Электропривод переменного тока

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к системам управления электроприводами переменного тока на базе асинхронных двигателей с преобразователями частоты (ПЧ). Техническим результатом является минимизация потерь электроэнергии при питании асинхронного электродвигателя от ПЧ. Электропривод переменного тока содержит асинхронный двигатель, трехфазный инвертор, два датчика тока, датчик скорости, блоки сравнения, блок задания скорости, пропорционально-интегральный регулятор скорости, блок задания поперечной составляющей тока статора, преобразователь координат dq в АВС, блок ШИМ-регулятора тока, сумматор тока, преобразователь координат АВС в dq, блок определения продольной составляющей потокосцепления ротора, блоки расчета угловой скорости потокосцепления статора и угловой скорости потокосцепления статора, блоки определения отношения продольной и поперечной составляющих тока статора, блок определения угла между током статора и потокосцеплением ротора, блок задания угла, пропорциональный блок, блок преобразования заданного значения продольной составляющей потокосцепления ротора.

Минимизация потерь электроэнергии при регулировании момента и скорости в векторной системе, ориентированной по потокосцеплению ротора, осуществляется путем внесения коррекции в канал управления продольной составляющей тока статора.

1 с.п ф-лы. 1 илл.

Электропривод переменного тока относится к области электротехники, в частности к системам управления электроприводами переменного тока на базе асинхронных двигателей с преобразователями частоты (ПЧ). Техническим результатом является минимизация потерь электроэнергии при питании асинхронного электродвигателя от ПЧ.

Известен электропривод переменного тока, содержащий асинхронный двигатель, подключенный статорными обмотками к выходам импульсного преобразователя тока, выполненного с управляющими входами для частоты и для ортогональных составляющих тока статора, датчик частоты вращения, установленный на валу асинхронного двигателя, последовательно соединенные блок задания скорости, элемент сравнения и пропорционально-интегральный регулятор скорости, при этом другой вход элемента сравнения подключен к выходу датчика частоты вращения [1].

Недостатком данного устройства является сложность измерения ортогональных составляющих магнитного потока в воздушном зазоре машины из-за наличия датчиков ЭДС Холла.

Наиболее близким к полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является электропривод переменного тока, содержащий адаптивный регулятор момента, который формирует вектор потокосцепления ротора путем формирования задания его мгновенных значений, амплитуда и частота которых зависит от задания на момент. Путем изменения частоты достигается формирование оптимального, с точки зрения минимизации, потребления тока статора, угла между векторами тока статора и потокосцепления ротора, равным 45°. Поддержание потокосцепления ротора осуществляется путем введения фазных регуляторов, выходы которых подключены к управляющим входам ШИМ-регулятора тока. Инвертором формируются фазные токи статора с частотой и амплитудой, необходимой для формирования заданного значения момента при условии минимизации потребления тока статора из сети и наиболее полного использования магнитопровода [2].

Недостатком данного устройства является сложность регулирования контролируемых координат векторов тока статора и потока ротора из-за наличия множественных преобразований координат, для расчета тригонометрических функций, не позволяет изменять момент двигателя в процессе разгона и как следствие, повысить быстродействие системы.

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 АВС, 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 АВС в dq. Первый выход блока преобразования координат АВС в dq 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 АВС и блоком преобразования координат АВС в dq, второй выход которого соединен с блоком расчета угловой скорости потокосцепления статора. Выходы блока преобразования координат АВС 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 с 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 АВС.

В данном электроприводе переменного тока заданное значение электромагнитного момента обеспечивается при минимальных значениях тока статора, что достигается путем поддержания постоянного угла между векторами тока статора и потокосцепления ротора равным 45°.

На фиг.1. приведена функциональная схема электропривода переменного тока.

