RU2317632C1 - System for vector control of speed of asynchronous electric motor - Google Patents
System for vector control of speed of asynchronous electric motor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2317632C1 RU2317632C1 RU2006133765/09A RU2006133765A RU2317632C1 RU 2317632 C1 RU2317632 C1 RU 2317632C1 RU 2006133765/09 A RU2006133765/09 A RU 2006133765/09A RU 2006133765 A RU2006133765 A RU 2006133765A RU 2317632 C1 RU2317632 C1 RU 2317632C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- rotor
- speed
- inputs
- current
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области систем автоматического управления электроприводами переменного тока и может быть использовано для частотного регулирования скорости асинхронного двигателя.The invention relates to the field of automatic control systems for AC electric drives and can be used for frequency regulation of the speed of an induction motor.
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.A known frequency-current system for controlling the speed of an asynchronous electric motor [1], comprising a speed loop whose error signal is proportional to the active component of the current (load moment) is supplied together with the signal for setting the magnetizing component of the current proportional to flux linkage through the coordinate converter from a rotating reference system to a fixed coordinate system stator to the inputs of the phase currents of an induction motor.
Преобразование координат осуществляется с помощью двух модуляторов, датчика угла поворота двигателя, дифференциального датчика угла и тахометрической следящей системы.Coordinates are converted using two modulators, an engine angle sensor, a differential angle sensor and a tachometric tracking system.
Недостатком данной системы являются низкие статические и динамические свойства системы регулирования. Это обусловлено упрощенным подходом в реализации контуров управления и отсутствием 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 частоту пропускания.The disadvantage of this system is the low static and dynamic properties of the control system. This is due to a simplified approach to the implementation of control loops and the lack of feedback on flux linkage. When the moment is formed, the flux linkage may deviate from the set one as a result of changes in the rotor resistance and saturation of the machine. In addition, the influence of cross-connections and the emf of rotation in the phase current circuits is not taken into account, which leads to amplitude and phase errors in the formation of phase currents. Optimization of transients in the phase current circuits is difficult, since the regulators must have a variable transmission frequency.
Известна система векторного управления скоростью асинхронного электропривода с моделью потока ротора АД (см. рис.11 [3]), содержащая два канала управления преобразователем частоты реализованного на базе выпрямителя сетевого напряжения и автономного инвертора напряжения, один силовой выход которого непосредственно, а два других через датчики тока подключены к обмоткам асинхронного двигателя. Первый из каналов четырехконтурный и содержит последовательно включенные регулятор положения, регулятор скорости с блоком ограничения, регулятор момента, регулятор поперечной составляющей тока статора во вращающейся системе координат. Второй канал двухконтурный и содержит последовательно включенные регулятор потокосцепления и регулятор продольной составляющей тока статора во вращающейся системе координат. Выходы регуляторов тока двух каналов через преобразователь токов из вращающейся системы координат (х, у) в неподвижную систему координат (α, β) и преобразователь двухфазной системы координат (α, β) в трехфазную систему (a, b, с) подключены к входам широтно-импульсного модулятора соединенного выходами с управляющими входами ключей автономного инвертора. Первый вход регулятора положения подключен к задатчику положения, а второй к выходу блока интегрирования, подключенного входом совместно с вторыми входами регулятора скорости и задатчика потокосцепления к выходу датчика скорости асинхронного двигателя.A well-known vector control system for the speed of an asynchronous electric drive with a rotor flux model of the motor rotor (see Fig. 11 [3]), containing two control channels for the frequency converter implemented on the basis of the mains voltage rectifier and autonomous voltage inverter, one power output of which is direct and the other two through current sensors are connected to the windings of an induction motor. The first channel is four-circuit and contains a position controller, a speed controller with a limiting unit, a torque controller, a transverse component of the stator current in a rotating coordinate system. The second channel is dual-circuit and contains the flux linkage regulator and the longitudinal component of the stator current in series in a rotating coordinate system. The outputs of the current regulators of two channels through a current converter from a rotating coordinate system (x, y) to a fixed coordinate system (α, β) and a converter of a two-phase coordinate system (α, β) to a three-phase system (a, b, c) are connected to the inputs -pulse modulator connected by outputs with control inputs of keys of an autonomous inverter. The first input of the position controller is connected to the position controller, and the second to the output of the integration unit, connected by the input together with the second inputs of the speed controller and the flow coupler to the output of the speed sensor of the induction motor.
