RU2746795C1

RU2746795C1 - Method of frequency control of an electric drive with a synchronous engine without a rotor position sensor

Info

Publication number: RU2746795C1
Application number: RU2020123336A
Authority: RU
Inventors: Евгений Александрович Крутяков; Станислав Константинович Ляпидов
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр"
Priority date: 2020-07-07
Filing date: 2020-07-07
Publication date: 2021-04-21

Abstract

FIELD: electrical engineering.SUBSTANCE: invention relates to the field of electrical engineering; it can be used to create adjustable electric drives with multiphase synchronous engines that do not have a rotor position sensor, when the engines are powered by frequency converters (FC) with voltage inverters regulated by pulse width modulation (PWM) method. In the case of frequency control of an electric drive with a synchronous engine that does not have a rotor position sensor, the main harmonics of the output phase voltages of a frequency converter regulated by pulse-width modulation should be changed directly proportional to the frequency of the phase currents f with the correction of voltage drops at the active resistances of the engine phases and taking into account the deviation of the displacement angle between the main harmonics of the phase currents and phase voltages (angle φ) from the set value, while monitoring stability by calculating the current value of the torque angle (angle Θ). The drive current of a synchronous engine with electromagnetic drive should be adjusted according to the deviation of the engine power coefficient, determined by the main harmonics of phase currents and voltages, from the set value.EFFECT: reduced mass and dimensions of the computing device that is part of the control unit, due to a significant reduction in the number of computational operations at each step of adjusting the output voltage of the inverter and the drive current in the case of using an electromagnetically drive engine in an electric drive.1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для создания регулируемых электроприводов с многофазными синхронными двигателями, не имеющими датчика положения ротора, при питании двигателей от преобразователей частоты (ПЧ) с инверторами напряжения, регулируемыми методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ).The invention relates to the field of electrical engineering and can be used to create adjustable electric drives with multiphase synchronous motors that do not have a rotor position sensor, when the motors are powered from frequency converters (FC) with voltage inverters controlled by the pulse width modulation (PWM) method.

В известном способе управления частотой вращения синхронного двигателя без датчика положения ротора по патенту РФ 2414047 «Способ и управляющее устройство для управления электродвигателем с внутренними постоянными магнитами» управление инверторным каскадом преобразователя частоты (ПЧ) осуществляется по результатам измерений фазных противо-ЭДС двигателя в интервалах, когда токи фаз равны нулю (в интервалах «бестоковых пауз»).In the known method for controlling the speed of a synchronous motor without a rotor position sensor according to RF patent 2414047 "Method and control device for controlling an electric motor with internal permanent magnets", the inverter stage of the frequency converter (FC) is controlled according to the results of measurements of the phase back-EMF of the motor in intervals when phase currents are equal to zero (in the intervals of "no-current pauses").

Недостатком способа по патенту РФ 2414047 является то, что при таком управлении выходной каскад ПЧ используется как инвертор тока и работа с бестоковыми паузами возможна только в режиме перевозбуждения двигателя, когда коэффициент мощности двигателя (cosϕ) меньше единицы, поэтому КПД двигателя понижен. Кроме того, при таком способе управления высшие гармоники фазных токов создают большие потери в роторе.The disadvantage of the method according to the patent of the Russian Federation 2414047 is that with such control, the output stage of the inverter is used as a current inverter and operation with no-current pauses is possible only in the overexcitation mode of the motor, when the power factor of the motor (cosϕ) is less than unity, therefore, the efficiency of the motor is reduced. In addition, with this control method, the higher harmonics of the phase currents create large losses in the rotor.

