RU2819147C1 - Устройство управления асинхронным двигателем - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к устройству управления электродвигателями с помощью векторного управления. Устройство управления асинхронным двигателем содержит преобразователь частоты, первые входы которого подключены к трехфазной сети, а его выходы через датчики тока связаны с входами асинхронного двигателя, два преобразователя координат, задатчик скорости, первый и второй регуляторы тока, первый, второй и третий элементы сравнения, регулятор скорости, вычислитель d-составляющей тока двигателя, вычислитель q-составляющей тока двигателя, вычислитель скольжения, вычислитель угла поворота и датчик скорости, блок вычисления тока статора и блок оптимального регулирования. Блок оптимального регулирования содержит блок управления и блок выбора направления поиска. Блок вычисления тока статора содержит первый и второй умножители, сумматор и вычислитель квадратного корня. Выход блока вычисления тока статора через блок оптимального регулирования связан с входом вычислителя d-составляющей тока двигателя, вторыми входами вычислителя q-составляющей тока двигателя и вычислителя скольжения. Технический результат заключается в повышении энергетической эффективности устройства управления асинхронным двигателем. 3 ил.

Description

Устройство относится к электротехнике и предназначено для повышения энергетической эффективности работы асинхронного двигателя.

Общеизвестно, что одним из недостатков эксплуатируемых в настоящее время асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором является недостаточно высокая энергетическая эффективность их работы.

Наивысшие энергетические показатели асинхронного двигателя достигаются в номинальном режиме работы при постоянной величине номинального потокосцепления ротора и характеризуются наименьшим значением тока статора двигателя. В отличных от номинального режима работы при постоянной величине номинального потокосцепления ротора происходит снижение энергетической эффективности двигателя, сопровождающейся увеличением тока статора двигателя.

Для снижения тока статора двигателя в отличных от номинального режима работы следует соответствующим образом изменять величину потокосцепления ротора для уменьшения тока статора двигателя и, соответственно, увеличения энергетических показателей асинхронного двигателя.

Таким образом, энергетическая эффективность работы асинхронного двигателя характеризуется степенью потребления им тока статора, а его уменьшение способствует повышению энергетической эффективности двигателя.

Для повышения энергетической эффективности применяются различные устройства управления асинхронным двигателем.

Известно устройство векторного управления асинхронным двигателем с постоянной величиной потокосцепления ротора (Усольцев А.А. Частотное управление асинхронными двигателями/учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТ-МО, 2006, - 94 с).

Устройство векторного управления асинхронным двигателем содержит преобразователь частоты, первые входы которого подключены к трехфазной сети, а его выходы через датчики тока связаны с входами асинхронного двигателя, первый и второй преобразователи координат, каналы управления потокосцеплением и скоростью, блок модели роторной цепи и датчик скорости.

Канал управления потокосцеплением состоит из задатчика потока, первого и второго элементов сравнения, регулятора потока, а также первого регулятора тока. При этом выход задатчика потока связан с первым входом первого элемента сравнения, выход которого через регулятор потока соединен с первым входом второго элемента сравнения, выход которого подключен к входу первого регулятора тока, выход которого является выходом канала управления потокосцеплением.

Канал управления скоростью состоит из задатчика скорости, третьего и четвертого элементов сравнения, регулятора скорости, делителя и второго регулятора тока. При этом выход задатчика скорости подключен к первому входу третьего элемента сравнения, выход которого через регулятор скорости связан с первым входом делителя, выход которого соединен с первым входом четвертого элемента сравнения, выход которого подключен к входу второго регулятора тока, выход которого является выходом канала управления скоростью.

Выходы каналов управления потокосцеплением и скоростью через первые входы первого преобразователя координат подключены к вторым входам преобразователя частоты. Выходы второго преобразователя координат соединены с соответствующими вторыми входами второго и четвертого элементов сравнения, а также с первым и вторым входом блока модели роторной цепи, первый и второй выходы которого связаны со вторыми входами первого преобразователя координат и с первыми входами второго преобразователя координат, вторые входы которого подключены к выходам датчиков тока. Третий выход блока модели роторной цепи соединен со вторым входом первого элемента сравнения и со вторым входом делителя. Асинхронный двигатель связан с датчиком скорости, выход которого подключен к третьему входу блока модели роторной цепи и ко второму входу третьего элемента сравнения.

Устройство векторного управления асинхронным двигателем работает следующим образом.

Система управления асинхронным двигателем построена во вращающейся системе координат d - q, ось d которой ориентирована по направлению потокосцепления ротора . Устройство векторного управления двигателем реализует закон регулирования с постоянной величиной потокосцепления ротора . В соответствии с эти законом электромагнитный момент на валу двигателя определяется выражением:

где - число пар полюсов двигателя;

- коэффициент электромагнитной связи ротора;

- потокосцепление ротора;

- проекция тока статора на ось q.

