SU736329A1 - Способ управлени многофазным электродвигателем - Google Patents

Description

1

Изобретение относитс  к способам управлени  электродвигателем переменного тока, в частности, регулировани  его скорости.

Известен способ регулировани  скорости вращени  асинхронного двигател  изменением числа его полюсов путем подключени  к питающей сети различных обмоток, имеющих различные tO числа полюсов, или отдельных частей одной обмотки, образующих различные числа полюсов 1. Недостатки такого регулировани  - изменение скорости только в кратное число раз относи- S тельно угловой частоты питани ; невозможность получени  частоты вращени  выше угловой частоты питани  невозможность применени  дл  синхронных двигателей и трудность использо- 20 вани  дл  асинхронных двигателей с фазным ротором; трудность получени  больше четырех ступеней скорости; плохое использование меди двигател , особенно при большом числе скоростеЙ;25 трудность выполнени  нескольких об1 юток с различными числами полюсов, обеспечивающих синусоидальную намагничивающую силу посто нной амплитуды .30

Наиболее близок к предлагаемому по технической сущности  вл етс  способ частотного регулировани , при котором на фазные обмотки статора двигател  подают симметричное многофазное напр жение регулируемой частоты, -чем достигаетс  регулирование частоты вращени  магнитного пол  и широкий диапазон плавного и сравнительно экономичного регулировани  скорости при хорошем использовании двигател  2, Недостаток способа - сложность его реализации из-за необходимости применени  сложных преобразователей частоты сети в синусоидальное многофазное напр жение регулируемой частоты.

Известен способ регулировани  скорости путем изменени  напр жени  питани , что достигаетс , например, изменением угла открывани  тиристоров коммутатора по данной программе 3.

Этот способ неэкономичен и практически реализует небольшой диапазон регулировани  скорости.

Цель насто щего изобретени  - расширение диапазона регулировани  скорости и повышение экономичности.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в известном способе программного управлени  многофазным электродвигателем , например двухпоЛюсньлм, питающимс от многофазного источника синусоидального напр жени , путем переключени  напр жений на обмотках двигател , формируют переменное напр жение двух уровней, отличающихс  по амплитуде вдвое, подают на ка дцую .фазную обмотку один из двух уровневй противоположных пол рностей, переключают указанные уровни и пол рности с частотой, кратной частоте питани , например, в 12 раз, и одинаковой цл  различных скоростей вращени , а в интервалах между переключени ми указанные уровни и пол рности определ ют дл  каждой скорости и дл  каждой фазы программами, например, изображенными на фиг. 14 и 15 дл  частот вращени  соответственно в. полтора и два рс1за больших частоты питани .

Благодар  таким переключени м дл  реализации предлагаемого способа не требуетс  получени  синусоидального напр жени  питани  регулируемой Чс1Стоты и, следовательно, не требуетс  применени  выпр мителей, инверторов и фильтров, а достаточен простой коммутатор . Не требуетс  также совместного регулировани  частоты и напр жени , следовательно, нет необходимости управл юсь углом отпирани  ключей. Система управлени  коммутатором должна лишь переключать ключи по определенной программе в одни и те же моменты времени, не завис щие от скорости вращени . Все это обуславливает упрощение как силовой схемы, так и системы управлени . Периодическое подключение обмоток двигател  к источнику неизменной частоты обуславливает посто нство.коэффициента мощности во всем диапазоне регулировани . В то же врем  сохран ютс  преимущества частотного способа - возможность плавного регулировани  скорости в широком диапазоне при хорошем использовании двигател .

На фиг. 1 изображена функциональна  схема управлени  двигателем; на фиг. 2 - трехфазна  система токов нерегулируемого двигател ; на фиг, 3 - пространственное распределение чисел витков фазных обмоток двигател ; н;а фиг. 4 -- вращающеес  магнитное поле нерегулируемого двигател ; на фиг. 5- получение удвоенной частоты вращени  магнитного пол ; на фиг. 6 - получение учетверенной частоты вращени  магнитного пол ; на фиг. 7 - получение половинной частоты вращени  магнитного пол ; на фиг. 8 - получение полуторакратной частоты вращени  магнитного пол ; на фиг. 9 - получение частоты вращени  магнитного пол  втрое меньшей , чем углова  частота питающей сети; на фиг. 10 - получение частоты вращени  магнитного пол , равной 2/3 УГЛОВОЙ частоты питающей сети на

фиг. 11 - фазные напр жени  при половинной и полуторакратной частоте вращени  магнитного пол ; на фиг. 12 временные графики намагничивающих сил трех фаз и их сумма при половинной частоте вращени  при уменьшенной точности регулировани ; на фиг. 13 - вращение магнитного пол  машины с половинной скоростью при уменьшенной точности регулировани ; на фиг, 14 и .15 - программы переключени  уровней фазного напр жени  соответственно дл  частот вращени  в полтора и два раза больших частоты питани .

На функциональной схеме фиг. 1 показан пример переключател , состо щего из шести вторичных фазных обмоток трансформатора и двенадцати полностью управл емых ключей. Первична  трехфазна  обмотка трансформатора, подключенна  к питающей сети трехфазного синусоидального напр жени , на фиг. 1 не показана. Вторичные обмотки трансформатора , по две идентичные обмотки на каждую фазу, выполнены с отводами. Выводы и отводы обмоток подключены через полностью управл емые ключи к клеммам питани  А, В, С, О управл емого двигател . Две вторичные обмотки каждой фазы имеют противоположную пол рность (точки на фиг. 1).

Фазные токи угловой частоты питани  UJ трех фаз нерегулируемого двигател  изображены на фиг. 2 различными лини ми: штрихпунктирной дл  фазы А, линией тире - две точки дл  фазы В и пунктирной дл  фазы С. Такими же лини ми на фиг. 3 изображены пространственные распределени  чисвл витков V/ трех фаз обмоток питани  двигател . Кажда  фаза двигател  представл ет собой простую равномерно распределенную двухполюсную обмотку, котора  при достаточно большом числе пазов имеет трапецеидальное распределение чисел витков .в функции от пространственной координаты х,

Ротор управл емого двигател  может быть короткозамкнутым, если двигатель асинхронный, и может возбуждатьс  посто нным током или быть без обмоточным если двигатель синхронный .

Рассмотрим регулирование скорости (частоты) вращени  магнитного пол  двигател  или, что то же самое при равномерном воздушном зазоре, намагничивающей силы (НС), счита , что двигатель работает при посто нной нагрузке. При изложении полагаем, что ключи пронумерованы слева направо (фиг, 1).

На фиг. 4 изображена бегуща  (вращающа с ) волна НС нерегулируемого двигател , когда к его зажимам А, В, С, О посто нно подключено по одной обмотке трансформатора одинаковой пол рности, т. е. когда посто нно замкнуты ключи 1-ый,5-ый и 9-ый, а

остальные ключи посто нно разомкнуты . НС трех фаз имеют такие же трапецеидальные распределени , что и числа фазных обмоток, и изображены на фиг. 4 такими же лини ми. Кривые сумм НС трех фаз изображены сплошными лини ми . Как и в любом неуправл емом двигателе, вслна НС в этом случае вращаетс  вдоль расточки статора - пространственной координаты х - с угловой скоростью, равной угловой частоте питающего напр жени ; на фиг. 4 показан поворот волны НС на

лрпространственный угол радиан за интервал 2 -

На фиг. 5 показано получение удвоенной скорости вращени волны НС. В момент uut О замкнуты ключи 1-ый 5-ый и 9-ый на (фиг. 4) и крива  НС имеет то же положение. Так как при этом фазные обмотки двигател  подключены к идентичным отводам обмоток трансформатора, имеющих одинаковую пол рность, то фазные токи текут в условно положительном направлении - обозначим их мгновенные значени  +1д, +1 и ig . В следующий момент uut -5- ток фазы В проходит через нуль (), все ключи фазы А разомкнуты (1д - 0) , а в фазе С замкнут 10-ый ключ, подающий на фазную обмотку удвоенное напр жение положительной пол рности, так что ток фазы С равен +21 соответственно НС фазы С в этот момент .изображена на фиг. 5 сдвоенной пунктирной -линией. В следующий момент out - замкнуты ключи 4-ый, 5-ый, 9-ый и по обмоткам двигател  текут токи -21д, +i-g и +1, соответственно НС фазы А, созданна  ее током условно отрицательной пол рности , изображена на фиг. 5 сдвоенной штрих-пунктирной линией, а НС остальных двух фаз - одинарными лини ми . В следующий момент cut -5 (на фиг. 5 не показан) замкнуты ключи б-й и 12-ый, и в фазных обмотках фаз В и С текут токи +210 и -2ic, и т. д. Как видно из фиг. 5, волна результирующей НС, изображенна  сплошной линией, вращаетс  вдвое быстрее, чем на фиг. 4т. е. поворачиваетс  на такой же пространственный угол Щ- радиан за вдвое меньшее врем  О UJ t - углова  частота ее вращени  вдвое больше угловой частоты сети.

Фиг. б по сн ет получение учетверенной скорости вращени  волны НС. В момент Cjut О замкнуты те же ключи 1-ый, 5-ый, 9-ый, как и на фиг. 4 волна НС имеет то же положение. В следующий момент (jut -, изображенный на фиг. б, замкнуты ключи 4-ый и Ю-ьгй, подава  на фазные обмотки фаз А и С удвоенные напр жени  соответственно отрицательной и положительной пол рности, так что по этим обмоткам текут токи соответственно -21/, и

+ 2if . В следующий момент otT ,.- (на фиг. 6 не показан) замкнут только 12-ый ключ и течет ток -21,,, только в фазе С и т, д. Как видно из фиг. б, при таких переключени х волна результирующей НС вращаетс  вчетверо быстрее, чем на фиг. 4 - поворачиваетс  на такой же пространственный угол - радиан за вчетверо меньшее врем .

Фиг. 7 по сн ет получение половинной скорости вращени  магнитного пол  машины. В период Osu;t - замкнуты только 1-ый и 9-ый ключи и текут только токи +1д и +1. Далее в момент шt - замкнут только

5 10-ый ключ и течет ток +21, Далее в момент Щ- замыканием соответствующих ключей задаютс  фазные токи

+1-а и +1

в момент out

далее

с

- - токи -1д и +21 и т, д. Как

видно из фиг. 7, волна не вращаетс 

0 вдвое медленнее, чем на фиг. 4, т. е. частота вращени  вдвое меньше частоты сети.

Фиг. 8 по сн ет получение частоты вращени  магнитного пол , в 1,5 раза

5 . превышающей частоту сети. Переключе- ни ми соответствующих ключей задают в момент (i)t О фазные токи +1д и + iBf в момент си t - - +1д и +1с/ в момент - - +1 и +1„, в мо0

- jL/

мент uut -;т- - +2ig и т. д. За врем  О -5 ш t 2ж. волна НС поворачиваетс  в пространстве на 1Г радиан, т. е. углова  частота ее вращени  в 1,5 раза больше частоты сети.

5

Дл  расширени  возможностей регулировани  скорости вращени  перемещение волны НС может производитьс  и неравномерно . Например, на фиг. 9 показано, как путем вышеописанных переключений задаетс  остановка волны НС в интер0

-f

2L..

e(ut

далее оп ть равновале

о -S.мерное ее движение в интервале 2. :ttj-t frH т. д. Облада  достаточной инерционностью, ротор при этом будет вращатьс  равномерно со скоростью,

5 определ емой средней частотой вращени  волны НС. Эта средн   частота втрое меньше частоты питани  фиг. 9. Аналогичным образом показано получение средней частоты вращени  пол ,.

0 равной 2/3 частоты питани  (фиг, 10).

Таким образом, показана возможность получени  практически любой частоты вращени  магнитного пол  как в

5 сторону увеличени , Так и в сторону уменьшени  относительно частоты питани , причем в широком диапазоне (рассмотренные примеры охватывают диапазон 1 : 12). Эта возможность достигаетс  переключением в каждой фазе все0 го двух значений напр жений или токов противоположной пол рности, хот , конечно , может быть использовано и большее число таких значений - при этом увеличиваетс  число ключей и отводов

5

вторичных обмоток трансформатора (фиг. 1).

Как видно из приведенных примеров, регулирование осуществл етс  переклю .чением ампервитков фазных обмоток через равноотсто щие промежутки времени , не завис щие от достигаемой частоты вращени  магнитного пол . Эти переключени  осуществл ютс  в рассмотренных примерах путем изменени  напр жений , подаваемых на фазные обмотки , между двум  значени ми противоположной пол рности (всего 4 значени ). На фиг. 11 приведены временные ,циаграммы изменени  фазных напр жений дл  получени  половинной частоты враш,ени  (на фиг. 11 вверху, над градуировкой оси времени) и дл  получени  полуторакратной частоты вращени.  (на фиг. 11 внизу). Фазные напр жени  нерегулируемого двигател  (условно положительные и равные единице) изображены такими же лини ми, как и на фиг. 2, а точечными лини ми изображены изменени  Напр жений в моменты коммутации. На фазные обмотки двигател  подаютс  несинусоидальные напр жени , состаЕ ленные из временных отрезков питающего синусоидального напр жени  (фит. 11). Амплитуда и пол рность синусоида/: ьного напр жени  на каждом из этих отрезков различны в различных фазах, т. е. на трехфазную обмотку двигател  подаётс  несимметрична  система нелкней;ных напр жений.

В рассмотренных примерах (фиг. 4- 10} прослежено изменение фазных токов двигател  через равноотсто щие интервалы времени uJt -, При этом предполагалось, что за каждый такой интервал фазный ток достигает расчетного указанного значени , т. е„ переходный процесс протекает достаточно быстро. Рассмотрим ограничени , накла,цываемые временем переходного процесса на реализацию .предлагаемого способа.

Как известно, длительность изменени  токов при переходном процессе в нагруженной электрической машине определ етс , в основном, реактизност ми рассе ни . Если ot-и г- индуктивность и активное сопротивление на входных зажимах, то посто нна  времени переходного процесса Т - р. Коэффициент мощности машины

cos Ч cos(arctg ) cos (arctg2li-:j:r) V-i+( /т)

где Т - период частоты питани , должен быть, достаточно высок, чтобы свободна  составл юща  тока переходного процесса практически исчезла на заданный интервал мелсду двум  пе;реключени ми . Так как эта свободна  составл юща  тока затухает до 5% от своего первоначального значени  за вре:м  Str, то дл  регулировани  с точностью не хуже 5% необходимо, чтобы интервал между двум  переключени м составл л St. В рассмотренных примерах этот интервал был выбран равным {12), т. е, дл  установки токов с точностью до 5% необходимо, чтобы ЗТ - :j, поэтому cos Ч машины может быть очень высок (csO,97).

Дл  регулировани  предлагаемым способоммашины с меньшим cos необходимо уменьшить точность регулировани  или ввести, большее, чем два число значений токов (напр жений), участвующих в переключени х. Например , дл  т О,IT (cos 0,846) на фиг„ 12 и- 13 представлены диаграммы НС, по которым можно оценить уменьшение точности регулировани  дл  скорости вращени  пол , равной половине частоты питании. На фиг. 12 представлены расположенные друг под другом временные диаграммы фазных НС фаз А, В, С и их сумма - результирующа  крива  НС. Диаграммы построены дл  той же точки воздушного зазора машины, в которой относительные значени  чисел витков фаз равны V 1, Wg w с - - (точка X - на фиг. 3), интервал между переключени ми равен cut . Сплошные линии изображают НС при переключени х, остальными лини ми намечены установившиес  значени  НС. Из фиг. 12 видно, что хот  фазные токи, экспоненциально измен ющиес  между переключени ми, несинусоидальны , результирующа  НС обмотки питани  (половинной частоты) приближаетс  к синусоиде.

На фиг. 13 показаны перемещени  волны НС в пространстве через каждые - радиан за период частоты питани  при фазных токах (фиг. 12). Из сопоставлени  фиг, 13 и фиг. 7 можно оценить вли ние уменьшени  cos двигател  в различных его режимах на точность регулировани ,

Необходимые дл  реализации предлагаемого способа изменени  ампервитков фазных обмоток могут быть осуществлены не только переключени ми напр жений , подаваемых на двигатель, но и переключени ми чисел витков в каждой фазе самого двигател  и реверсированием фазных токов. В зтом случае необходимость в дополнительном трансформаторе отпадает, а переключатель состоит только из ключевых Приборов при этом обмотки двигател  должны быть соответственно секционированы . Таким образом, функциональна схема фиг. 1 пригодна как дл  регулировани  двигател  обычного исполнени так и дл  регулировани  двигател  с секционированными обмотками. В посленем случае А, В, С, О обозначают кле1 .И питани  двигател , а обмотки на фиг. 1 - обмотки двигател .

В практической реализации режим работы ключей фиг. 1 задаетс  программой . Две такие программы представлены на прилатаемых фиг. 14 и 15 соответственно дл  частот вращени  в 1,5 и в 2 раза больших частоты питани . Кажда  программа представл ет собой три ступенчатые диаграммы, расположенные на фиг. 14, 15 друг под другом соответственно дл  трех фаз, где высота ступенек означает уровень мгновенного значени  фазного напр жени  питани .

Рассмотрим преимущества реализации предлагаемого способа по сравнению с реализацией частотного регулировани  с помощью преобразовател  частоты, обеспечивающего регулирование частоты в обе стороны относительно частоты напр жени  сети. Такой преобразователь содержит регулируемый выпр митель и инвертор на ключевых приборах, а также емкости дл  обеспечени  двигател  необходимой реактивной мощностью. Управление частотой осуществл етс  регулированием моментов включени  ключей инвертора, а управление напр жением - регулированием напр жени  выпр мител  или широтно-импульсным регулированием инвертора . Дл  получени  удовлетворительной формы кривой выходного напр жени  на выходе инвертора необходим сложный фильтр, масса которого составл ет примерно треть массы преобразовател  или бесфильтровой транзисторный инвертор с числом фаз (ключей ) 24 и более. Выпр митель должен содержать фильтр дл  исключени  резких коммутационных напр жений на входе инвертора.

Дл  реализации предлагаемого способа требуетс  преобразователь, содежащий лишь трансформатор и ключевые приборы, т. е. значительно проще, а при секционированных обмотках двигател  - только ключевые приборы. Так как нет промежуточного звена посто нного тока, реактивна  мощность поступает из сети и каких-либо дополнителных источников реактивной мощности н требуетс . Необходимое число ключевы приборов дл  реализации предлагаемог способа не превышает этого числа в преобразовател х частоты. Таким образом , силова  схема реализации предлагаемого способа значительно проще.

Схема управлени  дл  реализации предлагаемого способа тем более проще , так как не требуетс  ни регулировани  напр жени , ни регулировани  углов включени  ключевых приборов, ни их взаимного согласовани . Все регулирование по предлагаемому способу

заключаетс  только в изменении пор дка переключени  ключей в одни и те же моменты времени, т. е. в изменении программы переключений. noBTOhty схема управлени  ключами не должна содержать ни источников опорного сигнала , задающих углы открывани  ключей, ни источников линейно измен ющегос  сигнала, имитирующего течение времени , ни датчиков, -задаюищх изменение напр жени  в функции от изменени  ско0 рости. Схема управлени  дл  рег1.пизации предлагаемого способа представл ет собой лишь программное устройство, синхронизированное с питающей сетью и удобное дл  контрол  с помощью ЭЦВМ, 5 Двигатель, регулируемый предлагаемым способом, работает при любой скорости с неизменным cosY t определ емым только частотой сети и нагрузкой двигател .

0

Claims (3)

1. Формула изобретени 

   Способ управлени  многофазным электродвигателем , например, двухполюсным, питающимс  от многофазного ис-точника синусоидального напр жени , путем переключени  напр жений на обмотках электродвигател , отличающийс  тем, что, с целью расширени  диапазона регулировани  и

   0 повышени  экономичности, формируют переменное напр жение двух уровней, отношение амплитуд которых равно двум, подают на каждую фазу обмотки электродвигател  напр жение одного из двух

   уровней одной из двух пол рностей с последующим переключением напр жени  на другой уровень и другую пол рность, причем переключение напр жени  с одного уровн  одной пол рности на другой уровень другой пол рности производ т с частотой, кратной частоте питани , одинаковой дл  различных скоростей вращени , причем указанные уровни и пол рности напр жени  в каждой

   г фазе определ ют в соответствии с программами , превышающих в полтора и два раза частоту питани .

   Источники информации,

   прин тые во внимание при экспертизе 1. Голован А. Т. Основы электропривода . Госэнергоиздат, 1959, с. 187
2. 2.Саидлер А. С. Сарбатов Р. С. Автоматическое частотное управление асинхронными двигател ми, Энерги ,

   5 1974, с. 12-20.
3. 3.Шубенко В. А, Враславский И. Я. Асинхронный тиристорный электропривод.. Энерги , 1972, с. 8.

   А

   Y ГУ -

   TV. у ч У .Х I

   1 Фиг ./

   Фиг.2

   х

   ;

   .

   /

   V

   V V .

   Фиг.з

   Фиг. 5

   jr/2jf ЗЛ/2 2У

   Фи«.4

   Uf. 6

   3f

   2Si

   jf

   Фиг. 7

   оfSr 5f 2

   Фиг. a

   3 г

   о f

   Фиг.9

   Фиг AJ

   Фиг.И

   Ч,

   X

   X

   /

   Ъ

   Г

   /N

   т

   X

   лN

   Ж

   Т J

   УТ 3|

   Фиг.«

   д| 3 7f 45Г

   4

   f

   оjЗГ 3f 2Sr

   г/г.«