Выходы датчиков тока подключены через преобразователь трехфазной системы токов (а, b, с) в двухфазную (α, β) к преобразователю токов из системы неподвижных (α, β) координат во вращающуюся систему координат (х, у), один из выходных сигналов которого определяющий продольную Isx составляющую тока статора соединен с вторым входом регулятора тока по составляющей Isx, а через апериодического звено с первыми входами блока деления, с помощью которого формируется сигнал пропорциональный частоте скольжения ωr ротора, и умножения, с помощью которого формируется сигнал пропорциональный динамическому моменту двигателя, другой сигнал пропорциональный поперечной составляющей Isy тока статора соединен с вторыми входами регулятора тока по составляющей Isy, блока деления и умножения. Выход апериодического звена, с помощью которого формируется сигнал Imrx пропорциональный потокосцеплению, подключен в качестве сигнала обратной связи ко второму входу регулятора потокосцепления и к управляющему входу блока ограничения, выход умножителя - ко второму входу регулятора момента, выходной сигнал ωr делителя через сумматор и блок интегрирования соединен с развертывающими входами преобразователей координат, второй вход сумматора подключен к выходу датчика скорости. Синхронная частота определяется как сумма сигнала ωr с выхода делителя и сигнала ω с выхода датчика скорости и подается через блок интегрирования на блоки тригонометрических преобразователейThe outputs of the current sensors are connected through a converter of a three-phase current system (a, b, c) to a two-phase (α, β) to a current converter from a system of fixed (α, β) coordinates to a rotating coordinate system (x, y), one of the output signals of which I sx defining a longitudinal component of the stator current is connected to the second input of the current regulator for component I sx, and through aperiodic link with the first inputs of the division unit, with which a signal is generated proportional to the slip frequency ω r of the rotor, and multiplying by which the odds iruetsya signal proportional to the dynamic motor torque, the other signal is proportional to a transverse component of the stator current I sy connected to the second current controller inputs of component I sy, dividing and multiplying unit. The output of the aperiodic link with which the signal I mrx proportional to flux linkage is generated is connected as a feedback signal to the second input of the flux linkage controller and to the control input of the restriction unit, the multiplier output is connected to the second input of the torque regulator, the output signal ω r of the divider is through an adder and a block integration is connected to the deploying inputs of the coordinate transformers, the second input of the adder is connected to the output of the speed sensor. The synchronous frequency is defined as the sum of the signal ω r from the output of the divider and the signal ω from the output of the speed sensor and is fed through the integration unit to the blocks of trigonometric converters
Недостатком данной системы являются низкие регулировочные свойства, вызванные тем, что поведение модели в системе вращающихся координат не согласуется с реальными процессами, протекающими в двигателе. Это обусловлено тем, что математическая модель определена с рядом допущений, к которым относится: синусоидальность напряжений и токов в двигателе, вывод уравнений модели в предположении постоянства частот статорных и роторных цепей двигателя и отсутствии влияния перекрестных связей в цепях ротора, т.е. для стационарного режима работы и отсутствия переходных режимов. Кроме того, использование датчиков тока в значительном диапазоне выходных частот преобразователя приводит к погрешностям измерения и снижению точности. Введение контура регулирования момента снижает быстродействие системы регулирования, а его эффективность значительно снижается при неточном определении потокосцепления.The disadvantage of this system is the low adjusting properties caused by the fact that the behavior of the model in the system of rotating coordinates is not consistent with the real processes taking place in the engine. This is due to the fact that the mathematical model is defined with a number of assumptions, which include: the sinusoidality of voltages and currents in the motor, the derivation of the model equations under the assumption that the frequencies of the stator and rotor circuits of the motor are constant and there is no influence of cross-links in the rotor circuits, i.e. for stationary operation and lack of transient modes. In addition, the use of current sensors in a significant range of output frequencies of the converter leads to measurement errors and a decrease in accuracy. The introduction of a torque control loop reduces the speed of the control system, and its effectiveness is significantly reduced with inaccurate determination of flux linkage.
Наиболее близкой по технической сущности и по совокупности принципов реализации к заявляемому изобретению является система векторного управления скоростью асинхронного электропривода ротора АД [3], выбранная в качестве прототипа.The closest in technical essence and in the totality of the principles of implementation to the claimed invention is a vector control system for the speed of an asynchronous electric rotor AD [3], selected as a prototype.
Система векторного управления скоростью асинхронного электропривода, содержит контур потокосцепления, включающий в себя последовательно соединенные элемент сравнения соединенные сигнала задания потокосцепления ротора и обратной связи и регулятор потокосцепления, контур скорости, включающий в себя последовательно соединенные элемент сравнения сигнала задания частоты вращения ротора и обратной связи с датчика скорости и двухконтурный параметрический регулятор скорости с блоком ограничения, второй вход которого дополнительно соединен с выходом датчиком скорости, выходы регуляторов потокосцепления и 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 системы (α, β) во вращающуюся систему координат (х, у) и регулятор тока, выходы каждого из которых подключены через блок компенсации эдс вращения и перекрестных связей, преобразователь координат из вращающейся системы (х, у) в неподвижную систему (α, β) 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 (α, β) подключены к входам преобразователя потокосцепления из неподвижной системы координат (α, β) во вращающуюся