PL244114B1 - Dwubiegowy osiemnastotaktowy sterowany częstotliwościowo, komutowany elektronicznie silnik indukcyjny, oraz sposób komutacji łączników - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest schemat dwubiegowego osiemnastotaktowego sterowanego częstotliwościowo komutowanego elektronicznie silnika indukcyjnego oraz sposób komutacji łączników energoelektronicznych zapewniających sterowanie prędkością poprzez zmianę liczby par biegunów jak i częstotliwości wirowania pola magnetycznego w szczelinie powietrznej. Schemat oraz algorytm sterowania zapewniają eliminację sześciopulsowych oraz dwunastopulsowych drgań w momencie elektromagnetycznym i w chwilowej mocy zasilania wskutek kompensacji 5., 7., 11. i 13. harmonicznych czasowych i przestrzennych w polu magnetycznym stojana maszyny elektrycznej. W proponowanym silniku nie ma strat w żelazie od wymienionych harmonicznych. Maksymalne tętnienia, które występują w momencie elektromagnetycznym i w chwilowej mocy zasilania odpowiadają harmonicznym 18., 36.,... itd.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sterowany elektronicznie dwubiegowy silnik indukcyjny, oraz sposób komutacji łączników, zapewniający sterowanie prędkością poprzez zmianę liczby par biegunów jak i częstotliwości wirowania pola magnetycznego w szczelinie powietrznej przy jednoczesnej eliminacji tętnień harmonicznych czasowych i przestrzennych przepływu stojana.

Sposób, budowa i algorytm sterowania silnika, zapewniają eliminację sześciopulsowości oraz dwunastopulsowości w momencie elektromagnetycznym i w chwilowej mocy zasilania wskutek kompensacji harmonicznych czasowych i przestrzennych 5., 7., 11. i 13. w polu magnetycznym stojana maszyny elektrycznej.

W rozwiązaniu silnika według wynalazku nie ma strat w żelazie od wymienionych harmonicznych. Tętnienia, które występują w momencie elektromagnetycznym i w chwilowej mocy zasilania są wielokrotnością osiemnastu. Schemat oraz algorytm sterowania dotyczy stojana silnika indukcyjnego klatkowego. Stąd nazwa dwubiegowy osiemnastotaktowy sterowany częstotliwościowo silnik indukcyjny, która też stanowi nowość.

Znany jest osiemnastotaktowy silnik, w którym trzy trójfazowe uzwojenia są przesunięte względem siebie w przestrzeni o kąt 20° oraz zasilane z falowników napięcia o 20-stopniowym przesunięciu czasowym. Przez to jednolite przesunięcie czasowe i przestrzenne usuwane są sześciopulsowość i dwnastopulsowość z chwilowych mocy mechanicznej i elektrycznej. Opis tego silnika i teoretyczne uzasadnienie eliminacji tych harmonicznych podano w zgłoszeniu patentowym.

Tu częściowo przytacza się rozumkowanie:

Niech ffh oznacza przepływ od pierwszego uzwojenia w fazach A, B, C, ff’n drugiego uzwojenia, a ff”h trzeciego. Wtedy, jeżeli harmoniczne uzwojeń to harmoniczne przestrzenne, harmoniczne prądu to harmoniczne czasowe można napisać:

. 33 θ₅ = — w/j cos(7 + Scot) +—cos(5?7 + cot)', . π _Γ 5π. 35π π.

cos(7+ — + 5άΥ + -)+-^^^03^ ⁺ ~ ^{+ α>( +}~+

2π . 10π. 3 10π2π.

0, = — Μ',/, cos(^ Η---\-5ωί Η--) Η— wj. cos(5/7 η---1- ωί Η);

⁵ 2 9 9 2 99 θ₅ = ^₅ + θ} + 0$ =—wJ_s[cos(v + 5at) + cos(j]+5wt+—) + cos(7j + 5wt——)] + sĄLcosiST/ + cot) + cos(5 η + ωί + ^-) + οο3(5η + ωί= θ>

-ι—w 2 gdzie:

- W1, W5 - amplitudy pierwszej, piątej harmonicznej uzwojenia,

- h, /5 - amplitudy pierwszej i piątej harmonicznej prądu,

- η - kąt przestrzenny,

- rot - kąt czasowy.

W podobny sposób wykazuje się, że przepływy od poszczególnych uzwojeń dla 7. harmonicznej również redukują się. Przytoczono jeszcze uzasadnienie eliminacji z przepływu 011. harmonicznej.

3

0,, = —»,/,, 005(77+!to) +—w,,/, cos(l λη + coty.

