RU2371831C1

RU2371831C1 - Induction motor drive with phase-wound rotor

Info

Publication number: RU2371831C1
Application number: RU2008117702/09A
Authority: RU
Inventors: Юрий Семенович Усынин (RU); Юрий Семенович Усынин; Артем Владимирович Валов (RU); Артем Владимирович Валов; Сергей Анатольевич Чупин (RU); Сергей Анатольевич Чупин
Priority date: 2008-05-04
Filing date: 2008-05-04
Publication date: 2009-10-27

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: induction motor drive comprises induction motor with phase-wound rotor, thyristor switch in stator circuit, current controller, current transducer, and rotor position pickup coupled with induction motor shaft. In compliance with this invention, thyristor switch comprises additionally two thyristors connected in series. Anode of first additional thyristor is connected with cathode of second additional thyristor and to supply circuit neutral. Cathode of first additional thyristor is connected to the switch cathode point, while anode of second additional thyristor is connected to the switch anode point. Depending upon motor rotor position pickup signal, control pulses are sent to two thyristors of two phases or one phase and rotor stator circuit neutral.

EFFECT: higher efficiency, expanded performances.

3 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах общепромышленных механизмов, например, насосов, транспортеров, вентиляторов и др.The invention relates to electrical engineering and can be used in electric drives of general industrial mechanisms, for example, pumps, conveyors, fans, etc.

Известны асинхронные электроприводы, в которых регулирование скорости вращения вала асинхронного двигателя осуществляется изменением напряжения на статоре с помощью, например, тиристорного преобразователя напряжения при неизменной частоте, равной частоте питающей сети (см., например, Мэрфи Д. Тиристорное управление двигателями переменного тока: Пер. с англ. - М.: Энергия, 1979. - С.207-216). Однако данный способ регулирования скорости характеризуется потерями скольжения в цепи ротора, что ограничивает сферу применения этого способа.Asynchronous electric drives are known in which the rotation speed of an induction motor shaft is controlled by changing the voltage on the stator using, for example, a thyristor voltage converter at a constant frequency equal to the frequency of the supply network (see, for example, Murphy D. Thyristor control of AC motors: Trans. from English .-- M .: Energy, 1979. - S.207-216). However, this method of speed control is characterized by slip losses in the rotor circuit, which limits the scope of this method.

Известны также схема и способ импульсного регулирования скорости асинхронного электропривода (см. Патент РФ №2095933, МКИ 6 H02P 7/42. Способ регулирования скорости асинхронного двигателя / А.С.Сарваров, И.А. Селиванов, Е.А. Завьялов. Заявл. 28.02.96, №96104007. Опубл. 10.11.97. Бюл. №31).There is also a known scheme and method for pulse control of the speed of an asynchronous electric drive (see RF Patent No. 2095933, MKI 6 H02P 7/42. Method for controlling the speed of an asynchronous motor / AS Sarvarov, IA Selivanov, EA Zavyalov. 02.28.96, No. 96104007, publ. 10.11.97. Bull. No. 31).

