Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ существующих систем электропривода переменного тока на основе вентильных преобразователей в цепях статора и ротора 8
1.1 Обзор вентильных систем асинхронного и синхронизированного электропривода 8
1.2 Синхронизированный режим машины двойного питания и наиболее близкие аналоги 21
1.3 Анализ классов механизмов и области применения синхронизированных приводов 29
Выводы 37
2 Математическое описание и исследование систем синхронизированного электропривода на основе асинхронного двигателя с фазным ротором 39
2.1 Обоснование выбора математической модели асинхронного двигателя с фазным ротором и системы координатных осей 39
2.2 Определение оптимальных режимов работы асинхронного электропривода 51
2.3 Частотное управление асинхронного двигателя с оптимальным возбуждением 56
2.4 Соотношение между токами статора и ротора в схемах синхронизации
асинхронного двигателя с фазным ротором 61
Выводы 68
3 Совершенствование системы частотно-токового управления асинхронным двигателем 71
3.1 Разработка принципиальной схемы частотного управления асинхронным двигателем на базе инвертора тока с релейным регулятором тока 71
3.2 Совершенствование конструкции инвертора тока с релейным регулятором тока 86
3.3 Математическое моделирование работы инвертора тока с релейным регулятором тока з
3.4 Анализ нелинейных искажений в системе преобразователь частоты асинхронный двигатель
Выводы 109
4 Управление работой синхронизированной машины 110
4.1 Разработка системы управления синхронизированным электроприводом на базе автономного инвертора тока с релейным регулятором тока и последовательным подсоединением ротора ПО
4.2 Разработка корректирующих контуров системы скалярного управления синхронизированным асинхронным двигателем 119
4.3 Анализ устойчивости синхронизированного электропривода 122
4.4 Сравнение энергетических показателей в синхронном и асинхронном режимах методами компьютерного моделирования и подтверждение полученных результатов на опытной установке 126
4.5 Анализ целесообразности применения синхронизированного и асинхронного электропривода на шаровой мельнице и рекомендации по модернизации 133
Выводы 138
Заключение 139
Библиографический список
- Синхронизированный режим машины двойного питания и наиболее близкие аналоги
- Определение оптимальных режимов работы асинхронного электропривода
- Совершенствование конструкции инвертора тока с релейным регулятором тока
- Разработка корректирующих контуров системы скалярного управления синхронизированным асинхронным двигателем
Введение к работе
Актуальность работы. Современное промышленное производство требует разработки и внедрения энергосберегающих и энергоэффективных технологий. Эту задачу принято решать внедрением систем регулируемого электропривода, построенного на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (АДКЗ) и с питанием от преобразователя частоты (ПЧ), работающего в режиме автономного инвертора напряжения (АИН). Однако данная система электропривода имеет ряд недостатков, а именно: при любом законе управления в двигателе выделяется энергия скольжения, и ток ротора имеет размагничивающую составляющую, выходное напряжение инвертора имеет импульсный характер с крутыми фронтами нарастания и спада импульса напряжения, что неблагоприятно сказывается на изоляции двигателя и ведет к ее преждевременному старению. Кроме того на механизмах с большими моментами инерции и тяжелыми условиями пуска широкое применение также нашли асинхронные двигатели с фазным ротором (АДФР) с параметрическим управлением по цепи ротора. Параметрическое управление приводит к повышенным потерям энергии, как в режиме пуска, так и при регулировании скорости. Устранение указанных недостатков возможно в электроприводе на базе АДФР, работающего по схеме машины двойного питания (МДП) с раздельным питанием обмоток статора и ротора от силовых преобразователей на базе инвертора тока с использованием классических ПЧ или применением новых схемотехнических решений. Поэтому разработка и исследование систем асинхронного и синхронизированного частотного электропривода на базе инвертора тока является актуальной задачей.
Цель работы - совершенствование систем асинхронного и синхронизированного электропривода с частотно-токовым управлением на базе асинхронного двигателя с фазным ротором, путем разработки схемных решений и алгоритмов управления.
Идея работы заключается в разработке электропривода на базе асинхронного двигателя с фазным ротором с питанием обмоток статора и ротора от автономного инвертора тока (АИТ), с использованием принципов скалярных систем регулирования магнитного потока и напряжения двигателя, обеспечивающих высокие энергетические показатели.