„· ³ , / π .. Ππ. 3 11π _t π.

= - 1 cos(/; + -+1 to + —) + - w„ /, cos(l 1η +—+cot + -), _τ 2π 22π_λ 3 . 22π 2π.

0,, = -^,/,, cos(?7+—+ 1 Ιωί^—~) +—^ws‘t cos(l ω + —— + ωί+—);

* ί η 3 2τε

0_η ⁼ ^ιι + ^ιι ⁺ &ϊι ⁼ ^'/„[cos^ +¹+ cos(t; +1 Ιωί +—) + cos(/? +1 to - —)] +

2τι 2ji +—»„/,[!1 005(.7 + (0/) + cos(l 1η + (0/ +—) + cos(l 1η + cot ——) = 0,

PL 244114 Β1 gdzie:

- am, In - amplitudy jedenastych harmonicznych uzwojenia i prądu.

Na podstawie analogii to samo można twierdzić o 13. harmonicznej.

Niech M’ oznacza moment od pierwszego trójfazowego uzwojenia, M” moment od drugiego trójfazowego uzwojenia, a M’” trzeciego. Poniżej wykazano, że jeżeli przepływy 5. i 7. harmonicznej trójfazowego uzwojenia składają się na 6. harmoniczną momentu, a 11. i 13. harmoniczna przepływu na 12. harmoniczną momentu, to 6. i 12. harmoniczna nie wystąpią w momencie wypadkowym ponieważ:

M' =M_d +Μ_ύ cos6(a)t)+M₁₂ cos 12(/9/) +A,_s.

M’ =M_a+M₆ cosóft»/ + 20°) + M₁₂cosl2(<a/ + 20°) + A_lg;

M’ =M₀ +M_e cos 6(t»r- 20°) + M_]2cosl2(ioZ-20°) + A_1S;

2π 2π

Μ = 3M₀ +M_b [cos(6®/) +cos(6®/ + —) + cos(6®/ ——)] + +A/₁₂1 cos(1 Ίω!) + cos(l - —) + cos(l lat + | = 3M_a + 3A_lg, gdzie:

M - moment wypadkowy jako suma momentów od trzech uzwojeń trójfazowych,

Mo, Me, M12 - składowa zerowa, 6. i 12. momentu od trójfazowego uzwojenia, ^18 ⁼ Σ ^ISj

J=¹> - suma osiemnastokrotnych harmonicznych momentu wypadkowego silnika.

Jak już wspomniano, prąd w obwodzie zasilającym nie zawiera harmonicznych 6. i 12.. Na dowód tego przytoczono następujące rozważanie:

777?

Niech moc elektryczna będzie dana jako: /ąnawn / drugiej strony 'sprawn , const , . const .. .

i . =-----M =-----3(M_n + Δ, _s) — ^x U Lo⁷

7777 a przy założeniu, że U=, Ω = const, jest: 'sprawn /sprawo Tak _wję_{C w} prądzie po stronie DC pozostają tylko tętnienia od Ais gdzie:

U= i= - napięcia i prądy źródła zasilającego,

Psprawn - sprawność zaproponowanego silnika.

Innym rozważanym zagadnieniem jest dwubiegowość maszyny, pozwalająca zmniejszyć zakres częstotliwości przy szerokim zakresie regulacji prędkości.

Przeanalizowano koncepcję dwufalownikowego zasilania silnika indukcyjnego przeznaczonego do zastosowania w pojazdach elektrycznych ze zmianą liczby par biegunów.

Analiza wykazała, że możliwe jest zredukowanie tętnień (od harmonicznych czasowych) w momencie elektromagnetycznym, jak i zredukowanie hałasu akustycznego. Efekt uzyskano przy założeniu, że falowniki sterowane są z zastosowaniem metody PWM oraz przy liczbie żłobków na biegun i fazę q = 4. Zauważamy, że w tamtym rozwiązaniu nie proponuje się eliminacji wyższych harmonicznych przestrzennych w przepływie.

W proponowanym rozwiązaniu nie wykorzystuje się metody PWM, a harmoniczne czasowe i przestrzenne są eliminowane z przepływu maszyny w samej maszynie i to przy q = 1.

