СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ Российский патент 1997 года по МПК H02P7/36 H02P7/62 

Изобретение относится к области электротехники и может быть применено в электроприводах переменного тока с асинхронными двигателями любой фазности, работающих в повторно-кратковременных режимах.

Известен способ регулирования скорости асинхронных электродвигателей путем изменения действующего значения напряжения питания (Пиотровский Л.М. Электрические машины. М. Госэнергоиздат, 1950, с. 465). Способ весьма неэффективен, поскольку механические характеристики при этом обладают большой крутизной и не могут обеспечить широкий диапазон регулирования скорости.

Известен способ регулирования скорости асинхронных электродвигателей, являющийся прототипом и заключающийся в том, что изменяют длительность подключения двигателя к источнику питания на периоде (цикле) подключения. (Андреев В.П. Сабинин Ю.А. Основы электропривода, М-Л. Госэнергоиздат, 1963, с. 615). Требуемое значение средней скорости двигателя обеспечивается изменением длительности работы двигателя за время полного цикла (периода подключения). Механические характеристики этого способа по своему виду похожи на механические характеристики асинхронного двигателя при регулировании скорости изменением напряжения питающей сети.

Недостатки прототипа:
способ не может обеспечить широкий диапазон регулирования скорости;
при малой относительной длительности подключения двигателя к источнику питания и постоянном периоде (цикле) подключения возникают значительные колебания скорости (момента) электродвигателя.

Задачей изобретения является создание способа регулирования скорости асинхронных двигателей, обеспечивающего широкий диапазон регулирования скорости при низких пределах колебаний скорости.

Поставленная задача решается следующим образом:
Изменяют длительность подключения двигателя к источнику питания на периоде подключения, при этом одновременно с изменением длительности подключения двигателя к источнику питания регулируют период подключения, причем максимальное значение периода подключения не превышает четырех значений электромагнитной постоянной времени двигателя.

На фиг. 1 изображена функциональная схема, реализующая предлагаемый способ с двигателем однофазного исполнения, на фиг. 2 естественная механическая характеристика и зависимость скорости от действующего значения тока статора асинхронных двигателей, на фиг. 3 зависимость мгновенного значения тока статора от времени разгона асинхронных двигателей, на фиг. 4 - искусственные механические характеристики асинхронных двигателей по предлагаемому способу.

Функциональная схема (фиг. 1), реализующая предлагаемый способ в однофазном исполнении, состоит из следующих узлов: 1 однофазный источник питания ИП, 2 однофазный асинхронный двигатель АД, 3 полупроводниковый прерыватель ПП, 4 управляемый генератор УГ. Причем, нулевой зажим источника питания 1 соединен с асинхронным двигателем 2, а фаза источника питания 1 соединена с асинхронным двигателем 2 через полупроводниковый прерыватель 3, который соединен с управляемым генератором 4 по каналу длительности включения γ и длительности периода включения Т.

В качестве источника питания 1 (ИП) используется сеть 380/220 В частотой 50 Гц. Асинхронный двигатель 2 (АД) по отношению к сети является однофазным, а по отношению к конструкции может быть однофазным, двухфазным конденсаторным или трехфазным конденсаторным. Полупроводниковый прерыватель 3 (ПП) может иметь различные исполнения, например, представлять собой два параллельно включенных тиристора с противоположно направленными проводимостями. Управляемый генератор 4 должен иметь независимые регулировки по изменению длительности включения g и длительности периода включения Т и может быть выполнен как на базе полупроводниковых приборов, так и микросхем (Горшков Б.И. Элементы радиоэлектронных устройств. М. "Радио и связь". 176 с.)
Способ осуществляется следующим образом. Производится включение источника питания 1 и управляемого генератора 4. С управляемого генератора 4 в соответствии с установленными регулировками на полупроводниковый прерыватель 3 поступает сигнал заданной длительности включения g и длительности периода включения Т. При этом в течение длительности g полупроводниковый прерыватель 3 обеспечивает двухстороннюю проводимость переменному току, т.е. двигатель 2 подключается к источнику питания 1. В течение длительности t T g двигатель 2 отключен от источника питания 1. В соответствии с временами T, g по двигателю 2 протекает некоторое действующее значение тока J, и устанавливается соответствующая скорость вращения n. Для изменения скорости вращения устанавливают генератором 4 новые времена g₁, T₁, изменяя действующее значение тона на J₁, соответственно получая скорости n₁.

