RU2338315C1

RU2338315C1 - Method for asynchronous motors control by compensating magnetic field technique

Info

Publication number: RU2338315C1
Application number: RU2007114632/09A
Authority: RU
Inventors: Александр Борисович Матюнин (RU); Александр Борисович Матюнин
Original assignee: Александр Борисович Матюнин
Priority date: 2007-04-18
Filing date: 2007-04-18
Publication date: 2008-11-10

Abstract

FIELD: electric machine industry.

SUBSTANCE: in control method the change in slip is performed by adjustment of EMF induced in rotor by means of controlled change of exiting field characteristics which field is generated by stator winding work. Required change in exiting field characteristics is achieved by means of the following: on magnetic field generated by work of normal (standard) stator winding of asynchronous motor, opposite in sign magnetic field is additionally imposed which is rotating at the same speed and in the same direction and which is generated by parallel work of additionally built in stator winding with proportionally increased number of turns in all coils. Additional stator winding in its geometry is inverted image of standard stator winding (with opposite direction of winding) through which additional winding relatively small for effectiveness, variable part of common stator current drawn at the input to standard stator winding is passed with the same phases, frequencies and in the same order as through standard stator winding. Due to this motor performance characteristics become functions of variable parameters of not compensated part of main magnetic field generated by standard stator winding work. Portion of current passed through additional winding is selected with such intention that its adjustment in necessary limits is reasonably effective.

EFFECT: gain in control performance.

Description

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано для создания плавно регулируемых асинхронных электродвигателей, например, для привода электроподвижного состава.The invention relates to the field of electrical engineering and can be used to create continuously adjustable asynchronous electric motors, for example, to drive electric rolling stock.

Помимо возможности общего увеличения экономичности привода за счет перехода к прямому использованию переменного тока, стремление использовать асинхронные двигатели для решения подобных задач объясняется их конструктивной простотой и надежностью, обусловленными отсутствием электрической связи вращающейся части двигателя с источником питания.In addition to the possibility of a general increase in the efficiency of the drive due to the transition to direct use of alternating current, the desire to use induction motors to solve such problems is explained by their structural simplicity and reliability, due to the lack of electrical connection of the rotating part of the engine with the power source.

Основным препятствием на этом пути является то, что в классическом исполнении асинхронные двигатели способны работать только в узких диапазонах скоростей вращения, близких к синхронным.The main obstacle in this way is that in the classic version, asynchronous motors can only work in narrow ranges of rotational speeds close to synchronous.

Определенный эффект в попытках расширения этих диапазонов и программного изменения скорости вращения дает введение в цепи ротора и статора различного рода регулирующих органов, позволяющее изменять скольжение. Но при сравнительно ограниченных возможностях такого регулирования, оно всегда оказывается неэкономичным и применяется только в специальных случаях. Как правило, или на двигателях малой мощности, или на пусковых режимах мощных двигателей для ограничения максимальной величины пускового тока.A certain effect in attempts to expand these ranges and programmatically change the rotation speed is given by the introduction of various kinds of regulatory bodies into the rotor and stator circuits, which allows changing the slip. But with the relatively limited possibilities of such regulation, it always turns out to be uneconomical and is applied only in special cases. As a rule, either on low-power engines or on the starting modes of powerful engines to limit the maximum value of the starting current.

При фиксированной частоте тока в системе питания, экономичным является изменение синхронной скорости вращения изменением числа пар полюсов статорной обмотки. Но, к сожалению, такой способ допускает лишь ступенчатое изменение скорости и совершенно не пригоден там, где требуется ее плавное изменение от нуля до максимального значения.At a fixed frequency of the current in the power system, it is economical to change the synchronous speed of rotation by changing the number of pairs of poles of the stator winding. But, unfortunately, this method allows only a stepwise change in speed and is completely unsuitable where it requires a smooth change from zero to the maximum value.

В итоге, применение асинхронных двигателей для решения задач плавного регулирования связано пока лишь только с дополнительным введением в систему привода специальных преобразователей - инверторов с микропроцессорной системой управления, позволяющих изменять частоту тока питания, подводимого к двигателю, и, как следствие, изменять линейно связанную с ней синхронную скорость вращения.As a result, the use of induction motors for solving smooth control problems is so far only connected with the additional introduction of special converters, inverters with a microprocessor control system, into the drive system, which allow changing the frequency of the supply current supplied to the motor, and, as a result, changing linearly connected with it synchronous rotation speed.

Но пока, помимо очевидного общего усложнения, массогабаритные и энергетические характеристики такого привода, мало похожего на обычный двигатель, заметно уступают сходным показателям регулируемого аналога, которым естественно считать двигатель постоянного тока.But so far, in addition to the obvious general complication, the weight and size and energy characteristics of such a drive, not very similar to a conventional motor, are noticeably inferior to similar indicators of an adjustable analogue, which it is natural to consider a DC motor.