Małą prędkość kątową silnika zapewnia się zwiększeniem liczby par biegunów p, co pozwala zwiększyć częstotliwość zasilania f, natomiast dla wyższych prędkości zmniejszenie liczby par biegunów p pozwala zmniejszyć częstotliwość, tworząc w ten sposób relatywnie wąski zakres sterowania częstotliwością. Wzór (1) ilustruje przytoczone rozumowanie w sposób matematyczny:

(1)

PL 244114 Β1 = cos(18-2Vż)

Ponieważ (2)

Oznacza to, że drgania prędkości kątowej od momentu o amplitudzie Mis, są zmniejszane poprzez współczynnik 36π/. Zatem należy dążyć do zwiększania częstotliwości f w dolnej strefie prędkości, co zmniejszy drgania prędkości kątowej Ωιβ.

Przy małych prędkościach te drgania występują ze względu na małą częstotliwość f (2). Dlatego zwiększając liczbę par biegunów p możemy zwiększyć częstotliwość. Przy wysokich częstotliwościach f według wzoru (2) występują małe drgania, ale trzeba częstotliwość zmniejszyć, ze względu na straty w żelazie, a prędkość zwiększa się poprzez zmniejszenie liczby p.

Rozwiązanie według wynalazku pozwala na sterowanie silnikiem asynchronicznym tak, że łagodzi drgania momentu przy niskich prędkościach, zaś przy wysokich prędkościach ich łagodzenie zapewnia wyższa częstotliwość napięcia zasilania. Ograniczenie zakresu częstotliwości napięcia zasilającego zmniejsza straty w części elektrycznej maszyny przy zmniejszeniu drgań prędkości. Schemat może być poszerzony na inną, większą liczbę par biegunów itp. taką jak: 2/4, 3/6, 4/8, 5/10 itp.

Istotą rozwiązania według wynalazku jest dwubiegowy osiemnastotaktowy sterowany częstotliwościowo, komutowany elektronicznie silnik indukcyjny, który ma stojan z ułożonymi dwoma trójfazowymi uzwojeniami jedno lub dwuwarstwowymi, tak że każde trójfazowe uzwojenie zasilane jest z trójfazowego komutatora energoelektronicznego.

Istotą rozwiązania według wynalazku jest sposób komutacji łączników, w którym kąty wysterowania trójfazowych komutatorów obu uzwojeń są takie same, zaś kąty wysterowania poszczególnych faz komutatorów każdego z uzwojeń są przesunięte; dla fazy A o 0°, fazy B o 20°, fazy C o 40°, pozwalając na niższy bieg, natomiast aby uzyskać wyższy bieg kąty wysterowania komutatorów pierwszego z uzwojeń wynoszą dla fazy A 0°, fazy B 20°, fazy C 40° a, w odróżnieniu od pierwszego uzwojenia, kąty wysterowania drugiego z uzwojeń wynoszą dla fazy A 180°, dla fazy B 200°, dla fazy C 220° względem kątów pierwszego uzwojenia zapewniając przełączenie biegów, przy czym ruch rewersyjny wywołuje się sterowaniem komutatora, tak aby nastąpiła zamiana dwóch faz w obu uzwojeniach jednocześnie, a eliminację wyższych harmonicznych zapewnia się jednolitym przesunięciem czasowym i przestrzennym w elektroniczno-uzwojeniowym schemacie stojana maszyny indukcyjnej.

Rozwiązanie według wynalazku umożliwia sterowanie silnikiem asynchronicznym tak, że łagodzi drgania momentu przy niskich prędkościach. Przy wyższych prędkościach ich łagodzenie zapewnia wyższa częstotliwość napięcia zasilania. Ograniczenie zakresu częstotliwości napięcia zasilającego zmniejsza straty w części elektrycznej maszyny, jak i drgania prędkości.

Schemat może zostać poszerzony na inną, większą liczbę par biegunów np. taką jak: 3/6, 4/8, 5/10 itp.

W rozwiązaniu nie wykorzystuje się metody PWM, a harmoniczne czasowe i przestrzenne są eliminowane z przepływu jednolitym przesunięciem, przestrzennym uzwojeń i czasowym wyzwalaniem łączników i to przy liczbie żłobków na biegun i fazę q = 1.

Budowa silnika pozwala na przełączanie liczby par biegunów p z wartości 2 do 1 przy pomocy komutatora kątem wyzwalania jego łączników zasilających jedno z uzwojeń zwiększając je o 180°. Równie łatwo uzyskuje się ruch silnika w kierunku wstecznym wysterowując łączniki komutatora tak, aby zmieniła się kolejność faz obu części uzwojenia.

Silnik jest mało zawodny ponieważ przy uszkodzeniu jednego z komutatorów zasilających jedno uzwojenie silnika, drugie pozwala na ograniczoną jazdę.

