(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11)

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia (22) Data zgłoszenia (13)B1 (51) IntCl7 H02P 7/00 H02P 5/00 H02P 21/00 (54) Układ sterowania prędkości obrotowej silnika indukcyjnego (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 13/99 (73) Uprawniony z patentu: Instytut Elektrotechniki, Warszawa, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 07/05 (72) Twórcy wynalazku: Tadeusz Skoczkowski, Warszawa, PL Marian Kalus, Gliwice, PL Marek Sasor, Katowice, PL PL B1 Uktad sterowania prędkości obrotowej silnika induk cyjnego klatkowego zawierający regulator prędkości, układy dzielące, integratory, węzły sumacyjne, układ mnożący, generator funkcji sin/cos, układy modulatorów, przetworniki obrotu wielkości wektorowych, przetworniki pomiarowe prądu, przetwornik współrzędnych prostokątnych dwufazowych w trójfazowe oraz przetwornik współrzędnych trójfazowych na prostokątne dwufazowe, a także układ zadaw ania momentu obciążenia, znamienny tym, ze zadajmk składowej biernej prądu stojana (38) połączony jest z pierwszym wejściem przetwornika współrzędnych prostokątnych dwufazowych w trojfazowe typu a,p/u,v,w - (25) poprzez pierwsze wejście przetwornika obrotu wielkości wektorowych typu x,y/a,p - (24) oraz z wejściem dodatnim węzła sumacyjnego (10) poprzez blok zdefiniowany jako rr XM - (9), z kolei wyjście sterujące regulatora prędkości (1) połączono z drugim wejściem przetwornika współrzędnych prostokątnych dwufazowych w trojfazowe typu a.p/u,v,w - (25) poprzez wejście dzielnej układu dzielącego (2) oraz drugie wejście przetwornika obrotu wielkości wektorowych typu x,y/a.p - (24), jednocześnie wyjście układu dzielącego (2) połączone jest z pierwszym wejściem dodatnim węzła sumacyjnego (6) poprzez blok zdefiniowany jako r R x m - (4) oraz wejście dzielnej układu dzielącego (5),

2 Układ sterowania prędkości obrotowej silnika indukcyjnego Zastrzeżenie patentowe Układ sterowania prędkości obrotowej silnika indukcyjnego klatkowego zawierający regulator prędkości, układy dzielące, integratory, węzły sumacyjne, układ mnożący, generator funkcji sin/cos, układy modulatorów, przetworniki obrotu wielkości wektorowych, przetworniki pomiarowe prądu, przetwornik współrzędnych prostokątnych dwufazowych w trójfazowe oraz przetwornik współrzędnych trójfazowych na prostokątne dwufazowe, a także układ zadawania momentu obciążenia, znamienny tym, ze zadajnik składowej biernej prądu stojana (38) połączony jest z pierwszym wejściem przetwornika współrzędnych prostokątnych dwufazowych w trójfazowe typu α,β/u,v,w - (25) poprzez pierwsze wejście przetwornika obrotu wielkości wektorowych typu x,y/α,β - (24) oraz z wejściem dodatnim węzła sumacyjnego (10) poprzez blok zdefiniowany jako (9), z kolei wyjście sterujące regulatora prędkości (1) połączono z drugim wejściem przetwornika współrzędnych prostokątnych dwufazowych w trójfazowe typu α,β/u,v,w - (25) poprzez wejście dzielnej układu dzielącego (2) oraz drugie wejście przetwornika obrotu wielkości wektorowych typu x,y/α,β - (24), jednocześnie wyjście układu dzielącego (2) połączone jest z pierwszym wejściem dodatnim węzła sumacyjnego (6) poprzez blok zdefiniowany jako - (4) oraz wejście dzielnej układu dzie- lącego (5), poza tym wyjście węzła sumacyjnego (10) połączono z wejściem integratora (12) poprzez element zdefiniowany jako z kolei wyjście integratora (12) połączone jest z wejściem dzielnika układu dzielącego (5) oraz wejściem ujemnym węzła sumacyjnego (10) przez element sprzęzenia zwrotnego zdefiniowany jako - (8), a także z wejściem dzielnika układu dzielącego (2) poprzez element zdefiniowany jako (3), ponadto wyjście węzła