Вентильный электродвигатель Советский патент 1985 года по МПК H02K29/00 

Изобретение относится к электротехнике, конкретнее к вентильным электродвигателям, и может быть использовано в приводах насосов и перекачивающих агрегатов, где необходиМО управлять их производительностью Повьшение экономической эффективности работы насосных и компрессорных станций тесно связано с регулируемыми безредукторными синхронными электроприводами. Решению этой задачи способствует применение системы регулируемого электропривода по схеме вентильного двигателя, включающего синхронно машину и управляемые вы прямитель и инвертор В случае узкого диапазона регулирования скорости привода целесообраз но регулировать ее изменением угла управления /Ь тиристоров инвертора, TSLK как это позволяет иметь в схеме привода более простой, неуправляемый выпрямитель ClJ . К тому же регулирование скорости по каналу управляемого выпрямителя изменением угла управления d его тиристоров име ет недостаток, связанный с тем, что с увеличением глубины регулирования угла 0 растут нелинейные искажения в сети, cкaзывaюшJ ecя на коэффициенте реактивной мощности в узле нагрузок . Возможность регулирования скорости -изменением угла /i видна из Cl : частота вращения; напряжение-на входе инвертора;коэффициент схемы, по кото рой собран инвертор; постоянный коэффициент, за висящий от конструкции машины. Известно устройство для возбужде ния вентильного двигателя, содержащего синхронную машину, управляемые выпрямитель и инвертор с обмоткой возбуждения, включенной в рассечку между, выпрямителем и инвертором и обтекаемой постоянным током, пропор циональным выпрямпенному току двига теля Сз. Недостатком этого устройства является зависимость возбуждения от работы управляемого выпрямителя и у равляемого инвертора вентильного дв гателя, а также то, что оно не обес печивает работу вентильного двигателя в режиме поддержания постоянного момен1;а при регулировании скорости изменением угла управления тиристоров инвертора. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является вентильный электродвигатель, содержащий синхронную машину, обмотка якоря которой подключена к цепи питания через управляемые выпрямитель и инвертор, блок фазового управления инвертором, регулятор скорости, датчик частоты вращения, датчик тока двигателя, управляемый выпрямитель для питания обмотки возбуждения, функциональный преобразователь, датчик тока возбуждения и регулятор тока возбуждения, подключенный к датчику токавозбуждения и через функциональный преобразователь к датчику тока двигателя. Управление скоростью двигателя осуществляется изменением величины постоянного напряжения на входе инвертора. Источником этого напряжения является управляемьй тиристорный выпрямитель с импульсно-фазовым управляющим устройством. Изменение величины выходного напряжения выпрямителя осуществляется регулированием угла управления d его .тиристоров C4l, Известное устройство в состоянии обеспечить работу в режиме поддержания постоянного момента при регулировании его скорости по каналу упрайляемого вьшрямителя, однако оно не обеспечивает такую работу при регулировании скорости изменением угла управления тиристоров инвертора, так как в этом случае недостаточно управлять возбуждением только в зависимости от тока двигателя. Цель изобретения - повышение энергетических показателей вентильного электродвигателя, Цель достигается тем, что в устройство, содержащее синхронную машину, обмотка якоря которой соединена с цепью питания через управляемые выпрямитель и инвертор, блок фазового управления тиристорами .инвертора, регулятор скорости, датчик частоты вращения, датчик тока двигателя, управляемый вьшрямитель для питания обмотки возбуждения, функциональньй преобразователь, датчик тока возбуждения и регулятор тока возбуждения, подключенный входом к датчику тока возбуждбршя и через функциональный преобразователь к датчику тока двигателя, введены датчик постоянного напряжения инвертора, датчик напряже ния на обмотке якоря, усилитель, дели тель, блок арккосинуса, перемножитель и сумматор, функциональный преобразователь содержит подключенные к датчику тока двигателя второй перемножитель и второй сумматор, который через второй перемножитель и блок арккосинуса подключен к делителю, первый вход которого через усилитель подключен к датчику напряжения на обмотке якоря, а второй вход через второй сумматор - к датчику (ПОСТОЯННОГО напряжения инвертора и к второму перемножителю, входы которого соединены с датчиком тока двига теля и датчиком частоты вращения, выход регулятора скорости подключен к блоку фазового управления тиристорами инветора. На фиг. 1 и 2 приведена структурная схема вентильного электродвигателя для возбуждения вентильного двигателя. Вентильный электродвигатель содер жит синхронную машину 1 , с обмоткой якоря 2 которой соединен зависимый инвертор 3, блок 4 импульсно.