Таким образом, электромагнитный момент на валу двигателя и, соответственно, скорость вращения ротора определяется постоянным значением потокосцепления ротора и величиной проекции тока статора на вращающуюся систему координат d-q. Кроме этого, для управления двигателем необходимо знать положение вращающегося вектора потокосцепления относительно неподвижной системы координат α-β, которое определяется углом поворота . В устройстве векторного управления реализован принцип регулирования с непосредственной ориентацией по полю, содержащий контуры регулирования по потокосцеплению и скорости.

В устройстве векторного управления реализован классический принцип регулирования по отклонению (по ошибке). С помощью задатчика потокосцепления и задатчика скорости задаются требуемые значения потокосцепления и скорости двигателя . Первый и третий элементы сравнения определяют соответствующие значения ошибок регулирования по потокосцеплению и по скорости . Эти сигналы поступают на вход, соответственно, регулятора потока и регулятора скорости. На выходе регулятора потока формируется сигнал заданного значения проекции тока статора на ось d вращающейся системы координат d-q.

На выходе делителя вычисляется сигнал заданного значения проекции тока статорана ось q вращающейся системы координат d-q, полученного в результате деления сигналов заданного электромагнитного момента с выхода регулятора скорости и сигнала фактического значения потокосцепления .

Второй и четвертый элементы сравнения вычисляют разности между заданными и фактическими значениями проекций тока статора и на оси d и q вращающейся системы координат d-q. Эти сигналы поступают на входы первого и второго регуляторов тока, в которых формируются сигналы заданных значений проекций напряжений на вращающуюся систему координат d-q.

С помощью первого преобразователя координат происходит преобразование заданных значений проекций сигналов из вращающейся системы координат d-q в заданные величины напряжений для неподвижной трехфазной системы координат а-b-с. По величине этих сигналов, а также напряжению сети в преобразователе частоты происходит формирование трехфазной системы напряжений для асинхронного двигателя, удовлетворяющих заданным значениям потокосцепления и скорости вращения двигателя

С помощью второго преобразователя координат происходит преобразование текущих значений токов двигателя из трехфазной неподвижной системы координат а-b-с во вращающуюся систему d-q. На выходе второго преобразователя координат формируются сигналы фактических значений тока двигателя в проекциях на вращающиеся оси координат d-q, которые сравниваются с их заданными значениями на входе второго и четвертого элементов сравнения.

Для работы преобразователей координат необходимо знать текущее значение угла поворота между вращающейся (d-q) и неподвижной (а-b-с) системами координат. Сигналы sin ϑ и cos ϑ угла ϑ вычисляются с помощью блока модели роторной цепи и поступают на входы преобразователей координат для выполнения процедуры преобразования. Входными сигналами блока модели роторной цепи являются фактические значения токов двигателя , полученные во втором блоке преобразования координат, а также текущее величина скорости двигателя , измеренная с помощью датчика скорости, установленного на валу асинхронного двигателя.

Сигнал текущего значения скорости двигателя поступает также на второй вход третьего элемента сравнения, где сравнивается с заданным значением . С помощью блока модели роторной цепи вычисляется текущее значение потокосцепления , для канала управления потокосцеплением, а также для выполнения процедуры деления в делителе. Таким образом, устройство векторного управления обеспечивает требуемые значения электромагнитного момента и скорости двигателя в соответствии с заданными значениями потокосцепления и скорости двигателя

Выбор величины потокосцепления ротора определяет энергетическую эффективность работы двигателя. Асинхронные двигатели разрабатываются в соответствии с критерием оптимизации энергетических параметров в номинальном режиме. Если предполагается продолжительная работа двигателя в номинальном режиме, то величина потокосцепления ротора выбирается равной его значению в номинальном режиме:

Достоинством известного устройства с постоянным значением потокосцепления ротора является высокое значение энергетической эффективности, обусловленное минимальным значением потребляемого тока.

Однако достижение высокого значения энергетической эффективности асинхронного двигателя обеспечивается лишь при определенном (номинальном) режиме работы двигателя. Это обусловлено применением в известном устройстве системы управления, основанной на работе двигателя с постоянным значением потокосцепления ротора.

Отклонение режима работы двигателя от номинального вызывает увеличение потребляемого тока и снижение энергетической эффективности, что является недостатком известного устройства.

Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков является устройство векторного управления асинхронным двигателем, основанное на работе с различной величиной потокосцепления, обеспечивающего повышение энергетической эффективности асинхронного двигателя в номинальном и отличном от номинального режимах работы [Калачев Ю.Н. SimInTex: моделирование в электроприводе. - М.: ДМК Пресс, 2019. - 93 с]. В устройстве векторного управления реализован принцип регулирования с косвенной ориентацией по полю, не содержащий контур стабилизации потокосцепления.