Основополагающим является зависимость скорости вращения от тока статора, представленная на фиг. 2 и присущая всем типам асинхронных двигателей. На фиг. 2 также приведена типовая механическая характеристика асинхронных двигателей. Из сравнения механической характеристики с зависимостью скорости вращения (n) от тока статора (I₀) следует, что, если при разгоне двигателя зафиксировать действующее значение тока, то двигатель будет работать на искусственной механической характеристике, причем максимальный момент искусственной механической характеристики (M_иmax), будет соответствовать поддерживаемому току (I_и) по естественной механической характеристике. Импульсный способ регулирования скорости вращения асинхронных электродвигателей от источника питания позволяет зафиксировать действующее значение тока, т.е. создать условия работы двигателя на искусственной механической характеристике.

Важной особенностью способа является существенная разница в проведении регулирования скорости при T const и T var. Из приведенной на фиг. 3 зависимости мгновенного тока статора от времени разгона двигателя по естественной механической характеристике (штриховая линия) следует, что мгновенный ток определяется суммой апериодической составляющей, затухающей при длительности, равной четырем значениям электромагнитной постоянной времени двигателя (T_э), и периодической составляющей, амплитуда которой уменьшается с увеличением скорости двигателя. Если регулирование скорости проводить при T > 4T_э const (как в прототипе), то действующее значение тока статора T_o может только уменьшаться, причем начальное значение I_o при γ T будет всегда значительно меньше I_0max (фиг. 2). Следовательно, при T const принципиально возможным является изменение действующего значения тока статора I₀ в узких пределах, что не позволяет обеспечить широкий диапазон регулирования скорости. Кроме того, при g < T const возникают столь значительные колебания скорости, что использование способа становится невозможным. Поэтому известный способ (прототип) при T const был признан неэффективным, т.к. возможности его практического применения весьма ограничены.

При предлагаемом способе T var, причем выполнение условия T_max ≅ 4T_э позволяет регулировать действующее значение тока статора I₀ в диапазоне изменения скорости от нуля до скорости холостого хода естественной механической характеристики. Поскольку период коммутации является высоким по сравнению с электромеханической постоянной времени двигателя, то колебания скорости практически отсутствуют. Электромагнитная постоянная времени асинхронных двигателей T_э 0,015.0,06 c, где меньшие значения относятся к двигателям малой мощности (менее 10 кВт) (Шуйский В.П. Расчет электрических машин. Энергия. 1968, 732 с.). В связи с указанным, предельное значение переменного периода включений не должно превышать 0,24 с.

Следовательно, выполняя условия одновременного изменения длительности подключения двигателя к источнику питания и длительности периода включения, при максимальном значении периода подключения, не превышающем четырех значений электромагнитной постоянной времени двигателя, достигают широкого диапазона регулирования скорости при малых пределах колебаний скорости. Механические искусственные характеристики предлагаемого способа представлены на фиг. 4. Линейная часть этих характеристик соответствует практически постоянным значениям фиксированного действующего значения тока и обладает высокой степенью жесткости.

Предлагаемый способ применим как к однофазным, так и к трехфазным асинхронным двигателям. Реализация способа в трехфазном исполнении предусматривает установку полупроводниковых прерывателей в каждой фазе и их синхронное управление от одного управляемого генератора.

Установка требуемой скорости может осуществляться как плавным, так и дискретным одновременным изменением двух регулировок (длительности включения и длительности периода). Однако предпочтительным является дискретное программируемое задание требуемой скорости с выходом на заданную скорость из неподвижного состояния (n 0). Из фиг. 2 следует, что почти весь диапазон регулирования скорости реализуется при действующих токах, превышающих номинальное значение I_н. Снижение скорости и превышение действующего значения тока по сравнению с его номинальным значением обуславливают неблагоприятные условия нагрева двигателя. Поэтому использование способа целесообразно только при повторно-кратковременных режимах работы. Предлагаемый способ весьма просто реализуется и имеет высокие технико-экономические показатели.

Использование: в электроприводах переменного тока однофазного и трехфазного питания, работающих в повторно-кратковременных режимах. Сущность: в способе регулирования скорости асинхронного электродвигателя путем изменения длительности подключения γ двигателя 2 к источнику питания 1 на периоде подключения T одновременно с изменением длительности подключения γ двигателя 2 к источнику питания 1 регулируют период подключения T, причем максимальное значение периода подключения T не превышает четырех значений электромагнитной постоянной времени двигателя 2. Подключение двигателя 2 обеспечивается полупроводниковым прерывателем 3, управляемым по каналу и T от генератора 4. В результате обеспечивается широкий диапазон регулирования скорости при малых пределах колебаний скорости. 4 ил.

Способ регулирования скорости асинхронных электродвигателей путем изменения длительности подключения двигателя к источнику питания на периоде подключения, отличающийся тем, что одновременно с изменением длительности подключения двигателя к источнику питания регулируют период подключения, причем максимальное значение периода подключения не превышает четырех значений электромагнитной постоянной времени двигателя.