Устройство для управления скольжением асинхронного двигателя с фазным ротором
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в замкнутых системах регулирования скольжения асинхронного двигателя с фазным ротором преимущественно с вентиляторным характером нагрузки. Технический результат заключается в расширении области применения и повышении точности процесса управления скольжением асинхронного двигателя с фазным ротором. Устройство для управления скольжением асинхронного двигателя 1 с фазным ротором содержит регулятор 10 скольжения и регулятор 12 тока, неуправляемый выпрямитель 3, регулятор напряжения 4, задатчик 9, первый 8 и второй 11 элементы сравнения, блок 5 обратной связи, блок 7 выявления нагрузки и блок 6 коррекции, использование которого для управления скольжением асинхронного двигателя 1 с фазным ротором обеспечивает расширение области применения и повышение точности процесса управления скольжением асинхронного двигателя с фазным ротором путем обеспечения динамической и статической инвариантности системы управления к изменению параметров и нагрузки асинхронного двигателя 1 с фазным ротором. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в замкнутых системах регулирования скольжения асинхронного двигателя с фазным ротором преимущественно с вентиляторным характером нагрузки.
Известно устройство для управления скольжением асинхронного двигателя с фазным ротором, содержащее выявитель скольжения, блок регулирования, выполненный в виде сумматора, и регулятор напряжения, силовой вход которого соединен с сетью, позволяющее осуществить управление скольжением асинхронного двигателя с фазным ротором при наличии внешних возмущающих воздействий [1]. Однако известное устройство не обеспечивает требуемых динамических показателей процесса регулирования и требуемого статизма механических характеристик из-за пропорционального закона регулирования. Более близким по совокупности признаков является устройство для управления скольжением асинхронного двигателя с фазным ротором, состоящее из задатчика, электрически соединенных между собой неуправляемого выпрямителя и регулятора напряжения, блока выявления нагрузки, выполненного в виде усилителя, вход которого подключен к первому входу блока выявления нагрузки, а также блока обратной связи, выполненного в виде выявителя скольжения, регулятора скольжения и регулятора тока, причем первый выход блока обратной связи соединен со вторым входом второго элемента сравнения, первый вход которого соединен с выходом задатчика, а выход соединен со входом регулятора скольжения, выход которого соединен с первым входом первого элемента сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока выявления нагрузки, вход которого электрически соединен с первым входом блока обратной связи и выходом регулятора напряжения, а выход - с первым входом регулятора тока, выход которого соединен со входом регулятора напряжения и вторым входом блока обратной связи [2]. Устройство позволяет обеспечить управление скольжением асинхронного двигателя с фазным ротором изменением ЭДС вводимой в цепь выпрямленного тока ротора, причем динамические характеристики процесса определяются функционированием регуляторов скольжения и тока. Известное устройство позволяет обеспечить стабилизацию рабочего режима асинхронного двигателя с фазным ротором, не позволяя осуществлять управление при непрерывном изменении выходного сигнала задатчика. Это обусловлено тем, что при изменении уровней стабилизации скольжения асинхронного двигателя с фазным ротором, определяемых сигналом на выходе задатчика, происходит изменение эквивалентных параметров двигателя в широком диапазоне, поскольку они зависят от его скольжения и, следовательно, в известном устройстве необходимо осуществлять коррекцию настроек регуляторов при переходе с одного уровня стабилизации на другой. Кроме того, известное устройство не позволяет согласовать динамические режимы управления отдельными асинхронными двигателями с фазным ротором при их работе на общую нагрузку или общий рабочий орган, например магистральный трубопровод водоснабжения. Это также обусловлено изменением эквивалентных параметров асинхронного двигателя с фазным ротором при изменении его скольжения, что приводит к изменению динамических параметров асинхронного двигателя с фазным ротором и, следовательно, динамических и статических показателей процесса регулирования. Вызванное изменением эквивалентных параметров асинхронного двигателя с фазным ротором соответствующее изменение характера переходных процессов