Создать регулируемый асинхронный электродвигатель, близкий по характеристикам к такому аналогу позволяет предлагаемый «Способ регулирования асинхронных двигателей методом компенсирующего магнитного поля». И качественно и количественно он во многом близок к способу регулирования двигателей постоянного тока изменением тока возбуждения. Только с учетом специфики многофазного переменного тока реализуется он несколько иначе.To create an adjustable induction motor that is close in characteristics to such an analogue allows the proposed "Method of regulation of induction motors by the method of compensating magnetic field." And qualitatively and quantitatively, it is largely close to the method of regulating DC motors by changing the excitation current. Only taking into account the specifics of multiphase alternating current is it implemented in a slightly different way.

Экономичное изменение скольжения достигается при нем прямым изменением ЭДС, наводимых в роторе, под воздействием изменяющихся характеристик рабочего магнитного поля, создаваемого работой комбинированной статорной обмотки.An economical change in slip is achieved with it by a direct change in the EMF induced in the rotor, under the influence of the changing characteristics of the working magnetic field created by the combined stator winding.

В отсутствие прямого аналога, прототипом предлагаемого способа регулирования можно считать схему Бушеро, предложенную им еще в 1899 г. (Копылов И.П. Электрические машины: Учеб. для вузов. - 2-е изд., перераб. - М.: Высш. шк.; Логос; 2000. - 607 с. с.с.322, 323).In the absence of a direct analogue, the Bushero scheme proposed by him back in 1899 can be considered a prototype of the proposed method of regulation (Kopylov I.P. Electric machines: Textbook for high schools. - 2nd ed., Revised. - M .: Higher. school; Logos; 2000 .-- 607 pp. s.p. 322, 323).

В ней двигатель имеет общий ротор и два последовательно расположенных статора, один из которых может поворачиваться относительно другого. Когда электрические оси двух статоров совпадают, в обмотке ротора наводятся ЭДС, действующие согласно, и мощность, развиваемая агрегатом, равна удвоенной мощности машины с одним статором.In it, the engine has a common rotor and two sequentially located stators, one of which can rotate relative to the other. When the electric axes of the two stators coincide, EMFs acting in accordance with are induced in the rotor winding, and the power developed by the unit is equal to twice the power of a machine with one stator.

Общий ротор двигателя в схеме Бушеро имеет среднее короткозамыкающее кольцо с большим сопротивлением и два крайних кольца с небольшими активными сопротивлениями. При повороте одного статора относительно другого, в зависимости от угла поворота, смещаются потоки и ЭДС в обмотке статора. Токи ротора начинают замыкаться по среднему кольцу с повышенным сопротивлением, вызывая соответствующие изменения частоты вращения. Механические характеристики такого двигателя оказываются близкими к характеристикам, получаемым при одновременном изменении напряжения питания, подводимого к двигателю, и активного сопротивления ротора.The general rotor of the engine in the Bushero circuit has a medium short-circuit ring with high resistance and two extreme rings with small active resistances. When one stator rotates relative to another, depending on the angle of rotation, the flows and EMF in the stator winding are shifted. The rotor currents begin to close in the middle ring with increased resistance, causing corresponding changes in speed. The mechanical characteristics of such an engine are close to those obtained by simultaneously changing the supply voltage supplied to the engine and the rotor resistance.

Основными недостатками схемы Бушеро можно считать потребность в дополнительном, независимо действующем поворотном механизме одного из статоров, ограничение области регулирования вследствие возможной неустойчивости в работе двигателя, характерной для схем регулирования изменением напряжения, и большие потери энергии на активном сопротивлении.The main disadvantages of the Bushero circuit can be considered the need for an additional, independently acting rotary mechanism of one of the stators, limitation of the control area due to possible instability in the motor operation, typical for control circuits with voltage changes, and large energy losses at the active resistance.

Не достигается существенных улучшений и в раличных модификациях схемы Бушеро, в которых механический поворот одного из статоров заменен соответствующими переключениями секций обмоток каждой фазы. Во всех подобных случаях появляется определенная ступенчатость в характеристиках двигателя, которую приходится компенсировать ценой дополнительных потерь.Significant improvements are not achieved in various modifications of the Bushero circuit, in which the mechanical rotation of one of the stators is replaced by the corresponding switching of the sections of the windings of each phase. In all such cases, a certain stepwise appearance in the engine characteristics appears, which has to be compensated for at the cost of additional losses.

В итоге, схема Бушеро сохранила на сегодня, пожалуй, лишь принципиальный интерес.As a result, Bushero's scheme has retained for today, perhaps, only a fundamental interest.

