Способ регулирования частоты вращения асинхронного электропривода Советский патент 1983 года по МПК H02P7/42 

Изобретение относится к электротехн ке и может быть использовано в автома тизированном электроприводе для частот ного упраншения асинхронными электроавигателями общепромышленного применения. Известен способ, при котором обмотк электроцвнгателя с помощью тиристоров оановременно подключаются к источнику питания в момент появления- стробирующ импульсов, сформированных путем целени в целое число раз последовательности им пульсов, соответствующих моментам изменения полярности фазных напряжений Одновременное включение тиристоров в трех фазах позволяет сократить относительную продолжительность режимов оцно- и цвухфазного включения и тем самым улучшить энергетические показатели электропривода. Недостатками указанного способа являются невозможность получения частот вращения в диапазоне от синхронной частоты вращения до одной четвертой от criJ-ixpoHHoft частоты вращения из-за присутствия в спектре токов статора относительно большой доли гармонической составляющей с частотой источника питания, а также необходимость в дополнительной операции изменения порядка следования фаз при частоте стробирующи импульсов, равной частоте выходного напряжения источника питания. Наиболее близким по технической сущ ности к предлагаемому является способ регулирования частоты вращения асинхронного электропривода, при котором ча тоту входного напряжения снижают в целое число раз по отношению к частоте источника питания путем поцачи последовательности управляющих импульсов на тиристоры в момент совпадения полярностей фазньгх и модулирующих напряжений для каждой обмотки статора электроцвигателя в отдельности, причем при коэффициенте снижения частоты- , где Я 1, 2, 3..., для формирования выходного напряжения используют фазные напряжения с порядком чередования фаз, соответствукшим порядку чередования фаз модулирующего напряжения, а 3|1-1 используют фазные напряжения с обратным поряцком чередования фаз. При этом в обмотках электродвигателя чередуются режимы отключенного состояния, двух- и трехфазного включе- НИН 2 . Недостатком известного способа являотся ограниченность сверху диапазона регулирования астоты -вращения половиной синхронной частоты ( 2 при ). Электропривод при таком способе регулирования имеет низкие энергетические показатели, обусловленные относительно малой продолжительностью режима трехфазного включения обмоток статора электродвигателя (менее 6О эл.грац.), что приводит к невозможности длительной работы из-за перегрева двигателя. Кроме того, способ требует дополнительной операции изменения порядка следования фаз при изменении частоты вращения. Цель изобретения - расширение диапазона регулирования частоты вращения асинхронного электропривода и улучшение энергетических показателей. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу регулирования частоты вращения асинхронного- эл ктропривода с трехфазным двигателем, первая обмотка которого соединена с одной из фаз сети через пару встречно-параллельно соединенных тиристоров, а вторая и третья обмотки соединены через две пары встречно-параллельно соединенных тиристоров с каждой из двух других фаз сети, при котором формируют трехфазную систему модулирующих напряжений пониженной частоты, соответствующей заданной - частоте вращения, и для каждой пары тиристоров выбирают модулирующее напряжение, соответствующее заданному направлению вращения, формируют послецовательности импульсов, соответствующие полярностям фазных и модулирующих напряжений, сравнивают полярности фазных и моцулирующах напряжений для каждой пары тиристоров и в момент их совпадения включают тиристор с положительным анодным напряжением, определяют проводящее состояние тиристоров, подключенных к второй и третьей обмоткам двигателя, и на время проводящего состояния одного из них форм№руют сигнал запрета на включение другого тиристора, соединенного согласнопоследовательно с первым между фазами сети, определяют моменты времени, когда полярность фазных и модулирующих напряжений совпадает не менее, чем у трёх тиристоров, соединённых с различными обмотками двигателя и для которых огстутствует сигнал запрета, включают в эти. моменты времени только три соединенных с различными обмотками двигателя тиристора, для которых выполняются условия совпадения полярностей и модулирующих напряжений при отсутствии сигнала запрета,-причем при выполнении этих условий оцновременно более чем у трех тиристоров сравнивают разности, фаз фазных и моаулйруюших напряжений, соответствующие тиристорам, поаключенным к оцина ховым обмоткам авигателя, и включают в числе трех те tKi нкх, у которых эта разность фаз по абсолютной величине меньше.

