Следящая система для управления асинхронным частотно-регулируемым электроприводом с короткозамкнутым ротором

Техническое решение относится к частотно-управляемым электрическим приводам, в частности к классу частотно-регулируемых асинхронных электроприводов, и может быть использовано совместно с промышленно-выпускаемыми преобразователями частоты. Следящая система для управления асинхронным частотно-регулируемым электроприводом с короткозамкнутым ротором содержит преобразователь частоты, реализующий векторное управление, асинхронный двигатель с коротко замкнутым ротором, а также задатчик сигнала скорости вращения вала электропривода, содержащий датчик фазных токов, датчик мгновенного значения сигнала скорости, датчик фазных напряжений, преобразователь числа фаз тока, вектор-анализатор, преобразователь числа фаз напряжения, ротатор тока, ротатор напряжения, блок параметрических коэффициентов, блок коэффициентов функции переключения, блок сумматоров, блок умножения, сумматор, блок сигналов задания, блок произведения сигнала задания потокосцепления ротора и соответствующего пропорционального коэффициента ПИ-регулятора, блок произведения сигнала задания потокосцепления ротора и соответствующего пропорционального коэффициента ПИ-регулятора, реле с высокой частотой переключения, масштабирующий блок, содержащий максимальный сигнал задания скорости вращения вала электропривода, умножитель, переключатель и выключатель, дифференцирующий блок, повышающий диапазон регулирования скорости; при этом выходы датчика фазных токов соединены со входами преобразователя числа фаз тока, выходы датчика фазных напряжений соединены со входами преобразователя числа фаз напряжения, выходы преобразователя числа фаз тока, а также выход датчика мгновенного значения сигнала скорости, соединены со входами вектор-анализатора, выходы преобразователя числа фаз тока, а также выходы вектор-анализатора соединены со входами ротатора тока, выходы вектор-анализатора и выходы преобразователя числа фаз напряжения соединены со входами ротатора напряжения, выход вектор-анализатора соединен со входом дифференцирующего блока, выход блока произведения сигнала задания потокосцепления ротора и соответствующего пропорционального коэффициента ПИ-регулятора и выход блока произведения сигнала задания скорости вращения вала и соответствующего коэффициента ПИ-регулятора соединены со входами блока сигналов задания, выход датчика мгновенного значения сигнала скорости, выход вектор-анализатора, выход ротатора тока, выходы ротатора напряжения, выходы блока сигналов задания, выходы блока произведения сигнала задания потокосцепления ротора и соответствующего пропорционального коэффициента ПИ-регулятора (непосредственно и последовательно через выключатель), выход блока произведения сигнала задания скорости вращения вала и соответствующего коэффициента ПИ-регулятора, выход дифференцирующего блока соединены с соответствующими положительными и отрицательными входами блока сумматоров, выходы которого соединены со входами блока умножения, остальные входы которого соединены с выходами блока коэффициентов функции переключения, вход которого соединен с выходом блока параметрических коэффициентов, выходы с блока умножения соединены с положительными входами сумматора, выход которого соединен с входом реле с высокой частотой переключения, выход с которого соединен с входом умножителя, другой вход которого соединен с выходом масштабирующего блока, выход которого также соединен с первым входом переключателя, выход умножителя соединен со вторым переключателя, выход переключателя соединен со входом задания ПИ-регулятора канала управления скоростью в преобразователе частоты с векторным управлением, к которому подключен асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Предложенное техническое решение позволяет реализовать оптимальное по точности регулирование скорости вращения вала электропривода в следящей системе для управления асинхронным частотно-регулируемым электроприводом с короткозамкнутым ротором.

Техническое решение относится к частотно-управляемым электрическим приводам, в частности к классу частотно-регулируемых асинхронных электроприводов, и может быть использовано совместно с промышленно-выпускаемыми преобразователями частоты.