Научная новизна: предложены алгоритмы управления синхронизированным электроприводом с преобразователями в цепях статора и ротора по критерию минимума суммарной мощности потерь в меди и в стали двигателя, отличающиеся от известных оптимальным распределением намагничивающих составляющих токов статора и ротора за счет использования выведенной зависимости оптимального значения главного потокосцепления от электромагнитного момента и скорости вращения ротора; предложена аппроксимация рабочего участка кривой намагничивания, отличающаяся от известных описанием кривой с помощью одного полинома с разными коэффициентами при его членах на двух участках, что позволило упростить описание при сохранении точности аппроксимации; разработана схема трехфазного АИТ, отличающаяся от известных наличием дополнительных демпфирующих конденсаторов, а также лучшими показателями коэффициентов нелинейных искажений по напряжению и по току; разработана система скалярного частотного управления синхронизированным АДФР, отличающаяся от известных возможностью поддержания оптимального потокосцепления в воздушном зазоре по условию минимума электромагнитных потерь энергии, а также позволяющая производить плавный запуск в синхронном режиме без датчика положения ротора.
Практическая ценность: - разработанный электропривод обладает лучшими энергетическими показателям (КПД увеличен на 5,3%) по сравнению с существующими ЭП на базе каскадных схем с АДФР и на базе АДКЗ, а также удовлетворяет условиям электромагнитной совместимости с действующими АДФР; - разработанная схема АИТ с дополнительными отсекающими диодами позволяет снизить частоту коммутации силовых ключей в 3 - 4 раза и обладает низким коэффициентом нелинейных искажений (по напряжению 3%, по току 0,6%) выходного напряжения и тока по сравнению с АИН.
Методы и объекты исследования. Объектом исследования являлась электромеханическая система на базе АДФР с силовыми преобразователями в цепях статора и ротора. При решении поставленных в диссертационной работе задач использовались положения теории автоматического управления, теории электрических машин, а также методы математического моделирования и экспериментального подтверждения. Численное решение уравнений математических моделей выполнялось на ЭВМ с помощью пакета математических программ Matlab Simulink.
Достоверность полученных результатов и выводов подтверждается хорошей сходимостью результатов теоретических исследований с результатами математического моделирования и экспериментальными данными, а также сопоставимостью полученных результатов с положениями общей теории электропривода.
Реализация работы. Полученные результаты внедрены в учебный процесс специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» Липецкого государственного технического университета (ЛГТУ) и используются при проведении перспективных разработок в ОАО «Липецкий завод изделий домостроения». Ожидаемый экономический эффект составил 19,4 тыс. рублей на одну установку.
На защиту выносится:
результаты исследования электромеханической системы на базе АДФР с подключением обмоток статора и ротора к преобразователям частоты по критерию минимума потерь энергии;
уравнение аппроксимации рабочего участка кривой намагничивания, позволяющее проводить её описание с помощью одного полинома с разными коэффициентами при его членах на двух участках;
схема АИТ, позволяющая формировать в нагрузке трехфазные синусоидальные токи и напряжения с низким уровнем коэффициентов нелинейных искажений;
математическая модель разработанной скалярной системы управления АДФР в синхронном режиме, позволяющая производить регулирование скорости в широком диапазоне без использования датчика скорости/положения на валу двигателя;
схема синхронизации АДФР, позволяющая осуществлять раздельное регулирование модулей токов статора и ротора;
алгоритм управления током статора, позволяющий производить эффективное гашение электромагнитных колебаний синхронизированного электропривода.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на научно-технической конференции посвященной 35-летию кафедры электропривода (Липецк 2009); на VI Международной (XVII Всероссийская) конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП-2010» (Тула 2010); на IV международной научно- практической конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии» (Липецк 2010); на VII Международной (VIII Всероссийской) научно- технической конференции по автоматизированному электроприводу «АЭП- 2012» (Иваново 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 4 опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, 1 патент на изобретение, 1 патент на полезную модель.
Работа выполнена при поддержке федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России 2009-2013 гг.» (Государственный контракт №16.740.11.0070).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 115 наименований и 9 приложений. Общий объем работы - 189 страниц. Основная часть изложена на 151 страницах текста, содержит 50 рисунков, 5 таблиц.