В этом способе регулирование скорости асинхронного двигателя, подключенного к питающей сети через тиристорный коммутатор, производится изменением частоты однофазного питающего напряжения, подаваемого на статорную обмотку двигателя, путем подачи управляющего напряжения на тиристоры коммутатора. При этом управляющее напряжение одновременно подают на два тиристора одной группы вентилей коммутатора и один тиристор другой группы вентилей, подключенных к трем фазам статорной обмотки двигателя, затем через интервал времени, равный t_ИНТ=Т/(2n), где Т - период напряжения питающей сети, n - целое число в интервале от 1 до 10, отключают управляющее напряжение на одном из двух тиристоров одной группы вентилей коммутатора и одновременно подают управляющее напряжение на тиристор другой группы вентилей коммутатора, подключенный к той же фазе статорной обмотки двигателя, после чего цикл переключений повторяют. Однако в этом электроприводе сохраняется режим больших скольжений ротора в зоне низких скоростей электропривода, что приводит к большим потерям и нагреву двигателя.In this method, the speed control of an asynchronous motor connected to the supply network through a thyristor switch is made by changing the frequency of a single-phase supply voltage supplied to the stator winding of the motor by applying a control voltage to the thyristors of the switch. In this case, the control voltage is simultaneously applied to two thyristors of one group of valves of the switch and one thyristor of another group of valves connected to the three phases of the stator winding of the motor, then after a time interval equal to t _INT = T / (2n), where T is the period of the supply voltage , n is an integer in the range from 1 to 10, the control voltage at one of the two thyristors of one group of switch gates is turned off, and at the same time, the control voltage is applied to the thyristor of the other group of switch gates connected to the same phase ornoy motor windings, after which the switching cycle is repeated. However, in this electric drive, the regime of large rotor slides is maintained in the zone of low speeds of the electric drive, which leads to large losses and heating of the motor.

Наиболее близким предлагаемому изобретению является устройство и способ управления асинхронным электроприводом с фазным ротором (см. Патент РФ №2288535, МПК H02P 27/05. Асинхронный электропривод с фазным ротором и способ управления им / Ю.С.Усынин, А.В.Валов, В.В.Деккер. Заявл. 04.07.2005. Опубл. 27.11.2006. Бюл. №33).The closest to the invention is a device and method for controlling an asynchronous electric drive with a phase rotor (see RF Patent No. 2288535, IPC H02P 27/05. Asynchronous electric drive with a phase rotor and its control method / Yu.S. Usynin, A.V. Valov, VV Decker, Declared July 4, 2005. Published on November 27, 2006, Bull. No. 33).

В этом электроприводе, содержащем асинхронный двигатель с фазным ротором, тиристорный коммутатор в цепи статора двигателя, между катодными и анодными группами тиристорного коммутатора включены последовательно обмотка ротора двигателя и датчик тока ротора, на первый управляющий вход тиристорного коммутатора подключен вывод регулятора тока, а на второй управляющий вход - вывод датчика положения ротора, механически связанного с валом асинхронного двигателя с фазным ротором. Первый управляющий вход регулятора тока соединен с источником задающего напряжения, пропорционального желаемому току статора, а второй управляющий вход регулятора тока соединен с выводом датчика тока. По сигналу с датчика положения ротора управляющие импульсы подаются на два тиристора тех двух фаз статора асинхронного двигателя, фазную зону которых пересекает магнитная ось обмоток ротора.In this electric drive, which contains an asynchronous motor with a phase rotor, a thyristor switch in the stator circuit of the motor, between the cathode and anode groups of the thyristor switch, the rotor winding of the motor and the rotor current sensor are connected in series, the current regulator output is connected to the first control input of the thyristor switch, and the current control terminal is connected to the second input - output of the rotor position sensor, mechanically connected with the shaft of an induction motor with a phase rotor. The first control input of the current regulator is connected to a source of a reference voltage proportional to the desired stator current, and the second control input of the current regulator is connected to the output of the current sensor. According to the signal from the rotor position sensor, control pulses are fed to two thyristors of those two phases of the stator of the induction motor, the phase zone of which is crossed by the magnetic axis of the rotor windings.

Однако МДС обмоток статора создается только линейным напряжением и не использует однофазное напряжение сети, что сужает регулировочные возможности электропривода, особенно при регулировании момента и скорости в большом диапазоне.However, the MDS of the stator windings is created only by linear voltage and does not use a single-phase mains voltage, which narrows the adjustment capabilities of the electric drive, especially when controlling torque and speed over a wide range.