На фиг. 1 иййвражена структурная схе ма 1 ализукяцего способ регулирования Чветотыв1 йщения асинхронного электропрйвёю} В Фйг. 2 и 3 - варианты выполн 6ни блоков сравнения полярностей к распре 1влйтвя |ф:грмирс ателя импульсов; на фиг. 4 и 5 временные анаграммы токов, напряжений и сигналов, иллюстрируквдие способ регулирования частоты вращения, а также работу устройства, реализующего этот способ.Устройство (фиг. 1) содержит встречнпараллельно соединенные пары тиристоров 1 - Ю, соеаинякицие обмотки И 13 асинхронного трехфазного электродвигателя 14 с входными клеммами 15 - 1 таким образом, что обмотка 11 двигате-ля 14 через тиристоры 1 и 2 соединена с клеммой 15 устройства, причем к обмоке 11 подключены катод тиристора 1 и аноа тиристора 2. Обмотка 12 двигателя 14 через тиристоры 5 - 8 соединена с клеммами 16 и 17 устройства таким образом, что к обмотке 12 подключены катоды тиристоров 5 и 7 и аноды 6 и 8t а к &лемме- 16 - катод тиристора 6 н анод тиристора 5. К клемме 17 подключены катод тиристора 8 и анод тиртгтора 7. Обмотка 13 двигателя 14 соединена через тиристоры 3, 4, 9 и 10 с клеммами 16 и 17, причем к обмотке подключены 1сатоаы тиристоров 3 и 9 и аяоды тиристоров 4 и 10, а к клеммам 16 и 17 - соответственно катод тиристора 4 и аноа тиристора 3, катод тиристора 1О и анод таристора 9.

Устройство управления (фиг. 1) содержит блоки 18 - 20 формирования снгналов полярностей фазных напряжений, блок 21 формирования модулирующих напряжений, блок 22 задания частоты вращения, блок 23 формирования сигналов запрета, блок 24 сравнения полярностей, блоки 25 и 26 формирования сигналов фазовой развертки фазных напряжений, блоки 2У и 28 формирования сигналов фазовой развертки модулирующих напряжений, блоки 29 - 32 сравне ния фаз фазных и модулирующих напряений, компараторы 33 и 34, распредеитель-формирователь 35 импульсов.

При этом блоки 18 - 20 формирования сигналов полярностей фазных напряжений входами соединены соответственно с клеммами 15 - 17, а выходы их подключены к соответствующим входам блока 24 сравнения полярностей. Кроме того, выходы блоков 19 и 20 соединены соответственно с входами блоков 25 и 26 формирования сигналов фазовой развертки фазных напряжений, а выход блока 18 - с соответствующим входом блока 35 распределителя-формирователя. Блок 21 фо{м«1ирования модулирующих напряжений соединен с вьосодом блока 22 задания частоты вращения и с соответствующими входами блока 24 сравнения полярностей. Блок 23 формирования сигналов запрета входами соединен с клеммами 15 - 17 и с обмотками 11 - 13 статора двигателя 14, а выходами с соответствукнцими входами блока 24. Выходы блоков 25 и 26 соединены cooiw ветственно с входами блоков 29 и 32 сравнения фаз фазных и модулирующих напряжений и блоков 30 и 31 сравнения фаз фазных и модулирующих напряжений. Входы блоков 27 и 28 формирования сипналов фазовой развертки модулирующих напряжений соединены с соответствующими выходами блока 21 формирования модулирующих напряжений, а выходы их - соответственно с блоками 29, ЗО и 31, 32 сравнения фЕ1з фазных и модулирующих напряжений, нходь блоков 29 иЗО подключены к компаратора 33, а выходы блоков Sl и 32 - к входам компаратора 34. Выходы компараторов 33 и 34 соединены с свртветствующими входами блока 35, цругие входы которого соединдйы с соответствующими выходами блока 24, а выходы подключены к соответствующим управляющим электродам тиристоров 1 - 10.