приводит к возникновению дополнительных динамических усилий в рабочем органе или нагрузке, что ограничивает область практического использования известного устройства только системами стабилизации однодвигательных электроприводов. Задачей изобретения является расширение области применения и повышение точности процесса управления скольжением асинхронного двигателя с фазным ротором. Задача достигается тем, что в устройстве управления скольжением асинхронного двигателя с фазным ротором, содержащем асинхронный двигатель с фазным ротором, со стороны статора, подключенный к сети переменного тока, регулятор напряжения, выход которого через неуправляемый выпрямитель электрически соединен с ротором асинхронного двигателя с фазным ротором, а силовой вход - с сетью переменного тока, блок выявления нагрузки, содержащий первый усилитель, вход которого через первый вход блока выявления нагрузки соединен с выходом регулятора напряжения и через первый вход блока обратной связи - с первым входом выявителя скольжения, второй вход которого через второй вход блока обратной связи соединен со входом регулятора напряжения и выходом регулятора тока, первый вход которого соединен с выходом второго элемента сравнения, первый вход которого через регулятор скольжения соединен с выходом первого элемента сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока обратной связи, а первый - с выходом задатчика, причем второй вход второго элемента сравнения соединен с выходом блока выявления нагрузки, а выход выявителя скольжения - со вторым выходом блока обратной связи, отличительными от прототипа признаками является то, что в нем дополнительно установлен блок коррекции, содержащий первый нелинейный элемент, третий элемент сравнения и второй усилитель, выход которого через выход блока коррекции соединен со вторым входом регулятора тока, а вход - с входом третьего элемента сравнения, второй вход которого соединен со входом первого нелинейного элемента и через вход блока коррекции подключен к выходу регулятора напряжения, первый вход третьего элемента сравнения соединен с выходом первого нелинейного элемента, а в блоке выявления нагрузки дополнительно установлены первый сумматор, первый источник опорного сигнала, перемножитель и четвертый элемент сравнения, выход которого соединен с выходом блока выявления нагрузки, второй вход - с выходом первого усилителя, а первый вход с выходом перемножителя, один вход которого соединен со входом первого усилителя, а другой - с выходом второго сумматора, первый вход которого соединен с выходом первого источника опорного сигнала, а второй через второй вход блока выявления нагрузки соединен со вторым выходом блока обратной связи, в котором дополнительно установлены три усилителя, вторые нелинейный элемент и источник опорного сигнала, два элемента сравнения, форсирующее звено и второй сумматор, выход которого соединен с первым выходом блока обратной связи, причем второй источник опорного сигнала соединен с первым входом шестого элемента сравнения, второй вход которого соединен с выходом выявителя скольжения, а выход через последовательно соединенные четвертый усилитель и второй нелинейный элемент соединен со входом пятого усилителя и первым входом пятого элемента сравнения, второй вход которого соединен с выходом пятого усилителя и входом форсирующего звена, выход которого соединен со вторым входом второго сумматора, первый вход которого через шестой усилитель соединен с выходом пятого элемента сравнения, кроме того, что регулятор тока выполнен в виде суммирующего усилителя. На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства. Устройство для управления скольжением асинхронного двигателя 1 с фазным ротором, со стороны статора соединенного с сетью 2 переменного тока, а со стороны ротора электрически соединенного через неуправляемый выпрямитель 3 с регулятором 4 напряжения, силовой вход которого соединен с сетью 2 переменного тока, а управляющий вход - со вторым входом блока 5 обратной связи, первый вход которого соединен с выходом регулятора 4 напряжения, входом блока 6 коррекции и первым входом блока 7 выявления нагрузки, второй вход которого соединен со вторым выходом блока 5 обратной связи, первый выход которого соединен со вторым входом первого элемента 8 сравнения, первый вход которого соединен с выходом задатчика 9, а выход через регулятор 10 скольжения - с первым входом второго элемента 11 сравнения, второй вход которого соединен с выходам блока 7 выявления нагрузки, а выход - с первым входом регулятора 12 