В основу предлагаемого изобретения положена задача, заключающаяся в улучшении регулировочных и энергетических характеристик электропривода.The basis of the invention is the task of improving the regulatory and energy characteristics of the electric drive.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в асинхронном электроприводе с фазным ротором, содержащем асинхронный электродвигатель с фазным ротором, статорная обмотка которого через тиристорный коммутатор подключена к питающей многофазной сети переменного тока, а обмотка ротора включена между катодными и анодными группами коммутатора, датчик выпрямленного тока тиристорного коммутатора, регулятор этого тока и датчик углового положения ротора асинхронного двигателя, на первый управляющий вход тиристорного коммутатора подключен вывод регулятора тока, а на второй управляющий вход - вывод датчика положения ротора, на первый управляющий вход регулятора тока подается напряжение, пропорциональное желаемой величине тока статора, а на второй - сигнал с датчика тока, согласно изобретению тиристорный коммутатор снабжен двумя дополнительными последовательно соединенными тиристорами, анодная точка первого дополнительного тиристора соединена с катодной точкой второго дополнительного тиристора и подключена к нейтрали питающей сети, катодная точка первого дополнительного тиристора подключена к катодной точке коммутатора, а анодная точка второго дополнительного тиристора - к анодной точке коммутатора.The solution of this problem is achieved by the fact that in an asynchronous electric drive with a phase rotor containing an asynchronous electric motor with a phase rotor, the stator winding of which is connected through a thyristor switch to a supply multiphase AC network, and the rotor winding is connected between the cathode and anode groups of the switch, the thyristor rectified current sensor switch, the regulator of this current and the sensor of the angular position of the rotor of the induction motor, to the first control input of the thyristor switch the output of the current regulator, and the second control input - the output of the rotor position sensor, the first control input of the current regulator is supplied with a voltage proportional to the desired value of the stator current, and the second signal from the current sensor, according to the invention, the thyristor switch is equipped with two additional thyristors connected in series, the anode point of the first additional thyristor is connected to the cathode point of the second additional thyristor and connected to the neutral of the supply network, the cathode point of the first additional thyristor The second thyristor is connected to the cathode point of the switch, and the anode point of the second additional thyristor is connected to the anode point of the switch.

Как и в прототипе, электромагнитный момент асинхронного двигателя носит импульсный характер. При этом амплитуда импульсов момента регулируется величиной тока в обмотках статора и ротора. Частота импульсов момента определяется разницей угловых скоростей вдоль расточки статора пространственных векторов МДС, создаваемых токами в обмотках статора F_C и ротора F_P. При этом вектор F_C вращается скачкообразно с постоянной средней скоростью, определяемой частотой питающей сети, а вектор F_P вращается непрерывно с угловой скоростью ротора.As in the prototype, the electromagnetic moment of the induction motor is pulsed. In this case, the amplitude of the moment pulses is regulated by the current in the stator and rotor windings. The frequency of momentum pulses is determined by the difference in angular velocities along the stator bore of the MDS spatial vectors created by currents in the stator windings F _C and the rotor F _P. In this case, the vector F _C rotates in steps with a constant average speed determined by the frequency of the supply network, and the vector F _P rotates continuously with the angular velocity of the rotor.

Особенность предлагаемого решения состоит в том, что двигатель может получать однофазное питание, что улучшает регулировочные и энергетические характеристики электропривода, снижает пульсации момента.A feature of the proposed solution is that the engine can receive single-phase power, which improves the adjustment and energy characteristics of the electric drive, reduces ripple torque.

Сущность данного изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 - схематичный поперечный разрез асинхронного двигателя; на фиг.2 - пример функциональной схемы; на фиг.3 - диаграммы, поясняющие принцип работы датчика положения ротора. На фиг.3 заштрихованными прямоугольниками показаны отрезки углового перемещения вала ротора двигателя, на которых датчиком положения ротора дается разрешение на включение тиристоров, где α - угол (электрический) поворота вала двигателя.The essence of this invention is illustrated by drawings, where in Fig.1 is a schematic cross-sectional view of an induction motor; figure 2 is an example of a functional diagram; figure 3 is a diagram explaining the principle of operation of the rotor position sensor. Figure 3 shaded rectangles shows the segments of the angular displacement of the rotor shaft of the motor, on which the rotor position sensor gives permission to turn on the thyristors, where α is the angle (electric) of rotation of the motor shaft.

