительная частота скольжения ротора, определяемая по формуле:
1
m
1
1
2
0
где: ω- частота вращения магнитного поля статора; L - индуктивность цепи намагничивания; R - активное сопротивление обмотки статора; φ - угол фазового сдвига между током и напряжением в выбранной для измерения фазе обмотки статора; σ и σ - коэффициенты рассеяния магнитных полей статора и ротора соответственно; |Z| - модуль электрического сопротивления фазы, равный
1
1
ск
ск
сктр
где: U - напряжение обмотки статора; I - ток фазы статора; и корректировки ω так, чтобы Ω принимала заданное значение, причем требуемая частота скольжения ротора ω находится из соотношения:
Rтeк
сктр
где: Т- текущее значение электромагнитной постоянной времени ротора, а полученное значение требуемой частоты скольжения ротора ωиспользуется для корректировки частоты тока инвертора, питающего статорные обмотки по правилу:
1
p
сктр
Ω=ω+ωв двигательном режиме;
1
p
сктр
Ω=ω-ωв режиме рекуперации.
Таким образом производят отслеживание изменений электромагнитной постоянной времени обмотки ротора при ее нагреве и насыщении магнитной цепи и корректировку частоты скольжения ротора так, что относительную частоту скольжения ротора удерживают на заданном уровне, т.е. производят адаптацию алгоритма управления асинхронного двигателя при изменениях в процессе его работы главного параметра - электромагнитной постоянной времени обмотки ротора без эталонной модели, чем обеспечивают непрерывное и адекватное управление асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором без идентификационных моделей, удешевление и улучшение схемы управления.