система векторного управления скоростью асинхронного электропривода

Формула изобретения

Система векторного управления скоростью асинхронного электропривода, содержащая контур потокосцепления ротора, включающий в себя последовательно соединенные элемент сравнения сигнала задания потокосцепления ротора и обратной связи и регулятор потокосцепления ротора, первый контур скорости, включающий в себя последовательно соединенные первый элемент сравнения сигнала задания частоты вращения ротора и обратной связи с датчика скорости, первый блок деления, первый регулятор скорости, выходы регулятора потокосцепления ротора и первого регулятора скорости подключены к соответствующим подчиненным контурам тока, каждый из которых содержит последовательно соединенные сумматор сигнала задания тока и обратной связи с соответствующего выхода преобразователя токов из неподвижной системы координат (,), во вращающуюся систему координат (x, y) и регулятор тока, выходы каждого из которых подключены через блок компенсации э.д.с. вращения и перекрестных связей, преобразователь координат из вращающейся системы (x, y) в неподвижную систему (,), и преобразователь двухфазной системы сигналов в трехфазную к управляющим входам преобразователя частоты, соединенного силовыми выходами через датчики тока с обмотками асинхронного электродвигателя, в зазоре которого установлены два датчика составляющих главного потокосцепления на элементах Холла, выходы которых через вычислитель составляющих потокосцепления ротора в неподвижной системе координат (,) подключены к входам преобразователя потокосцепления ротора из неподвижной системы координат (,) во вращающуюся систему координат (x, y), выходы датчиков тока фаз подключены через преобразователь трехфазной системы токов в двухфазную ко вторым информационным входам вычислителя составляющих потокосцепления ротора в неподвижной системе координат (,) и входам преобразователя токов из неподвижной системы координат (,) во вращающуюся систему координат (x, y), угол поворота которой, относительно неподвижной системы координат (,), равен _c= _ct, вторые развертывающие входы преобразователей координат подключены к выходам направляющих sin_c и cos_c двухфазного генератора, вторые и третьи входы блока компенсации э.д.с. вращения и перекрестных связей к выходам преобразователя токов из неподвижной системы координат (,) во вращающуюся систему координат (x, y) и выходу датчика скорости, отличающаяся тем, что введен контур автоподстройки частоты потокосцепления, содержащий последовательно соединенные регулятор частоты, второй делитель выходной сигнал которого задающий синхронную частоту _c подключен к входу двухфазного генератора и четвертому входу блока компенсации э.д.с. вращения и перекрестных связей, а управляющий вход совместно с управляющим входом первого блока делителя, входом обратной связи элемента сравнения контура потокосцепления ротора и пятым входом блока компенсации э. д. с. вращения и перекрестных связей соединен с выходом _rx преобразователя потокосцепления ротора из неподвижной системы координат (,) во вращающуюся систему координат (x, y) через первый низкочастотный фильтр, причем вход регулятора частоты подключен к выходу _ry преобразователя потокосцепления ротора из неподвижной системы координат (,) во вращающуюся систему координат (x, y) через второй низкочастотный фильтр, кроме того, введен дополнительный контур скорости, содержащий последовательно включенные второй элемент сравнения сигнала задания частоты и обратной связи с датчика скорости, ключ и второй регулятор скорости, выход которого через элемент сравнения первого контура скрости и первый блок делителей соединен с входом первого регулятора скорости, выход первого элемента сравнения через реле с зоной нечувствительности соединен с управляющим входом ключа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области систем автоматического управления электроприводами переменного тока и может быть использовано для частотного регулирования скорости асинхронного двигателя.

Известна частотно-токовая система для регулирования скорости асинхронного электродвигателя [1], содержащая контур скорости, сигнал ошибки которого пропорциональный активной составляющей тока (моменту нагрузки) поступает совместно с сигналом задания намагничивающей составляющей тока пропорциональной потокосцеплению через преобразователь координат из вращающейся системы отсчета к неподвижной системе координат статора на входы контуров фазных токов асинхронного двигателя.