Известны аналогичные следящие системы управления частотно-регулируемым асинхронным электроприводом, основанные на использовании преобразователя частоты совместно с асинхронным двигателем, в которых преобразователь частоты использует стандартные ПИ, ПИД-регуляторы в канале управления скоростью вращения вала асинхронного двигателя. [В.В.Рудаков, И.М.Столяров, В.А.Дартау. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. - Л.: Энергоатомиздат, 1987.; Усольцев А.А. Векторное управление асинхронными двигателями / Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2002.]

Недостатком аналога является наличие ошибки при регулировании скорости вращения вала асинхронного двигателя [Клевцов А.В. Преобразователи частоты переменного тока. Практическое пособие для инженеров. - Тула: Гриф и К, 2008.; MITSUBISHI ELECTMC, Преобразователи частоты FR-A 540 ЕС и FR-A540 L ЕС. Технический каталог 2002/2003; http://vesper.ru/catalog/invertors/e3-9100/-руководство по эксплуатации.

Из известных следящих систем управления частотно-регулируемым асинхронным электроприводом в качестве прототипа выбрана система, основанная на использовании преобразователя частоты с векторным управлением совместно с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором и датчиком скорости вращения вала двигателя. Преобразователь частоты имеет ПИ-регулятор в канале управления скоростью вращения вала. На вход указанного регулятора подается разность между сигналом задания скорости (поступающего с задатчика, выполненного в виде автоматического потенциометра, поставляемого в комплекте с преобразователем частоты) и сигналом от датчика вращения вала асинхронного двигателя. [В.В.Рудаков, И.М.Столяров, В.А.Дартау. Асинхронные электроприводы с векторным управлением. - Л.: Энергоатомиздат, 1987.]. [Усольцев А.А. Векторное управление асинхронными двигателями / Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2002.; Руководство по эксплуатации преобразователей частоты серий VECTORFLUX VFB и VECTORFLUX VFX, Номер документа: 01-1887-01, Версия документа: r4. Дата выпуска: 2004-03-25, © Copyright Emotron AB 2004].

Недостатком наиболее близкого аналога является наличие ошибки при поддержании скорости вращения вала асинхронного двигателя на заданном уровне.

Технической задачей настоящего технического решения является реализация оптимального по точности управления скоростью вращения вала электопривода в следящей системе для управления асинхронным частотно-регулируемым электроприводом с короткозамкнутым ротором за счет применения задатчика сигнала скорости вращения вала электропривода, сигнал с которого подается на вход задания ПИ-регулятора, находящегося в канале управления скоростью частотно-регулируемого асинхронного электропривода с короткозамкнутым ротором.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в следящей система для управления частотно-регулируемым электроприводом с короткозамкнутым ротором содержащей частотно-регулируемый асинхронный электропривод с короткозамкнутым ротором с векторным управлением, имеющей ПИ-регулятор в канале управления скоростью вращения вала электропривода, задатчик сигнала скорости вращения вала электропривода выполнен в виде релейного регулятора, содержащего датчик фазных токов, датчик мгновенного значения сигнала скорости, датчик фазных напряжений, преобразователь числа фаз