В случаях использования в регулируемом электроприводе с синхронным двигателем инвертора напряжения для уменьшения потерь в двигателе формирование выходного напряжения инвертора осуществляется методом синусоидальной широтно-импульсной модуляции (синусоидальной ШИМ). При этом устойчивая работа привода возможна только в том случае, когда фазный сдвиг (угол нагрузки Θ) основных гармоник фазных напряжений инвертора по отношению к фазным противо-ЭДС двигателя находится в определенных пределах. Для выполнения этого условия необходимо знать «положение ротора» (угол нагрузки Θ). Если у двигателя нет датчика положения ротора, положение ротора вычисляется по параметрам электрической схемы замещения.In cases of using a voltage inverter in a variable speed drive with a synchronous motor to reduce losses in the motor, the formation of the inverter output voltage is carried out by the method of sinusoidal pulse-width modulation (sinusoidal PWM). In this case, stable operation of the drive is possible only if the phase shift (load angle Θ) of the fundamental harmonics of the phase voltages of the inverter with respect to the phase back-EMF of the motor is within certain limits. To fulfill this condition, it is necessary to know the "rotor position" (load angle Θ). If the motor does not have a rotor position sensor, the rotor position is calculated from the parameters of the equivalent circuitry.

В известном способе регулирования скорости многофазных двигателей, не имеющих датчиков положения ротора (патент РФ 2481694 «Устройство управления и способ управления вращающейся электрической машины») управление осуществляется исходя из оценки углового положения ротора (угла нагрузки Θ) по значениям «тестовых токов» в фазах двигателя, создаваемых «тестовыми напряжениями», формируемыми, генератором оценки положения, добавляемыми к напряжениям несущей частоты ШИМIn the known method of speed control of multiphase motors that do not have rotor position sensors (RF patent 2481694 "Control device and method for controlling a rotating electric machine"), control is carried out based on the assessment of the angular position of the rotor (load angle Θ) according to the values of the "test currents" in the motor phases generated by the "test voltages" generated by the position estimation generator added to the PWM carrier voltages

Недостаток известного способа по патенту РФ 2481694 состоит в том, что за счет тестовых напряжений искажаются выходные напряжения ПЧ и в токах фаз двигателя появляются дополнительные гармонические составляющие, повышающие нагревы и снижающие КПД.The disadvantage of the known method according to the patent of the Russian Federation 2481694 is that due to the test voltages, the output voltages of the inverter are distorted and additional harmonic components appear in the currents of the motor phases, increasing the heating and reducing the efficiency.

В качестве прототипа выбран способ регулирования скорости многофазных двигателей, не имеющих датчиков положения ротора (патент РФ 2428784 «Способ бездатчиковой оценки углового положения ротора многофазного электродвигателя»). При использовании этого способа оценка углового положения ротора (угла нагрузки Θ) осуществляется на каждом шаге расчетов фазных противо-ЭДС, определяемых по полной схеме замещения при измеренных токах фаз. При расчетах используется метод последовательного приближения, реализуемый в алгоритме «фильтра Калмана».As a prototype, a method for regulating the speed of multiphase motors without rotor position sensors has been selected (RF patent 2428784 "Method for sensorless estimation of the angular position of the rotor of a multiphase electric motor"). When using this method, the assessment of the angular position of the rotor (load angle Θ) is carried out at each step of calculating the phase back-EMF, determined by the full equivalent circuit at the measured phase currents. The calculations use the successive approximation method implemented in the Kalman filter algorithm.

Недостаток известного способа - прототипа по патенту РФ 2428784 состоит в необходимости выполнения на каждом шаге расчетов большого количества вычисления по алгоритму фильтра Калмана. а также в том, что результаты указанных расчетов могут иметь большие отклонения потому, что электрические параметры двигателя во многом зависят от режима работы: активные сопротивления R изменяются с изменениями температуры, а индуктивные сопротивления X (X=2π⋅f⋅L) зависят от степени насыщения магнитной цепи двигателя. В известных источниках, например в книге Ю.Н. Калачева «Наблюдатели состояния в векторном электроприводе». Изд. Москва. 2015 г., показано, что точность расчетов углового положения ротора но параметрам полной электрической схемы замещения можно повысить путем выполнения дополнительных расчетов для коррекции параметры схемы замещения. Однако даже это увеличение объема расчетов не гарантирует снижение ошибки в оценке углового положения ротора.The disadvantage of the known method - the prototype according to the patent of the Russian Federation 2428784 consists in the need to perform at each step of the calculations a large number of calculations according to the Kalman filter algorithm. and also in the fact that the results of these calculations can have large deviations because the electrical parameters of the engine largely depend on the operating mode: active resistances R change with temperature changes, and inductive resistances X (X = 2π⋅f⋅L) depend on the degree saturation of the magnetic circuit of the motor. In well-known sources, for example in the book by Yu.N. Kalacheva "State Observers in a Vector Electric Drive". Ed. Moscow. 2015, it is shown that the accuracy of calculating the angular position of the rotor but the parameters of the complete electric equivalent circuit can be increased by performing additional calculations to correct the parameters of the equivalent circuit. However, even this increase in the amount of calculations does not guarantee a decrease in the error in estimating the angular position of the rotor.