тока, выполненного в виде сумматора, выход которого соединен с управляющим входом регулятора 4 напряжения, а второй вход - с выходом блока 6 коррекции, состоящего из первого нелинейного элемента 13, вход которого соединен со вторым входом третьего элемента 14 сравнения и подключен ко входу блока 6 коррекции, выход которого через второй усилитель 15 подключен к выходу третьего элемента 14 сравнения, первый вход которого соединен с выходом первого нелинейного элемента 13. Блок 7 выявления нагрузки выполнен из перемножителя 16, один вход которого соединен с выходом первого сумматора 17, и двух усилителей 18 и 19, первого источника опорного сигнала 20 и четвертого элемента сравнения 21, причем вход первого усилителя 18 соединен с другим входом перемножителя 16 и подключен к первому входу блока 7 выявления нагрузки, второй вход которого через третий усилитель 19 подключен ко второму входу первого сумматора 17, первый вход которого соединен с выходом первого источника 20 опорного сигнала, выход блока 7 выявления нагрузки подключен к выходу четвертого элемента 21 сравнения, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя 18, а первый вход - с выходом перемножителя 16. Блок 5 обратной связи выполнен в виде последовательного соединения четвертого усилителя 22 и второго нелинейного элемента 23, выход которого соединен с первым входом пятого элемента 24 сравнения, второй вход которого через пятый усилитель 25 соединен с выходом второго нелинейного элемента 23. Кроме того, второй вход пятого элемента сравнения 24 соединен с входом форсирующего звена 26, выход которого соединен со вторым входом второго сумматора 27, первый вход которого через шестой усилитель 28 соединен с выходом пятого элемента 24 сравнения, а выход подключен к первому выходу блока 5 обратной связи, первый и второй входы которого подключены соответственно к первому и второму входам выявителя 29 скольжения, выход которого подключен ко второму выходу блока 5 обратной связи и соединен со вторым входом шестого элемента 30 сравнения, выход которого соединен со входом четвертого усилителя 22, а первый вход - с выходом второго источника 31 опорного сигнала. Устройство работает следующим образом При подключении к сети 2 статора асинхронного двигателя 1 с фазным ротором в его роторе появляется трехфазная электродвижущая сила (ЭДС), выпрямляемая неуправляемым выпрямителем 3, образующим совместно с регулятором 4 напряжения цепь выпрямленного тока ротора асинхронного двигателя 1 с фазным ротором. При этом ток ротора, момент и частота вращения асинхронного двигателя 1 с фазным ротором определяются величиной встречной ЭДС, формируемой на выходе регулятора 4 напряжения. Максимальное значение этой встречной ЭДС определяется уровнем напряжения сети, поступающего на силовой вход регулятора 4 напряжения, при минимальном значении сигнала управления на его управляющем входе. Когда уровень встречной ЭДС, прикладываемый к выходу неуправляемого выпрямителя 3, максимален, по цепи ротора асинхронного двигателя 1 с фазным ротором не протекает ток и его частота вращения равна нулю, а скольжение ротора равно единице. Увеличение частоты вращения, то есть снижение скольжения ротора, обеспечивается увеличением сигнала на управляющем входе регулятора 4 напряжения, приводит к уменьшению уровня его выходной ЭДС, поступающей на выход неуправляемого выпрямителя 3 и определяет уровень тока ротора асинхронного двигателя 1 с фазным ротором, зависящий также от момента нагрузки на его валу. Таким образом, изменение частоты вращения асинхронного двигателя 1 с фазным ротором определяется уравнением движения привода![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/48/486298.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/48/486299.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/48/486300.gif)
для второй рабочей области неуправляемого выпрямителя 3, где
k1 - коэффициент схемы неуправляемого выпрямителя 3;
Id - выпрямленный ток ротора;
Ер - действующее значение линейной ЭДС на кольцах неподвижного ротора асинхронного двигателя 1 с фазным ротором. Таким образом, движение привода определяется динамическим характером изменения выпрямленного тока ротора, устанавливаемого на основании уравнения электромагнитного равновесия цепи выпрямленного тока ротора в виде
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/48/486301.gif)
где Lэ - эквивалентная индуктивность цепи выпрямленного тока ротора;
Rэ= RЦВТ+s(r'1+3xр/
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/960.gif)