тока, вектор-анализатор, преобразователь числа фаз напряжения, ротатор тока, ротатор напряжения, блок параметрических коэффициентов, блок коэффициентов функции переключения, блок сумматоров, блок умножения, сумматор, блок сигналов задания, блок произведения сигнала задания потокосцепления ротора и соответствующего пропорционального коэффициента ПИ-регулятора, блок произведения сигнала задания скорости вращения вала электропривода и соответствующего пропорционального коэффициента ПИ-регулятора, реле с высокой частотой переключения, масштабирующий блок, содержащий максимальный сигнал задания скорости вращения вала электропривода, умножитель, переключатель, выключатель, дифференцирующий блок, повышающий диапазон регулирования скорости; выходы датчика фазных токов соединены со входами преобразователя числа фаз тока, выходы датчика фазных напряжений соединены со входами преобразователя числа фаз напряжения, выходы преобразователя числа фаз тока, а также выход датчика мгновенного значения сигнала скорости, соединены со входами вектор-анализатора, выходы преобразователя числа фаз тока, а также выходы вектор-анализатора соединены со входами ротатора тока, выходы вектор-анализатора и выходы преобразователя числа фаз напряжения соединены со входами ротатора напряжения, выход вектор-анализатора соединен со входом дифференцирующего блока, выход блока произведения сигнала задания потокосцепления ротора и соответствующего пропорционального коэффициента ПИ-регулятора и выход блока произведения сигнала задания скорости вращения вала и соответствующего коэффициента ПИ-регулятора соединены со входами блока сигналов задания, выход датчика мгновенного значения сигнала скорости, выход вектор-анализатора, выход ротатора тока, выходы ротатора напряжения, выходы блока сигналов задания, выходы блока произведения сигнала задания потокосцепления ротора и соответствующего пропорционального коэффициента ПИ-регулятора (непосредственно и последовательно через выключатель), выход блока произведения сигнала задания скорости вращения вала и соответствующего коэффициента ПИ-регулятора, выход дифференцирующего блока соединены с соответствующими положительными и отрицательными входами блока сумматоров, выходы которого соединены со входами блока умножения, остальные входы которого соединены с выходами блока коэффициентов функции переключения, вход которого соединен с выходом блока параметрических коэффициентов, выходы с блока умножения соединены с положительными входами сумматора, выход которого соединен с входом реле с высокой частотой переключения, выход с которого соединен с входом умножителя, другой вход которого соединен с выходом масштабирующего блока, выход которого также соединен с первым входом переключателя, выход умножителя соединен со вторым переключателя, выход переключателя соединен со входом задания ПИ-регулятора канала управления скоростью в преобразователе частоты с векторным управлением, к которому подключен асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Техническая сущность предложенного технического решения поясняется чертежом, где на фигуре представлена структурная схема следящей системы для управления асинхронным частотно-регулируемым электроприводом с короткозамкнутым ротором, реализующая оптимальное по точности управление скоростью асинхронного частотно- регулируемого электропривода с короткозамкнутым ротором.