Poniższe rysunki wyjaśniamy w sposób następujący; rozpatrujemy trzy funkcje: w = f (η) -funkcja przestrzenna uzwojenia; g = /(t) - funkcja czasowa łączenia uzwojenia; K = g(t)-w(r/) = /(t, η) - funkcja czasowo-przestrzenna pokazująca łączenie uzwojenia do źródła zasilania (wprowadzamy termin dla tej funkcji łączeniozwojenie, a więc jest to funkcja łączeniozwojenia).

Na fig. 1 pokazano funkcje g(t) dla sześciotaktowego komutatora.

Na fig. 2 pokazano schemat, z zaznaczeniem prądów, oraz przebiegi wypadkowe łączeniozwo^=Σ jenia, a mianowicie k=i , czyli t=i gdy dla czasu, w którym prądy komutatorów po stronie zasilania są równe, wypadkowy przepływ stojana wynosi 3 0. Ponadto, przyjęto, że indeks 1, 2, 3 kojarzy się z fazami A, B, C pierwszego komutatora, 4, 5, 6 z fazami A, B, C drugiego 7, 8, 9 z fazami trzeciego.

Przedmiot wynalazku przedstawiono bliżej na załączonym materiale ilustracyjnym, na którym: Fig. 1.

Przedstawia przebiegi czasowe łączeń łączników (gA=f(t), gB=f(t), gc=f(t) oraz chwile czasu w stopniach, którym odpowiadają przebiegi wypadkowe łączeniozwojenia pokazanych jako funkcje kąta przestrzennego η na Fig. 2 i 3; α = 150°, 330°

Fig. 2.

Przedstawia uzwojenia maszyny ze wskazaniem prądów płynących w nich i przebiegi wypadkowe Κ(η) w miejscu α = 150° i α’ =150°dla liczby par biegunów p = 2, oraz α = 150° i α’ = 330° dla liczby par biegunów p = 1.

Fig. 3.

Przedstawia uzwojenia maszyny ze wskazaniem prądów płynących w nich i przebiegi wypadkowe Κ(η) w miejscu α = 330° i α’ = 330°dla liczby par biegunów p = 2, oraz α = 330°i α’ = 150° dla liczby par biegunów p = 1.

Schemat jest unikalny i pozwala na przełączanie liczby par biegunów p z wartości 2 do 1 przy pomocy komutatora kątem wysterowania jego łączników α’ zwiększając go o 180°. Bieg rewersyjny zapewnia się też poprzez kąt wysterowania łączników. Na fig. 4 przedstawiono przykład maszyny zwojonej dwuwarstwowo wraz z przebiegami łączeniozwojenia Κ(η) dla takich kątów wysterowania jak na fig. 2.

Fig. 4.

Przedstawia dwuwarstwowe uzwojenia maszyny ze wskazaniem prądów płynących w nich i przebiegi wypadkowe Κ(η) w miejscu α = 150° i α’ =150°dla liczby par biegunów p = 2, oraz α= 150°i α’ = 330° dla liczby par biegunów p = 1.

Claims (2)

1. Dwubiegowy osiemnastotaktowy sterowany częstotliwościowo, komutowany elektronicznie silnik indukcyjny znamienny tym, że ma stojan z ułożonymi dwoma trójfazowymi uzwojeniami jedno lub dwuwarstwowymi, tak że każde trójfazowe uzwojenie zasilane jest z trójfazowego komutatora energoelektronicznego.

2. Sposób komutacji łączników znamienny tym, że kąty wysterowania trójfazowych komutatorów obu uzwojeń są takie same, zaś kąty wysterowania poszczególnych faz komutatorów każdego z uzwojeń są przesunięte, dla fazy A o 0°, fazy B o 20°, fazy C o 40°, pozwalając na niższy bieg, natomiast aby uzyskać wyższy bieg kąty wysterowania komutatorów pierwszego z uzwojeń wynoszą dla fazy A 0°, fazy B 20°, fazy C 40°, a w odróżnieniu od pierwszego uzwojenia, kąty wysterowania drugiego z uzwojeń wynoszą dla fazy A 180°, dla fazy B 200°, dla fazy C 220° względem kątów pierwszego uzwojenia zapewniając przełączenie biegów, przy czym ruch rewersyjny wywołuje się sterowaniem komutatora, tak aby nastąpiła zamiana dwóch faz w obu uzwojeniach jednocześnie, a eliminację wyższych harmonicznych zapewnia się jednolitym przesunięciem czasowym i przestrzennym w elektroniczno-uzwojeniowym schemacie stojana maszyny indukcyjnej.