Выбор ее в качестве прототипа обусловлен тем, что она является одной из немногих, если не единственной, из известных схем регулирования, в которой, пусть в явно недостаточном объеме, и с недопустимо высокими дополнительными затратами, но все же реализуется лежащая в основе предлагаемого способа идея наиболее экономичного регулирования характеристик асинхронного двигателя прямым изменением ЭДС, наводимых в роторе, под воздействием изменяющихся характеристик рабочего магнитного поля, создаваемого работой комбинированной статорной обмотки.The choice of it as a prototype is due to the fact that it is one of the few, if not the only, known control schemes in which, albeit in an obviously insufficient volume and with unacceptably high additional costs, but still the idea underlying the proposed method is implemented the most economical regulation of the characteristics of an induction motor by a direct change in the EMF induced in the rotor under the influence of the changing characteristics of the working magnetic field created by the combined stator coil tki.

Как и схема Бушеро, предлагаемый способ регулирования предусматривает наличие двух статорных обмоток, работающих параллельно.Like the Bushero circuit, the proposed regulation method involves the presence of two stator windings operating in parallel.

Одна из них, которую условно можно назвать штатной, обеспечивает работу двигателя на режиме максимальной частоты вращения. Через нее пропускается основная часть общего статорного тока. Конструктивно она ничем не отличается от обычной статорной обмотки нерегулируемого асинхронного двигателя.One of them, which can be conditionally called standard, ensures the engine runs at maximum speed. Through it passes the bulk of the total stator current. Structurally, it is no different from the usual stator winding of an unregulated asynchronous motor.

Наряду с ней, на статор устанавливается еще одна - дополнительная обмотка, через которую проходит остальная часть общего статорного тока. Этой обмоткой обеспечивается работа двигателя во всем диапазоне регулирования.Along with it, another stator is installed on the stator - an additional winding through which the rest of the total stator current passes. This winding ensures the operation of the engine in the entire range of regulation.

В отличие от схемы Бушеро, обе обмотки, и штатная, и дополнительная, устанавливаются на статор неподвижно. Этим устраняется один из основных недостатков схемы Бушеро, связанный с необходимостью механического или электрического поворота одной из обмоток. Одновременно, чтобы устранялись и остальные недостатки этой схемы, а плавное регулирование двигателя достигалось прямым изменением ЭДС, наводимых в роторе, без потерь энергии, обусловленных необходимостью введения в силовую схему двигателя активных сопротивлений, характерной для всех известных способов регулирования скольжения, включая и схему Бушеро, электрическая ось дополнительной обмотки направлена противоположно направлению электрической оси штатной обмотки.Unlike Bushero's circuit, both windings, both standard and additional, are installed on the stator motionless. This eliminates one of the main drawbacks of the Bushero circuit associated with the need for mechanical or electrical rotation of one of the windings. At the same time, so that the remaining drawbacks of this scheme are eliminated, and smooth motor control is achieved by direct change in the EMF induced in the rotor, without energy loss, due to the need to introduce active resistances into the power circuit of the engine, which is characteristic of all known methods of sliding control, including Bushero’s scheme, the electric axis of the additional winding is directed opposite to the direction of the electric axis of the standard winding.

Благодаря такой ориентации осей, при работе обеих обмоток возбуждаются два магнитных поля противоположного знака.Due to this orientation of the axes, during operation of both windings two magnetic fields of opposite sign are excited.

Ток ротора, определяющий рабочие характеристики двигателя, в этом случае становится функцией алгебраической суммы двух ЭДС противоположного знака, наводимых в роторе каждым из этих полей.The rotor current, which determines the operating characteristics of the motor, in this case becomes a function of the algebraic sum of two EMFs of the opposite sign, induced in the rotor by each of these fields.

Изменением доли тока, пропускаемого через дополнительную обмотку, достигается плавное изменение характеристик двигателя в требуемом диапазоне частот вращения, подобно тому, как это делается в двигателях постоянного тока при изменении тока возбуждения.By changing the fraction of the current passed through the additional winding, a smooth change in the characteristics of the motor in the required range of rotational speeds is achieved, similar to how it is done in DC motors when the excitation current changes.

Чтобы такое регулирование было экономичным, средняя доля статорного тока, пропускаемого через дополнительную обмотку, выбирается относительно малой. Например, сопоставимой по величине с относительной долей тока возбуждения в двигателях постоянного тока (2...4%).To make this regulation economical, the average fraction of the stator current passed through the additional winding is selected relatively small. For example, comparable in magnitude to the relative fraction of the excitation current in DC motors (2 ... 4%).