На фиг.1 представлен в разрезе пример трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором, когда в пазах статора 1, расположенных в плоскостях А-а, В-b и С-с, сдвинутых пространственно на 120 электрических градусов, размещены обмотки 2, 3 и 4 статора. В пазах ротора 5 размещены фазные обмотки 6, 7 и 8 многофазной обмотки ротора, расположенные в плоскостях X-x, Y-y и Z-z, также сдвинутых пространственно друг относительно друга на 120 электрических градусов.Figure 1 presents a sectional view of an example of a three-phase induction motor with a phase rotor, when in the grooves of the stator 1 located in the planes Aa, Bb and Cc, spatially shifted by 120 electrical degrees, windings 2, 3 and 4 are placed stator. In the grooves of the rotor 5 there are phase windings 6, 7 and 8 of the multiphase rotor winding located in the planes X-x, Y-y and Z-z, also spatially offset from each other by 120 electrical degrees.

Начала обмоток 2, 3 и 4 (фиг.2) подсоединены к фазным зажимам А, В и С источника трехфазного напряжения питания, а концы этих обмоток - ко входам тиристорного коммутатора 9. Кроме того, тиристорный коммутатор снабжен дополнительной парой тиристоров 10 и 11, общая точка которых подключена к нейтрали питающей сети. Тиристоры 12, 13, 14 и 10 в коммутаторе 9 образуют катодную группу, а тиристоры 15, 16, 17 и 11 - анодную группу вентилей. В рассечку между анодной и катодной группами вентилей включен датчик тока 18. На первый управляющий вход тиристорного коммутатора 9 подключен выход регулятора тока 19, а на последующие шесть его управляющих входов подключены выводы датчика 20 положения ротора 5. Этот датчик механически связан с валом ротора асинхронного двигателя. На первый управляющий вход регулятора тока 19 подается напряжение U_3T, пропорциональное желаемой величине тока статора, а на второй - сигнал с датчика тока 18.The beginning of the windings 2, 3 and 4 (figure 2) are connected to the phase terminals A, B and C of the three-phase supply voltage source, and the ends of these windings are connected to the inputs of the thyristor switch 9. In addition, the thyristor switch is equipped with an additional pair of thyristors 10 and 11, the common point of which is connected to the neutral of the supply network. Thyristors 12, 13, 14 and 10 in the switch 9 form a cathode group, and thyristors 15, 16, 17 and 11 form an anode group of valves. A current sensor 18 is connected between the anode and cathode groups of the valves 18. The output of the current regulator 19 is connected to the first control input of the thyristor switch 9, and the terminals of the rotor 5 position sensor 20 are connected to the next six control inputs. This sensor is mechanically connected to the rotor shaft of the induction motor . The first control input of the current regulator 19 is supplied with a voltage U _3T proportional to the desired value of the stator current, and the second signal from the current sensor 18.