Преобразование координат осуществляется с помощью двух модуляторов датчика угла поворота двигателя, дифференциального датчика угла и тахометрической следящей системы.

Недостатками данной системы являются низкие статические и динамические свойства системы регулирования. Это обусловлено упрощенным подходом в реализации контуров управления и отсутствуем обратной связи по потокосцеплению. При формировании момента возможно отклонение потокосцепления от заданного в результате изменения активного сопротивления ротора и насыщении машины. Кроме того, не учитывается влияние перекрестных связей и ЭДС вращения в контурах фазных токов, что приводит к амплитудным и фазовым погрешностям формирования фазных токов. Оптимизация переходных процессов в контурах фазных токов затруднена, так как регуляторы должны иметь переменную полосу пропускания.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является система векторного управления скоростью асинхронного электропривода типа "Трансвектор" [2], выбранная в качестве прототипа. Система содержит два основных контура: контур регулирования потокосцепления ротора и контур регулирования скорости. Контур потокосцепления ротора включает в себя последовательно соединенные элемент сравнения сигнала задания потокосцепления ротора и обратной связи с решающего блока, регулятор потокосцепления ротора, а контур скорости - элемент сравнения сигнала задания скорости, поступающий через задатчик интенсивности и фильтр, и обратной связи с датчика скорости, регулятор скорости, блок деления, второй информационный вход которого соединен с сигналом потокосцепления ротора с выхода решающего блока. Выходы регулятора потокосцепления ротора и делителя подключены к соответствующим подчиненным контурам тока, каждый из которых содержит сумматор сигналов задания тока и обратной связи с соответствующего выхода преобразователя токов из неподвижной системы координат (,) во вращающуюся систему координат (x, y), выходы регуляторов тока подключены через блок компенсации ЭДС вращения и перекрестных связей, преобразователь координат из вращающейся системы (x, y) неподвижную систему (,) и преобразователь двухфазной системы сигналов в трехфазную к управляющим входам преобразователя частоты. В зазоре двигателя установлены два датчика составляющих главного потокосцепления на элементах Холла, выходы которых через вычислитель составляющих потокосцепления ротора в неподвижной системе координат (,) подключены к входам решающего блока. Датчики тока фаз через преобразователь трехфазной системы токов в двухфазную подключены к преобразователю токов из неподвижной системы координат (,) во вращающуюся систему координат (x, y). Развертывающие входы преобразователей координат подключены к выходам направляющих sin _c и cos _c решающего блока, второй и третий входы блока компенсации ЭДС вращения и перекрестных связей соединены соответственно с выходом датчика скорости и выходом сигнала потокосцепления с решающего блока, вторые входы вычислителя составляющих потокосцепления ротора в неподвижной системе координат (,) соединены с выходами преобразователя трехфазной системы токов в двухфазную.

Угол _c определяется по составляющим тока статора i_2s и потокосцепления ротора _1r в системе координат, вращающихся с частотой _c



Здесь ,_r - частоты потокосцепления ротора относительно неподвижной системы координат статора и его скольжения (см. уравнение 3.41 [2]).

Рассмотренный выше аналог в явном виде не содержит блоков, реализующих данное уравнение, но вариант реализации следует из рассмотрения структурной схемы АД в системе отсчета, ориентированной по вектору _r (см. рис. 1.4 [2] ). Формирование частоты _c по указанным составляющим рассмотрено в [3].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже результата при использовании известной системы, принятой за прототип, относится то, что в известной системе статические и динамические показатели системы регулирования зависят от температуры и режима работы привода. Наибольшее влияние на характеристики электропривода оказывает электромагнитная постоянная времени ротора T_r, так как сопротивление роторной цепи R_r при нагреве двигателя может измениться в 1,5 раза. Кроме того, при насыщении изменяется индуктивность обмотки ротора L_r. Таким образом, вычисление частоты скольжения _r по составляющим тока статора и потока ротора при изменении T_r приводит к тому, что условие развязки между каналами регулирования потока и момента не выполняется. Возникают значительные перерегулирования в кривых момента и потокосцепления ротора, их установившиеся значения не соответствуют заданным.