В свою очередь, чтобы такой малый ток обеспечивал магнитное поле, достаточное для нужной компенсации магнитного поля, создаваемого работой штатной обмотки, число витков во всех частях дополнительной обмотки, в соответствии с законом полного тока, и в зависимости от задач регулирования, увеличено в отношении средних значений токов, проходящих через штатную и дополнительную обмотки.In turn, so that such a small current provides a magnetic field sufficient for the necessary compensation of the magnetic field created by the work of the standard winding, the number of turns in all parts of the additional winding, in accordance with the law of the total current, and depending on the control tasks, is increased in relation to the average values of currents passing through the standard and additional windings.

Наконец, чтобы переменные магнитные поля, создаваемые в определенной последовательности работой отдельных частей штатной обмотки, экономично, и в той же последовательности компенсировались в нужной степени работой дополнительной обмотки, при любом числе фаз тока питания, любом числе пар полюсов, фазности ротора и т.д., дополнительная обмотка выполняется в виде геометрически точного зеркального отражения штатной. Она имеет то же количество катушек, расположенных в той же последовательности, что и штатная, но с противоположным направлением намотки и увеличенными количествами витков, о чем говорилось выше.Finally, so that the alternating magnetic fields created in a certain sequence by the operation of individual parts of the standard winding are economically and in the same sequence compensated to the necessary extent by the operation of the additional winding, for any number of supply current phases, any number of pole pairs, rotor phase, etc. ., the additional winding is made in the form of a geometrically accurate mirror reflection of the standard. It has the same number of coils arranged in the same sequence as the standard one, but with the opposite direction of winding and increased numbers of turns, as mentioned above.

Необходимое при этом совпадение фаз тока питания, подводимого к обеим обмоткам, обеспечивается тем, что каждая самостоятельная часть штатной обмотки, к которой подводится статорный ток, и ее такой же самостоятельный геометрически зеркальный прообраз из дополнительной обмотки, снабженный регулирующим устройством, включены параллельно.The necessary phase matching of the supply current supplied to both windings is ensured by the fact that each independent part of the standard winding, to which the stator current is supplied, and its same independent geometrically mirror prototype from the additional winding, equipped with a control device, are connected in parallel.

С целью максимального снижения потерь на рассеяние и образование вихревых токов, связанных с возможной пространственной неоднородностью магнитных полей, каждую такую пару параллельно включенных катушек из двух обмоток желательно выполнять в виде отдельного узла, состоящего из двух катушек одинаковой длины, расположенных на общем сердечнике коаксиально друг другу.In order to minimize the loss of scattering and the formation of eddy currents associated with possible spatial inhomogeneity of magnetic fields, it is advisable to make each such pair of parallel-connected coils of two windings in the form of a separate unit consisting of two coils of the same length located on a common core coaxially to each other .

При относительной малости токов, проходящих через дополнительную обмотку, и, соответственно, малых потребных для них сечениях провода, дополнительное введение такой обмотки в схему двигателя практически не скажется на его массогабаритных характеристиках, как целого.With the relative smallness of the currents passing through the additional winding, and, accordingly, the small cross-sections of the wire required for them, the additional introduction of such a winding into the motor circuit will practically not affect its mass and size characteristics as a whole.

В итоге, благодаря предлагаемому способу регулирования, может быть получен асинхронный двигатель, сочетающий в себе достоинства двигателя постоянного тока в плане регулирования и асинхронного двигателя в плане простоты и надежности работы.As a result, thanks to the proposed method of regulation, an induction motor can be obtained that combines the advantages of a DC motor in terms of regulation and an induction motor in terms of simplicity and reliability.

В сочетании с возможностью прямого использования промышленного переменного тока, без промежуточных и часто многократных преобразований переменного тока в постоянный и затем обратно - постоянного тока в переменный, это должно дать заметный экономический эффект.In combination with the possibility of direct use of industrial alternating current, without intermediate and often multiple conversions of alternating current to direct and then back - direct current to alternating current, this should give a noticeable economic effect.

Claims

A method of controlling induction motors by a compensating magnetic field method, characterized in that the slip change in it is achieved by controlling the EMF induced in the rotor, controlled by a change in the characteristics of the field of excitation created by the work of the stator winding, which is realized due to the fact that the magnetic field created by the work of ordinary of the standard stator winding of an induction motor, an additional magnetic field of the opposite sign, which is created at the same speed, is created, which is created by allelic operation of an additionally built-in stator winding with proportionally increased number of turns in all coils, geometrically being a mirror image (with the opposite direction of winding) of the standard stator winding, through which with the same phases, frequencies and in the same order as through the standard stator winding , a relatively small part of the total stator current, which is relatively small for economy, is passed through, taken at the input to the standard stator winding, due to which the operating characteristics motor ki become functions of adjustable parameters of the uncompensated part of the main magnetic field created by the work of the standard stator winding.