систему координат (х, у), выходы датчиков тока фаз подключены через преобразователь трехфазной системы токов в двухфазную ко вторым информационным входам вычислителя составляющих потокосцепления ротора в неподвижной системе координат (α, β) и входам преобразователя токов из неподвижной системы координат (α, β) во вращающуюся систему координат (х, у), угол поворота которой относительно неподвижной системы координат (α, β) равен φc=∫ωct, вторые развертывающие входы преобразователей координат подключены к выходам направлющих sinφc и cosφc двухфазного генератора, вторые и третьи входы блока компенсации эдс вращения и перекрестных связей к выходам преобразователя токов из неподвижной системы координат (α, β) во вращающуюся систему координат (х, у) и выходу датчика скорости, кроме того, система содержит контур автоподстройки частоты потокосцепления, содержащий последовательно соединенные регулятор частоты и блок деления, выход которого задающий синхронную частоту ωс с подключен к входу двухфазного генератора и четвертому входу блока компенсации эдс вращения и перекрестных связей, а управляющий вход совместно с третьим управляющим входом параметрического регулятора скорости, входом обратной связи элемента сравнения контура потокосцепления ротора и пятым входом блока компенсации эдс вращения и перекрестных связей соединен с выходом Ψrx преобразователя потокосцепления из неподвижной системы координат (α, β) во вращающуюся систему координат (х, у) через первый низкочастотный фильтр, причем вход регулятора частоты подключен к выходу Ψry преобразователя потокосцепления ротора из неподвижной системы координат (α, β) во вращающуюся систему координат (х, у) через второй низкочастотный фильтр.A vector control system for the speed of an asynchronous electric drive contains a flux linkage circuit that includes a series-connected comparison element connected to a rotor and feedback flux link reference signal and a flux linkage controller, a speed loop that includes a serially connected element to compare a rotor rotation frequency reference signal and a feedback from a sensor speed and a dual-circuit parametric speed controller with a limiting unit, the second input of which is additionally connected inen with an output by a speed sensor, the outputs of the flux linkage and speed controllers are connected to the corresponding subordinate current loops, each of which contains a series-connected adder of the signal for setting the current and feedback from the corresponding output of the current transformer from the system (α, β) to the rotating coordinate system (x, s) and a current regulator, the outputs of each of which are connected through a unit for compensating the emf of rotation and cross-connections, the coordinate converter from the rotating system (x, y) to the stationary system (α, β) and a converter of a two-phase signal system into a three-phase to the control inputs of a frequency converter connected by power outputs through current sensors to the windings of an asynchronous electric motor, in the gap of which two sensors of the main flux linkage components are installed on the Hall elements, the outputs of which are through a rotor flux linkage calculator in a fixed coordinate system (α, β) are connected to the inputs of the flux linkage converter from a fixed coordinate system (α, β) to a rotating coordinate system (x, y), the outputs of the phase current sensors are connected through a converter of the three-phase current system to two-phase to the second information inputs of the calculator of the rotor flux linkage components in the fixed coordinate system (α, β) and the inputs of the current converter from the fixed coordinate system (α, β) to the rotating coordinate system (x, y ), the rotation angle of which relative to the fixed coordinate system (α, β) is φ c = ∫ω c t, the second expanding inputs of the coordinate transformers are connected to the outputs of the guides sinφ c and cosφ c of the two-phase generator, sec the third and third inputs of the compensation unit for the emf of rotation and cross-connections to the outputs of the current transformer from the fixed coordinate system (α, β) to the rotating coordinate system (x, y) and to the output of the speed sensor, in addition, the system contains a loop for automatically adjusting the frequency of the flux linkage connected frequency controller and the division unit, the output of which sets the synchronous frequency ω s with connected to the input of the two-phase generator and the fourth input of the compensation unit of the emf of rotation and cross-connections, and the control input with together with the third control input of the parametric speed controller, the feedback input of the rotor flux link circuit comparison element and the fifth input of the rotational emf and cross-coupling compensation unit, is connected to the output Ψ rx of the flux link converter from the fixed coordinate system (α, β) to the rotating coordinate system (x, s) through the first low-pass filter, and the frequency controller input is connected to the output Ψ ry of the rotor flux linkage converter from a fixed coordinate system (α, β) to a rotating system mu coordinates (x, y) through the second low-pass filter.
Недостатком данной системы является то, что при ее реализации требуется доработка общепромышленных АД путем установки в зазор двигателя датчиков Холла для контроля составляющих потокосцепления. Это сужает область применения систем с непосредственным измерением вектора потокосцепления.The disadvantage of this system is that its implementation requires the completion of common industrial blood pressure by installing Hall sensors in the engine clearance to control the components of the flux linkage. This narrows the scope of systems with direct measurement of the flux linkage vector.
Сущность изобретения заключается в решении задачи стабилизации системы регулирования без использования датчиков тока и потокосцепления. Это достигается путем введения полной трехфазной модели асинхронного двигателя в естественных координатах статора и ротора, а также дополнительных контуров автоподстройки.The essence of the invention is to solve the problem of stabilizing the control system without the use of current sensors and flux linkage. This is achieved by introducing a full three-phase model of an induction motor in the natural coordinates of the stator and rotor, as well as additional auto-tuning loops.