RЦВТ - активное сопротивление цепи выпрямленного тока ротора;
r'1 - активное сопротивление обмотки статора, приведенное к цепи ротора асинхронного двигателя 1 с фазным ротором;
xр - приведенное к ротору индуктивное сопротивление фазы асинхронного двигателя 1 с фазным ротором;
Ed0 - максимальное значение выпрямленной ЭДС ротора;
Edi0 - максимальная ЭДС на выходе регулятора 4 напряжения;
U - сигнал управления уровнем выходной ЭДС регулятора 4 напряжения. Повышение точности регулирования и устранение дополнительных динамических усилий в рабочем органе или нагрузке в многодвигательных системах электропривода возможно в том случае, если динамический характер управления асинхронным двигателем 1 с фазным ротором не будет зависеть от его скольжения, т.е. от изменения динамических параметров системы управления. Пусть требуемый характер изменения выпрямленного тока Id имеет вид, соответствующий слежению за "током" сопротивления
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/48/486302.gif)
где Idc=kмMc - условный ток, принятый пропорциональным моменту нагрузки на валу асинхронного двигателя 1 с фазным ротором;
kм - коэффициент пропорциональности;
b1 - коэффициент, определяющий характер динамического изменения скольжения ротора, выбираемый из условия обеспечения требуемой чувствительности к отклонению от линейной зависимости момента двигателя М от выпрямленного тока Id в виде
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/48/486303.gif)
где Mmax и Idmax - момент и ток асинхронного двигателя 1 с фазным ротором при максимальной нагрузке на устойчивой части механической характеристики;
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/948.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/48/486304.gif)
Заменяя в (4) скорость изменения тока dId/dt на требуемую, следующую из (6), определим, что это возможно лишь в том случае, если скольжение ротора подчиняется выражению
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/48/486305.gif)
где s0 - заданное значение скольжения. Это возможно в том случае, если скорость изменения скольжения также является заданной и имеет вид
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/48/486306.gif)
Подставляя (8) в (1) и учитывая (9) определим, что требуемый сигнал управления U должен иметь вид
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/48/486307.gif)
где
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/48/486308.gif)
fнагр=Id(Rэ-2
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/948.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/48/486309.gif)
где Iизм= M
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
Mc= k(
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
где k - коэффициент пропорциональности. В соответствии с требуемым алгоритмом управления (10) для расширения области применения и повышения точности процесса управления скольжением асинхронного двигателя 1 с фазным ротором необходимо предварительно сформировать сигналы (11), (12) и (13). Для этого используются блок 5 обратной связи, блок 6 коррекции и блок 7 выявления нагрузки. Формирование сигнала обратной связи, пропорционального (11), осуществляется в функции сигнала, пропорционального выпрямленному току ротора, поступающего на первый вход блока 5 обратной связи, и сигнала управления U, поступающего на его второй вход с выхода регулятора 12 тока. Эти сигналы с первого и второго входов блока 5 обратной связи поступают на соответствующие входы выявителя 29 скольжения, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный скольжению асинхронного двигателя 1 с фазным ротором, поступающий на его второй выход и второй вход шестого элемента 30 сравнения. Поскольку на первый вход шестого элемента 30 сравнения с выхода второго источника 31 опорного сигнала поступает сигнал, пропорциональный 1, на его выходе формируется сигнал (1-s), пропорциональный относительной частоте вращения асинхронного двигателя 1 с фазным ротором, поступающий на вход четвертого усилителя 22, коэффициент усиления которого пропорционален частоте вращения идеального холостого хода асинхронного двигателя 1 с фазным ротором в естественной схеме включения. Следовательно, на выходе четвертого усилителя 22, формируется сигнал, пропорциональный частоте вращения ротора асинхронного двигателя 1 с фазным ротором, поступающий на вход второго нелинейного элемента 23, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный моменту сопротивления Мс, поступающий на первый вход пятого элемента 24 сравнения и вход пятого усилителя 25, коэффициент усиления которого равен