sumacyjnego (6) połączone jest z wejściem sterującym generatora sin/cos - (7), z kolei wyjście sin wsit tego generatora połączone jest z pierwszym wejściem sterującym przetwornika obrotu wielkości wektorowych typu x,y/α,β- (24) oraz z pierwszym wejściem sterującym przetwornika obrotu wielkości wektorowych typu α,β/x,y - (26), zaś wyjście coscosit generatora (7) połączono z drugim wejściem sterującym przetwornika obrotu wielkości wektorowych typu x,y/α,β- (24), oraz z drugim wejściem sterującym przetwornika obrotu wielkości wektorowych typu α,β/x,y - (26), poza tym wyjścia trójfazowe przetwornika współrzędnych prostokątnych dwufazowych w trójfazowe typu α,β/u,v,w - (25) połączono kolejno z wejściami sterującymi tranzystorowego falownika napięcia (33) poprzez wejścia sterujące modulatorów (28, 29, 30), z kolei wyjścia przetworników pomiarowych prądu (34, 35, 36) w obwodzie stojana silnika indukcyjnego M - (37), połączono z wejściami pomiarowymi modulatorów (28, 29, 30) oraz z wejściami trójfazowymi przetwornika współrzędnych trójfazowych na prostokątne dwufazowe typu U,V,W/α,β- (27), z kolei wyjście prądowe isa tego przetwornika połączono z wejściem dodatnim węzła sumacyjnego (22) poprzez przetwornik obrotu wielko-

3 r x ści wektorowych typu a,p/x,y - (26) oraz blok zdefiniowany jako - (23), zaś wyjście węzła sumacyjnego (22) połączone jest z wejściem integratora (20) poprzez element zdefiniowany jako, z kolei wyjście tego integratora połączono z wejściem ujemnym węzła J* sumacyjnego (22) poprzez element sprzężenia zwrotnego zdefiniowanego jako - (19) oraz z wejściem dodatnim węzła sumacyjnego (16) poprzez element zdefiniowany jako - (18) oraz pierwsze wejście układu mnożącego (17), z kolei wyjście prądowe isp przetwornika współrzędnych trójfazowych na prostokątne dwufazowe typu U,V,W/a,p - (27) jest połączone z drugim wejściem układu mnożącego (17) poprzez przetwornik obrotu wielkości wektorowych typu a,p/x,y - (26), poza tym wyjście węzła sumacyjnego (16) jest połączone z wejściem integratora (13) poprzez element zdefiniowany jako - (14), z kolei wyjście tego integratora połączone jest z drugim wejściem dodatnim węzła sumacyjnego (6) oraz z wejściem pomiarowym regulatora prędkości (1), a także z wejściem pomiarowym układu zadawania momentu obciążenia (15), zaś wyjście układu zadawania momentu obciążenia (15) połączone jest z wejściem ujemnym węzła sumacyjnego (16), z kolei zadajnik prędkości kątowej (39) połączono z wejściem zadającym regulatora prędkości (1). X R * * * Przedmiotem wynalazku jest układ sterowania prędkości obrotowej silnika indukcyjnego, przeznaczony do regulacji prędkości obrotowej silników klatkowych w szerokich granicach. Znane dotychczas układy sterowania prędkości obrotowej silników asynchronicznych, które cechują się dobrymi właściwościami dynamicznymi, wyposażone są w tor pomiaru prędkości obrotowej silnika. Taki układ sterowania wyposażony jest w regulator strumienia, regulator prędkości obrotowej, przetwornik współrzędnych kartezjańskich na biegunowe, regulator kąta obciążenia, w układ logiczny składający się z układu pomiaru kąta wektora prądu stojana i kąta wektora strumienia wirnika oraz jego amplitudy. Część silnoprądowa układu sterowania składa się z prądowego przemiennika częstotliwości, który zasila stojan silnika indukcyjnego. Prądowy przemiennik częstotliwości zawiera prostownik tyrystorowy, który wraz z dławikiem stanowi źródło prądowe o regulowanej wydajności oraz tyrystorowy falownik prądu. Pomiar prędkości obrotowej silnika odbywa się przy użyciu tachometrycznej prądnicy, sprzężonej mechanicznie z wałem silnika klatkowego. W układzie według wynalazku zadajnik składowej biernej prądu stojana