Технический результат заключается в обеспечении качественных показателей систем векторного управления электроприводами переменного тока с минимумом датчиков обратных связей.The technical result consists in providing quality indicators of vector control systems for AC electric drives with a minimum of feedback sensors.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известной системе векторного управления скоростью асинхронного электропривода, содержащей контур потокосцепления, включающий в себя последовательно соединенные элемент сравнения задания потокосцепления и обратной связи и регулятор потокосцепления, контур скорости, включающий в себя последовательно соединенные элемент сравнения сигнала задания частоты вращения ротора и обратной связи с датчика скорости, параметрический регулятор скорости с блоком ограничения, второй вход которого дополнительно подключен к выходу датчика скорости, выходы регуляторов потокосцепления и 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 трехфазной системы (а, b, с) во вращающуюся систему координат (х, у), регуляторы тока, выходы которых подключены через блок компенсации эдс вращения и перекрестных связей, преобразователь из вращающейся системы координат (х, у) в трехфазную систему (а, b, с) и широтно-импульсный модулятор к блоку управления автономным инвертором, соединенного силовыми входами с источником питания, а выходами с обмотками асинхронного электродвигателя, третий и четвертый входы блока компенсации эдс вращения и перекрестных связей соединены с выходами преобразователя токов из трехфазной системы (а, b, с) во вращающуюся систему координат (х, у), а также последовательно включенные регулятор синхронной частоты, блок деления и интегратор, выход которого соединен с развертывающими входами преобразователя токов, преобразователя координат из вращающейся системы (х, у) в трехфазную систему (а, b, с), особенность заключается в том, что введены модель двигателя в естественных координатах статора и ротора, три вывода которой пропорциональные токам фаз статора подключены к входам преобразователя токов из системы (а, b, с) во вращающуюся систему координат (х, у), преобразователь потокосцепления ротора в систему вращающихся координат (х, у), три входа которого подключены к трем другим выходам модели пропорциональным потокосцеплению обмоток ротора, выход Ψrx - к входу обратной связи элемента сравнения контура потокосцепления, выход Ψry - к входу регулятору синхронной частоты, третий сумматор, два входа которого соединены с выходом интегратора и седьмым выходом, соответствующим координате угла поворота ротора модели, а выход подключен к развертывающему входу преобразователя потокосцепления ротора в систему вращающихся координат (х, у), восьмой выход модели, соответствующий координате частоты вращения, подключен совместно с выходом датчика скорости к третьему элементу сравнения, выход которого через регулятор компенсации момента нагрузки соединен с входом координаты статического момента модели.The specified technical result in the implementation of the invention is achieved by the fact that in the known system of vector control of the speed of an asynchronous electric drive containing a flux link, including a series-connected element for comparing the task of flux linkage and feedback and a flow regulator, a speed loop that includes a series-connected element for signal comparison setting the rotor speed and feedback from the speed sensor, parametric speed controller with unit m limitation, the second input of which is additionally connected to the output of the speed sensor, the outputs of the flow coupler and speed controllers are connected to the corresponding slave current loops, each of which contains a series-connected adder of the current signal and feedback from the corresponding output of the current converter from the three-phase system (a, b , c) into a rotating coordinate system (x, y), current controllers, the outputs of which are connected through a unit for compensating the emf of rotation and cross-connections, a converter from a coordinate system (x, y) into a three-phase system (a, b, c) and a pulse-width modulator to an autonomous inverter control unit connected by power inputs to a power source and outputs with asynchronous motor windings, the third and fourth inputs of the emf compensation unit rotation and cross-connections are connected to the outputs of the current transformer from a three-phase system (a, b, c) into a rotating coordinate system (x, y), as well as sequentially connected synchronous frequency controller, division unit and integrator, the output of which is connected n with the expanding inputs of the current converter, coordinate converter from the rotating system (x, y) to the three-phase system (a, b, c), the peculiarity is that a motor model is introduced in the natural coordinates of the stator and rotor, the three outputs of which are proportional to the phase currents the stator is connected to the inputs of the current transformer from the system (a, b, c) into a rotating coordinate system (x, y), the rotor flux linkage converter to the rotating coordinate system (x, y), the three inputs of which are connected to three other outputs of the model in proportion поток rx - to the feedback input of the element for comparing the flux linkage, Ψ ry output - to the input of the synchronous frequency controller, the third adder, two inputs of which are connected to the integrator output and the seventh output corresponding to the coordinate of the rotor angle of the model, and the output is connected to the deploying input of the rotor flux linkage converter to the rotating coordinate system (x, y), the eighth model output corresponding to the coordinate of the rotation frequency is connected together with the speed sensor output growth to the third element of comparison, the output of which through the load moment compensation regulator is connected to the input of the coordinate of the model's static moment.
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.The analysis of the prior art by the applicant, including a search by patent and scientific and technical sources of information, and the identification of sources containing information about analogues of the claimed invention, allowed to establish that the applicant did not find an analogue characterized by features identical to all the essential features of the claimed invention. The definition from the list of identified analogues of the prototype, as the closest in the set of essential features of the analogue, allowed to identify the set of essential distinguishing features in relation to the applicant's technical result in the claimed device set forth in the claims.
Следовательно заявленное изобретение соответствует условию "Новизна".Therefore, the claimed invention meets the condition of "Novelty."
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:To verify the compliance of the claimed invention with the condition "Inventive step", the applicant conducted an additional search for known solutions in order to identify signs that match the distinctive features of the claimed device from the prototype. The search results showed that the claimed invention does not follow explicitly from the prior art, since the effect of the transformations provided for by the essential features of the claimed invention on the achievement of the technical result, in particular, the claimed invention does not provide for the following:
1) использования модели ротора двигателя в системе координат вращающихся с синхронной частотой;1) using the rotor model of the motor in the coordinate system rotating with synchronous frequency;
2) использование трехфазных преобразователей координат и широтно-импульсного модулятора не внесено в отличающуюся часть формулы изобретения, так, как принцип их реализации известен;2) the use of three-phase coordinate converters and a pulse-width modulator is not included in the differing part of the claims, since the principle of their implementation is known;
3) использование решающего блока для формирования составляющих потокосцепления ротора.3) the use of a crucial unit for the formation of the components of the flux linkage of the rotor.
Описываемое изобретение не основано на изменении количественных признаков, введение известных блоков и представление таких признаков во взаимосвязи вытекает из основной идеи изобретения - использовании автономных свойств модели для реализации возможности настройки привода без введения датчиков обратных связей и подключения двигателя. В аналогах заявляемого изобретения указанные блоки используются по другому функциональному назначению и имеют другие функциональные связи.The described invention is not based on a change in quantitative features, the introduction of known blocks and the presentation of such features in conjunction follows from the main idea of the invention - the use of autonomous model properties to realize the ability to configure the drive without introducing feedback sensors and connecting the motor. In the analogues of the claimed invention, these blocks are used for another functional purpose and have other functional relationships.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "Изобретательский уровень".Therefore, the claimed invention meets the condition of "Inventive step".