Синхронизированный режим машины двойного питания и наиболее близкие аналоги
При решении задач энергосбережения на современных промышленных предприятиях на первый план выходит вопрос о модернизации устаревшего электрооборудования с применением новых энергоэффективных методов управления преобразованием электрической энергии в механическую, так как на долю электропривода приходится значительная часть электроэнергии расходуемой на технические нужды.
В процессе развития современного производства наметилась тенденция к переходу от использования электроприводов постоянного тока к применению электроприводов переменного тока [1 - 4]. Это связано с повышающимися требованиями технологических процессов к динамическим свойствам электропривода, а также экономической эффективности использования оборудования, что обусловило интенсификацию разработок и исследований в области создания унифицированных систем управления наиболее массовыми электроприводами на базе асинхронного короткозамкнутого двигателя, которые не уступают по своим показателям вентильным приводам постоянного тока [5-7].
В развитии современных систем управления электроприводом переменного тока существует множество направлений [8 - 14], основные из них: - параметрическое управление по цепи статора или ротора [15,16]; - частотное управление, основанное на регулировании частоты напряжения питания [17 - 20]; - каскадные схемы включения АД с фазным ротором, основанные на управлении вентильными элементами мостов и инверторов, включенных в цепи статора и ротора АД [21]; - вентильное управление двигателями переменного тока [21]. Параметрическое управление АД характеризуется простотой схемных решений, однако, при таком способе управления не реализуется энергия скольжения. Такой способ управления нашел применение в электроприводе промышленных механизмов, не предъявляющих высоких требований к диапазону регулирования скорости. Параметрическое управление при использовании тиристорных преобразователей используется для формирования процессов пуска, торможения и реверса, иногда для точной отработки перемещений [16].
Частотное управление АД характеризуется плавным регулированием скорости в широких пределах. Существует значительное число преобразовательных устройств [22 - 26]. Вместе с тем открытым остается вопрос о рациональности структур силовой части и системы такого управления, определения областей применения преобразователей различных типов, разработки специализированных электрических машин.
Существуют два основных способа частотного управления, когда в качестве управляющего воздействия принимаются: - частота и напряжение статора; - частота и ток статора (частотно-токовое управление). Формирование сигнала задания на частоту может осуществляться с помощью замкнутого контура скорости, где формирование управляющего сигнала происходит в результате суммирования сигналов задания скорости и датчика скорости.
При частотном управлении асинхронный двигатель представляет собой многосвязанную систему регулирования, имеющую несколько регулируемых параметров, взаимосвязь между которыми обусловлена внутренними свойствами машины и внешним управляющим воздействием. Формирование механических характеристик двигателя при частотном управлении требует обеспечения необходимой перегрузочной способности и жесткости характеристик во всем диапазоне регулирования. Следует отметить, что асинхронные двигатели (особенно средней и большой мощности) имеют достаточно жесткую характеристику. Это обстоятельство позволяет во многих случаях исключить обратные связи по скорости в системах управления. Перегрузочная способность обеспечивается выбором закона изменения напряжения статора и частоты, однако получение требуемой перегрузочной способности, например при постоянстве критического момента на малых частотах, проблематично [3-5].
Термин «каскадное соединение» означает, что в этих системах подводимая к двигателю энергия проходит ряд электромеханических преобразований. Наиболее общим случаем каскадных схем являются двигатели двойного питания [21] - индукционные машины, в которых обмотки статора и ротора подключаются к источникам переменного, регулируемого по амплитуде и частоте напряжения (рисунок 1.1). Технические свойства двигателя двойного питания определяются совокупностью характеристик всей каскадной системы, в первую очередь, техническими возможностями преобразователей частоты, служащих для питания обмоток двигателя. Поэтому при выборе той или иной системы приходится учитывать требования к технологическому процессу, к качеству регулирования параметров электропривода, его энергетические показатели.
Способы регулирования, основанные на изменении скольжения асинхронного двигателя, связаны с выделением энергии скольжения в роторной цепи двигателя, которая расходуется на нагрев обмотки ротора и роторных сопротивлений. Существуют системы регулируемого электропривода, в которых энергия скольжения не теряется в сопротивлениях, а используется полезно - возвращается в питающую сеть, что делает регулирование в этих системах экономичным. К таким системам регулируемого привода относятся асинхронные вентильные каскады и двигатели двойного питания. Особенностью каскадных схем асинхронного привода является ограниченный диапазон регулирования - не больше, чем 2:1. В этом диапазоне каскадные схемы обеспечивают плавное и экономичное регулирование скорости. Такие системы электропривода наиболее целесообразны для мощных турбомеханизмов - насосов и вентиляторов [4, 5, 21].