Блок 24 сравнения поляртостей фазных и модулирующих напряжений (фиг. 2) со стоит из элемента ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ 36, элементов ЗИ 37 - 44, элемен тов 2 ИЛИ .45 - 48, элемента 2 И 49, элемента 2 ИЛИ 50, элемента 2 И 51, элемента 2 ИЛИ 52, элемента ЗИ 53.

Блок 35 распределителя-формирователя состоит из элементов 2И-НЕ 54 -57, 2И 58 и 59, ЗИ 6О- 67, усилителейформирователей 68-77.

При этом входы элемента 36 (фиг. 2) подключены к выходу блока 18 формирования сигнала полярности и соответст ющему выходу блока 21 формирования моцулирующих напряжений, а выход подключен к оцному из входов элемента ЗИ 53. Оцин из вхоаов,элёментаЗИ соединен с одним из инвертирующих вхо элементов ЗИ 38 и 44 и с одним из вхоаов элемента ЗИ 43, а также с выходом блока 19, Другой вход элемента ЗИ 37 соединен с одним из входов элемента ЗИ 39 и одним из инвертирую щих входов элементов ЗИ 40 и 38, а также с соответствующим выходом блока 21. Третий вход элемента ЗИ 37 соецинен с соответствующим выходом блока 23 формирования сигналов запрет Неинвертирующий вход элемента ЗИ 38 соединен с соответствующим выходом блока 23. Другой вход элемента ЗИ 39 соединен с инвертирующим входом элемента ЗИ 4О, с одним из входов элемента ЗИ 41 и с одним из инвертирующих входов элемента ЗИ 42, а также с.выходом блока 20. Третий вход элемента ЗИ 39 и неинвертирующий вход элемента ЗИ 4О соединены с соответст вующими выходами блока 23. Другой вход элемента ЗИ 41 соединен с други ми инвертирующими входами элементов ЗИ 42 и 44 и с другим входом элемента ЗИ 43, а также с соответству ющим выходом блока 21. Третьи входы элементов ЗИ 41 и 4 и неинвертирующие входы элементов ЗИ и 44 соединены с соответсгвующими вы ходами блока 23. Выход элемента ЗИ 3 соецинен с одним из входов элемента ЗИ 6О блока 35 распределителяформирователя (фиг. 3), а также с одним из входов элемента 2ИЛИ 45, второй В.ХОД которого подключен к выходу элемента ЗИ 38 и к входу элемента ЗИ 61 блока 35. Выход элемента 2ИЛИ 45 соединен с одним из входо элемента 2И 49 и с одним из входов элемента 2ИЛИ 50. Выход элемента ЗИ 39 соединен с одним из входов элемента 2ИЛИ 46 и одним из входов элемента ЗИ 62 блока 35. Выход элемента ЗИ 4О соединен с другим входом элемента 2 ИЛИ 46 и одним из входов элемента ЗИ 63 блока 35. Выход элемента 2ИЛИ 46 соединен с другими входами элементов 2И 49 и 2ИЛИ 50. Выход элемента 2И 49 соединен с одним из входов элементов 2И-НЕ 54 и 55 блока 35, а выход элемента 2ИЛИ 50 соединен с другим входом элемента ЗИ 53. Выход элемента ЗИ 41 соединен с одним из вхоаов элемента 2ИЛИ 47 и одним иэ -входов элемента ЗИ 64 блока 35. Выход элемента ЗИ 42 соединен с другим входом элемента 2ИЛИ 47 и одним из входов элемента ЗИ 65. ыхоп элемента 2ИЛИ 47 соединен с одним из входов элементов 2И 51 и 2ИЛИ 52. Выход элемента ЗИ 43 соединен с одним из входов элемента 2ИЛИ 48 и одним из входов элемента ЗИ 66 блока 35. Выход элемента ЗИ 44 соединен с другим входом элемента 2ИЛИ 48 и одним из входов элемента ЗИ 67 блока 35, Выход элемента 2 И ЛИ 48 соединен с другими входами элементо.в 2И 51 и 2ИЛИ 52. Выход элемента 2И 51 соединен с одним из входов элементов 2И-НЕ 56 и57 блока 35. Выход элемента 2ИЛИ 52 соединен с третьим входом элемента ЗИ 53, выход которого соединен с одним из входов элемента 2И 58, неинвертирующим аходом элемента 2И 59 и другими входами элементов ЗИ 60 - 67 блока 35. Другой вход элемента 2И 58 блока 35 соединен с инвертирующим входом элемента 2И 59 и с выходом блока 18. Инвертирующий вход элемента 2И-НЕ54 соединен с другим входом элемент та 2И-НЕ 55 и с выходом компаратора 33. Выход элемента 54 соединен с третьими входами элементов ЗИ 60 и 61. Выход элемента 2И-НЕ 55 соецинен с третьими входами, элементов ЗИ 62 и 63, Инвертирующий вход элемента 2И-НЕ 56 соединен с другим входом элемента 2 И .