Электропривод переменного тока содержит трехфазный инвертор 1, два силовых выхода которого соединены через датчики тока 2 и 3, подключенные к двум статорным обмоткам асинхронного двигателя 4, а третий силовой выход инвертора соединен с третьей обмоткой статора двигателя напрямую. На валу двигателя установлен датчик скорости 5, выход которого соединен с отрицательным входом блока сравнения 6, положительный вход которого подключен к блоку задания скорости 7, а выход блока сравнения подключен к входу пропорционально-интегрального регулятора скорости 8, выход которого соединен с одним входом блока задания поперечной составляющей тока статора 9. Выход блока 9 подключен к первому входу блока преобразования координат dq в АВС 10, имеющего три фазных выхода, каждый из которых соединен с первыми входами блока ШИМ-регуляторов тока 11, шесть выходов которого соединены с шестью управляющими входами трехфазного инвертора 1. Выходы датчиков тока 2 и 3 соединены с входами сумматора тока 12, также со вторыми фазными входами ШИМ регулятора тока 11 и входами блока преобразования координат АВС в dq 13, выход сумматора тока 12 соединен с соответствующим входом блока 11 и фазным входом блока 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 блоком расчета угловой скорости потокосцепления статора 15, выход которого соединен с блоком преобразования координат dq в АВС 10 и вторым входом блока преобразования координат АВС в dq 13. Второй выход блока 13 соединен с блоком расчета угловой скорости потокосцепления статора 15, выходы блока преобразования координат АВС в dq 13 соединены с блоком определения отношения продольной и поперечной составляющих тока статора 16. Выход блока 16 соединен с блоком определения угла между током статора и потокосцеплением ротора 17. Выход блока 17 соединен с сумматором 18, второй вход которого соединен с блоком задания угла 45° 19. Выход сумматора 18 соединен со входом пропорционального блока 20, выход которого соединен с блоком коррекции 21, второй вход которого соединен с блоком преобразования заданного значения продольной составляющей потокосцепления ротора в значение продольной составляющей тока статора 22. Выход блока коррекции 21 соединен со вторым входом блока преобразования координат dq в АВС 10.

Электропривод переменного тока работает следующим образом.

Инвертор 7 через датчики 8, 9 фазных токов питает статорные обмотки асинхронного двигателя 14 широтно-модулируемыми пульсациями силового напряжения, длительность которых определяется управляющими пульсациями, поступающими с выхода ШИМ регулятора тока 6. Формирование задания на блок ШИМ регулятора тока 6 происходит следующим образом.

Сигнал задания на скорость *₂, поступающий с блока задания скорости 7, сравнивается на блоке сравнения 6 с сигналом текущей скорости вращения ротора ₂, поступающего с датчика скорости 5, и поступает на вход регулятора 8. Значение заданного момента выхода блока 8 поступает на первый вход блока 9. Рассчитанная продольная составляющая тока статора I_1d в блоке 13 поступает в блок определения продольной составляющей потокосцепления ротора _2d 14. Расчетный _2d поступает на второй вход блока 9, в котором рассчитывается задание на продольную составляющую тока статора. На входы блока 5 поступают значения поперечной составляющей тока статора I_1q с блока 13, угловая скорость ротора с блока 5 и продольная составляющая потокосцепления ротора с блока 14. В блоке 5 производится расчет текущей угловой скорости системы координат dq по следующим формулам:

₁=+₂,

,

,

где - угловая частота токов ротора; p - число пар полюсов; L_m - взаимная индуктивность обмотки статора и ротора; - приведенная индуктивность рассеивания обмотки ротора; - приведенное активное сопротивление обмотки ротора. Задание потокосцепления ротора подается на вход блока преобразования заданного значения продольной составляющей потокосцепления ротора в значение продольной составляющей тока статора 22, которая рассчитывается по формуле:

.

Путем введения коррекции по продольной составляющей тока статора 21 достигается осуществляется поддержание угла между током статора и потокосцеплением ротора равным 45°. Выбор значения угла в 45° осуществлен из условия минимизации потребления тока статора векторным электроприводом при формировании момента по формуле:

где - угол между вектором тока статора и потокосцеплением ротора; m - число фаз машины; p_n - число пар полюсов; L_r - собственная индуктивность обмотки ротора; I ₁ - вектор тока статора.

Коррекция по продольной составляющей тока статора для поддержания оптимального угла состоит из следующих блоков: 16, 17, 18, 19, 20, 21. Вычисленное отношение проекций тока на оси dq статора в блоке 16 поступает в блок определения угла между током статора и потокосцеплением ротора 17. После чего выход блока 17 поступает на сумматор 18, на выходе которого формируется отклонение от заданного угла между током статора и потокосцеплением ротора, поступающего с выхода блока 19. Сигнал через коэффициент пропорциональности 20 поступает на сумматор 21, который вносит коррекцию в канал задания продольной составляющей тока статора.

Преимущество предлагаемого электропривода переменного тока заключается:

- система является универсальной, т.е. внести коррекцию по продольной составляющей тока статора можно в любой преобразователь частоты, который в качестве опорного вектора использует вектор потокосцепления ротора;

- вычисление потокосцепления ротора происходит без применения датчиков Холла.

Источник информации:

1. Патент СССР 548220, кл. H02P 5/40 "Электропривод с асинхронной машиной" Феликс Блашке. Приоритет 10.08.1970. Опубл. 25.02.77. Бюл. 7.

2. Патент РФ 2254666, кл. H02P 7/42. Электропривод переменного тока. Левин П.Н., Мещеряков В.Н. Приоритет 26.01.2004. Опубл. 20.06.2005. Бюл. 17.

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, отличающийся тем, что 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.