К настоящему времени разработано большое количество различных каскадных схем соединения асинхронных двигателей с фазным ротором [3, 21, 27], которые могут быть классифицированы по различным признакам. Например, по способу реализации энергии скольжения различают электрические и электромеханические каскады; по типу преобразовательного устройства (с непосредственной связью и со звеном постоянного тока); в соответствии с типом элементов преобразовательного устройства различают электромашинные, вентильно-машинные и вентильные каскады; в зависимости от того, производится ли регулирование приводного двигателя вверх и вниз от синхронной скорости или только в одну сторону, различают однозонные и двухзонные каскады.
Определение областей применения электроприводов заключаются в нахождении таких сфер их использования, чтобы достоинства данных систем проявлялись бы достаточно полно, а недостатки не играли существенной роли.
У двигателей двойного питания имеется возможность регулирования реактивной мощности, циркулирующей в сети, питающей двигатель. Кроме того, двигатель в системе двойного питания может работать в несвойственных ему режимах - генераторном при скорости ниже синхронной и двигательном при скорости выше синхронной. Существенный эффект от применения машин двойного питания может быть достигнут при модернизации действующих асинхронных электроприводов, где для увеличения производительности требуется превышение двигателем синхронной скорости. Ограничивает их применение узкий диапазон регулирования скорости, принципиальная сложность схемы электропривода, необходимость применения специальных устройств для пуска привода [21].
Определение оптимальных режимов работы асинхронного электропривода
При выборе оптимальных режимов работы какого-либо типа электропривода, как правило, стараются обеспечить минимум или максимум некоторого показателя качества, характеризующего режим работы электрической машины или всего привода в целом. В технической литературе такой подход получил название экстремальное управление.
Согласно [54], возможность применения экстремального управления электрическими двигателями имеет следующее обоснование:
1. Большинство типов электрических двигателей по своему принципу действия и исполнению имеют несколько входов, позволяющих целенаправленно изменять их режимы работы.
2. Электрические двигатели как объекты управления обладают экстремальными характеристиками. Известны показатели качества, к экстремуму которых надо стремиться. Причем изменения скорости и момента нагрузки на валу электрических двигателей вызывают перемещение экстремальных точек, т.е. экстремальные характеристики "дрейфуют".
3. В настоящее время существуют быстродействующие регулируемые по напряжению (току) и частоте силовые источники питания электрических двигателей, позволяющие при соответствующих алгоритмах управления быстро отслеживать влияние возмущений на экстремальные характеристики.
Действительно, в рассматриваемом электроприводе на базе асинхронного двигателя с фазным ротором при питании статора и ротора от регулируемых источников питания имеется возможность управления, как энергетическими харак 52 теристиками, так и показателями качества динамики привода.
В технической литературе проблема оптимизации делится на два важнейших направления: оптимизация установившихся и переходных процессов. Каждое из указанных направлений имеет свое прикладное значение. Так, при решении задачи оптимизации управления в установившихся режимах в качестве функции качества рассматривается критерий минимума потерь энергии в приводе, т.к. это позволяет ограничить нагрев двигателя и расширить область допустимых по нагреву моментов нагрузки. Кроме критерия минимума потерь для рассматриваемого привода целесообразно рассмотреть и минимизацию нагрева отдельных частей машины, поскольку имеется возможность равномерного распределения намагничивающих токов между статором и ротором. При решении задачи оптимизации в динамике для синхронизированной машины наиболее важно определить область устойчивой работы и законы управления с поддержанием перегрузочной способности в области рабочих моментов нагрузки.
При создании системы управления встает вопрос о характере нагрузки привода. Для низкодинамичных приводов и приводов с «вентиляторной» нагрузкой целесообразнее применять законы с регулированием главного магнитного потока в функции нагрузки, при поддержания постоянства перегрузочной способности. Это позволяет снижать энергопотребление при низком коэффициенте загрузки агрегата. Поэтому для данного характера нагрузки система управления должна осуществлять регулирование главного магнитного потока при изменении нагрузки, т.е. поддерживать постоянным угол нагрузки 8 путем регулирования потока g. Однако при резких набросах нагрузки может произойти выход электропривода из синхронизма, так как из-за большой постоянной времени ротора магнитный поток электрической машины не успевает дорасти до требуемого уровня. Для устранения данного недостатка возможно отслеживание скорости изменения угла нагрузки Дб/At, и при превышении установленного порога производить форси-ровку возбуждения.