-НЕ 57 и с выходом компаратора 34. Выход элемента 2И-НЕ 56 соединен с третьими входами элементов ЗИ 64 и 65, а выход элемента 2И-НЕ 57 соединён с третьими входами элементов ЗИ 66 и 67. Выходы элементов ЗИ 58 - 67 через усилителиормирователи 68 - 77 подключены соответственно к управляющим электродам тиристоров 1 - 1О. При использовании для регулирования частоты вращения частот модуляции, кратных частоте сети, блок 21 формирования модулирующих напряжений ожет быть синхронизирован с одной из фаз сети. Такая цепь синхронизации укаана на фиг. 1 пунктирной линией. На фиг, 1-5 обозначены , U allfYic - модулирующие напряжения; (Jj, Ug HU(v фазные напряжения источника питания; (а , X 8 , К 0, Шр , rog, - сигналы олярности соответственно фазных и модупируюших напряжений.. I-e состояние которых соответствует положительной полуволне; Cf.tf,. , и срп, - сигналы линейнсА фазовой развертки соответственtao фазных и моцулирукяиих напряжений; Л1 in I / ft Ua, Uc - соответствено токи и напряжения обмоток авигателя; с первые гармонические составляющие токов оьмоток статора авигателя; t - t fo - моменты времени, в которые включаются тиристоры; -b| - сигналы эап.рета с индексом, соот ветствующим номеру провоцящего тиристора; (pme-4 e,(fmc-4c Ч) &Q4 t|nit-i,3 - сигаалы |раэности фаз фазных и мопулир юших напряжений соответственно цля тиристоров 5-6, 7-8, 9-10, 3-4; A.tp и &(f 4. сигналы результатов сравнения разности фаз фазных и модулирующих иа пряжений, пооключенньгк к одинаковым обмоткам авигателя; сигналы с жпааения полярностей фазных и мооули( напряжений пря отсутствии сигна ла запрета, индексы которых соответству ют йоме{ тиристоров (фиг. 2); J - сиг нал оонЬвременного совпадения полярноо тей у трех и более тиристоров; , п сигналы избыточности вариантов включе- ййя у тиристоров, подключенных соответственно к второй и третьей обмоткам авигателя; Y « У « сигналы включени с иниексами, соответствующими номерам тнристорсж (4«г. 1). Устройство работает следующим обраэом. . На клеммы 15 - 17 подаются фазные напряжения ясточника питания UQ, U | «Ue. Блоки 16 - 2О преобразуют фазные напряжения а сигналы полярюстей фазных напряжений, логическая 1 которых соответствует положительной П0|)1уволне фазнЫк напряжений (сигналыУд Ха иХ, фиг, 4). Положительные фронты сигналов Xg и Х служат сигналом дл запуска генераторов линейной фазоьой развертки блоков 25 и 26, формирукших на выходе сигналы |0 и (| (фиг. 4) с периодом, равным пертюцу фазных напряЖШ1ЙЙ. В соответствии с сигналом YO бпока 22 задания частоты вращения блок 21 форми ет систему трехфазных модулирующих напряжений зааанной частоты и с заданным порядком чередования (flQ. U-WB и tnc ( и преобразует ее в сигналы полярностей модулирующих напряженийШд, hip и mс (фиг. 4). Положительные фронты сигналов fn р и m с служат сигналом для запуска генераторов линейной фазовой развертки блоков 27 и 28, фО{ «ирующих на выходе сигналы tf fjjQ н Cf . (фиг. 4), период которых равен периоду модулирующих напряжений. Блок 23 формирования сигналов запрета по напряжению «шод-катод определяет проводящее состояние тиристоров 3 1О и на время проводящего состояния одного из них формирует сигйал запрета на включение тиристора, соеди- . ненного согласно-последовательно с между клеммами 16 и 17 (сигналы Ь|(), фиг. 4). Затем в блоке 24 совпадения полярностей фазных и модулирующих напряжений с помощью элементов 36 - 44 определяются состояния, при которых совпадают полярности фазных и модулирующих напряжений для na(%i тиристоров, соединенных с первой обмоткой авигателя 14 и для каждого из тиристорст, соединенных с двумя другими обмотками (сигналы К -К 0, фхг. 2 и 3). Причем при формировании этих сигналов учитывается сигнал запрета для каждого из ти шсторов, соединенных с клеммами 16 и 17. Далее с яомсиаью элементов 2 ИЛИ 45, 46, 5О, 47, 48 и 52 определяются состояния, когда совпадают полярности фазных и модулирующих напряжений по крайней мере у одного из