Устройство векторного управления асинхронным двигателем содержит преобразователь частоты, первые входы которого подключены к трехфазной сети, а его выходы через датчики тока связаны с входами асинхронного двигателя, два преобразователя координат, задатчик скорости, первый и второй регуляторы тока, первый, второй и третий элементы сравнения, регулятор скорости, вычислитель потокосцепления, вычислитель d - составляющей тока двигателя, вычислитель q - составляющей тока двигателя, вычислитель скольжения, вычислитель угла поворота и датчик скорости.

Задатчик скорости соединен с первым входом первого элемента сравнения, выход которого через регулятор скорости связан с первыми входами вычислителя q - составляющей тока двигателя и вычислителя скольжения, а также с входом вычислителя потокосцепления, выход которого подключен к вторым входам вычислителя q - составляющей тока двигателя и вычислителя скольжения, а также к входу вычислителя d - составляющей тока двигателя, выход которого соединен с первым входом второго элемента сравнения, выход которого через первый регулятор тока связан с первым входом первого преобразователя координат, выход вычислителя q - составляющей тока двигателя подключен к первому входу третьего элемента сравнения, выход которого через второй регулятор тока соединен со вторым входом первого преобразователя координат, выходы которого связаны со вторыми входами преобразователя частоты, выходы датчиков тока подключены к первым входам второго преобразователя координат, выходы которого соединены со вторыми входами второго и третьего элементов сравнения, выход вычислителя скольжения связан с первым входом вычислителя угла поворота, выходы которого подключены к вторым входам второго преобразователя координат и к третьим входам первого преобразователя координат, асинхронный двигатель связан с датчиком скорости, выход которого подключен к вторым входам вычислителя угла потока и первого элемента сравнения.

Устройство векторного управления асинхронным двигателем работает следующим образом.

Задатчик скорости задает сигнал заданной скорости вращения асинхронного двигателя , который с помощью первого элемента сравнения сравнивается с фактической скоростью двигателя . Сигнал рассогласования (ошибки) по скорости с выхода первого элемента сравнения поступает на вход регулятора скорости, где из сигнала рассогласования по скорости вырабатывается сигнал заданного значения электромагнитного момента на валу двигателя. Сигнал поступает на вход вычислителя потокосцепления, выполняющего функцию задатчика оптимального значения потокосцепления ротора по критерию минимального тока статора двигателя. Значение рассчитывается в соответствии с выражением:

где - индуктивность намагничивания двигателя;

- индуктивность рассеяния ротора.

Сигнал поступает на вход вычислителя d - составляющей тока двигателя, а также на вторые входы вычислителя q - составляющей тока двигателя и вычислителя скольжения. В устройствах d - и q - составляющих тока двигателя рассчитываются заданные значения проекций тока статора двигателя на оси d-q вращающейся системы координат, обеспечивающие оптимальную величину потокосцепления по формулам:

Формулы (3) получены при допущении линейной зависимости индуктивности намагничивания от тока двигателя, а также без учета индуктивности рассеяния ротора

В устройстве вычисления скольжения рассчитывается скорость скольжения ротора при оптимальном значении потокосцепления и заданном значении электромагнитного момента

где R_R - активное сопротивление роторной цепи двигателя.

Второй и третий элементы сравнения вычисляют разности между заданными и фактическими значениями проекций тока статора на оси d и q вращающейся системы координат d-q. Эти сигналы поступают на входы первого и второго регуляторов тока, в которых формируются сигналы , пропорциональные заданным значениям проекций токов на вращающуюся систему координат d-q.

С помощью первого преобразователя координат происходит преобразование заданных значений сигналов из вращающейся системы координат d-q в заданные величины сигналов для неподвижной трехфазной системы координат а-b-с. По величине этих сигналов, а также напряжению сети в преобразователе частоты происходит формирование трехфазной системы напряжений U_A-U_B-U_C для асинхронного двигателя, удовлетворяющих заданным оптимальным значениям потокосцепления и скорости вращения двигателя

С помощью второго преобразователя координат происходит преобразование текущих значений токов двигателя из трехфазной неподвижной системы координат а-b-с во вращающуюся систему d-q. На выходе второго преобразователя координат формируются сигналы фактических значений тока двигателя в проекциях на вращающиеся оси координат d-q, которые сравниваются с их заданными значениями на входе второго и третьего элементов сравнения.

Для работы преобразователей координат необходимо знать текущее значение угла поворота между вращающейся (d-q) и неподвижной (а-b-с) системами координат. Сигналы вычисляются с помощью вычислителя угла потокосцепления и поступают на входы преобразователей координат для выполнения процедуры преобразования.