На фиг.3 изображена диаграмма, поясняющая принцип работы датчика 20 положения ротора 5. На фиг.3 в зависимости от угла поворота вала ротора 5 двигателя датчик 20 положения ротора разрешает подачу управляющих импульсов на тиристоры анодной и катодной групп коммутатора, а также тиристоров 10 и 11 в следующей последовательности: при изменении угла α поворота ротора 5 от нуля до 90 градусов (электрических) отпирают тиристор 12, от 120 до 210 градусов - тиристор 13, от 240 до 330 - тиристор 14, принадлежащие катодной группе коммутатора 9. Одновременно датчик 20 положения ротора разрешает подачу отпирающих импульсов на тиристоры анодной группы: при изменении угла α от 60 до 150 градусов отпирают тиристор 17, от 180 до 270 градусов - тиристор 15, от 300 до 30 градусов следующего электрического оборота ротора 5 - тиристор 16, при изменении угла α от 90 до 120, от 210 до 240 и от 330 до 360 градусов отпирают тиристор 10 и, наконец, при изменении угла α от 30 до 60, от 150 до 180 и от 270 до 300 градусов отпирают тиристор 11.Figure 3 shows a diagram explaining the principle of operation of the sensor 20 of the position of the rotor 5. Figure 3, depending on the angle of rotation of the shaft of the rotor 5 of the engine, the sensor 20 of the position of the rotor allows the supply of control pulses to the thyristors of the anode and cathode groups of the switch, as well as thyristors 10 and 11 in the following sequence: when the angle α of rotation of the rotor 5 is changed from zero to 90 degrees (electrical), the thyristor 12 is unlocked, from thyristor 13 from 120 to 210 degrees, thyristor 14 from 240 to 330 belonging to the cathode group of the switch 9. Simultaneously, the sensor 20 posit Rotor rotation allows the supply of unlocking pulses to the thyristors of the anode group: when the angle α changes from 60 to 150 degrees, thyristor 17 is unlocked, from thyristor 15 from 180 to 270 degrees, from thyristor 16 from 300 to 30 degrees of the next electric rotation of rotor 5, when the angle is changed α from 90 to 120, from 210 to 240 and from 330 to 360 degrees unlock the thyristor 10 and, finally, when changing the angle α from 30 to 60, from 150 to 180 and from 270 to 300 degrees unlock the thyristor 11.

Благодаря выбранной последовательности отпирания тиристоров достигается дискретное (шаговое) круговое перемещение вектора магнитодвижущей силы F_C статора в воздушном зазоре двигателя.Due to the selected thyristor unlocking sequence, a discrete (step) circular movement of the stator magnetomotive force vector F _C in the air gap of the motor is achieved.

За исходное состояние электропривода принимается мгновенное состояние всех его элементов, когда вращающийся по часовой стрелке ротор 5 занимает пространственное положение, как на фиг.1. На фиг.3 это положение обозначено α₀ В целях наглядности изложения начало отсчета угла поворота ротора α на графиках (фиг.3) и исходное положение ротора α₀ выбраны несовпадающими.The initial state of the electric drive is taken to be the instantaneous state of all its elements when the clockwise rotating rotor 5 occupies a spatial position, as in FIG. In Fig. 3, this position is designated α _0. For purposes of clarity, the reference point of the angle of rotation of the rotor α in the graphs (Fig. 3) and the initial position of the rotor α ₀ are selected to be inconsistent.

В положении ротора α₀, принятом за исходное, управляющие импульсы подаются только на тиристоры 12 и 16. Поэтому ток протекает от фазы А питающей сети к фазе В только в положительные полупериоды приложенного напряжения и по следующей цепи (см. фиг.2): фаза А - обмотка 2 - тиристор 12 - датчик тока 18 - обмотки ротора 6 - 7 - тиристор 16 - обмотка 3 - фаза В. Направления токов во всех обмотках статора 1 и ротора 5, соответствующие описанному исходному мгновенному положению ротора 5, указаны на фиг.1.In the rotor position α ₀ , taken as the initial one, the control pulses are applied only to the thyristors 12 and 16. Therefore, the current flows from phase A of the supply network to phase B only in the positive half-periods of the applied voltage and along the following circuit (see figure 2): phase A - winding 2 - thyristor 12 - current sensor 18 - windings of the rotor 6 - 7 - thyristor 16 - winding 3 - phase B. The directions of currents in all windings of the stator 1 and rotor 5, corresponding to the described initial instantaneous position of the rotor 5, are shown in FIG. one.

Электропривод работает следующим образом. Так как направления векторов F_C иThe electric drive operates as follows. Since the directions of the vectors F _C and

F_P не совпадают (а при α₀ они взаимно ортогональны), то двигатель будет развивать момент, а его ротор 5 придет во вращение по часовой стрелке.F _P do not coincide (and when α ₀ they are mutually orthogonal), then the engine will develop a moment, and its rotor 5 will come into rotation clockwise.

Когда ротор 5 двигателя повернется из положения α₀ до угла поворота ротора α=30 градусов, то в соответствии с диаграммой (фиг.3) датчик 20 положения ротора 5 прекратит подачу отпирающих импульсов на тиристор 16, но одновременно разрешит их подавать на тиристор 11. В результате импульсы тока от питающей сети пойдут по цепи: фаза А - обмотка 2 - тиристор 12 - датчик тока 18 - обмотки ротора 6 - 7 - тиристор 11 - нейтраль питающей сети, а вектор МДС статора F_C повернется по часовой стрелке на 30 градусов от начала отсчета на фиг.3 (и на 15 градусов от α₀). Через 60 градусов от начала отсчета (фиг.3) датчик 20 положения ротора 5 запрещает подавать управляющие импульсы на управляющий вход тиристора 11, но разрешает подавать их на управляющий вход тиристора 17. Через 30 градусов импульсы снимаются с тиристора 12 и подаются на тиристор 10 и т.д. Переключая через каждые 30 градусов токи в фазных обмотках статора и обеспечивая таким образом пространственное круговое движение МДС статора вдоль окружности воздушного зазора двигателя, осуществляют вращение ротора асинхронного двигателя.When the rotor 5 of the engine rotates from position α ₀ to the angle of rotation of the rotor α = 30 degrees, then in accordance with the diagram (Fig. 3), the sensor 20 of the position of the rotor 5 will stop the supply of unlocking pulses to the thyristor 16, but at the same time will allow them to be fed to the thyristor 11. As a result, current pulses from the supply network will go through the circuit: phase A - winding 2 - thyristor 12 - current sensor 18 - rotor windings 6 - 7 - thyristor 11 - neutral of the supply network, and the stator MDC vector F _C will rotate clockwise by 30 degrees from the reference point in figure 3 (and 15 degrees from α ₀ ). After 60 degrees from the reference point (Fig. 3), the rotor 5 position sensor 20 prohibits the supply of control pulses to the control input of the thyristor 11, but allows them to be fed to the control input of the thyristor 17. After 30 degrees, the pulses are removed from the thyristor 12 and fed to the thyristor 10 and etc. Switching every 30 degrees the currents in the phase windings of the stator and thus ensuring the spatial circular motion of the stator MDS along the circumference of the air gap of the motor, rotate the rotor of the induction motor.

Величина момента двигателя определяется величиной тока, протекающего по обмоткам ротора и статора двигателя. Величина этих токов задается напряжением U_ЗТ.The magnitude of the motor torque is determined by the magnitude of the current flowing through the windings of the rotor and stator of the motor. The magnitude of these currents is set by the voltage U _ZT .

Промышленная применимость предлагаемого решения. Асинхронный электропривод может быть рекомендован для общепромышленных механизмов (насосов, вентиляторов, транспортеров и т.д.).Industrial applicability of the proposed solution. Asynchronous electric drive can be recommended for general industrial mechanisms (pumps, fans, conveyors, etc.).

Claims

An asynchronous drive with a phase rotor, containing an asynchronous motor with a phase rotor, the stator winding of which is connected through a thyristor switch to a supply multiphase AC network, and the rotor winding is connected between the cathode and anode groups of the switch, the rectified current sensor of the thyristor switch, this current regulator and an angle sensor the position of the rotor of the induction motor, the output of the current regulator is connected to the first control input of the thyristor switch, and to the second control input - the output of the rotor position sensor, a voltage proportional to the desired value of the stator current is applied to the first control input of the current regulator, and a signal from the current sensor is supplied to the second, characterized in that the thyristor switch is equipped with two additional thyristors connected in series, the anode point of the first additional thyristor is connected to the cathode point of the second additional thyristor and is connected to the neutral of the supply network, the cathode point of the first additional thyristor is connected to the cathode point of the switch pa, and the anode point of the second additional thyristor to the anode point of the switch.