Рассмотрение начнем с оптимизации статических режимов. Наиболее простым законом управления по статорной цепи является закон постоянства отноше 53 ния напряжения к частоте U/f=const. Основной недостаток такого закона заключается в уменьшении тока намагничивания статора с понижением частоты из-за падения напряжения в первичных активных сопротивлениях двигателя (в действительности к ним добавляются также и сопротивления преобразователя частоты). Отсюда возникает необходимость регулирования напряжения по такому закону, при котором устранялось бы влияние этих сопротивлений на поток двигателя [20]. Таким законом является закон постоянства главного магнитного потока двигателя, который повышает перегрузочную способность. В случае если динамичные привода работают с нагрузочным моментом значительно меньше номинального, недостатком закона 8 = const являются повышенные потери в двигателе.
При управлении электроприводом по данному закону возникает вопрос об оптимальном распределении намагничивающих токов электродвигателя. Возможны различные способы управления, например, создание главного магнитного потока только током ротора, однако, поскольку для питания статорной цепи может применяться стандартный ПЧ с конденсатором в звене постоянного тока, и данный конденсатор выбирается из условия обеспечения требуемого реактивного тока, то имеет смысл рассмотреть закон управления с распределением составля= ющих намагничивающих токов между статором и ротором.
Совершенствование конструкции инвертора тока с релейным регулятором тока
В связи с этим при сравнении трех вариантов включения роторных обмоток последняя схема уступает, поскольку при ее использовании для обеспечения теплового режима эквивалентного трехфазному номинальное значение тока ротора следует снизить на 5-6%. Это приведет к снижению м.д.с. ротора также на 5-6%. Однако, поскольку в синхронном режиме результирующий магнитный поток в воздушном зазоре создается и со стороны статора и со стороны ротора, то этот недостаток не существенен.
Теперь сравним схемы (рисунок 1.5а, г, ж) со следующих позиций: согласно выражениям (2.19), (2.21) по схеме рисунок 1.5а, требуется пропустить большее значение постоянного тока, чем для создания аналогичной по величине магнитодвижущей силы при подключении роторной цепи по схеме рисунок 1.5г. Схема рисунок 1.5 ж имеет наименьшую величину постоянного тока. Это особенно важно потому, что для большинства серийно выпускаемых краново-металлургических асинхронных двигателей с фазным ротором ток ротора в 1,5-2 раза превышает ток статора. Таким образом, в случае применения для питания роторной цепи отдельного источника питания, его габариты будут значительно превышать габариты преобразователя в статорной цепи. С этих позиций схема рисунок 1.5 ж имеет наибольшее преимущество перед остальными, поскольку для нее ток Ів в 1,33 раза меньше, чем для схемы рисунок 1.5 а.
Однако, несмотря на явные преимущества схемы рисунок 1.5 ж, ее применение затруднено тем, что для модернизации действующего оборудования потребуется длительная остановка производства и внесение изменений во внутреннюю конструкцию машины. Но как возможный вариант включения, эта схема была рассмотрена.
Сравнение первых двух схемных решений произведем позже при рассмотрении режима выравнивания тепловых нагрузок между роторными обмотками путем их периодической коммутации.
Значительный интерес представляет сравнение характеристических векторных диаграмм токов статора и ротора при переходе из асинхронного режима работы в синхронный (рисунок 2.9) с сохранением нагрузочного момента и при различных вариантах распределения намагничивающих токов. При сохранении в синхронном режиме постоянства номинальной величины тока ротора (рисунок 2.9.6), при той же величине момента нагрузки снижается величина тока статора, что приводит к снижению тепловых потерь и повышению КПД привода. Однако наиболее оптимальным режимом по энергопотреблению, как было показано в п.2.3, является распределение намагничивающих составляющих токов статора и ротора обратно пропорционально сопротивлениям обмоток (рисунок 2.8.в).