Входными сигналами вычислителя угла потокосцепления являются скорость скольжения ротора рассчитанная в вычислителе скольжения, а также текущее значение скорости двигателя , измеренное с помощью датчика скорости, установленного на валу асинхронного двигателя. Угол положения потокосцепления ротора относительно неподвижной системы координат определяется как результат интегрирования входных сигналов:

Сигнал текущего значения скорости двигателя поступает также на второй вход первого элемента сравнения, где сравнивается с заданным значением Таким образом, устройство векторного управления обеспечивает требуемые значения электромагнитного момента и скорости двигателя в соответствии с оптимальными значениями потокосцепления

Достоинством известного устройства с оптимальным значением потокосцепления ротора является высокое значение энергетической эффективности, обусловленное минимальным значением потребляемого тока. При этом высокая эффективность устройства обеспечивается не только в номинальном, но и отличных от номинального режимах работы двигателя.

Однако достижение высокого значения энергетической эффективности асинхронного двигателя обеспечивается в предположении о линейной зависимости индуктивности намагничивания от тока статора двигателя, а также без учета индуктивности рассеяния ротора . Однако индуктивность намагничивания является линейной лишь на ограниченном отрезке кривой намагничивания. Кроме того, при определении величины оптимального значениями потокосцепления предполагается постоянство электрических характеристик и параметров асинхронного двигателя. На практике параметры двигателя, входящие в выражение (2) для определения , не являются постоянными, а зависят от многих факторов, например, тока статора двигателя или температуры окружающей среды. Эти обстоятельства вносят погрешность в процесс регулирования и снижают энергетическую эффективность двигателя, что является недостатком известного устройства.

Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке устройства оптимального управления асинхронным двигателем, обеспечивающего повышение энергетической эффективности путем уменьшения тока статора двигателя до оптимально низких значений за счет управления величиной потокосцепления ротора.

Для решения поставленной задачи в устройство векторного управления асинхронным двигателем, содержащем преобразователь частоты, первые входы которого подключены к трехфазной сети, а его выходы через датчики тока связаны с входами асинхронного двигателя, два преобразователя координат, задатчик скорости, первый и второй регуляторы тока, первый, второй и третий элементы сравнения, регулятор скорости, вычислитель d - составляющей тока двигателя, вычислитель q - составляющей тока двигателя, вычислитель скольжения, вычислитель угла поворота и датчик скорости, при этом задатчик скорости соединен с первым входом первого элемента сравнения, выход которого через регулятор скорости связан с первыми входами вычислителя q - составляющей тока двигателя и вычислителя скольжения,

вторые входы вычислителя q - составляющей тока двигателя и вычислителя скольжения, а также вход вычислителя d - составляющей тока двигателя соединены между собой, выход вычислителя d - составляющей тока двигателя соединен с первым входом второго элемента сравнения, выход которого через первый регулятор тока связан с первым входом первого преобразователя координат, выход вычислителя q - составляющей тока двигателя подключен к первому входу третьего элемента сравнения, выход которого через второй регулятор тока соединен со вторым входом первого преобразователя координат, выходы которого связаны со вторыми входами преобразователя частоты, выходы датчиков тока подключены к первым входам второго преобразователя координат, выходы которого соединены со вторыми входами второго и третьего элементов сравнения, выход вычислителя скольжения связан с первым входом вычислителя угла поворота, выходы которого подключены к вторым входам второго преобразователя координат и к третьим входам первого преобразователя координат, асинхронный двигатель связан с датчиком скорости, выход которого подключен к вторым входам вычислителя угла потока и первого элемента сравнения, введены блок вычисления тока статора и блок оптимального регулирования, предназначенные для получения оптимально низких значений тока статора двигателя методом шагового поиска, блок оптимального регулирования содержит блок управления, блок выбора направления поиска и блок оптимального регулятора, при этом в блоке управления вход блока экстраполятора нулевого порядка является входом блока оптимального регулирования, выход блока экстраполятора нулевого порядка соединен с первым входом элемента сравнения и через линию задержки связан со вторым входом элемента сравнения, выход которого через пороговый элемент подключен к входу коммутатора, первый и второй выходы которого являются выходами блока управления, в блоке выбора направления поиска первый вход первого переключателя является его входом, выход первого переключателя является его выходом, выход первого переключателя соединен через линию задержки с его вторым входом, выход линии задержки через инвертор подключен к третьему входу первого переключателя, в блоке оптимального регулятора первый вход второго переключателя является его первым входом, выход второго переключателя является выходом блока оптимального регулирования, выход второго переключателя соединен через линию задержки с его вторым входом и первым входом сумматора, выход которого связан с третьим входом второго переключателя, второй вход сумматора является вторым входом блока оптимального регулятора, первый и второй выходы коммутатора блока управления подключены, соответственно, к первым входам блока выбора направления поиска и блока оптимального регулятора, выход блока выбора направления поиска соединен со вторым входом блока оптимального регулятора, блок вычисления тока статора предназначен для вычисления действующего значения тока статора двигателя и содержит первый и второй умножители, сумматор и вычислитель квадратного корня, причем в блоке вычисления тока статора объединенные входы первого и второго умножителей являются его входами, выходы умножителей соединены с входами сумматора, выход которого связан с входом вычислителя квадратного корня, выход которого является выходом блока вычисления тока статора, выходы второго преобразователя координат подключены к первому и второму входам блока вычисления тока статора, выход которого через блок оптимального регулирования связан с входом вычислителя d - составляющей тока двигателя, вторыми входами вычислителя q - составляющей тока двигателя и вычислителя скольжения.