Сущность изобретения поясняется графическими материалами на которых изображено: на фиг.1 - функциональная схема системы векторного управления скоростью асинхронного электродвигателя, на фиг.2 - структурная схема трехфазной модели двигателя в естественных координатах статора и ротора. Заявляемая согласно формуле изобретения "Система векторного управления скоростью асинхронного электропривода" содержит контур потокосцепления, включающий в себя последовательно соединенные элемент 1 сравнения сигнала задания потокосцепления ротора и обратной связи по составляющей Ψrx потокосцепления, регулятор 2 потокосцепления, контур скорости, который содержит последовательно включенные элемент 3 сравнения сигнала задания частоты вращения ротора и обратной связи с выхода датчика скорости, параметрический регулятор 4 скорости с блоком ограничения. Выходы регулятора 2 потокосцепления и регулятора 4 контура скорости подключены соответственно через сумматоры 5, 6 подчиненных контуров тока, регуляторы тока 7, 8, два канала блока 9 компенсации эдс вращения и перекрестных связей, преобразователя 10 из вращающейся системы координат (х, у) в трехфазную систему (а, b, с) к широтно-импульсному модулятору 11 блока управления автономным инвертором 12, силовые входы которого подключены к источнику постоянного напряжения, а выходы - к обмоткам асинхронного двигателя 13, а также к модели двигателя 14 в естественных системах координат статора и ротора. Три выхода модели, пропорциональные токам фаз статор, через преобразователь 15 токов из трехфазной системы (a, b, с) во вращающуюся систему координат (х, у), подключены к соответствующим вторым входам сумматоров 5, 6 контуров тока в качестве сигналов обратной связи и к первым двум входам блока 9 компенсации. Три других выхода модели, пропорциональные потокосцеплению фаз ротора, подключены к преобразователю 16 потокосцепления ротора во вращающуюся систему координат (х, у), один из выходов которого, характеризующий составляющую Ψrx потокосцепление ротора, соединен с входом обратной связи элемента 2 сравнения контура потокосцепления, с 3-м входом блока 9 компенсации эдс и перекрестных связей и управляющим входом регулятора скорости 4 второй выход Ψry преобразователя 16 через регулятор 17 синхронной частоты, блок 18 деления и блок 19 интегрирования фазы подключен к входам тригонометрических преобразователей модели двигателя 14 и преобразователей координат 10, 15. Выход интегратора 19 и выход модели характеризующий координату угла поворота ротора подключены к третьему сумматору 20, выход которого равный разности фаз подключен к развертывающему входу преобразователя 16. Выход модели, соответствующий координате ω частоты вращения ротора, через третий элемент сравнения 21 и регулятор 22 компенсации момента нагрузки подключен к ее входу, соответствующему координате статического момента. Входы обратных связей элементов 3, 4, 21 соединены с выходом датчика 23 скорости двигателя. Управляющие входы регулятора 4 и блока деления 18 подключены к выходу Ψrx преобразователя потокосцепления ротора 17.The invention is illustrated by graphic materials which depict: in Fig. 1 is a functional diagram of a vector control system for the speed of an induction motor, in Fig. 2 is a structural diagram of a three-phase model of the motor in the natural coordinates of the stator and rotor. The inventive "Vector control system for the speed of an asynchronous electric drive" contains a flux link, which includes a series-connected
Принцип организации системы регулирования основан на организации условий функционирования, при которых формирование момента и потокосцепления осуществлялось независимо друг от друга. Данные условия выполняются при контроле составляющих Ψrx и Ψry вектора потокосцепления ротора в системе координат вращающихся с синхронной скоростью и работе с составляющими потокосцепления ротора Ψrx=const и Ψry=0. Структурная схема асинхронного двигателя, в этом случае подобна структурной схеме двигателя постоянного тока и содержит два основных контура: стабилизации потокосцепления ротора и регулирования скорости. Регулирование момента при этом осуществляется только за счет одной величины Isy поперечной составляющей тока статора.The principle of organization of the regulatory system is based on the organization of operating conditions under which the formation of moment and flux linkage was carried out independently of each other. These conditions are satisfied when the components Ψ rx and Ψ ry of the rotor flux linkage vector are controlled in the coordinate system rotating at a synchronous speed and when working with the rotor flux link components Ψ rx = const and Ψ ry = 0. The block diagram of an induction motor, in this case, is similar to the block diagram of a DC motor and contains two main circuits: stabilization of the rotor flux linkage and speed control. The torque control is carried out only due to one value of I sy the transverse component of the stator current.