Сущность изобретения заключается в решении задачи стабилизации системы регулирования при изменении параметров роторной цепи и регулирующих устройств системы управления. Это достигается путем принудительной ориентации потока машины за счет введения контура автоподстройки частоты потокосцепления.

Технический результат заключается в повышении статических и динамических показателей систем векторного управления электроприводами переменного тока.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известной системе векторного управления скоростью асинхронного электропривода, содержащей контур потокосцепления ротора, включающий в себя последовательно соединенные элемент сравнения сигнала задания потокосцепления ротора и обратной связи и регулятор потокосцепления ротора, первый контур скорости, включающий в себя последовательно соединенные первый элемент сравнения сигнала задания частоты вращения ротора и обратной связи с датчика скорости, первый блок делителей, первый регулятор скорости, выходы регулятора потокосцепления ротора и первого регулятора скорости подключены к соответствующим подчиненным контурам тока, каждый из которых содержит последовательно соединенные сумматор сигнала задания тока и обратной связи с соответствующего выхода преобразователя токов из неподвижной системы координат (,) во вращающуюся систему координат (x, y) и регулятор тока выход каждого из которых подключены через блок компенсации ЭДС вращения и перекрестных связей, преобразователь координат из вращающейся системы (x, y) в неподвижную систему (,) и преобразователь двухфазной системы сигналов в трехфазную к управляющим входам преобразователя частоты, соединенного силовыми выходами через датчики тока с обмотками асинхронного электродвигателя, в зазоре которого установлены два датчика составляющих главного потокосцепления на элементах Холла, выходы которых через вычислитель составляющих потокосцепления ротора в неподвижной системе координат (,) подключены к входам преобразователя потокосцепления ротора из неподвижной системы координат (,) во вращающуюся систему координат (x, y), выходы датчиков тока фаз подключены через преобразователь трехфазной системы токов в двухфазную ко вторым информационным входам вычислителя составляющих потокосцепления ротора в неподвижной системе координат (,) и входам преобразователя токов из неподвижной системы координат (,) во вращающуюся систему координат (x, y), угол поворота которой относительно неподвижной системы координат (,) равен _c= _ct, вторые развертывающие входы преобразователей координат подключены к выходам направляющих sin _c и cos _c двухфазного генератора, вторые и третьи входы блока компенсации ЭДС вращения и перекрестных связей к выходам преобразователя токов из неподвижной системы координат (,) во вращающуюся систему координат (x, y) и выходу датчика скорости, особенность заключается в том, что введен контур автоподстройки частоты потокосцепления, содержащий последовательно соединенные регулятор частоты, второй блок делителей, выходной сигнал которого задающий синхронную частоту _c подключен к входу двухфазного генератора и четвертому входу блока компенсации ЭДС вращения и перекрестных связей, а управляющий вход совместно с управляющим входом первого блока делителей, входом обратной связи элемента сравнения контура потокосцепления ротора и пятым входом блока компенсации ЭДС вращения и перекрестных связей соединен с выходов _rx преобразователя потокосцепления ротора из неподвижной системы координат (,) во вращающуюся систему координат (x, y) через первый низкочастотный фильтр, причем вход регулятора частоты подключен к выходу _ry преобразователя потокосцепления ротора из неподвижной системы координатор (,) во вращающуюся систему координат (x, y) через второй низкочастотный фильтр, кроме того, введен дополнительный контур скорости, содержащий последовательно включенные второй элемент сравнения сигнала задания частоты и обратной связи с датчика скорости, ключ и второй регулятор скорости, выход которого через элемент сравнения первого контура скорости и первый блок делителей соединен с входом первого регулятора скорости, выход первого элемента сравнения через реле с зоной нечувствительности соединен с управляющим входом ключа.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "Новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "Изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижения технического результата, в частности заявленным изобретением, не предусматривается следующее:

- вычисление частоты скольжения ротора по составляющим тока и потока машины или принудительное его задание по разности между заданным значением угловой скорости вращения и ее фактическим значением с датчика скорости (см: формулу 3.52 [2]):

- замена решающего блока на преобразователь потокосцепления не внесена в отличающуюся часть формулы изобретения, так как подобное преобразование известно;

- дополнение известными связями с выходов преобразователя токов из неподвижной системы координат (,) во вращающуюся систему координат (x, y) на входы блока компенсации ЭДС вращения и перекрестных связей.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественных признаков, введение известных блоков (блока деления, двухфазного генератора) и представление таких признаков во взаимосвязи вытекает из основной идеи изобретения - охвата замкнутым зависимым контуром автоподстройки частоты координаты (составляющей потока _2r), влияние которой необходимо компенсировать. В аналогах заявляемого изобретения указанные блоки используются по другому функциональному назначению и имеют другие функциональные связи.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "Изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, на которых изображено: на фиг.1 - функциональная схема системы векторного управления скоростью асинхронного электродвигателя АД, на фиг. 2 - структурная схема системы векторного управления скоростью АД. Заявляемая согласно формуле изобретения "Система векторного управления скоростью асинхронного электропривода" содержит контур потокосцепления ротора, включающий в себя последовательно соединенные элемент 1 сравнения сигнала задания потокосцепления ротора и обратной связи с преобразователя потокосцепления ротора из неподвижной системы координат (,) во вращающуюся систему координат (x, y) регулятор 2 потокосцепления ротора, два контура скорости, один из которых содержит последовательно включенные второй элемент 3 сравнения сигнала задания частоты вращения ротора и обратной связи с выхода датчика скорости, ключ 4, второй регулятор 5 скорости, выход которого через первый элемент 6 сравнения первого контура скорости, и первый блок 7 делителей соединен с входом первого регулятора 8 скорости. Выходы регулятора 2 потокосцепления ротора и регулятора 8 контура скорости подключены соответственно через сумматоры 9, 10 подчиненных контуров тока, регуляторы тока 11, 12, два канала блока 13 компенсации ЭДС вращения и перекрестных связей, преобразователя 14 координат из вращающейся системы (x, y) в неподвижную систему (,) и преобразователя 15 двухфазной системы сигналов в трехфазную к управляющим входам преобразователя 16 частоты, силовые выходы которого через датчики тока 17, 18, 19 подключены к обмоткам асинхронного двигателя 20. Выходы датчиков 17, 18, 19 тока фаз двигателя через преобразователь 21 трехфазной системы токов в двухфазную и преобразователь 22 токов из неподвижной системы координат (,) во вращающуюся систему координат (x, y) подключены к соответствующим вторым входам сумматоров 9, 10 контуров тока и блока 13 компенсации. В зазоре двигателя 20 установлены датчики 23, 24 составляющих главного потокосцепления на элементах Холла, выходы которых через вычислитель 25 составляющих потокосцепления ротора в неподвижной системе координат (,) подключены к входам преобразователя 26 потокосцепления ротора из неподвижной системы координат (,) во вращающуюся систему координат (x, y), выход которого, характеризующий составляющую _rx потокосцепления ротора, через 1-ый низкочастотный фильтр 27 соединен с входом обратной связи элемента 2 сравнения контура потокосцепления, с 5-ым входом блока 13 и управляющими входами блоков 7 и 31 делителей. Выход элемента 6 сравнения первого контура скорости дополнительно подключен через реле 28 с зоной нечувствительности к управляющему входу ключа 4, выход _ry преобразователя 26 через 2-ой низкочастотный фильтр 29, регулятор 30 частоты и блок 31 делителей соединен с входом двухфазного генератора 32, выходы направляющих sin _c/ и cos _c которого подключены к развертывающим входам преобразователей 14, 22, 26. Выходы преобразователя 21 дополнительно подключены ко вторым информационным входам вычислителя 25. Выход датчика скорости 33 двигателя соединен с 3-им входом блока 13 и входами обратных связей элементов 3,6 сравнения. Выход второго блока 31 делителей дополнительно подключен к 4-му входу блока 13 компенсации ЭДС и перекрестных связей.