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/48/486310.gif)
а на его выходе формируется сигнал, поступающий на второй вход пятого элемента 24 сравнения. На выходе пятого элемента 24 сравнения формируется сигнал разности момента и тока сопротивления асинхронного двигателя 1 с фазным ротором, поступающий через шестой усилитель 28 на первый вход второго сумматора 27. Коэффициент усиления шестого усилителя 28 равен b1/(JEd0) и, следовательно, пропорционален составляющей f2оc в (11). Поскольку сигнал, пропорциональный току сопротивления, с выхода пятого усилителя 25 через форсирующее звено 26 поступает на второй вход второго сумматора 27, то на его выходе формируется сигнал, пропорциональный составляющей f1оc в (11), если передаточная функция форсирующего звена 26 имеет вид
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/48/486311.gif)
где Кпр=2
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/948.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/948.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/960.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/948.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/948.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/48/486312.gif)
При работе двигателя на линейной части механической характеристики (16) при Id=
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/969.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/48/486313.gif)
Характерной особенностью выражений (16) и (17) является то, что динамический характер процесса изменения тока, а следовательно, и момента двигателя не зависит от изменения его параметров. Это значит, что при любых значениях заданного скольжения s0 постоянная времени процесса, равная 1/2
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/948.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/48/486314.gif)
T. o, скольжение асинхронного двигателя 1 с фазным ротором однозначно определяется только уровнем задающего сигнала, пропорционального s0, характеризуется постоянством частоты собственных колебаний
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/48/486315.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/948.gif)
асинхронный двигатель с фазным ротором - Асинхронные двигатели серии 4А. Справочник. - М.: Энергия, 1982, с. 504;
неуправляемый выпрямитель - Чиженко И. М., Руденко B.C., Синько В.И. Основы преобразовательной техники. Учебное пособие для специальности "Промышленная электроника", - М.: Высш. школа, 1974, 430 с. с ил., с.84;
регулятор напряжения - Чиженко И.М., Руденко B.C., Синько В.И. Основы преобразовательной техники. Учебное пособие для специальности "Промышленная электроника", - М.: Высш. школа, 1974, 430 с. с ил., с.135;
элемент сравнения - Автоматизация производства и промышленная электроника/ под ред. Берга А. И., Трапезникова В. А. в 4-х тт., т. 3. - М.: Советская энциклопедия, 1964, 487 с., с. 402;
задатчик - Справочник по преобразовательной технике/ Под. ред. Чиженко И.М. Киев, Техника, 1978, 447 с., с. 219;
регулятор скольжения - Сандлер А.С., Тарасенко Л.М. Динамика каскадных асинхронных электроприводов. - М.: Энергия, 1977, 200 с. с ил.;
регулятор тока - Сандлер А.С., Тарасенко Л.М. Динамика каскадных асинхронных электроприводов. - М.: Энергия, 1977, 200 с. с ил.;
нелинейный элемент - Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование: Теория и элементы систем. - М.: Машиностроение, 1973, 606 с., с. 100;
усилитель - Игумнов Д.В., Костюнина Г.П. Полупроводниковые устройства непрерывного действия. М.: Радио и связь, 1990, 256 с.: ил.;
перемножитель - Иващенко Н. Н. Автоматическое регулирование: Теория и элементы систем. - М.: Машиностроение, 1973, 606 с., с. 90;
сумматор - Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование: Теория и элементы систем. М.: Машиностроение, 1973, - 606 с. - с.82;
источник опорного сигнала - Игумнов Д.В., Костюнина Г.П. Полупроводниковые устройства непрерывного действия. М.: Радио и связь, 1990. - 256 с.: ил.;
форсирующее звено - Кирилов В.В., Моисеев B.C. Аналоговое моделирование динамических систем. - Л.: Машиностроение, 1977, 288 с., с. 242;
выявитель скольжения - Сандлер А.С., Тарасенко Л.М. Динамика каскадных асинхронных электроприводов. - М.: Энергия, 1977, 200 с. с ил. Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 1554105, МКИ Н 02 Р 7/46, 1990. 2. Сандлер А.С., Тарасенко Л.М. Динамика каскадных асинхронных электроприводов. - М.: Энергия, 1977, 200 с. с ил.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1