połączony jest z pierwszym wejściem przetwornika współrzędnych prostokątnych dwufazowych w trójfazowe typu a,p/u,v,w poprzez pierwsze wejście przetwornika obrotu wielkości wektorowych typu x,y/a,p oraz z wejściem dodatnim pierwszego węzła sumacyjnego poprzez pierwszy blok r x zdefiniowany jako. Wyjście sterujące regulatora prędkości połączono z drugim wej- ściem przetwornika współrzędnych prostokątnych dwufazowych w trójfazowe typu a,p/u,v,w poprzez wejście dzielnej pierwszego układu dzielącego oraz drugie wejście przetwornika obrotu wielkości wektorowych typu x,y/a,p, jednocześnie wyjście pierwszego układu dzielącego połączone jest z pierwszym wejściem dodatnim drugiego węzła sumacyjnego,

4 poprzez drugi blok zdefiniowany jako oraz wejście dzielnej drugiego układu dzielą cego. Poza tym wyjście pierwszego węzła sumacyjnego połączono z wejściem pierwszego integratora poprzez pierwszy element zdefiniowany jako, z kolei wyjście pierwszego integratora połączone jest z wejściem dzielnika drugiego układu dzielącego oraz z wejściem ujemnym pierwszego węzła sumacyjnego poprzez pierwszy element sprzężenia zwrotnego zdefiniowanego jako, a także z wejściem dzielnika pierwszego układu dzielącego poprzez pierwszy element zdefiniowany jako Ponadto wyjście drugiego węzła sumacyjnego połączone jest z wejściem sterującym generatora sin/cos, z kolei wyjście sincosit tego generatora połączone jest z pierwszym wejściem sterującym przetwornika obrotu wielkości wektorowych typu x,y/α,β oraz z pierwszym wejściem sterującym przetwornika obrotu wielkości wektorowych typu α,β/x,y, zaś wyjście sterujące coscosjt generatora sin/cos połączono z drugim wejściem sterującym przetwornika obrotu wielkości wektorowych typu x,y/a,p, oraz z drugim wejściem sterującym przetwornika obrotu wielkości wektorowych typu α,β/x,y. Wyjścia trójfazowe przetwornika współrzędnych prostokątnych dwufazowych w trójfazowe typu α,β/u,v.w połączono kolejno z wejściami sterującymi tranzystorowego falownika napięcia poprzez wejścia sterujące kolejno trzech modulatorów. Wyjścia sygnałowe trzech przetworników prądowych w obwodzie stojana silnika indukcyjnego M, połączono kolejno z wejściami pomiarowymi trzech modulatorów oraz z wejściami trójfazowymi przetwornika współrzędnych trójfazowych na prostokątne dwufazowe typu U,V,W/α,β. Z kolei wyjście prądowe isa tego przetwornika połączono z wejściem dodatnim trzeciego węzła sumacyjnego, poprzez przetwornik obrotu wielkości wektorowych typu α,β/x,y oraz trzeci blok zdefiniowany jako, zaś wyjście trzeciego węzła sumacyjnego połączone jest z wejściem trzeciego inte- gratora poprzez drugi element zdefiniowany jako Wyjście trzeciego integratora połączono z wejściem ujemnym trzeciego węzła sumacyjnego poprzez drugi element sprzężenia zwrotnego zdefiniowanego jako oraz z wejściem dodatnim czwartego węzła sumacyjne- go poprzez drugi element zdefiniowany jako oraz pierwsze wejście układu mnożącego. Wyjście prądowe isp przetwornika współrzędnych trójfazowych na prostokątne dwufazowe typu U,V,W/α,β jest połączone z drugim wejściem układu mnożącego poprzez przetwornik obrotu wielkości wektorowych typu α,β/x,y. Z kolei wyjście czwartego węzła sumacyjnego jest połączone z wejściem czwartego integratora poprzez element zdefiniowany jako - i Wyjście czwartego integratora połączone jest z drugim wejściem dodatnim drugiego węzła sumacyjnego oraz z wejściem pomiarowym regulatora prędkości, a także z wejściem pomiarowym układu zadawania momentu obciążenia, zaś wyjście układu zadawania momentu obciążenia połączone jest z wejściem ujemnym czwartego węzła sumacyjnego, z kolei zadaj nik prędkości kątowej połączony został z wejściem zadającym regulatora prędkości.