тиристоров в каждой группе, соединенной с обмогками 12 и 13, а затем с помощью элемента ЗИ53 штределяются моменты времени, когда совпадают полярности фазных и модулирующих напряжений не менее чем для трех тир1юторов, соединениых с различными обмотками двигателя и для которьк отсутствуют сигналы запрета. Однако воз можны состояния, когда совпадают поля| иости одновременно у двух тиристоров, соединенных с одной обмоткой двигателя. В этом случае включают тот из тиристоров, у которого разность фаз и модулирующих напряжений в момент совпадения полярностей меньше. Операция выбора соответствующего тиристора осуществляется блоками 24, 29, ЗО, 31, 32, 33, 34 и 35. Если в группе тиристоров, соединенных с одинаковыми обмотками у двух тиристоров одновременно возникают состояния, при которых совпадают полярности фазных и модул. рующих напряжений при отсутствии сигнала запрета, то на выходах соответствующего элемента 49 и/или 52 появляется сигнал избыточности вариантов включения (сигналы 6. и f 4, 2 и 3). ,В этом случае с помощью блоков 29 - 3 прецставляюших собой аналоговые вычита ющие устройства, сравнивают фазы фазных и моцулирующих напряжений соответственно для тиристорных пар 5-6, 7-8, 9-10 и 3-4, а затем с помощью компараторов 33 и 34 выделяют ту пару тиристоров, из двух пар соединенных с данной обмоткой, у которой эта разность по абсолютной величине фаз меньше (сигн /лы дер и ,й(|}4 Окончательный выбор тиристоров и формирование импульса включения прокэ водится блоком 35 распредепителя-форми рователя. При отсутствии сигналов избыточности вариантов включения на выходах элементов 54 - 57 устанавливается сои сигнал одновременного стояние совпадения полярюетей у трех и более тиристоров появляется на выходах тех ; трех элементов (58 - 67) И, для которых в данный момент времени существует сигнал совпадения полярностей фазных и моцулирующих напряжений. После преобразования его с помощью усилителейформирователей он формируется в сигнал включения соответствующего тиристора, Рассмотрим работу устройства при избыточности вариантов включения тяристо- ров. Например, в момент времени i 2 (фиг. 4 и 5) существуют сигналы избыточности Р;) и S свидетельствующие, что в каждой из групп тиристоров, соединенны с обмотками 12 и 13 двигателя 14 одно временно совпадают полярности фазных и модулирующих напряжений у двух тиристоров. В группе тиристоров, соединенных с обмоткой 12, возможно включение ти, рис торов 6 и 8, а в группе тиристоров, соединенных с обмоткой 13, - включение тиристоров 4 и 10. Одновременно сигна Ь1 ffii и fi(f соответствуют состоянию, при котором, разность фаз фазных и модулирующих напряжений для пары тиристоров 5г6 меньше, чем для пары 7-8, и для пары 9-1О меньше, чем для пары 34. В результате на выходе элементов 54 и 56 появится состояние 1 и.сигнал включения будет сформирован для тирис- тров 6 и 10. С помощью предлагаемого способа в обмотках статора электродвигателя формируется трехфазная несимметричная система токов q, -ig, -tp и напряжений У Q(, U0 nUc (фиг. 4) с частотой основной гармонической составляющей тока статора (АД и8 ,i . фиг. 4), равной частоте модулирующего напряжения, и порядком чередования фаз, соответствующим порядку чередования фаз модулирующего напряжения. В спектре токов статора при таком способе регулирования снижается доля гармонической составляющей с частотой Источника питания, что позволяет устой чиво работать прк частотах вращения более половины синхронной частоты. Одновременно увеличивается относительная продолжительность трехфазной работы и снижаются тепловые потери, что, в свою очередь, позволяет использовать электропривоц в длительном режиме работы. Кроме того, способ не требует при изменений частоты вращения операии изменения порядка следования фаз. Таким образом, способ позволяет асширить диапазон регулирования часоты вращения и улучщить эне.ргетические оказатели электропривода.