Следящая система для управления асинхронным частотно-регулируемым электроприводом с короткозамкнутым ротором содержит преобразователь частоты с векторным управлением 1, асинхронный двигатель с коротко замкнутым ротором 2, а также задатчик, содержащий датчик фазных токов 3, датчик мгновенного значения сигнала скорости 4, датчик фазных напряжений 5, преобразователь числа фаз тока 6, вектор-анализатор 7, преобразователь числа фаз напряжения 8, ротатор тока 9, ротатор напряжения 10, блок параметрических коэффициентов 11, блок коэффициентов функции переключения 12, блок сумматоров 13, блок умножения 14, сумматор 15, блок сигналов задания 16, блок произведения сигнала задания потокосцепления ротора и соответствующего пропорционального коэффициента ПИ-регулятора 17, блок произведения сигнала задания скорости вращения вала и соответствующего пропорционального коэффициента ПИ-регулятора 18, реле с высокой частотой переключения 19, масштабирующий блок, содержащий максимальный сигнал задания скорости вращения вала электропривода 20, умножитель 21, переключатель 22, выключатель 23, дифференцирующий блок 24, для повышения диапазона регулирования скорости вращения вала привода.

Выходы датчика фазных токов 3 соединены со входами преобразователя числа фаз тока 6, выходы датчика фазных напряжений 5 соединены со входами преобразователя числа фаз напряжения 8, выходы преобразователя числа фаз тока 6, а также выход датчика мгновенного значения сигнала скорости 4, соединены со входами вектор-анализатора 7, выходы преобразователя числа фаз тока 6, а также выходы вектор-анализатора 7 соединены со входами ротатора тока 9, выходы вектор-анализатора 7 и выходы преобразователя числа фаз напряжения 8 соединены со входами ротатора напряжения 10, выход вектор-анализатора 7 соединен со входом дифференцирующего блока 24, выход блока произведения сигнала задания потокосцепления ротора и соответствующего пропорционального коэффициента ПИ-регулятора 17 и выход блока произведения сигнала задания скорости вращения вала и соответствующего коэффициента ПИ-регулятора 18 соединены со входами блока сигналов задания 16, выход датчика мгновенного значения сигнала скорости 4, выход вектор-анализатора 7, выход ротатора тока 9, выходы ротатора напряжения 10, выходы блока сигналов задания 16, выходы блока произведения сигнала задания потокосцепления ротора и соответствующего пропорционального коэффициента ПИ-регулятора 17 (непосредственно и последовательно через выключатель 23), выход блока произведения сигнала задания скорости вращения вала и соответствующего коэффициента ПИ-регулятора 18, выход дифференцирующего блока 24 соединены с соответствующими положительными и отрицательными входами блока сумматоров 13, выходы которого соединены со входами блока умножения 14, остальные входы которого соединены с выходами блока коэффициентов функции переключения 12, вход которого соединен с выходом блока параметрических коэффициентов 11, выходы с блока умножения 14 соединены с положительными входами сумматора 15, выход которого соединен с входом реле с высокой частотой переключения 19, выход с которого соединен с входом умножителя 21, другой вход которого соединен с выходом масштабирующего блока 20, выход которого также соединен со входом 1-1 переключателя 22, выход умножителя 21 соединен с входом 1-2 переключателя 22, выход переключателя 22 соединен со входом задания ПИ-регулятора канала управления скоростью в преобразователе частоты с векторным управлением 1, к которому подключен асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором 2.

Следящая система для управления асинхронным частотно-регулируемым электроприводом с короткозамкнутым ротором с учетом вышеприведенного описания работает следующим образом. Для асинхронного частотно-регулируемого электропривода с короткозамкнутым ротором, описываемого уравнениями (1), определяют задание по потокосцеплению ротора r_zad).

где:

R_r - активное сопротивление фазы обмотки ротора, соотнесенное с сопротивлением обмотки статора,

L_r - индуктивность фазы обмотки ротора, соотнесенное с индуктивностью обмотки статора,

K_r - коэффициент ротора двигателя,

T_r - постоянная времени ротора двигателя,

T_ss - постоянная времени статора двигателя,

p - число пар полюсов

J - момент инерции,

L_ss - индуктивность рассеяния статорной обмотки.

M_C - постоянный момент сопротивления,

K1p - пропорциональный коэффициент ПИ-регулятора потокосцепления ротора,

K1u - интегральный коэффициент ПИ-регулятора потокосцепления ротора,

T1 - постоянная времени ПИ-регулятора потокосцепления ротора,

K2p - пропорциональный коэффициент ПИ-регулятора скорости вращения вала,

K2u - интегральный коэффициент ПИ-регулятора скорости вращения вала,

Т2 - постоянная времени ПИ-регулятора скорости вращения вала.

r_zad - задание по потоке сцеплению ротора,

_zad - задание по скорости вращения вала,

r - потокосцепление ротора,

i_sd - проекция обобщенного вектора тока на ось d (преобразования и система координат Парка-Горева),

i_sq - проекция обобщенного вектора тока на ось q (преобразования и система координат Парка-Горева),

- скорость вращения вала электропривода,

u_sd - проекция обобщенного вектора напряжения на ось d (преобразования и система координат Парка-Горева),

u_sq - проекция обобщенного вектора напяжения на ось q (преобразования и система координат Парка-Горева).