5 Układ sterowania prędkości obrotowej silnika indukcyjnego według wynalazku umożliwia regulację prędkości obrotowej silników indukcyjnych klatkowych w szerokich granicach, zwłaszcza w napędach elektrycznych cechującymi się dobrymi właściwościami dynamicznymi, w których ze względów technicznych i technologicznych nie stosuje się pomiaru prędkości obrotowej. Przedmiot wynalazku jest pokazany w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia schemat blokowy układu. Układ według wynalazku został zbudowany w oparciu o model silnika indukcyjnego klatkowego w układzie współrzędnych synchronicznych przy sterowaniu prądowym. Przedmiot wynalazku jest pokazany w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia schemat blokowy układu. Układ według wynalazku został zbudowany w oparciu o model silnika indukcyjnego klatkowego w układzie współrzędnych synchronicznych przy sterowaniu prądowym. W układzie zadajnik składowej biernej prądu stojana 38 połączony jest z pierwszym wejściem przetwornika współrzędnych prostokątnych dwufazowych w trójfazowe typu α,β/u,v, W 25 poprzez pierwsze wejście przetwornika obrotu wielkości wektorowych typu x,y/α,β 24 oraz z wejściem dodatnim pierwszego węzła sumacyjnego 10 poprzez pierwszy blok 9. Wyjście sterujące regulatora prędkości 1 połączono z drugim wejściem przetwornika współrzędnych prostokątnych dwufazowych w trójfazowe typu α,β/u,v,w 25 poprzez wejście dzielnej pierwszego układu dzielącego_2 oraz drugie wejście przetwornika obrotu wielkości wektorowych typu x,y/α,β 24, jednocześnie wyjście pierwszego układu dzielącego 2 połączone jest z pierwszym wejściem dodatnim drugiego węzła sumacyjnego 6, poprzez drugi blok 4 oraz wejście dzielnej drugiego układu dzielącego. Poza tym wyjście pierwszego węzła sumacyjnego 10 połączono z wejściem pierwszego integratora 12 poprzez pierwszy element 11, z kolei wyjście pierwszego integratora 12 połączone jest z wejściem dzielnika drugiego układu dzielącego 5 oraz z wejściem ujemnym pierwszego węzła sumacyjnego 10 poprzez pierwszy element sprzęzenia zwrotnego 8, a także z wejściem dzielnika pierwszego układu dzielącego 2 poprzez pierwszy element 3. Ponadto wyjście drugiego węzła sumacyjnego 6 połączone jest z wejściem sterującym generatora sin/cos 7, z kolei wyjście sincos,t tego generatora 7 połączone jest z pierwszym wejściem sterującym przetwornika obrotu wielkości wektorowych typu x,y/α,β 24 oraz z pierwszym wejściem sterującym przetwornika obrotu wielkości wektorowych typu α,β/x,y 26, zaś wyjście sterujące coscosit generatora sin/cos 7 połączono z drugim wejściem sterującym przetwornika obrotu wielkości wektorowych typu x,y/α,β 24, oraz z drugim wejściem sterującym przetwornika obrotu wielkości wektorowych typu α,β/x,y 26. Wyjścia trójfazowe przetwornika współrzędnych prostokątnych dwufazowych w trójfazowe typu α,β/u,v,w 25 połączono kolejno z wejściami sterującymi tranzystorowego falownika napięcia 33 poprzez wejścia sterujące kolejno trzech modulatorów 28, 29, 30. Wyjścia sygnałowe trzech przetworników prądowych 34, 35, 36 w obwodzie stojana silnika indukcyjnego M połączono kolejno z wejściami pomiarowymi trzech modulatorów 28, 29, 