SU1750015A1 - Электропривод переменного тока - Google Patents

Abstract

Использование: в шахтных подъемных установках. Сущность: наличие контура регулировани  потокосцеплени , составленного из задатчика 19. регул тора 18 и блока 20 вычислени  потокосцеплени  дл  блока 6 управлени , и задатчика 15 частоты , блока 16 сравнени  и блока 17 нелинейности с характеристикой типа насыщение позвол ет регулировать частоту вращени  в сторону ее увеличени  изменением пол  возбуждени , создаваемого преобразователем 2 частоты в цепи статора асинхронного двигател  1 с фазным ротором , посто нство потокосцеплени  ротора в период пуска и снизить потребление реак- тивно й мощности в период разгона до номинальной частоты вращени  с некоторой фиксированной частоты. 1 ил. СО с

Description

Изобретение относитс  к электротехнике и может быть использовано в электроприводах на основе асинхронных машин с фазным ротором (например, шахтных подъемных установок) дл  глубокого регулировани  частоты вращени .

Известен р д технических решений, в которых дл  регулировани  скорости двигател  использованы два преобразовател  частоты , включенные в ротор и статор двигател .

Известен электропривод переменного тока, содержащий электрическую машину, на роторе и статоре которой расположены трехфазные обмотки, управл емый выпр митель с выводами дл  подключени  к сети, инвертор, сглаживающий реактор и преобразователь частоты с выводами дл  подключени  к сети, служащий дл  возбуждени  машины. Выходные зажимы преобразовател  подключены к выводам роторной обмотки электрической машины. Выводы обмотки статора последней подключены ко входу инвертора, один из выходных зажимов инвертора соединен с выходным зажимом выпр мител . Второй выходной зажим инвертора подключен к сглаживающему реактору , второй вывод которого соединен со вторым входом выпр мител . В состав электропривода вход т также блоки управлени  выпр мителем, инвертором и преобразователем частоты. Рассматриваемое устройство позвол ет эффективно регулировать частоту вращени  электропривода во всем диапазоне от 0 до номинального значени . Этим оно выгодно отличаетс  от традиционной схемы электропривода переменного тока по схеме вентильный двигатель (ВД) с возбуждением посто нным током, поскольку ВД не может обладать высоким пусковым

VI

сл о о

сл

моментом и длительно работать на низких скорост х из-за отсутстви  машинной коммутации на низких скорост х. В то же врем  рассматриваемый электропривод, по сравнению с ВД, дл  достижени  тех же частот вращени  требует более высокого напр жени  выпр мител . Это приводит к завышению установленной мощности трансформатора, питающего выпр митель.

В известном устройстве в статор асинх- ронного двигател  включен преобразователь частоты, а в ротор - неуправл емый выпр митель и инвертор, как в традиционном варианте асинхронно-вентильного каскада . Дл  того, чтобы такой электропривод мог работать при номинальной частоте вращени , преобразователь частоты в цепи статора должен обеспечивать на выходе номинальную частоту и номинальное напр жение двигател , то есть иметь установленную мощность, равную установленной мощности двигател . Это существенно ухудшает массогабаритные показатели электропривода. Известен также электропривод переменного тока, кото- рый по устройству и принципу действи  в основном аналогичен ранее описанному электроприводу и поэтому обладает тем же недостатком. Кроме того, устройство содержит узел управлени  преобразователем в цепи возбуждени , который преп тствует возникновению режима рекуперации энергии за счет увеличени  намагничивающего тока. При насыщенной магнитной цепи машины это приводит к резкому возрастанию тока возбуждени , а следовательно, к росту потерь в меди. Это ухудшает энергетические показатели электропривода.

Наиболее близким за вл емому устройству по технической сущности и выполн в- мым функци м  вл етс  электропривод переменного тока, содержащий электрическую машину с трехфазными обмотками на статоре и роторе, выпр митель, инвертор, сглаживающий реактор, преобразователь частоты дл  возбуждени  машины, два блока управлени , датчик частоты вращени  привода и датчики напр жений фаз ротора. Преобразователь частоты и выпр митель имеют выводы дл  подключени  к трехфаз- ной сети. Выходные зажимы преобразовател  частоты соединены с выводами обмотки статора электрической машины, выводы обмотки ротора последней подключены на вход инвертора, один из выходных зажимов инвертора подключен к выходному зажиму выпр мител , второй выходной зажим инвертора соединен с выводом сглаживающего реактора, второй вывод которого подключен ко второму, выходному зажиму

выпр мител . Входы первого блока управлени  подключены к задатчику и датчику частоты вращени , а выходы этого блока соединены с управл ющими входами выпр мител  и инвертора. Выход второго блока управлени  подключен к управл ющему входу преобразовател  частоты в цепи статора . Принцип работы описанного устройства идентичен классическому ВД с возбуждением посто нным током, но обладает тем преимуществом, что обеспечивает естественную машинную коммутацию тиристоров инвертора при нулевой частоте вращени . Тем самым существенно расшир етс  диапазон устойчивого регулировани  частоты вращени  (от нул  до номинальной ), привод может развивать высокий пусковой момент.

Однако известное устройство обладает следующими недостатками.

Выходную частоту преобразовател  частоты возбуждени  дл  обеспечени  устойчивой коммутации при нулевой частоте вращени  рекомендуетс  принимать fB 0,1fn, где тн - номинальна  частота тока в обмотках машины, Соответственно, при нулевой частоте вращени  в обмотках ротора индуктивности ЭДС Еа 0,1Е2н (где Е2н - номинальное значение ЭДС ротора). Тогда при номинальной частоте вращени  индуктируема  в роторе ЭДС больше номинальной: Е2 1,1 Е2н. Следовательно, к ротору электрической машины (в качестве которой используетс  асинхронный двигатель с фазным ротором) прикладываетс  повышенное по сравнению с номинальным напр жение, что снижает надежность работы электропривода .

При тех же частотах вращени  по сравнению с классическим ВД в рассматриваемой схеме напр жени  на выходе инвертора будут выше, соответственно выше должны быть напр жени  на выходе выпр мител . Значит, дл  достижени  той же номинальной частоты вращени  необходимо , чтобы трансформатор, питающий выпр митель , имел большее (примерно на 10%) вторичное напр жение. Это увеличивает установленную мощность питающего трансформатора, ухудшает массогабаритные показатели электропривода.

В рассматриваемом электроприводе при номинальной частоте вращени  угол управлени  тиристорами выпр мител  а. О, коэффициент мощности близок к 1. При снижении частоты вращени  а. увеличиваетс , коэффициент мощности снижаетс . Это ухудшает энергетические показатели привода .

Целью изобретени   вл етс  улучше ние массогабаритных показателей и улучшение энергетических показателей путем снижени  потреблени  реактивной мощности .

С этой целью в электропривод введены датчики тока, включенные в цепи роторной обмотки асинхронного двигател , регул тор потокосцеплени , задатчик потокосцепле- ни  и блок вычислени  потокосцеплени , входами соединенный с выходами датчиков тока и напр жени , а выходом - с одним входом регул тора потокосцеплени , второй вход которого подключен к выходу за- дзтчика потокосцеплени , а выход - к одному из входов второго блока управлени , последовательно соединенные между собой задатчик граничной частоты, входом подключенный к выходу задатчика частоты вращени , блок сравнени , снабженный вторым входом, соединенным с выходом задатчика частоты вращени , и блок нелинейности с характеристикой типа насыщение, выход которого подключен к другому входу второго блока управлени .

На чертеже изображена функциональна  схема предложенного электропривода переменного тока.

Электропривод содержит электрическую машину 1, на роторе и статоре которой расположены трехфазные обмотки (например , асинхронный двигатель с фазным ротором ). Трехфазна  обмотка статора подключена к выходу преобразовател  частоты 2, имеющего выводы дл  подключени  к сети Ротор электрической машины 1 соединен с входом второго преобразовател  частоты, состо щего из последовательно соединенных инвертора 3 и выпр мител  4 между которыми включен сглаживающий реактор 5. К управл ющему входу преобразовател  2 частоты подключены выходы первого блока 6 управлени  Второй блок управлени , выходы которого соединены с управл ющими входами инвертора 3 и выпр мител  4, включает в себ  блоки 7 и 8 импульсно-фазового управлени  соответственно инвертором 3 и выпр мителем 4, а также систему регулировани  скорости электропривода. Она выполнена по принципу подчиненного регулировани  Выходы задатчика 9 и датчика 10 частоты вращени  подключены к первому и второму входам регул тора 11 частоты вращени  Выходы регул тора 11 частоты вращени  и датчика 12 тока выпр мител  4 соединены с первым и вторым входами регул тора 13 тока, выход которого, в свою очередь, подключен к входу блока8импульсно-фазового управлени  выпр мителем Выходы трех датчиков 14 напр жении фаз ротора соединены с входами блока 7 импульсно-фазового управлени  инвертором

Выход задатчика частоты вращени  9 5 подключен также к входу задатчика 15 граничной частоты вращени  и первому входу элемента 16 сравнени , второй вход последнего соединен с выходом задатчика 15 граничной частоты вращени . Выход элемента 0 сравнени  16 соединен с входом блока 17 нелинейности, выход которого подключен к первому входу блока 6,  вл ющегос  входом задани  частоты преобразовател  2 Второй вход блока б,  вл ющийс  входом задани 

5 напр жени  преобразовател  2, соединен с выходом регул тора 17 потокосцеплени . на два входа которого подключены выходы задатчика потокосцепл ёни  19 и блока 20 вычислени  потокосцеплени . На входы

0 блока 20 поданы сигналы с выхода датчиков 14 напр жений и датчиков 21 токов всех фаз ротора

Электропривод переменного тока работает следующим образом

5 Сигнал заданной частоты вращени  от задатчика 9 поступает на вход регул тора частоты вращени  11, на выходе его формируетс  сигнал задани  тока  кор , поступающий на вход регул тора 13 тока На входе

0 регул торов 11,13 поступаюттакжесигналы обратных св зей с датчика 10 частоты вращени  и датчика 12 тока выпр мител  Таким образом, управление частотой вращени  электропривода осуществл етс 

5 в системе подчиненного регулировани  по рассогласованию между действительной и заданной частотами вращени  Сигнал с выхода регул тора 13 тока, поступа  на вход блока 8, воздействует на угол а управлени 

0 выпр мителем 4 Блок 7 осуществл ет управление тиристорами инвертора 3 в функции сигнала с датчиков 14 напр жени  ротора машины 1 (в простейшем случае - задает посто нный угол опережени  /J). Ре5 актор 5 сглаживает входной ток инвертора 3.

Возбуждение машины 1 осуществл етс  со стороны статора преобразователем частоты 2 Он может быть выполнен как с непосредственной св зью, так и со звеном

0 посто нного тока Необходимо лишь, чтобы преобразователь 2 работал в режиме источника напр жени , причем форма выходного напр жени  была как можно ближе к синусоидальной - это требуетс  дл  нормальной

5 коммутации вентилей инвертора 3 Управление преобразователем 2 осуществл етс  от блока 6, на входы которого поступают сигналы задани  напр жени  и частоты.

Сигнал задани  напр жени  преобразовател  формируетс  на выходе регул тора 18 потокосцеплени , Регулирование потокосцеплени  осуществл етс  в замкнутом контуре по рассогласованию между заданным и фактическим потокосцеплением. Заданное потокосцепление - величина посто нна , равна  номинальному значению, - формируетс  задатчиком 19 потокосцеплени . Фактическое потокосцепление вычисл етс  блоком 20, причем входными величинами этого блока  вл ютс  токи и напр жени  всех фаз с датчиков 14 и 21. Блок 20 реализуетс  на основе известных цифровых или аналоговых схем. Таким образом , контур регулировани  потокосцеплени  обеспечивает стабилизацию потокосцеплени  ротора, а следовательно , и коммутирующую ЭДС ротора. Это необходимо дл  устойчивой коммутации инвертора во всех режимах работы электропривода . Формирование напр жени  задани  частоты преобразовател  2 происходит в функции заданной частоты вращени  электропривода на выходе блока 17 нелинейности . Из чертежа видно, что последний имеет линейную характеристику с насыщением . Уровень насыщени  соответствует выходной частоте преобразовател  2 при неподвижном двигателе. Обозначим д fo/тн, дл  устойчивой коммутации на сто нке рекомендуетс  принимать д 0,05-0,15. Задатчик граничной частоты 15 вырабатывает посто нный по модулю сигнал, знак которого определ етс  знаком заданной скорости (то есть заданным направлением вращени ). На вход блока 17 с элемента сравнени  16 поступает сигнал, пропорциональный разности заданной пэ и граничной пгр частот вращени  электропривода, причем уровень последней рекомендуетс  принимать равным Пгр пи(1- д ), где пн- номинальна  частота вращени  электропривода . При п3 по, где по пн(1-2 д) - некотора  заранее выбранна  фиксированна  частота, выходна  частота преобразовател  2 fa fo const причем направление вращени  пол  возбуждени , создаваемого преобразователем 2, противоположно направлению вращени  ротора электрической машины 1 (предполагаетс , что направление вращени  пол  возбуждени , то есть пор док чередовани  фаз выходного напр жени  преобразовател  2, определ етс  знаком сигнала задани  частоты на входе блока 6). Таким образом, при 0 п по предлагаемый электропривод работает аналогично прототипу. При этом выходное напр жение трансформатора, питающего

выпр митель 4, выбрано таким, тобы при п по, а не при п пн по. угол управлени  выпр мителем .

Увеличение частоты вращени  электрической машины 1 выше осуществл етс  не путем увеличени  напр жени  выпр мител , а путем изменени  частоты пол  возбуждени , создаваемого преобразователем 2. Если пз начинает превышать по, блок 17

переходит на линейный участок и задание на частоту пол  возбуждени  уменьшаетс  При Пз пгр поле возбуждени  останавливаетс  (ffl 0), а при дальнейшем росте пз - начинает вращатьс  в другую сторону, достига  при пэ пн первоначального значени  частоты fo. Однако вращение пол  происходит теперь, при пэ пгр, в ту же сторону, что и вращение ротора.

Поскольку блок нелинейности 17 и задатчик 15 граничной частоты вращени  имеют симметричные характеристики, пор док работы всех узлов электропривода не зависит от направлени  вращени  электрической машины 1 (знака п3). Посто нство

потокосцеплени  ротора при изменении частоты пол  возбуждени  в период разгона привода от По до пнобеспечивает регул тор 18 потокосцеплени .

Таким образом, в предлагаемом электроприводе дл  достижени  номинальной частоты вращени  машины (асинхронного двигател  с фазным ротором) вторичное напр жение трансформатора, питающего выпр митель , может быть на 2 д « 100%

(10-30)% меньшим, чем в прототипе На столько же, очевидно, уменьшаетс  требуема  мощность трансформатора Это существенно улучшает массогабаритные показатели установки

На указанную величину также снижаетс  по сравнению с прототипом прикладываемое к ротору напр жение при номинальной частоте вращени . Это напр жение будет даже меньше номинального на

2 (5-100%, что существенно повышает надежность работы электропривода.

Выше было показано, что в предлагаемом электроприводе при по п пн угол управлени  выпр мителем близок к нулю.

Соответственно, коэффициент мощности трансформатора, питающего выпр митель, в указанном диапазоне частот вращени  близок 1. Поскольку в прототипе а 0 только при п пн, в предлагаемом электроприводе существенно снижаетс  потребление реактивной мощности,

Перечисленные преимущества позвол ют эффективно использовать предлагаемый электропривод переменного тока дл  мо

Claims (1)

1. дернизации электроприводов на основе асинхронных машин с фазным ротором, например шахтных подъемных установок. Формула изобретени  Электропривод переменного тока, со- держащий асинхронный двигатель с фазным ротором, два преобразовател  частоты, один из которых включен в цепь статорной обмотки асинхронного двигател , а другой составлен из последовательно соединен- ных между собой управл емого выпр мител  с выходами дл  подключени  к сети, реактора и инвертора, выводы переменного тока которого соединены с фазными выводами обмотки ротора асинхронного двига- тел , датчики напр жени , включенные в цепи фаз обмотки ротора асинхронного двигател , первый блок управлени , выходами подключенный к управл ющим входам выпр мител  и инвертора преобразовател  частоты в цепи ротора, а входами - к задат- чику и датчику частоты вращени , установленному на валу ротора асинхронного двигател , второй блок управлени  с двум  входами, выход которого соединен с управ-

   л ющим входом преобразовател  частоты в цепи статорной обмотки, отличающий с   тем, что, с целью улучшени  массогаба- ритных показателей и улучшени  энергетических показателей путем снижени  потреблени  реактивной мощности, введены датчики тока, включенные в цепи роторной обмотки асинхронного двигател , регул тор потокосцеплени , задатчик пото- косцеплени  и блок вычислени  потокосцеплени , входами соединенный с выходами датчиков тока и напр жени , а выходом - с одним входом регул тора потокосцеплени , второй вход которого подключен к выходу задатчика потокосцеплени , а выход - к одному из входов второго блока управлени , последовательно соединенные задатчик граничной частоты, входом подключенный к выходу задатчика частоты вращени , блок сравнени , снабженный вторым входом, соединенным с выходом задатчика частоты вращени , и блок нелинейности с характеристикой типа насыщение, выход которого подключен к другому входу второго блока управлени .