Другой недостаток известного способа-прототипа состоит в том, что для его реализации необходимо «мощное» вычислительное устройство - компаратор с большим объемом оперативной памяти и высокой тактовой частотой, стоимость которого может быть сопоставима со стоимостью электропривода.Another disadvantage of the known prototype method is that its implementation requires a "powerful" computing device - a comparator with a large amount of random access memory and a high clock frequency, the cost of which can be comparable to the cost of an electric drive.

Задачей предлагаемого изобретения является улучшение технико-экономических показателей: уменьшение массы и габаритов, снижение стоимости вычислительного устройства, входящего в состав блока управления, за счет значительного снижения числа вычислительных операций на каждом шаге корректировки выходного напряжения инвертора и тока возбуждения в случае использования в электроприводе двигателя с электромагнитным возбуждением.The objective of the proposed invention is to improve the technical and economic indicators: reduce the weight and dimensions, reduce the cost of the computing device included in the control unit, due to a significant reduction in the number of computational operations at each step of adjusting the output voltage of the inverter and the excitation current in the case of using a motor with electromagnetic excitation.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Структурная схема электропривода, в котором реализуется предлагаемое изобретение, приведена на фиг. 1. В состав электропривода входя т преобразователь частоты 1 с инвертором напряжения на выходе, синхронный двигатель 2 и блок управления инвертора 3. В случае электромагнитного возбуждения двигателя в состав электроприводе должен входить регулятор тока возбуждения 4. В состав преобразователя частоты должны входить датчик напряжения цепи постоянного тока на входе инвертора Ud и датчики фазных токов i_A, i_B, i_C. Сигналы этих датчиков должны подаваться на входы блока 3. Кроме того, на входы блока 3 должны подаваться сигналы задания частоты вращения n (об/мин), определяющей частоту фазных токов исходя из значения числа пар полюсов двигателя р (f=р⋅n/60), сигнал, задающий предельное значение угла Θ и, в случае электромагнитного возбуждения двигателя, сигнал оптимальной величины угла ϕ. С выходов блока 3 на инвертор 2 должны подаваться сигналы Uya, Uyb, Uyc для формирования фазных напряжений методом ШИМ и сигналы управления регулятором тока возбуждения 4.The block diagram of the electric drive, which implements the invention, is shown in Fig. 1. The drive includes a frequency converter 1 with an output voltage inverter, a synchronous motor 2 and an inverter control unit 3. In the case of electromagnetic excitation of the motor, the drive must include an excitation current regulator 4. The frequency converter must include a DC voltage sensor current at the input of the inverter Ud and phase current sensors i _A , i _B , i _C. The signals of these sensors must be fed to the inputs of block 3. In addition, the signals for setting the rotation frequency n (rpm), which determines the frequency of the phase currents based on the value of the number of motor pole pairs p (f = р⋅n / 60 ), a signal specifying the limiting value of the angle Θ and, in the case of electromagnetic excitation of the motor, the signal of the optimal value of the angle ϕ. From the outputs of block 3, the signals Uya, Uyb, Uyc must be supplied to the inverter 2 for the formation of phase voltages by the PWM method and control signals by the excitation current regulator 4.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе частотного управления электроприводом с синхронным двигателем без датчика положения ротора текущие значения функции угла ϕ вычисляется по уравнению:The problem is solved due to the fact that in the method of frequency control of an electric drive with a synchronous motor without a rotor position sensor, the current values of the angle function ϕ are calculated by the equation:

Р=i_A ⋅ cosωt + i_B ⋅ cos(ωt - 2π/3) + i_C cos(ωt + 2π/3),Р = i _A ⋅ cosωt + i _B ⋅ cos (ωt - 2π / 3) + i _C cos (ωt + 2π / 3),

Q=i_A ⋅ sinωt + i_B ⋅ sin(ωt - 2π/3) + i_C sin(ωt + 2π/3),Q = i _A ⋅ sinωt + i _B ⋅ sin (ωt - 2π / 3) + i _C sin (ωt + 2π / 3),

i_A, i_B, i_C - мгновенные значения фазных токов двигателя,i _A , i _B , i _C - instantaneous values of motor phase currents,

ω=2π ⋅ f - угловая скорость, при частоте основной волны, фазных токов f,ω = 2π ⋅ f - angular velocity, at the frequency of the fundamental wave, phase currents f,

t - текущее время,t - current time,

f - частота основной волны фазного тока, вычисляются по значению числа пар полюсов двигателя р и по заданной частоте вращения n (об/мин) по формуле (f=(p⋅n/60):f is the frequency of the main wave of the phase current, calculated by the value of the number of pairs of motor poles p and at a given speed n (rpm) by the formula (f = (p⋅n / 60):

Таким образом, для вычислений функции угла сдвига фаз ϕ по (1) не нужны параметры электрической схемы замещения двигателя, расчеты выполняются по простым уравнениям, поэтому в блоке управления можно использовать вычислительное устройство с невысокой тактовой частотой и небольшим объемом оперативной памяти.Thus, to calculate the phase angle function ϕ according to (1), the parameters of the electric equivalent circuit of the motor are not needed, the calculations are performed according to simple equations, therefore, a computing device with a low clock frequency and a small amount of RAM can be used in the control unit.

Текущие значения угла нагрузки Θ определяется в результате решения уравнения:The current values of the load angle Θ are determined by solving the equation:

где:Where:

Uф - эффективное значение основной волны фазного напряжения, определяемое по значению напряжения на входе инвертора Ud, по значению коэффициента модуляции μ и коэффициента схемы Ксх (Uф=Кcx ⋅ μ ⋅ Ud).Uph is the effective value of the fundamental wave of the phase voltage, determined by the voltage value at the input of the inverter Ud, by the value of the modulation factor μ and the coefficient of the circuit Ксх (Uph = Кcx ⋅ μ ⋅ Ud).

Iф - эффективное значение основной волны фазного токаIph - effective value of the fundamental wave of the phase current

Iф=2((i_A - i_B/2 - i_C/2)²+(-i_B ⋅ 1,73/2+i_C ⋅ 1,73/2)²)^0,5/3,If = 2 ((i _A - i _B / 2 - i _C / 2) ² + (- i _B ⋅ 1.73 / 2 + i _C ⋅ 1.73 / 2) ² ) ^0.5 / 3,

Xq=ω⋅Lq - полное синхронное индуктивное сопротивление двигателя по поперечной оси ротора.Xq = ω⋅Lq is the total synchronous inductive reactance of the motor along the transverse axis of the rotor.

Для пояснения уравнения (2) на фиг. 2 приведены общеизвестные векторные диаграммы токов и напряжений синхронного двигателя (А.И. Вольдек «Электрические машины», Ленинград, «Энергия». 1978, стр. 744) для режимов на ϕ>0 (фиг. 2а) и ϕ<0 (фиг. 2б) без учета падения напряжения на активном сопротивлении фазы статора. На диаграммах напряжений показаны два треугольника: ABD и BCD. Согласно приведенным диаграммам катет BD треугольника ABD пропорционален Uф⋅sinΘ. В треугольнике BCD катет BD пропорционален Iф ⋅ Xq ⋅ cosΨ, а, согласно диаграммам, Ψ=ϕ+Θ.To clarify equation (2) in FIG. 2 shows well-known vector diagrams of currents and voltages of a synchronous motor (A.I. Voldek "Electric machines", Leningrad, "Energia". 1978, p. 744) for modes on ϕ> 0 (Fig. 2a) and ϕ <0 (Fig. 2b) without taking into account the voltage drop across the active resistance of the stator phase. The voltage diagrams show two triangles: ABD and BCD. According to the diagrams given, the leg BD of the triangle ABD is proportional to Uf⋅sinΘ. In a triangle BCD, the leg BD is proportional to If ⋅ Xq ⋅ cosΨ, and, according to the diagrams, Ψ = ϕ + Θ.