30 oraz z wejściami trójfazowymi przetwornika współrzędnych trójfazowych na prostokątne dwufazowe typu U,V,W/α,β 27. Z kolei wyjście prądowe isa tego przetwornika połączono z wejściem dodatnim trzeciego węzła sumacyjnego 22, poprzez przetwornik obrotu wielkości wektorowych typu α,β/x,y 26 oraz trzeci blok 23, zaś wyjście trzeciego węzła sumacyjnego 22 połączone jest z wejściem trzeciego integratora 20 poprzez drugi element 21. Wyjście trzeciego integratora 20 połączono z wejściem ujemnym trzeciego węzła sumacyjnego 22 poprzez drugi element sprzężenia zwrotnego 19, oraz z wejściem dodatnim czwartego węzła sumacyjnego, 16 poprzez drugi element 18 oraz pierwsze wejście układu mnożącego. Wyjście prądowe isp przetwornika współrzędnych trójfazowych na prostokątne dwufazowe typu U,V,W/α,β 27 jest połączone z drugim wejściem układu mnożącego 17 poprzez przetwornik obrotu wielkości wektorowych typu a,p/x,y 26. Z kolei wyjście czwartego węzła sumacyjnego 16 jest połączone z wejściem czwartego integratora 13 poprzez element 14. Wyjście czwartego integratora 13 połączone jest z drugim wejściem dodatnim drugiego węzła sumacyjnego 6 oraz z wejściem pomiarowym regulatora prędkości 1, a także z wejściem pomiarowym układu zadawania momentu obciążenia 15, zaś wyjście układu zadawania momen-

6 tu obciążenia 15 połączone jest z wejściem ujemnym czwartego węzła sumacyjnego 16, z kolei zadajnik prędkości kątowej 39 połączony został z wejściem zadającym regulatora prędkości 1. Układ według wynalazku może być zrealizowany zarówno na drodze hardware'owej (sprzętowej) - przy użyciu specjalizowanych układów scalonych, jak również software'owej (programowej) - przy użyciu mikroprocesorów sygnałowych, a także na drodze hybrydowej, przy użyciu tych dwóch technik razem. Układ według wynalazku można funkcjonalnie podzielić na dwa podzespoły. Pierwszy z nich realizuje sterowanie prędkości obrotowej silnika klatkowego według orientacji pola. Drugi podzespół realizuje w czasie rzeczywistym odtwarzanie prędkości obrotowej silnika indukcyjnego klatkowego. Część silnoprądowa układu według wynalazku składa się z napięciowego przemiennika częstotliwości, który zasila stojan silnika klatkowego. Napięciowy przemiennik częstotliwości zawiera prostownik diodowy niesterowany 31, który wraz z kondensatorem elektrolitycznym 32 stanowi nieregulowane źródło napięcia oraz tranzystorowy falownik napięcia z m odulacją szerokości impulsów 33. Działanie podzespołu realizującego sterowanie prędkości obrotowej silnika klatkowego według orientacji pola przedstawia się następująco: Jako wartości zadane występują: połowo zorientowana składowa prądu stojana isyz oraz prędkość kątowa wału maszyny indukcyjnej wrnz. Składowa czynna prądu isyz (wartość zadana) jest obliczana na podstawie zadanej wartości momentu elektromagnetycznego mez, którą określa regulator prędkości 1. Z kolei zadana wartość pulsacji poślizgu WRz została wyliczona z następującego równania: Układ realizujący obliczanie w oparciu o powyższe równanie zbudowano z bloku 4 zdefinio wanego jako oraz układu dzielącego 5. Wartość zadana strumienia skojarzonego wir nika WRz została obliczona w oparciu o następujące