Введение в устройство векторного управления асинхронным двигателем блока вычисления тока статора и блока оптимального регулирования, предназначенных для получения оптимально низких значений тока двигателя методом шагового поиска, блок оптимального регулирования содержит блок управления, блок выбора направления поиска и блок оптимального регулятора, блок вычисления тока статора, предназначенный для вычисления действующего значения тока статора, содержит первый и второй умножители, сумматор и вычислитель квадратного корня и образование новых взаимосвязей между элементами устройства отличает заявляемое решение от прототипа. Наличие существенных отличительных признаков в заявляемом решении свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности «новизна».

Введение в устройство векторного управления асинхронным двигателем блока вычисления тока статора и блока оптимального регулирования, предназначенных для получения оптимально низких значений тока двигателя методом шагового поиска, блок оптимального регулирования содержит блок управления, блок выбора направления поиска и блок оптимального регулирования, блок вычисления тока статора, предназначенный для вычисления действующего значения тока статора, содержит первый и второй умножители, сумматор и вычислитель квадратного корня и образование новых взаимосвязей между элементами устройства приводит к снижению тока статора двигателя до оптимально низких значений за счет управления величиной потокосцепления ротора.

Это обусловлено тем, что в заявляемом устройстве оптимально низкая величина тока статора двигателя определяется не при фиксированном (например, номинальном) значении потокосцепления, а при его варьированных значениях. Такое воздействие приводит к регулированию с оптимальным значением потокосцепления ротора в зависимости от режима работы двигателя, и, как следствие, к оптимально низкому значению тока статора. Кроме того, достижение оптимально низкого значения тока двигателя приводит к снижению электрических потерь и повышению коэффициента полезного действия устройства оптимального управления асинхронным двигателем.

Причинно-следственная связь «Введение в устройство векторного управления асинхронным двигателем блока вычисления тока статора и блока оптимального регулирования, предназначенных для получения оптимально низких значений тока статора двигателя методом шагового поиска, блок оптимального регулирования содержит блок управления, блок выбора направления поиска и блок оптимального регулирования, блок вычисления тока статора, предназначенный для вычисления действующего значения тока статора, содержит первый и второй умножители, сумматор и вычислитель квадратного корня и образование новых взаимосвязей между элементами устройства приводит к снижению тока статора двигателя до оптимально низких значений за счет управления величиной потокосцепления ротора двигателя» не обнаружена в уровне техники и явным образом не следует из него, что свидетельствует о ее новизне. Наличие новой причинно-следственной связи, проявляемой в заявляемом устройстве, свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».

На фиг.1 представлена блок-схема устройства оптимального управления асинхронным двигателем, позволяющая раскрыть работоспособность и «промышленную применимость» заявляемого решения.

На фиг.2 показана блок-схема блока оптимального регулирования.

Устройство управления асинхронным двигателем содержит преобразователь частоты 1, асинхронный двигатель 2, задатчик скорости 3, регулятор скорости 4, блок оптимального регулирования 5, блок вычисления тока статора 6, вычислитель d - составляющей тока двигателя 7, вычислитель q - составляющей тока двигателя 8, первый 9 и второй 10 регуляторы тока, вычислитель скольжения 11, вычислитель угла поворота 12, первый преобразователь координат 13, второй преобразователь координат 14, первый элемент сравнения 15, второй элемент сравнения 16, третий элемент сравнения 17, датчики тока 18 и датчик скорости 19.

Блок оптимального регулирования 5 предназначен для получения оптимально низких значений тока двигателя методом шагового поиска и содержит блок управления 20, блок выбора направления поиска 21 и блок оптимального регулирования 22.