Система управления (см. фиг.1) реализована в соответствии с принципами построения систем подчиненного регулирования параметров. Канал регулирования потокосцепления ротора Ψrx содержит подчиненный контур составляющей тока Isx, а контур составляющей тока Isy подчинен контуру скорости. Параметры регуляторов 2, 4, 7 и 8 выбираются исходя из условия настройки контуров на модульный оптимум. Регулятор скорости двухконтурный. Первый контур содержит интегратор с управляемым входом по рассогласованию второго. Второй контур включает в себя дополнительный элемент сравнения, пропорциональное звено, делитель и блок ограничения. Передаточные функции регуляторов при этом соответствуют ПИ-регуляторам. Для развязки контуров управления и устранения влияния перекрестных связей между составляющими потокосцепления статора на выходе регуляторов тока с помощью блока 9 формируются компенсирующие сигналы ωcL'sIsy, ωcL'sIsx, где ωc - синхронная частота, - переходная индуктивность статорной обмотки, Ls, Lr, Lm - индуктивности статорной и роторной цепи и их взаимная индуктивность. Для компенсации влияния внутренних перекрестных связей на статор со стороны ротора формируются корректирующие сигналы ωKrΨrx, КrΨrx/Тr, которые вводятся на выходе регуляторов тока. Здесь Kr=Lm/Lr - коэффициент связи ротора, Тr - постоянная времени ротора, ω - частота вращения ротора. Учитывая, что переходная индуктивность L′S, составляющие потокосцепление ωСL′Isy, ωСL′Isx не оказывают значительного влияния на переходные процессы. Влиянием связи ωKrΨry с учетом реализации условия Ψry=0 можно пренебречь. Действие составляющей ωKrψrx в силу значительной инертности ротора также не оказывает существееного влияния на переходные процессы системы с обратными связями.The control system (see figure 1) is implemented in accordance with the principles of constructing systems of subordinate control of parameters. The rotor flux linkage control channel Ψ rx contains a subordinate circuit of the current component I sx , and the current component circuit I sy is subordinate to the velocity circuit. The parameters of the regulators 2, 4, 7 and 8 are selected based on the conditions for setting the circuits to a modular optimum. Dual-speed speed controller. The first circuit contains an integrator with a controlled input for the mismatch of the second. The second circuit includes an additional element of comparison, a proportional link, a divider and a restriction block. The transfer functions of the regulators in this case correspond to PI regulators. To isolate the control circuits and eliminate the influence of cross-connections between the stator flux linkage components, at the output of the current regulators, using block 9, compensating signals ω c L ' s I sy , ω c L' s I sx are formed , where ω c is the synchronous frequency, - transient inductance of the stator winding, L s , L r , L m - inductors of the stator and rotor circuits and their mutual inductance. To compensate for the effect of internal cross-linking on the stator from the rotor side, correction signals ωK r Ψ rx , K r Ψ rx / Т r are formed , which are introduced at the output of the current regulators. Here K r = L m / L r is the rotor coupling coefficient, T r is the rotor time constant, ω is the rotor speed. Given that the transient inductance L ′ S constituting the flux linkage ω С L′I sy , ω С L′I sx do not significantly affect the transients. The influence of the coupling ωK r Ψ ry , taking into account the realization of the condition Ψ ry = 0, can be neglected. The action of the component ωK r ψ rx , due to the significant inertia of the rotor, also does not exert an existing effect on the transients of the feedback system.
Для контроля составляющих тока статора и потокосцепления ротора используется модель двигателя.To control the components of the stator current and rotor flux linkage, a motor model is used.
Исходная система матричных уравнений для напряжений статора и ротора трехфазного АД, записанных в естественных системах координат, имеет вид:The initial system of matrix equations for the stator and rotor voltages of the three-phase HELL recorded in natural coordinate systems has the form:
гдеWhere
Rs, Rr - сопротивления обмоток статора и ротора; Isa, Isb, Isc - токи фаз статора; Ira, Irb, Irc - токи фаз ротора; Ψsa, Ψsb, Ψsc, Ψra, Ψrb, Ψrc - соответственно потокосцепления фаз статора и ротора.R s , R r - resistance of the stator and rotor windings; I sa , I sb , I sc - stator phase currents; I ra , I rb , I rc - rotor phase currents; Ψ sa , Ψ sb , Ψ sc , Ψ ra , Ψ rb , Ψ rc are the flux linkages of the phases of the stator and rotor, respectively.
Максимальная взаимная индуктивность обмоток статора и ротораMaximum mutual inductance of stator and rotor windings
. .
При повороте ротора на угол φ относительно статора выражения для потокосцепления имеют вид:When the rotor is rotated through an angle φ relative to the stator, the expressions for flux linkage are:
где для симметричной трехфазной машиныwhere for a symmetric three-phase machine
Здесь Ls, Lr - соответственно индуктивность статорной и роторной обмотки.Here L s , L r - respectively, the inductance of the stator and rotor windings.
Момент двигателя для естественных координат двигателя определяется как частная производная по углу от электромагнитной энергии запасенной в обмотках статора и ротораThe motor moment for the natural coordinates of the motor is defined as the partial derivative of the electromagnetic energy stored in the stator and rotor windings in angle
, ,
что дает следующее выражениеwhich gives the following expression
где φ - угол поворота ротора относительно статора.where φ is the angle of rotation of the rotor relative to the stator.
Уравнение движения приводаDrive Motion Equation
где J - момент инерции привода, Мc - момент нагрузки на валу двигателя.where J is the moment of inertia of the drive, M c is the moment of load on the motor shaft.
Структурная схема модели двигателя 14 в соответствии с уравнениями (1)÷(6) представлена на фиг.2. В качестве основных входных координат модели используются напряжения на обмотках статора. Это позволяет наиболее просто производить сопряжение модели с реальными величинами, воздействующими на объект управления, например, с помощью делителей напряжения, соединенных в звезду.The structural diagram of the model of the engine 14 in accordance with equations (1) ÷ (6) is presented in figure 2. As the main input coordinates of the model, the voltage on the stator windings is used. This allows the simplest pairing of the model with real values acting on the control object, for example, using voltage dividers connected to a star.