Рассмотрим схему синхронизации на основе АИН. При синхронизации асинхронных машин с фазным ротором выгодно использовать последовательное соединение обмоток статора и ротора, включая роторную обмотку в звено постоянного тока с использованием шунтирующего ключа с обратным диодом (рисунок 2.9). В такой схеме регулирование тока возбуждения ротора целесообразнее выполнять с использованием релейного регулятора, который будет коммутировать ключ К следующим образом: при превышении заданной величины тока ротора на Ai включается ключ К, тем самым замыкая ротор накоротко через обратный диод, и ток апериодически спадает до величины 13 - Лі, при которой ключ К отключается, и ток опять начинает расти. Поскольку при питании ротора постоянным током падение напряжения в роторной цепи не превышает 25-ЗОВ, то запаса напряжения на выпрямителе не требуется.
Серьезной проблемой при реализации последовательного соединения ста-торной и роторной обмоток при синхронизации асинхронных машин с фазным ротором является то, что номинальные токи статорной и роторной обмоток не совпадают, причем ток роторной обмотки выше, следовательно, режим ШИМ регулирования тока в роторе при питании статора от АИН реализуем со значительным недоиспользованием возможностей машины и невозможностью форсировки возбуждения в динамических режимах. Известно, что соотношение между действующим значением переменного тока и током в цепи постоянного тока для мостовых схем составляет:
Разработка корректирующих контуров системы скалярного управления синхронизированным асинхронным двигателем
Рассмотрим систему управления АД на базе инвертора тока с релейным регулятором тока и емкостным фильтром [56].
Устройство содержит управляемый выпрямитель 1 и инвертор 2, соединенные между собой через сглаживающий реактор 3 и подключенные проводами переменного тока к электродвигателю 4. Инвертор выполнен по мостовой схеме на полностью управляемых вентилях - ЮВТ-транзисторах 5. В анодную и катодную группы инвертора последовательно с управляемыми вентилями включены дополнительные отсекающие диоды 6 и 7 по числу управляемых вентилей, и дополнительные буферные блоки конденсаторов 8 и 9, подключенные к точкам соединения отсекающих диодов и управляемых вентилей между каждым диодным и IGBT полумостом. К выходам инвертора (к проводам переменного тока А, В, С) подключена фильтрующая конденсаторная батарея 10. В звене постоянного тока и на выводах ПЧ установлены датчики тока 11, 12 и 13. На валу двигателя установлен датчик скорости 14, выход которого подключен к блоку управления 15. Схема предложенного устройства управления электроприводом переменного тока изображена на рисунке 3.4.
Блок управления 15 (рисунок 3.5) содержит регулятор скорости 17, на вход которого подается сигнал ошибки регулирования скорости Аю2, формируемый в сумматоре 16 как разность задания на скорость со2 и сигнала обратной связи по скорости со2, далее с выхода регулятора скорости сигнал поступает на блок ограничения 18, который формирует сигнал задания на момент и подключен к входу функционального преобразователя 19 формирующего сигнал задания на амплитуду тока статора, затем сигнал задания амплитуды тока статора подается на апериодическое звено 20, которое подключен к первому входу блока задания мгновенных значений-фазных токов 21, на второй вход блока задания мгновенных значений фазных токов подается задание на частоту тока инвертора, три выхода блока задания мгновенных значений фазных токов 21 подключены к узлу сравнения 22 заданных и измеренных значений фазных токов, выходы узла сравнения 22 подключены к блоку релейных регуляторов тока 23, выходы блока релейных регуляторов тока 23 подключены к блоку коррекции управления ключами инвертора 24, на суммирующий вход сумматора 25 подается сигнал задания на угол ф0 , к вычитающему входу блока сложения подключен сигнал с блока вычисления текущего значения угла ф0 26, пропущенного через фильтр 27, с выхода сумматора сигнал рассогласования Дф поступает на ПИ-регулятор 28, с выхода ПИ-регулятор 28 сигнал поступает на блок ограничения 29 на выходе которого формируется сигнал коррекции Дсо и подается на первый суммирующий вход сумматора 30, на второй суммирующий вход сумматора 30 подается задание на частоту тока инвертора при пуске Дсо , на третий суммирующий вход сумматора 30 подается сигнал с блока ограничения 31, формируемый путем сравнения сигнала задания на скорость со2 и обратной связи по скорости со2, с выхода сумматора 30 сигнал задания на частоту тока инвертора ш, поступает ко второму входу блока задания мгновенных значений фазных токов 21, сигнал Id формируемый в блоке умножения 32 как произведение модуля тока статора и задания на кратность тока звена постоянного тока к , поступает на суммирующий вход сумматора 33, на вычитающий вход сумматора 33 поступает сигнал обратной связи Id с датчика тока 11, сигнал рассогласования с выхода сумматора 33 поступает на вход ПИ-регулятора тока 34, который выдает управляющий сигнал иу в блок выпрямителя 1. Блок коррекции управления ключами инвертора 24 (рисунок 3.6) содержит два блока логических операций «и» 35 и 36, на которые поступают прямые и инверсные сигналы а, Ь,сиа, Ь,с с релейного регулятора тока 23, выходы блоков логических операций «и» 35 и 36 подключены к блоку логической операции «или» 37, выход блока логической операции «или» 37 подключен к первому входу блока выбора 38, на второй вход блока выбора 38 подается матрица прямых и инверсных сигналов с релейного регулятора тока 23, на третий вход блока выбора 38 подается матрица-столбец единиц 39, с выхода блока выбора 38 управляющие сигналы a ,a ,b ,b ,c ,c подаются на управляющие электроды ключей инвертора 5.