В блоке управления 20 вход блока экстраполятора нулевого порядка 23 является входом блока оптимального регулирования, выход блока экстраполятора нулевого порядка 23 соединен с первым входом элемента сравнения 25 и через линию задержки 24 связан со вторым входом элемента сравнения 25, выход которого через пороговый элемент 26 подключен к входу коммутатора 27, первый и второй выходы которого являются выходами блока управления 20, в блоке выбора направления поиска 21 первый вход первого переключателя 29 является его входом, выход первого переключателя 29 является его выходом, выход первого переключателя 29 соединен через линию задержки 28 с его вторым входом, выход линии задержки 28 через инвертор 30 подключен к третьему входу первого переключателя 29, в блоке оптимального регулятора 22 первый вход второго переключателя 32 является его первым входом, выход второго переключателя 32 является выходом блока оптимального регулирования 5, выход второго переключателя 32 соединен через линию задержки 31 с его вторым входом и первым входом сумматора 33, выход которого связан с третьим входом второго переключателя 32, второй вход сумматора 33 является вторым входом блока оптимального регулятора 22, первый и второй выходы коммутатора 27 блока управления 20 подключены, соответственно, к первым входам блока выбора направления поиска 21 и блока оптимального регулятора 22, выход блока выбора направления поиска 21 соединен со вторым входом блока оптимального регулятора 22.

В блоке вычисления тока статора 6, предназначенного для вычисления действующего значения тока статора, первые и вторые входы первого и второго умножителей 34, 35 объединены между собой и являются его первым и вторым входами. Выходы умножителей 34, 35 соединены с входами сумматора 36, выход которого связан с входом вычислителя квадратного корня 37, выход которого является выходом блока вычисления тока статора 6. Вход преобразователя частоты 1 подключены к трехфазной сети, а его выходы через датчики тока 18 связаны с входами асинхронного двигателя 2.

Задатчик скорости 3 соединен с первым входом первого элемента сравнения 15, выход которого через регулятор скорости 4 связан с первыми входами вычислителя q - составляющей тока двигателя 8 и вычислителя скольжения 11.

Выход блока оптимального регулирования 5 подключен к вторым входам вычислителя q - составляющей тока двигателя 8 и вычислителя скольжения 11, а также к входу вычислителя d - составляющей тока двигателя 7.

Выход вычислителя d - составляющей тока двигателя 7 соединен с первым входом второго элемента сравнения 16, выход которого через первый регулятор тока 9 связан с первым входом первого преобразователя координат 13.

Выход вычислителя q - составляющей тока двигателя 8 подключен к

первому входу третьего элемента сравнения 17, выход которого через второй регулятор тока 10 соединен со вторым входом первого преобразователя координат 13, выходы которого связаны со вторыми входами преобразователя частоты 1.

Выходы датчиков тока 18 подключены к первым входам второго преобразователя координат 14, выходы которого соединены со вторыми входами второго 16 и третьего 17 элементов сравнения и с входами блока вычисления тока статора 6. Выход вычислителя скольжения 11 связан с первым входом вычислителя угла поворота 12, выходы которого подключены ко вторым входам второго преобразователя координат 14 и к третьим входам первого преобразователя координат 13.

Выходы второго преобразователя координат 14 соединены с входами блока вычисления тока статора 6, выход которого подключен к входу блока оптимального регулирования 5.

Асинхронный двигатель 2 связан с датчиком скорости 19, выход которого подключен ко вторым входам вычислителя угла потока 12 и первого элемента сравнения 15.

Устройство оптимального управления асинхронным двигателем работает следующим образом.

Задатчик скорости 3 задает сигнал заданной скорости вращения асинхронного двигателя который с помощью первого элемента сравнения 15 сравнивается с фактической скоростью двигателя . Сигнал рассогласования (ошибки) по скорости с выхода первого элемента сравнения 15 поступает на вход регулятора скорости 4, где из сигнала рассогласования по скорости вырабатывается сигнал заданного значения электромагнитного момента на валу двигателя.

Сигнал оптимального значения потокосцепления с выхода блока оптимального регулирования 5 поступает на вход вычислителя d - составляющей тока двигателя 7 и на второй вход вычислителя q - составляющей тока двигателя 8, а также на второй вход вычислителя скольжения 11. В вычислителях тока двигателя 7, 8 рассчитываются заданные значения проекций тока статора двигателя на оси d-q вращающейся системы координат, обеспечивающие оптимальную величину потокосцепления по формулам:

где - индуктивность намагничивания двигателя.

В устройстве вычисления скольжения 11 рассчитывается скорость скольжения ротора при оптимальном значении потокосцепления и заданном значении электромагнитного момента :

где - активное сопротивление роторной цепи двигателя. Второй 16 и третий 17 элементы сравнения вычисляют разности между заданными и фактическими значениями проекций тока статора и на оси d и q вращающейся системы координат d-q. Эти сигналы поступают на входы первого 9 и второго 10 регуляторов тока, в которых формируются сигналы заданных значений проекций на вращающуюся систему координат d-q.