Для этого используются данные об установившимся значении потокосцепления ротора опыта пуска частотно-регулируемого асинхронного электропривода с короткозамкнутым ротором на максимальных оборотах (сигнал задания скорости подается с автоматического потенциометра) и при отсутствии момента нагрузки (эти же данные использует система управления преобразователя частоты с векторным управлением [Руководство по эксплуатации преобразователей частоты серий VECTORFLUX VFB и VECTORFLUX VFX, Номер документа: 01-1887-01, Версия документа: r4, Дата выпуска: 2004-03-25, © Copyright Emotron AB 2004]), получаемые с выхода вектор-анализатора 7 в установившемся режиме работы электропривода, для чего переключатель 22 переводят в положение 1, а выключатель 23 переводят во включенное состояние. После проведения опыта первого пуска установившееся значение потокосцепления ротора записывается в блоке произведения сигнала задания потокосцепления ротора и соответствующего коэффициента ПИ-регулятора 17 как r_zad, переключатель 22 переводят в положение 2, а выключатель 23 переводят в отключенное положение, и на вход управления скоростью вращения вала электропривода подают сигнал с умножителя 21. При этом с выхода датчика скорости вращения вала 4 снимают мгновенное значение скорости вращения вала электропривода, с датчика фазных токов 3 снимают мгновенные значения фазных токов i_a , i_b, i_c, с датчика фазных напряжений 5 снимают мгновенные значения фазных напряжений u_a, u_b, u_c. Сигналы с выхода датчика фазных токов 3 поступают на вход преобразователя числа фаз тока 6, реализующего уравнение (2) для токов, где происходит преобразование трехфазного тока в двухфазный. Сигналы с выхода датчика фазных напряжений 5 поступают на вход преобразователя числа фаз напряжения 8, реализующего уравнения (2) для напряжений, где происходит преобразование трехфазного напряжение в двухфазное.

Полученные сигналы двухфазного тока (i, i), а также сигнал мгновенного значения скорости вращения вала (), поступают на вход вектор-анализатора 7, реализующего уравнения (3).

- оператор дифференцирования

На выходе вектор-анализатора 7 формируются сигналы синуса и косинуса угла смещения вращающейся системы координат dq относительно неподвижной системы координат (sin^(dq), cos^(dq)), а также мгновенное значение сигнала потокосцепления ротора (_r). Сигналы sin^(dq), cos^(dq) с выхода вектор-анализатора 7, а также сигналы (i, i) с выхода преобразователя числа фаз тока 6 и сигналы (u, u) с выхода преобразователя числа фаз напряжения 8 поступают на входы соответствующих ротаторов 9, 10, реализующих уравнения (4-1) и (4-2) соответственно.

Сигнал потокосцепления ротора (_r) поступает на вход дифференцирующего блока 24. Полученные на выходе ротатора тока 9 значения i_sd , i_sq, сигнал мгновенного значения скорости вращения вала () с выхода мгновенного значения сигнала скорости 4, сигнал потокосцепления ротора (_r) с выхода вектор - анализатора 7, сигнал с выхода дифференцирующего блока 24 поступают на отрицательные входы блока сумматоров 13, на положительные входы которых поступают соответствующие сигналы задания уровня координат, формирующиеся блоком сигналов задания 16 согласно уравнениям (5).

Полученные на выходе ротатора напряжения 10 сигналы u_sd, u_sq суммируются в блоке сумматоров 13 с произведениями сигналов задания и соответствующих пропорциональных коэффициентов ПИ-регуляторов 17,18 и полученные значения (u_sd+K1p·_r_zad, u_sq+К2р·_zad) подаются на отрицательные входы сумматоров (13), на положительные входы которых поступают соответствующие сигналы задания уровня координат, формирующиеся блоком сигналов задания 16 согласно уравнениям 5. Полученные разности между сигналами задания координат, поступающими с блока (16), и координатами (r_zad-_r, isd_zad-i_sd, isq_zad-i_sq , _zad-), usd_zad*-u_sd-K1p·r_zad, usq_zad*-u_sq-K2p·_zad) умножаются в блоке умножения 14 на соответствующие весовые коэффициенты, формируемые на выходе блока коэффициентов функции переключения 11 (реализующего уравнения (6)).

На вход 12 подаются сигналы с выхода блока параметрических коэффициентов 11, реализующего уравнения (7)-(10).

При этом, параметры ПИ-регулятора скорости вращения вала задаются:

К2р=1,

K2u=5,

Т2=2.

Полученные таким образом произведения суммируются в сумматоре 15 и полученный сигнал подается на реле 19 с высокой частотой переключения. На выходе реле 19 сигнал масштабируется максимальным значением уровня задания скорости 20 (_zad_max), при этом получается оптимальный по точности сигнал управления скоростью вращения вала, реализуемый уравнением (11), который поступает на вход управления скоростью преобразователя частоты с векторным управлением 1 к которому подключен асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором 2.