równanie: Układ realizujący powyższe równanie różniczkowe zawiera następujące elementy składowe: blok funkcjonalny 9 zdefiniowany jako, węzeł sumacyjny 10, blok 11 opisany równaniem, integrator 12 oraz element sprzęzenia zwrotnego 8 zdefiniowany jako. Wartość poślizgu zadanego WRz po zsumowaniu w węźle sumacyjnym 6 z aktualną wartością prędkości kątowej wału com, określa pulsację synchroniczną Ws1 maszyny indukcyjnej M Wartość pulsacji synchronicznej cos, jest przekształcana w generatorze funkcji 7 typu sin/cos w sygnały sinoasi t oraz coswsi t, przy czym Ws1 t = ysz jest położeniem wektora strumienia Frz względem nieruchomego układu współrzędnych α,β. Sygnały sincos, t i cosg \ s, t pozwalają przeliczyć zadane wartości składowych prądu stojana isxz isyz na składowe isoz i ispz co następuje w przetworniku obrotu wielkości wektorowych x,y/a,p Następnie proste przeliczenie ze współrzędnych prostokątnych a,p we współrzędne naturalne trójfazowe (w przetworniku współrzędnych prostokątnych dwufazowych w trójfazowe a,p/u,v,w - 25), prowadzi do uzyskania zadanych wartości prądu isijz, isvz, iswz dla modulatorów szerokości impulsów prą-

7 du stojana 28, 29, 30, które ostatecznie wysterowują bramki tranzystorów IGBT, w tranzystorowym falowniku napięcia 33. Z kolei działanie drugiego podzespołu realizującego w czasie rzeczywistym odtwarzanie prędkości obrotowej silnika indukcyjnego klatkowego wygląda następująco: sygnały isu, isv, iswz proporcjonalne do prądów fazowych stojana maszyny indukcyjnej M - 37, a uzyskane na wyjściu przetworników pomiarowych prądu 34, 35, 36 zostają przekształcone na składowe prostokątne isα, ispβ w przetworniku współrzędnych trójfazowych w dwufazowe U,V,W/α,β Następnie proste przeliczenie ze współrzędnych prostokątnych a,p we współrzędne prostokątne x,y (w przetworniku obrotu wielkości wektorowych α,β/x,y - 26) prowadzi do uzyskania składowych prądu stojana isx, isy w synchronicznym układzie odniesienia x,y. Rzeczywistą wartość strumienia skojarzonego wirnika -Fr oblicza się w układzie składającym się z następujących elementów: 23 - zdefiniowany jako, 22 - węzeł sumacyj- ny, 21 - zdefiniowany jako, 20 - integrator, 19 - element sprzęzenia zwrotnego zdefinio- wanyjako. Z kolei rzeczywistą wartość momentu elektromagnetycznego jak ą rozwija maszyna indukcyjna M - 37 oblicza się w układzie, który zawiera następujące elementy: 17 - układ mnożący, 18 - element zdefiniowany jako Układ ten zrealizowano w oparciu o następującą zależność: W wyniku całkowania równania momentów postaci: uzyskano odtworzoną w czasie rzeczywistym wartość prędkości kątowej com wału maszyny indukcyjnej M W realizacji odtworzenia równania momentów biorą udział następujące elementy: blok zadawania momentu obciążenia 15, węzeł sumacyjny 16, element zdefiniowany jako 14 oraz integrator 13. T m Blok zadawania momentu obciążenia 15 umożliwia zadawanie momentów dla urządzeń napędzanych o następujących charakterystykach mechanicznych: wentylatorowej mo = / ( W2m), liniowo zależnej od prędkości kątowej mo = f (wm) oraz stałej niezależnej od prędkości kątowej mo = const.

8 Departament Wydawnictw UP RP Nakład 50 egz Cena 2,00 zł.