С помощью первого преобразователя координат 13 происходит преобразование заданных значений сигналов из вращающейся системы координат d-q в заданные величины напряжений для неподвижной трехфазной системы координат а-b-с. По величине этих сигналов, а также напряжению сети в преобразователе частоты 1 происходит формирование трехфазной системы напряжений для асинхронного двигателя 2, удовлетворяющих заданным оптимальным значениям потокосцепления и скорости вращения двигателя .

С помощью второго преобразователя координат 14 происходит преобразование текущих значений токов асинхронного двигателя 2 из трехфазной неподвижной системы координат а-b-с во вращающуюся d-q. На выходе второго преобразователя координат 14 формируются сигналы фактических значений тока двигателя в проекциях на вращающиеся оси координат d-q, которые сравниваются с их заданными значениями на входе второго 16 и третьего 17 элементов сравнения.

Для работы преобразователей координат необходимо знать текущее значение угла поворота ϑ между вращающейся (d-q) и неподвижной (a-b-с) системами координат. Сигналы вычисляются с помощью вычислителя угла потокосцепления 12 и поступают на входы преобразователей координат 13, 14 для выполнения процедуры преобразования координат.

Входными сигналами вычислителя угла потокосцепления 12 являются скорость скольжения ротора рассчитанная в вычислителе скольжения 11, а также текущее значение скорости двигателя , измеренное с помощью датчика скорости 19, установленного на роторе асинхронного двигателя 2. Угол положения потокосцепления ротора ϑ относительно неподвижной системы координат определяется как результат интегрирования входных сигналов:

Сигнал текущего значения скорости двигателя ω_R поступает также на второй вход первого элемента сравнения 15, где сравнивается с заданным значением .

В блоке вычислителя тока статора 6 происходит вычисление текущего значения сигнала тока статора по сигналам фактических значений тока двигателя в проекциях на вращающиеся оси координат d-q по формуле:

В соответствии с формулой (9), возведение во вторую степень сигналов осуществляется с помощью умножителей 34 и 35, а сложение - с помощью сумматора 36, сигнал тока формируется на выходе вычислителя квадратного корня 37.

Текущее значение тока статора определяет величину сигнала потокосцепления ротора .

Сигнал , пропорциональный току статора двигателя, рассчитывается в блоке вычисления тока статора 6 и поступает на вход блока оптимального регулирования 5, осуществляющего поиск потокосцепления в области минимальных значений тока статора. Поиск оптимальных значений потокосцепления осуществляется за счет ступенчатого изменения сигнала на выходе блока оптимального регулирования 5 на величину шага поиска как в сторону увеличения, так и уменьшения.

Алгоритм поиска оптимального значения потокосцепления заключается в следующем: сигнал тока статора поступает на вход экстраполятора нулевого порядка 23, который фиксирует текущее значение тока в конце каждого шага поиска. С помощью линии задержки 24 и элемента сравнения 25 вычисляется величина приращения тока статора на каждом шаге поиска.

Пороговый элемент 26, имеющий три состояния выхода, определяет режим продолжения или окончания поиска, а также направление поиска оптимального значения потокосцепления в соответствии с алгоритмом:

где δ - величина зоны нечувствительности тока статора .

Сигнал на первом выходе (Вых.1) коммутатора 27, подключенного к входу блока выбора направления поиска 21, задает направление поиска с помощью сигналов лог.0 и лог.1, сигналы лог.0 и лог.1 на втором выходе (Вых.2) коммутатора 27, подключенного к входу блока оптимального регулятора 22, запускают или останавливают процедуру поиска оптимального значения потокосцепления . Алгоритм работы коммутатора 27 имеет следующий вид:

При поступлении сигнала лог.0 на первый вход первого переключателя 29 происходит соединение его второго входа с выходом, обеспечивающее соединение входа и выхода линии задержки 28. В этом случае не происходит приращение сигнала потокосцепления на выходе первого переключателя 29. В случае появления сигнала лог.1 на первом входе первого переключателя 29 происходит соединение выхода с третьим входом, при котором выходной сигнал линии задержки 28 инвертируется с помощью инвертора 30. При этом сигнал на выходе блока выбора направления поиска 21 изменяет знак и изменяется направление поиска оптимального значения .

При поступлении сигнала лог.0 на первый вход второго переключателя 32 происходит соединение его контактами входа и выхода линии задержки 31, останавливая процесс поиска оптимального значения, при котором сигнал на выходе блока оптимального регулятора 22 и, соответственно, блока оптимального регулятора 5 остается неизменным. В случае появления сигнала лог.1 на первом входе второго переключателя 32 выходной сигнал блока оптимального регулятора 22 получается в результате сложения сигналов в сумматоре 33 в соответствии с выражением:

- значение потокосцепления на предыдущем (i-1)-м шаге;

- шаг поиска, принимающий значения Таким образом блок оптимального регулирования 5 обеспечивает оптимально низкие значения тока двигателя в соответствии с оптимальными значениями потокосцепления .