где:

_zad_max - максимальное значение сигнала задания скорости, которое можно подать на вход регулирования скорости преобразователя частоты;

isq_zad - задающее воздействие для тока i_sq;

usd*_ zad - задающее воздействие для величины u_sd+K1p·r_zad;

usq*_zad - задающее воздействие для величины u_sq+K2p·_zad.

Предлагаемое техническое решение позволяет свести ошибку систем автоматического регулирования к нулю (теоретически). Это повышает эффективность работы систем автоматического регулирования и расширяет их функциональные возможности.

Следящая система для управления асинхронным частотно-регулируемым электроприводом с короткозамкнутым ротором, содержащая частотно-регулируемый асинхронный электропривод с короткозамкнутым ротором с векторным управлением, имеющая ПИ-регулятор в канале управления скоростью вращения вала электропривода и задатчик сигнала скорости вращения вала электропривода, отличающаяся тем, что в ней задатчик сигнала скорости вращения вала электропривода выполнен в виде релейного регулятора, содержащего датчик фазных токов, датчик мгновенного значения сигнала скорости, датчик фазных напряжений, преобразователь числа фаз тока, вектор-анализатор, преобразователь числа фаз напряжения, ротатор тока, ротатор напряжения, блок параметрических коэффициентов, блок коэффициентов функции переключения, блок сумматоров, блок умножения, сумматор, блок сигналов задания, блок произведения сигнала задания потокосцепления ротора и соответствующего пропорционального коэффициента ПИ-регулятора, блок произведения сигнала задания скорости вращения вала электропривода и соответствующего пропорционального коэффициента ПИ-регулятора, реле с высокой частотой переключения, масштабирующий блок, содержащий максимальный сигнал задания скорости вращения вала электропривода, умножитель, переключатель, выключатель, дифференцирующий блок; при этом выходы датчика фазных токов соединены со входами преобразователя числа фаз тока, выходы датчика фазных напряжений соединены со входами преобразователя числа фаз напряжения, выходы преобразователя числа фаз тока, а также выход датчика мгновенного значения сигнала скорости соединены со входами вектор-анализатора, выходы преобразователя числа фаз тока, а также выходы вектор-анализатора соединены со входами ротатора тока, выходы вектор-анализатора и выходы преобразователя числа фаз напряжения соединены со входами ротатора напряжения, выход вектор-анализатора соединен со входом дифференцирующего блока, выход блока произведения сигнала задания потокосцепления ротора и соответствующего пропорционального коэффициента ПИ-регулятора и выход блока произведения сигнала задания скорости вращения вала и соответствующего коэффициента ПИ-регулятора соединены со входами блока сигналов задания, выход датчика мгновенного значения сигнала скорости, выход вектор-анализатора, выход ротатора тока, выходы ротатора напряжения, выходы блока сигналов задания, выходы блока произведения сигнала задания потокосцепления ротора и соответствующего пропорционального коэффициента ПИ-регулятора (непосредственно и последовательно через выключатель), выход блока произведения сигнала задания скорости вращения вала и соответствующего коэффициента ПИ-регулятора, выход дифференцирующего блока соединены с соответствующими положительными и отрицательными входами блока сумматоров, выходы которого соединены со входами блока умножения, остальные входы которого соединены с выходами блока коэффициентов функции переключения, вход которого соединен с выходом блока параметрических коэффициентов, выходы блока умножения соединены с положительными входами сумматора, выход которого соединен с входом реле с высокой частотой переключения, выход которого соединен с входом умножителя, другой вход которого соединен с выходом масштабирующего блока, выход которого также соединен с первым входом переключателя, выход умножителя соединен со вторым входом переключателя, выход переключателя соединен со входом задания ПИ-регулятора канала управления скоростью в преобразователе частоты с векторным управлением, к которому подключен асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором.