ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 1997 года по МПК H02P5/28 

Изобретение относится к электротехнике, асинхронному управляемому электроприводу на основе использования инверторов.

Известны электроприводы переменного тока, содержащие трехфазный асинхронный короткозамкнутый двигатель и автономный инвертор тока.

Известен также электропривод переменного тока, содержащий трехфазный асинхронный короткозамкнутый двигатель с двумя соединенными звездой и треугольником статорными обмотками, первый блок питания, связанный со входом первого инвертора тока, выход которого подключен к выводам одной статорной обмотки. Последнее решение выбрано в качестве прототипа.

Аналоги и прототип объединяет:
а) использование в них только одного трехфазного инвертора тока, от которого получает питание одна статорная обмотка;
б) обусловленное этим наличие в обмотке ротора составляющих несинусоидального тока, вызываемых пятой, седьмой и некоторыми другими высшими гармониками тока статорной обмотки;
в) наличие тепловых потерь от этих высших гармоник роторного тока;
г) существенное ограничение снизу диапазона регулирования частоты вращения управляемого двигателя вследствие колебаний электромагнитного момента и частоты вращения, вызываемых взаимодействием основной гармоники результирующего магнитного потока статора с указанными составляющими несинусоидального тока ротора. Эти недостатки не могут быть устранены средствами аналогов и прототипа и потому являются для них общими.

Наличие указанных составляющих в токе ротора управляемого двигателя вызывает в нем соответствующие тепловые потери, что не способствует улучшению энергетических показателей. Вместе с тем наличие двух статорных обмоток в асинхронном двигателе прототипа создает предпосылки для возможного совершенствования такого электропривода, что является преимуществом прототипа перед аналогами.

Целью изобретения является улучшение энергетических показателей и расширение диапазона регулирования частоты вращения.

Поставленная цель достигается тем, что в него введены второй блок питания, второй инвертор тока, два дешифратора распределителя, дешифратор - делитель на два, генератор регулируемой частоты и датчик частоты вращения, а соответствующие пары фаз двух статорных обмоток выполнены соосными, выход датчика частоты через генератор регулируемой частоты подключен ко входу дешифратора делителя на два, выходы которого подключены ко входам первого и второго дешифраторов распределителей соответственно, выходы которого подключены к управляющим входам первого и второго инверторов тока соответственно, выход второго блока питания соединен со входом второго инвертора тока, выход которого подключен к выводам другой статорной обмотки.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема электропривода; на фиг.2 - временные диаграммы токов в фазах двух обмоток статора асинхронного двигателя; на фиг. 3 временные диаграммы магнитодвижущих сил в фазах статорных обмоток, приведенные к числу витков одной из этих обмоток; на фиг.4 временные диаграммы как импульсов, проходящих через элементы системы управления и подаваемые на управляющие электроды тиристоров двух инверторов тока, так и токов на выходе этих инверторов, а также токов в фазах статорных обмоток управляемого двигателя.

Согласно принципиальной схеме фиг.1 электропривод содержит асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором 1, на статоре 2 которого размещены две обмотки 3, 4, соединенные соответственно звездой и треугольником, присоединенные к своим инверторам тока 5, 6, каждый из которых имеет свой источник 7, 8 постоянного тока. Общая для обоих инверторов система управления содержит генератор регулируемой частоты 9, дешифратор делитель частоты импульсов на два 10, дешифраторы распределители 11, 12, а также датчик фактической частоты вращения 13.

На фиг.2а приведена временная диаграмма несинусоидального тока в стороне треугольника первой фазе обмотки 4; на фиг.2б, фиг.2в токов в ее второй и третьей фазах; на фиг.2г приведена временная диаграмма тока в луче звезды - первой фазе обмотки 3; на фиг.2д, фиг.2е токов в ее второй и третьей фазах. Изображенные на фиг.3 временные диаграммы характеризуют магнитодвижущие силы обмоток 3, 4, приведенные к числу витков обмотки 3, что выразилось в делении на это число витков этих м.д.с. Именно поэтому на фиг.3а изображена временная диаграмма тока в первой фазе обмотки 3; на фиг. 3б, фиг. 3в токов во второй и третьей фазах этой обмотки; на фиг. 3г изображена временная диаграмма приведенной м.д.с. первой фазы обмотки 4; на фиг. 3д, фиг. 3е приведенных м.д.с. второй и третьей фаз обмотки 4, соединенной треугольником. На фиг. 3ж изображена временная диаграмма суммы приведенных м.д.с. первой фазы соосных обмоток 3, 4; на фиг. 3з, фиг.3и суммы приведенных м.д.с. второй и третьей фаз соосных обмоток статора 3, 4. На фиг. 4а приведена временная диаграмма импульсов на выходе генератора регулируемой частоты 9; на фиг. 4б импульсов на входе дешифратора распределителя импульсов 11 и на одном из двух выходов дешифратора делителя частоты на два 10; на фиг. 4в на входе распределителя импульсов 12 и на другом входе дешифратора 10. На фиг. 4г изображена временная диаграмма фазного тока первой фазы статорной обмотки 4; на фиг. 4д второй фазы обмотки 4; на фиг. 4е третьей фазы этой обмотки. На фиг. 4ж, фиг. 4з, фиг. 4и приведены временные диаграммы линейных токов обмотки 4, совпадающие с соответствующими выходными токами инвертора 6. На фиг. 4к изображена временная диаграмма тока в первой фазе обмотки 3; на фиг. 4л во второй; на фиг. 4м в третьей фазе соединенной звездой обмотки 3, вследствие чего эти временные диаграммы выражают также зависимость от времени соответствующих линейных и выходных токов инвертора 5.

Работа электропривода определяется, в частности, работой входящих в его состав инверторов 5, 6. Будем полагать, что каждый из инверторов 5, 6 характеризуется обычным соединением его вентилей как между собой, так и с коммутирующими конденсаторами [2, 4] Поэтому при описании работы электропривода отпадает необходимость в подробном описании электромагнитных процессов в каждом инверторе тока и в питаемой им статорной обмотке асинхронного двигателя. Важнее остановиться на особенностях электромагнитных процессов, обусловленных совместной работой двух инверторов тока и питаемых ими статорных обмоток двигателя, соединенных звездой и треугольником. Выявить эти особенности помогают временные диаграммы фиг. 2 4. Взаимная связь временных диаграмм токов в различных элементах электропривода, определяемых общей для инверторов системой управления, выражается, в частности, временными диаграммами управляющих импульсов, приведенными на фиг. 4. Поэтому описание работы электропривода целесообразно начать с диаграмм фиг. 4. Из сравнения временных диаграмм фиг. 4б и фиг. 4в с диаграммой фиг. 4а следует, что, если, например, на вход дешифратора распределителя 11 поступают нечетные импульсы генератора 9, то на вход аналогичного распределителя 12 четные. Поскольку каждый из распределителей 11, 12 выполняет операцию деления частоты импульсов на шесть, а дешифратор 10 деления на два, вместе взятые эти дешифраторы выполняют операцию деления числа импульсов на двенадцать. Это обеспечивает взаимный сдвиг на двенадцатую часть периода между системой несинусоидальных периодических токов на выходе инвертора 5 и системой аналогичных по форме токов на выходе инвертора 6, что показывает сравнение временных диаграмм фиг. 4ж, фиг. 4з, фиг. 4и для выходных токов инвертора 6 с временными диаграммами фиг. 4к, фиг. 4л, фиг. 4м для выходных токов инвертора 5. Поскольку выходные токи инверторов 5, 6 являются также линейными токами питаемых инверторами обмоток 3, 4 двигателя, то системы линейных токов этих обмоток статора оказываются взаимно сдвинутыми на двенадцатую часть периода. В соответствии с первым законом Кирхгофа система линейных токов фиг. 4ж, фиг. 4з, фиг. 4к приводит к изображенным на фиг. 4г, фиг. 4д, фиг. 4е несинусоидальным периодическим токам в фазах соединенной треугольником статорной обмотки 4 управляемого асинхронного двигателя. Эти фазные токи взаимно сдвинуты на третью часть периода, как и соответствующая им система линейных несинусоидальных токов. Вместе с тем временные диаграммы токов фиг. 4 показывают, что система основных гармоник фазных токов обмотки 4:
а) сдвинута на двенадцатую часть периода относительно системы основных гармоник линейных токов этой обмотки;
б) совпадает по фазе с системой основных гармоник фазных токов соединенной звездой другой обмотки 3 статора двигателя.

Существенное различие формы кривых несинусоидальных токов в соосных фазах статорных обмоток 3 и 4, вытекающее из сравнения фиг. 4г и фиг. 4к или фиг. 4д и фиг. 4л, или фиг. 4е и фиг. 4м, обусловливают существенное различие углов начальной фазы той или иной высшей гармоники токов в этих соосных фазах обмоток статора, выявляемое разложением этих несинусоидальных кривых в гармонический ряд.

К аналогичным выводам приводят соответствующие временные диаграммы фиг. 2, которые повторяют некоторые диаграммы фиг. 4. Из этих диаграмм следует, что основные составляющие несинусоидальных токов в каждой паре соосных фаз статорных обмоток 3,4 совпадают по фазе; б) формы несинусоидальных кривых токов в разных обмотках соосных парах их фаз существенно различаются; в) несинусоидальные токи других фаз отдельной обмотки, совпадая по формесдвинуты на третью часть периода во взаимно противоположные стороны относительно несинусоидального тока их первой фазы. Такой характер изменения токов в фазах обмоток 3, 4 статора обусловлен как различием соединения этих обмоток, так и особенностями системы управления инверторами тока электропривода. Из временных диаграмм фиг.2 следует также поочередность циклического отключения от источника тока одной из фаз соединенной звездой обмотки 3 статора управляемого двигателя, что выражено нулевым значением тока в фазе этой обмотки в продолжение двенадцатой части периода изменения статорного тока. Далее будет показано, что электромашинный характер нагрузки трехфазного инвертора тока приводит к тому, что в эти интервалы времени ток изменяется несколько иначе вследствие влияния м. д.с. ротора на электромагнитные процессы в статорной обмотке.

Разложение в гармонический ряд несинусоидальных кривых фиг.2а и фиг.2г для токов в соосных фазах обмоток 4 и 3 позволяет установить, что:
а) первые гармоники этих несинусоидальных токов совпадают по фазе;
б) пятая, седьмая, семнадцатая и другие высшие гармоники токов, т.е. с номером, на единицу отличающимся от произведения шести на нечетное число, оказываются в противофазе по сравнению с теми же гармониками в паре соосных фаз обмоток 4 и 3. Аналогичные выводы напрашиваются при сравнении резко отличающихся по форме кривых фиг.2а и фиг.2г для токов в первой паре соосных фаз статорных обмоток 4, 3. То же самое можно заключить из сравнения кривых фиг.2б и фиг.2д для токов другой пары фаз соосных обмоток или из кривых фиг. 2в и фиг.2е для третьей пары соосных фаз этих обмоток. Кривые для токов второй или третьей пары соосных фаз обмоток отличаются от соответствующих кривых токов первой пары фаз сдвигом на третью часть периода.

Временные диаграммы фиг.3а фиг.3е характеризуют зависимость от времени магнитодвижущих сил, создаваемых несинусоидальными токами в фазах обмоток 3,4 после их приведения к числу витков обмотки 3, сводимого к делению этих м. д.с. на число витков обмотки 3. Исходя из предположения, что число витков в соединенной треугольником обмотке 4 превышает в раз число витков обмотки 3, на фиг. 3ж построена временная диаграмма для приведенной таким образом суммарной м.д.с. первой пары соосных фаз обмоток 3, 4, на фиг.3з для второй, на фиг.3и для третьей пары соосных фаз этих обмоток.

Разложение в гармонический ряд кривой фиг.3ж приводит к выражению

Гармонический анализ кривых фиг. 3з и фиг.3и для аналогичным образом приведенных суммарных м. д. с. второй и третьей пары соосных фаз статорных обмоток привел к выражениям

Сравнение кривых фиг.2а, фиг.2г с кривой фиг.3ж с учетом аналитического выражения (I) показывает, что:
а) временная диаграмма суммарной м.д.с. первой пары соосных фаз статорных обмоток 3, 4 значительно ближе к синусоидальной форме по сравнению с кривыми токов в каждой из обмоток этой пары соосных фаз;
б) суммарная м. д. с. первой пары соосных фаз статорных обмоток 3,4 не содержит высшие гармоники, номер каждой из которых на единицу отличается от произведения нечетного числа на шесть, т.е. пятую, седьмую, семнадцатую и т. д. Эти выводы в равной мере относятся ко второй и третьей парам соосных фаз статорных обмоток 3,4, что следует из сравнения кривых фиг.2б, фиг.2д с кривой фиг.3з или кривых фиг.2в, фиг.2е с кривой фиг.3и, а также выражений (2), (3).

Аналогичны различия в зависимости от времени магнитных потоков, создаваемых отдельными обмотками какой-либо пары соосных фаз и суммарным магнитным потоком, создаваемым совместным действием, входящих в эту пару соосных фаз обмоток. Исчезновение в кривой результирующего магнитного потока, создаваемого совместным действием м.д.с. какой-либо пары соосных фаз статорных обмоток, проходящего через воздушный зазор и пронизывающего обмотку ротора, большой группы упомянутых гармонических составляющих обусловлено вытеснением на пути потоков рассеяния этих гармоник потока. Исключение пятой, седьмой, семнадцатой и некоторых других высших гармоник в магнитном потоке ротора делает невозможным проявление этих гармоник в кривых зависимости несинусоидальных ЭДС и тока ротора. Вследствие этого в роторной обмотке данного электропривода исчезает большая группа вращающихся магнитных полей, создаваемых каждое своими системами токов повышенной частоты.

Поскольку каждое из этих вращающихся магнитных полей наводит свою составляющую ЭДС в поочередно отключаемой от источника фазе статорной обмотки 3, то их сумма в данном электроприводе должна существенно уменьшиться по сравнению с известными устройствами аналогичного назначения. Поочередно отключаемая от источника фаза статорной обмотки 3 сохраняет электрическую связь с другими элементами электропривода через посредство коммутирующих конденсаторов, вследствие чего:
а) в ней не возникают недопустимые перенапряжения от суммы ЭДС, наводимых вращающимися магнитными полями роторной обмотки от составляющих несинусоидального тока ротора;
б) в ней протекает ток, равный сумме составляющих, каждая из которых обусловлена своей составляющей ЭДС;
в) в этой фазе статорной обмотки в интервал отключенного состояния выделяются тепловые потери от несинусоидального тока, величина которых существенно уменьшается из-за исключения целого ряда высших гармоник в токе роторной обмотки.

Отсутствие в кривой несинусоидального тока ротора этого электропривода большой группы составляющих повышенной частоты, вызываемых, например, пятой и седьмой гармониками м.д.с. статорной обмотки, обусловит:
а) существенное уменьшение величины колебательного электромагнитного момента;
б) расширение вниз диапазона изменения частоты вращения управляемого асинхронного двигателя вследствие существенного увеличения частоты колебаний электромагнитного момента;
в) улучшение энергетических показателей вследствие, например, уменьшения потерь в роторной обмотке;
г) уменьшение перенапряжений в поочередно отключаемой от источника фазе статорной обмотки 3 без дополнительного увеличения емкости коммутирующих конденсаторов;
д) обусловленное этим относительное улучшение массогабаритных показателей электропривода.

Использование: в электроприводах общепромышленных механизмов. Сущность изобретения состоит в том, что статор снабжен двумя обмотками, соединенными звездой и треугольником и получающими питание каждая от своего инвертора тока, имеющими общую систему управления, в которой дешифраторы - распределители импульсов управления отдельных инверторов связаны с задатчиком регулируемой частоты импульсов через посредство дополнительного дешифратора - делителя частоты на два. 4 ил.

Электропривод переменного тока, содержащий трехфазный асинхронный коротнозамкнутый двигатель с двумя соединенными звездой и треугольником статорными обмотками, первый блок питания, связанный с входом первого инвертора тока, выход которого подключен к выводам одной статорной обмотки, отличающийся тем, что, с целью улучшения энергетических показателей и расширения диапазона регулирования частоты вращения, в него введены второй блок питания, второй инвертор тока, два дешифратора-распределителя, дешифратор-делитель на два, генератор регулируемой частоты и датчик частоты вращения, а соответствующие пары фаз двух статорных обмоток выполнены соосными, выход датчика частоты через генератор регулируемой частоты подключен к входу дешифратора-делителя на два, выходы которого подключены к входам первого и второго дешифраторов-распределителей соответственно, выходы которых подключены к управляющим входам первого и второго инверторов тока соответственно, выход второго блока питания соединен с входом второго инвертора тока, выход которого подключен к выводам другой статорной обмотки.