Зависимость между фазными величинами и составляющими вектора тока статора в направлениях осей х и у определяется из уравненияThe relationship between the phase quantities and the components of the stator current vector in the directions of the x and y axes is determined from the equation
где Where
Данное уравнение определяет соответствие между мгновенными значениями фазных величин и составляющими обобщенного вектора.This equation determines the correspondence between the instantaneous values of the phase quantities and the components of the generalized vector.
Переход от фазных величин модели в системе неподвижных координат к ортогональным составляющим тока статора в системе вращающихся координат осуществляется преобразователем 15 в соответствии со следующими выражениями:The transition from the phase quantities of the model in the fixed coordinate system to the orthogonal components of the stator current in the rotating coordinate system is carried out by the Converter 15 in accordance with the following expressions:
Сигналы управления широтно-импульсным модулятором 19 автономного инвертора формируются преобразователем 10 путем перехода от ортогональных составляющих обобщенного вектора к системе трехфазных напряжений в соответствии со следующими уравнениями:The control signals of the pulse-width modulator 19 of the autonomous inverter are generated by the converter 10 by switching from the orthogonal components of the generalized vector to a three-phase voltage system in accordance with the following equations:
Usa=Usxcosφc-Usysinφс;U sa = U sx cosφ c -U sy sinφ s ;
Usb=Usxcos(φc-2π/3)-Usysin(φ-2π/3);U sb = U sx cos (φ c -2π / 3) -U sy sin (φ-2π / 3);
Usc=Usxcos(φc+2π/3)-Usysin(φ+2π/3).U sc = U sx cos (φ c + 2π / 3) -U sy sin (φ + 2π / 3).
Уравнения перехода от фазных величин потокосцепления ротора к составляющим потокосцепления в системе вращающейся координат, которые реализуются с помощью преобразователя 16, имеют вид:The equations of transition from the phase values of the rotor flux linkage to the flux linkage components in the rotating coordinate system, which are implemented using the transducer 16, have the form:
; ;
. .
Слежение за синхронной частотой ωc осуществляется путем контроля составляющей потокосцепления Ψry с помощью регулятора 17 синхронной частоты и блока деления 18. Для формирования фазы развертки φc=∫ωcdt используется интегратор 19. Рассогласование по фазе (φс-φ) между статором и ротором определяется с помощью сумматора 20.The synchronous frequency ω c is monitored by monitoring the flux linkage component Ψ ry using the synchronous frequency controller 17 and the division unit 18. An integrator 19 is used to form the sweep phase φ c = ∫ω c dt 19. Phase mismatch (φ с -φ) between the stator and the rotor is determined using the adder 20.
Для исключения рассогласования между моделью и двигателем при изменении момента нагрузки на валу двигателя, используется контур компенсации момента нагрузки. Рассогласование по скорости модели и двигателя (ω и ω∂) формируется сумматором 21 и через регулятор 22 подается на вход модели соответствующий координате статического момента Mc. С учетом того, что коэффициент передачи интегратора модели, тождественно равный моменту инерции двигателя, фиксированная величина - оптимизация процессов в контуре достигается регулятором 22, передаточная функция которого соответствует реальному дифференцирующему звену. Данный контур также компенсирует другие возможные отклонения скорости, вызванные не идентичностью параметров двигателя и модели, а также их изменением в процессе работы.To avoid mismatch between the model and the engine when the load torque on the motor shaft changes, a load torque compensation loop is used. The mismatch in the speed of the model and the engine (ω and ω ∂ ) is generated by the adder 21 and through the controller 22 is supplied to the input of the model corresponding to the coordinate of the static moment M c . Given the fact that the transfer coefficient of the integrator of the model, which is identically equal to the moment of inertia of the engine, a fixed value - optimization of processes in the circuit is achieved by controller 22, the transfer function of which corresponds to the real differentiating link. This circuit also compensates for other possible speed deviations caused by the non-identical engine and model parameters, as well as their change during operation.
Первичная настройка системы регулирования возможна без использования датчика скорости двигателя. Для этого достаточно замкнуть контур скорости по выходной координате ω модели.Initial adjustment of the control system is possible without the use of an engine speed sensor. To do this, it is enough to close the velocity loop in the output coordinate ω of the model.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленной системы следующей совокупности условий:Thus, the above information indicates the following conditions are met when using the claimed system:
- 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 переходных режимов и обеспечении условий устойчивости без использования датчиков тока и потокосцепления;- the essential features characterizing the essence of the invention, in principle, can be repeatedly used in the technique of automatic control of variable frequency drives in various industries with obtaining a technical result, which consists in regulating transient conditions and ensuring stability conditions without using current sensors and flux linkage;
- для реализации принципа построения системы могут быть использованы как аналоговые, так и аналого-цифровые средства управления, преимущество при этом имеют сигнальные микропроцессоры и микроконтроллеры;- to implement the principle of building a system, both analog and analog-to-digital controls can be used, while signal microprocessors and microcontrollers have an advantage;
- средства, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, независимо от их вида способны обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.- means embodying the claimed invention in its implementation, regardless of their type, can ensure the achievement of the technical result perceived by the applicant.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "Промышленная применимость".Therefore, the claimed invention meets the condition of "Industrial applicability".
Источники информацииInformation sources
1. Бродовский В.Н., Иванов B.C. Приводы с частотно-токовым управлением. М.: Энергия, 1974, с.37-47, с.134-138, рис.3-2.1. Brodsky V.N., Ivanov B.C. Drives with frequency-current control. M .: Energy, 1974, p. 37-47, p. 134-138, Fig. 3-2.
2. Кочетков В.Д. и др. Системы регулирования электроприводов переменного тока с микропроцессорным управлением / В.Д.Кочетков, Л.X.Дацковский, А.В.Бирюков, Ю.М.Гусяцкий, В.Г.Роговой // Электротехн. пром-сть. Сер. 08. Электропривод: Обзор, информ. - 1989. Вып.26. - С.1-80.2. Kochetkov V.D. et al. Control systems for AC electric drives with microprocessor control / V.D. Kochetkov, L.X. Datskovsky, A.V. Biryukov, Yu.M. Gusyatsky, V.G. Rogova // Elektrotehn. industry. Ser. 08. Electric drive: Review, inform. - 1989. Issue 26. - S.1-80.
3. Патент РФ на изобретение №2158055, кл. Н02Р 21/00, 2000.3. RF patent for the invention No. 2158055, class. Н02Р 21/00, 2000.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006133765/09A RU2317632C1 (en) | 2006-09-21 | 2006-09-21 | System for vector control of speed of asynchronous electric motor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006133765/09A RU2317632C1 (en) | 2006-09-21 | 2006-09-21 | System for vector control of speed of asynchronous electric motor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2317632C1 true RU2317632C1 (en) | 2008-02-20 |
Family
ID=39267358
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006133765/09A RU2317632C1 (en) | 2006-09-21 | 2006-09-21 | System for vector control of speed of asynchronous electric motor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2317632C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2450299C1 (en) * | 2010-10-07 | 2012-05-10 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Control device for marine electric propulsion system based on fuzzy controller |
RU2491692C2 (en) * | 2009-03-11 | 2013-08-27 | Мицубиси Электрик Корпорейшн | Control unit for ac rotating machine |
RU2539557C2 (en) * | 2009-05-18 | 2015-01-20 | Бомбардир Транспортацион Гмбх | Limitation of overload current at regulation of inverter-powered three-phase motors |
RU2772108C1 (en) * | 2021-08-16 | 2022-05-17 | Общество с ограниченной ответственностью "СовЭлМаш" | Asynchronous rotating machine with phase rotor |
-
2006
- 2006-09-21 RU RU2006133765/09A patent/RU2317632C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2491692C2 (en) * | 2009-03-11 | 2013-08-27 | Мицубиси Электрик Корпорейшн | Control unit for ac rotating machine |
RU2539557C2 (en) * | 2009-05-18 | 2015-01-20 | Бомбардир Транспортацион Гмбх | Limitation of overload current at regulation of inverter-powered three-phase motors |
RU2450299C1 (en) * | 2010-10-07 | 2012-05-10 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Control device for marine electric propulsion system based on fuzzy controller |
RU2772108C1 (en) * | 2021-08-16 | 2022-05-17 | Общество с ограниченной ответственностью "СовЭлМаш" | Asynchronous rotating machine with phase rotor |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6636012B2 (en) | Stator and rotor resistance identifier using high frequency injection | |
JP7013342B2 (en) | Multi-phase motor drive | |
SU1371513A3 (en) | A.c.electric drive | |
US6657413B2 (en) | Driving equipment for synchronous motors | |
EP2387145B1 (en) | Synchronous disturbance suppression in a variable speed motor drive | |
US5502360A (en) | Stator resistance detector for use in electric motor controllers | |
EP2555420A1 (en) | Self-commissioning procedure for inductance estimation in an electrical machine | |
US8878471B2 (en) | Control apparatus for electric rotary machine | |
Gryzlov et al. | Frequency-response methods for synthesizing controlled high-speed electric drives of compressors | |
CN102386834A (en) | Method and device for controlling vector of permanent magnet synchronous motor | |
CN106788051A (en) | A kind of induction-type bearingless motor method for estimating rotating speed | |
RU2132110C1 (en) | Method for optimal vector control of induction electric motor and electric drive which implements said method | |
RU2317632C1 (en) | System for vector control of speed of asynchronous electric motor | |
EP1326325B1 (en) | Method of extending the operating speed range of a rotor flux based MRAS speed observer in a three phase AC induction motor | |
RU2313895C1 (en) | Alternating current motor | |
EP3171508A1 (en) | Method for the scalar control of an induction motor, particularly at low speed operation, and scalar control system for an induction motor | |
US4475074A (en) | Apparatus for determining the common frequency of two independently variable electrical a-c variables, especially in a rotating-field machine | |
RU2625720C1 (en) | Device for controlling double-fed motor | |
RU2254666C1 (en) | Alternating-current drive | |
Mazulina et al. | Digital control system of the recuperation device | |
RU2158055C2 (en) | Vector control device for induction electric drive | |
US20230299700A1 (en) | Power Conversion Device | |
SU904178A1 (en) | Device for control of asynchronized synchronous machine | |
CA1304775C (en) | Method and apparatus for the digital determination of the field angle of a rotating-field machine | |
SU1432711A1 (en) | A.c. electric drive |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080922 |