Принцип организации системы управления основан на описании асинхронного двигателя как обобщенной электрической машины в ортогональной системе координат XY, вращающейся с синхронной частотой _c















напряжений, токов, потокосцеплений соответственно статора и ротора на вращающиеся оси координат X и Y; R_S, R_r - приведенные сопротивления обмоток статора и ротора: L_s, L_r, l_m - индуктивности статорной и роторной цепи и их взаимная индуктивность.

В дальнейшем при выводе уравнений опустим индексы (X, y), так как все обобщенные векторы относятся к одной и той же системе вращающихся координат.

Определяя I_r из (4) и производя подстановку в (3), получим



где - переходная индуктивность статорной обмотки.

Учитывая, что для АД с короткозамкнутым ротором = 0, уравнение (2) можно записать в следующем виде



Подставив в (1) последовательно (5) и (6), после преобразований уравнение статора в операторной форме можно записать следующим образом:



где T_s = L"_s/R"_s - постоянная времени статора;

R"_s = R_s + K²_rR_r;

K_r = l_m/L_r - коэффициент связи ротора;

T_r = L_r/R_r - постоянная времени ротора.

Записывая уравнение ротора (6) в операторной форме записи, получим:



Разложив (7) и (8) на действительную и мнимую части, найдем: для статора







Дополним данные уравнения выражением для электромагнитного момента



где Z_p - число пар полюсов обмотки двигателя.

На основании (9), (10) и (11) на фиг. 2 представлена структурная схема двигателя. Основная идея структуры с ориентацией по потокосцеплению ротора базируется на обеспечении условия _r = const. Существенное упрощение структуры системы регулирования достигается путем развязки каналов потокосцепления и момента. Одно из основных условий, соответствующих оптимизации структуры, соответствует _ry = 0. Это достигается введением контура автоподстройки, содержащего регулятор частоты и делитель. С учетом значительной постоянной времени роторной цепи в качестве регулятора целесообразно использовать ПИ-регулятор. Передаточная функция регулятора контура автоподстройки при этом будет



где эквивалентная постоянная времени T = 2T_f, при учете постоянной времени фильтров в каналах датчиков потокосцепления, выбирается из условия настройки контура на модульный оптимум. Процессы в контуре описываются следующим уравнением



При достаточно малой постоянной времени T_f переходными процессами в контуре можно пренебречь и считать, что влияние составляющей потокосцепления ротора _ry на величину момента АД пренебрежительно мало. Формирование момента при этом можно осуществлять за счет двух основных составляющих _rx,I_sy. Выбор регуляторов и контуров управления осуществляется в соответствии с принципами подчиненного регулирования параметров.

Канал регулирования потокосцепления ротора содержит подчиненный контур составляющей тока I_sx, а контур составляющей тока I_sy подчинен контуру скорости. Для развязки контуров управления и устранения влияния перекрестных связей



используются компенсирующие связи, которые вводятся на выходе регуляторов тока. Влиянием связи K_r,_ry можно пренебречь. Настройка контуров тока на модульный оптимум обеспечивается ПИ-регуляторами составляющих тока с передаточной функцией



где K,T - коэффициент передачи и постоянная времени преобразователя частоты.

Передаточная функция регулятора потокосцепления имеет вид



где k_i,k - коэффициенты передачи датчиков тока и потокосцепления, i - суммарная постоянная времени токового контура.