Согласно (2) угол Θ вычисляется в результате решения алгебраического уравнения, в которое входит только один электрический параметр двигателя - полное синхронное индуктивное сопротивление двигателя по поперечной оси ротора Xq. Из-за большого немагнитного зазора по поперечной оси ротора этот параметр мало зависит от насыщения магнитной цепи двигателя.According to (2), the angle Θ is calculated as a result of solving an algebraic equation, which includes only one electrical parameter of the motor - the total synchronous inductive reactance of the motor along the transverse axis of the rotor Xq. Due to the large non-magnetic gap along the transverse axis of the rotor, this parameter depends little on the saturation of the magnetic circuit of the motor.

Таким образом, данные по требуемым корректировкам выходного напряжения преобразователя частоты и тока возбуждения, в случае использования в электроприводе двигателя с электромагнитным возбуждением, в зависимости от отклонений ϕ и Θ от заданных значений, определяются в результате нескольких алгебраических расчетов, для которых можно использовать дешевое вычислительное устройство с небольшой массой и габаритами, что снижает стоимость блока управления.Thus, the data on the required adjustments of the output voltage of the frequency converter and the excitation current, in the case of using a motor with electromagnetic excitation in an electric drive, depending on the deviations ϕ and Θ from the specified values, are determined as a result of several algebraic calculations, for which a cheap computing device can be used with low weight and dimensions, which reduces the cost of the control unit.

Claims

A method of frequency control of an electric drive, which includes a three-phase synchronous motor, a frequency converter (FC) with an output voltage inverter controlled by a sinusoidal pulse-width modulation (PWM) method, equipped with stator phase current sensors, an inverter input voltage sensor and a control unit, characterized by , that the control unit calculates the function of the phase angle ϕ between the phase current and phase voltage according to the equation

sinϕ = Q / (P ² + Q ² ) ^0.5 ,

where Р, Q - conditional powers, are determined by the formulas

Р = i _A ⋅ cosωt + i _B ⋅ cos (ωt - 2π / 3) + i _C ⋅ cos (ωt + 2π / 3),

Q = i _A ⋅ sinωt + i _B ⋅ sin (ωt - 2π / 3) + i _C ⋅ sin (ωt + 2π / 3),

where i _A , i _B , i _C - measured instantaneous values of phase currents,

ω - angular velocity, calculated by the formula ω = 2π ⋅ f,

t - current time,

f is the frequency of the main wave of the phase current, calculated by the value of the number of pairs of motor poles p and at a given speed n (rpm) by the formula f = (p ⋅ n / 60);

and also in the control unit, the load angle Θ is calculated from the equation

Uph ⋅ sinΘ = Iph ⋅ Xq ⋅ cos (ϕ + Θ),

where Uf is the effective value of the fundamental wave of the phase voltage, is determined by the value of the voltage at the input of the inverter Ud, by the values of the modulation coefficient μ and the coefficient of the circuit Ксх (Uf = Ксх ⋅ μ ⋅ Ud),

Iph is the effective value of the main wave of the phase current, determined by the formula

If = 2 ((i _A - i _B / 2 - i _C / 2) ² + (- i _B ⋅ 1.73 / 2 + 1.73 / 2) ² ) ^0.5 / 3,

Xq is the total synchronous inductive reactance of the motor along the transverse axis of the rotor, calculated from the value of the inductance of the motor along the transverse axis Lq by the formula

Xq = ω ⋅ Lq;

as well as the output voltages of the phases of the inverter Uph change in proportion to the frequency of the phase currents f with the correction of voltage drops across the active phase resistances and taking into account the deviation of the angle Θ from the specified limit value, and the excitation current of the motor with electromagnetic excitation is corrected according to the deviation of the phase angle ϕ, which determines the power factor , from a given optimal value.