или

ХА

36

fTiA

J7

l Г

$

гп

J(

33

ет

Sc

,4П R-l

.3 J

§,ц

П

5J

гг

U5

49

в

50

7

ш

.с

г

СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА с трехфазным двигателем, первая обмотка которого соединена с одной из фаз сети через пару встречно-параплельно соединенных тиристоров, а вторая и третья обмотки соединены через две пары встречно-параллельно соединенных тиристоров с каждой из двух других фаз сети, при котором формируют трехфазную систему модулирующих напряжений пониженной частоты, соответ- ствующей заданной частоте вращения, и для каждой пары тиристоров выбирают модулирующее напряжение, соответствующее заданному направлению вращения, формируют последовательности импульсов, соответствующие полярюстям фазных и модулирующих напряжений, сравнивают полярности фазных и модулирующих напряжений для каждой пары тиристоров и в момент их совпадения включают тиристор с положительным анодным напряжением, отличающийся тем, что, с целью расщирения диапазона регулирования частоты вращения и улучшения энергетических показателей электропривода, определяют проводящее состояние тиристоров, подключенных к второй и третьей обмоткам двигателя, и на время проводящего состояния одного из них формируют сигнал запрета на включение другого тиристора, соединенного соглаоно-йоследовательно с первым между фазами сети, определяют моменты времени, когда полярность фазных и модулирующих i напряжений совпадает не менее, чем у трех (О тиристоров, соединенных с различными обмотками двигателя и для которых отсутствует сигнал запрета, включают в эти моменты времени только три соединенных с различными обмотками двигателя таристора, для которых выполняются условия совпадения полярностей фазных ьо и.модулирующих напряжений при отсута ствии Сигнала запрета, причем при выполнении этих условий одновременно боto лее чем у трех гаристоров сравнивают разности фаз фазных и модулирующих со напр5змсвний, соответствующие тиристорам, подключенным к одинаковым обмоткам двигатейя, и включают в числе трех те из них, у которых эта разность фаз по абсолютной величине меньще.

J

Ч

//г

4i

Uv

/

а7//г7

..J

tf«,

и„ /У V

Ййвшшгпшшш

Fi ri riJ-ar.

1 r

I г П-L

с

-,/ П n П n n n t I i 1,1. i, I n nr- n n n n n I 1,1 I.- i I II II is tto te (раз. 5 IXI nn n n 4 n nOL n tii ih I 4 1 I ij и tf ij