Частотный асинхронный электропривод содержит преобразователь частоты " Г
Блок коррекции управления ключами инвертора с инвертором тока, который получает сигналы управления от релейного регулятора тока, силовые выходы инвертора подключены к статорным обмоткам асинхронного двигателя. С помощью релейного регулятора тока и датчиков тока в фазах реализован внутренний контур отрицательной обратной связи по току статора. Данный контур обладает высокой точностью поддержания заданной величины мгновенных значений тока статора.
При реализации с помощью релейного регулятора внутреннего замкнутого контура тока, эквивалентная передаточная функция этого контура может быть представлена апериодическим звеном с малой постоянной времени Т . Некомпенсированная постоянная времени Тц принимается обратно пропорциональной частоте операций сравнения ШИМ регулятора тока. Эта частота зависит от модуля гистерезиса т, задаваемого из условия точности поддержания тока статора и устойчивости работы системы регулирования, обычно выбирается
Данный контур обладает высокой точностью поддержания заданного значения мгновенных" значений тока статора, определяемой заданным допустимым значением отклонения тока Л (принято Д =0,005) и высоким быстродействием. Передаточная функция замкнутого контура тока может быть представлена в виде: WPT(p) = ТЦР + (3.3) Мгновенные значения фазных сигналов задания на ток формируются блоком формирователя 21, на вход которого поступают сигнал задания частоты на I На выходе выходе инвертора C0j , и сигнал задания на модуль тока статора блока 21 формируются сигналы задания мгновенных значений тока статора в соответствии с формулами:
Сформированные таким образом сигналы задания на фазные токи статора поступают на узел сравнения заданных и измеренных значений фазных токов 22, который формирует сигналы рассогласования в соответствии со следующими формулами: hc-K Блок релейных регуляторов тока 23 формируют логические сигналы управления ключами инвертора 2 и реализуют следующий алгоритм управления: - при достижении разницы заданного значения фазного тока и измеренного значения фазного тока верхней границы порогового уровня, включают вентиль верхнего плеча, выключают вентиль нижнего плеча соответствующей фазы; - при достижении разницы заданного значения фазного тока и измеренного значения фазного тока нижней границы порогового уровня, выключают вентиль верхнего плеча и включают вентиль нижнего плеча соответствующей фазы.
Эти сигналы проходят через блок коррекции управления ключами инвертора 24, который включает блоки логических операций и исключает режим разрыва цепи тока, когда одновременно открыты три ключа анодной или катодной групп инвертора, в этом случае инвертор переводится в режим «короткого замыкания», когда открыты все шесть ключей.
Управление выпрямителем 1 осуществляется контуром регулирования постоянного тока. Задание на ток Id звена постоянного тока формируется путем умножения в блоке 32 заданного значения амплитуды фазного тока на посто янный коэффициент к , который выбирается на основании требований к качеству формируемых трехфазных токов. После чего в сумматоре 33 сигнал сравнивается с сигналом обратной связи от датчика тока Id, и разница поступает через регулятор 34 в систему управления выпрямителем 1.
Момент двигателя формируется и поддерживается на заданном уровне [57, 60] путем поддержания на заданном уровне амплитуды тока статора її, а также задания постоянной величины абсолютной разности между скоростями вращения поля статора и ротора Асо , контроля и поддержания на заданном уровне величины угла между векторами тока статора и потокосцепления ротора ф0.