На фиг.3 представлены результаты математического моделирования устройства оптимального управления асинхронного двигателя 4А225М4УЗ мощностью 55 кВт при номинальном электромагнитном моменте Н⋅м. Устройство выполняет пошаговое изменение величины потокосцепления ротора . В соответствии с изменением происходит уменьшение тока статора до оптимально низкого значения I_S = 91,2 А. При t > 14 с происходит стабилизация работы устройства управления, после которого значение потокосцепления поддерживается на уровне оптимального значении определяемого сигналом оптимального регулятора.

Результаты математического моделирования показывают, что использование заявляемого устройства уменьшает по сравнение с прототипом ток статора асинхронного двигателя на 4,22%. Одновременно с этим повышается коэффициент полезного действия на 0,24%.

Claims (1)

1. Устройство управления асинхронным двигателем, содержащее преобразователь частоты, первые входы которого подключены к трехфазной сети, а его выходы через датчики тока связаны с входами асинхронного двигателя, два преобразователя координат, задатчик скорости, первый и второй регуляторы тока, первый, второй и третий элементы сравнения, регулятор скорости, вычислитель d - составляющей тока двигателя, вычислитель q - составляющей тока двигателя, вычислитель скольжения, вычислитель угла поворота и датчик скорости, при этом задатчик скорости соединен с первым входом первого элемента сравнения, выход которого через регулятор скорости связан с первыми входами вычислителя q - составляющей тока двигателя и вычислителя скольжения, вторые входы вычислителя q - составляющей тока двигателя и вычислителя скольжения, а также вход вычислителя d - составляющей тока двигателя соединены между собой, выход вычислителя d - составляющей тока двигателя соединен с первым входом второго элемента сравнения, выход которого через первый регулятор тока связан с первым входом первого преобразователя координат, выход вычислителя q - составляющей тока двигателя подключен к первому входу третьего элемента сравнения, выход которого через второй регулятор тока соединен со вторым входом первого преобразователя координат, выходы которого связаны со вторыми входами преобразователя частоты, выходы датчиков тока подключены к первым входам второго преобразователя координат, выходы которого соединены со вторыми входами второго и третьего элементов сравнения, выход вычислителя скольжения связан с первым входом вычислителя угла поворота, выходы которого подключены к вторым входам второго преобразователя координат и к третьим входам первого преобразователя координат, асинхронный двигатель связан с датчиком скорости, выход которого подключен к вторым входам вычислителя угла потока и первого элемента сравнения, отличающееся тем, что в него введены блок вычисления тока статора и блок оптимального регулирования, предназначенные для получения оптимально низких значений тока статора двигателя методом шагового поиска, блок оптимального регулирования содержит блок управления, блок выбора направления поиска и блок оптимального регулирования, в блоке управления вход блока экстраполятора нулевого порядка является входом блока оптимального регулирования, выход блока экстраполятора нулевого порядка соединен с первым входом элемента сравнения и через линию задержки связан со вторым входом элемента сравнения, выход которого через пороговый элемент подключен к входу коммутатора, первый и второй выходы которого являются выходами блока управления, в блоке выбора направления поиска первый вход первого переключателя является его входом, выход первого переключателя является его выходом, выход первого переключателя соединен через линию задержки с его вторым входом, выход линии задержки через инвертор подключен к третьему входу первого переключателя, в блоке оптимального регулятора первый вход второго переключателя является его первым входом, выход второго переключателя является выходом блока оптимального регулирования, выход второго переключателя соединен через линию задержки с его вторым входом и первым входом сумматора, выход которого связан с третьим входом второго переключателя, второй вход сумматора является вторым входом блока оптимального регулятора, первый и второй выходы коммутатора блока управления подключены, соответственно, к первым входам блока выбора направления поиска и блока оптимального регулятора, выход блока выбора направления поиска соединен со вторым входом блока оптимального регулятора, блок вычисления тока статора предназначен для вычисления действующего значения тока статора двигателя и содержит первый и второй умножители, сумматор и вычислитель квадратного корня, причем в блоке вычисления тока статора объединенные входы первого и второго умножителей являются его входами, выходы умножителей соединены с входами сумматора, выход которого связан с входом вычислителя квадратного корня, выход которого является выходом блока вычисления тока статора, выходы второго преобразователя координат соединены с входами блока вычисления тока статора, выход которого через блок оптимального регулирования связан с входом вычислителя d - составляющей тока двигателя, вторыми входами вычислителя q - составляющей тока двигателя и вычислителя скольжения.

Images