Регулятор скорости выполнен двухконтурным. При этом его параметры выбираются следующим образом



где T= 2T+T_f,T_C= 2T,K - коэффициент передачи датчика скорости.

Астатическое регулирование скорости из-за ограниченной перегрузочной способности двигателя и преобразователя возможно лишь за счет регулирования частоты питающих напряжений. Ограничение тока и, следовательно, максимально допустимого скольжения осуществляется с помощью блока ограничения. Для исключения переполнения при программной реализации регуляторов, а также накопления интегральной составляющей в переходных режимах ошибка между заданным значением и текущим значением скорости анализируется с помощью реле 28. Если значение ошибки больше зоны нечувствительности реле, то происходит размыкание ключа 4 и интегральная составляющая ограничивается. Это позволяет повысить быстродействие системы регулирования. Кроме того, изменением величины зоны нечувствительности реле можно регулировать темп нарастания скорости.

На управляющее воздействие система будет настроена на модульный оптимум, а на возмущающее воздействие на симметричный, так как со стороны нагрузки эквивалентная передаточная функция регулятора будет



Практическая реализация системы векторного управления предполагает установку в зазоре машины 20 на магнитных осях фаз A и B двух датчиков Холла 23,24, с помощью которых контролируются составляющие главного потокосцепления _0A,_0B. Приведение указанных составляющих к системе координат (,)



и формирование составляющих потокосцепления ротора в неподвижной системе координат (,) осуществляется вычислителем 25 в соответствии с выражениями



где L_s,L_s - составляющие токов статора вырабатываются преобразователем 21.

Переход к вращающейся системе координат осуществляется с помощью преобразователя 26 в соответствии со следующими выражениями



гдe _c= _cdt.

Слежение за синхронной частотой _c и дальнейшее ее преобразование в синусоидальный и косинусоидальный нормированные сигналы осуществляется путем контроля составляющей _ry с помощью регулятора 30 частоты, делителя 31 и генератора 32 двухфазных колебаний.

Подавление высокочастотных помех от коммутационных составляющих напряжений и токов преобразователя частоты 16 в каналах измерения потокосцепления осуществляется фильтрами 27, 29 низкой частоты.

Проекции вектора тока статора в системе координат (X, Y), аналогично составляющим потокосцепления, представляются сигналами постоянного тока и не зависят от частоты питания машины



Данные проекции формируются преобразователем 22, а переход от фазных токов I_A, I_B, I_C к составляющим вектора тока статора в системе координат (,) осуществляется преобразователем 21 по следующим выражениям

I_s= I_A,



Для развертки сигналов управления автономным инвертором напряжения преобразователя частоты 16 используется преобразователь 14 координат, осуществляющий переход от вращающейся системы координат к неподвижной системе координат



и преобразователь 15 для формирования трехфазной системы управляющих сигналов





Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленной системы следующей совокупности условий:

- существенные признаки, характеризующие сущность изобретения, в принципе, могут быть многократно использованы в технике автоматического управления частотно-регулируемыми электроприводами в различных областях промышленности с получением технического результата, заключающегося в регламентации пускотормозных режимов и обеспечении астатического регулирования скорости;

- для реализации принципа построения системы могут быть использованы как аналоговые, так и аналого-цифровые средства управления, включая микропроцессорную технику:

- средства, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, независимо от их вида способны обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "Промышленная применимость".

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Бродовский В.Н., Иванов B.С. Приводы с частотно-токовым управлением. М.: Энергия, 1974. с. 37-47, с. 134-138, рис. 3-2.

2. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями. О.В. Слежановский, Л.Х. Дацковский. И.С. Кузнецов и др. - М.: Энергоатомиздат. 1983, с. 9-22, с. 109-128, рис.3.8.

3. Богаченко Д.Д., Гусяцкий Ю.М., Жуков С.В. Широкодиапазонный асинхронный электропривод с микропроцессорным управлением. - Электротехника. 1989, N 12, с. 2-5.