-фазового управления которого связан с блоком 5 выделения коммутирующей электродвижущей силы, соединенным с обмот ксй якоря 2. Управление тиристорами инвертора в зоне частот, превосходящих 3 Гц (пусковой режим не рассматривается), осуществляется синхронно с частотой вращения двигателя по коммутирующей сверхпереходной ЭДС, получаемой из напряжения на зажимах двигателя с по мощью блока 5. Инвертор 3 через сглаживающий реактор 6 связан с подключенным к сети управляемым выпрямителем 7, имеющим блок 8 импульсно-фазового упра;вления. В вентильном двигателе осуществля ,ется регулирование скорости с подчиненным регулированием тока двигателя отличающееся высокими показателями качества. На вход 4 подан выход регулятора 9 тока двигателя. Вход регу лятора 9 соединен с выходом его схемы 10 сравнения, один вход которой 1 64 соединен с выходом датчика 11 тока вигателя, чувствительным элементом которого служит трансформатор 12 тока, а второй вход соединен с выходом регулятора 13 скорости, чей вход соединен с выходом его схемы 14 сравнения, один вход которой соединен с выходом датчика 15 частоты вращения, а второй вход соединен с выходом задатчика 16 скорости. Устройство возбуждения содержит включенный на обмотку 17 возбуждения и подсоединенный к сети управляемый выпрямитель 18 возбуждения, вход блока 19 импульсно-фазового управления которого соединен с выходом регулятора 20 тока возбуждения, чей вход соединен с выходом его схемы 21 сравнения, один вход которой соединен с выходом датчика 22 тока возбуждения, чувствительным элементом которого является трансформатор 23 тока, а второй вход соединен линией 24 с функциональным преобразователем 25, который линией 26 соединен с датчиком 11 тока двигателя. . Вустройство введены датчик 27 постоянного напряжения инвертора, датчик 28 выпрямленного тока инвертора, чувствительным элементом которого служит шунт 29, датчик 30 напряжения на обмотке якоря, вычислитель 31 угла управления тиристоров инвертора. Функциональный преобразователь 25 состоит из двухвходового перемножителя 32 и с ним последовательно соединенного сумматора 33, причем на один из входов каждого из них подан выход датчика 11 тока двигателя по линии 26, на второй вход перемножителя 32 выход вычислителя 31, входы которого соединены с выходами датчиков 27, 28, 30 и 15 соответственно линиями 34 - 37. Вычислитель 31 состоит из усили- . теля 3.8, перемножителя 39 с двумя входами, сумматора 40, делителя 41 и блока 42 арккосинуса. Вход блока 4Й соединен с выходом делителя 41, первый вход которого соединен с выходом сумматора 40, а второй вход соединен с выходом усилителя 38, вход которого соединен с выходом датчика 30, первый вход сумматора 40 соединен с выходом перемножителя 39, а второй вход соединен с выходом датчика 27, первый вход перемножите- i1 ля 39 соединен с выходом датчика 28 а второй вход соединен с выходом дат чика 15. В связи с тем,что известные устройства не могут обеспечить постоянство момента при регулировании скорости по каналу инвертора, рассмотрим работу предлагаемого электродвигателя в этом режиме. Пусть /ssconst и управление скоростью ведется изменением угла о. Чтобы обеспечить работу вентильно го двигателя в режиме поддержания постоянного момента, необходимо компенсировать размагничивающее действие реакции якоря при условии посто янства величины отношения напряжения на зажимах статора синхронной машины к числу оборотов. Компенсацию осуществляют регулированием возбуждения по току двигателя. Графическое определение зависимости выполняют с помощью диаграммы Потье. . Зависимость тока возбуждения от тока двигателя для двигателей разных мощностей с достаточной точностью имеет линейный вид: . где Эд - ток двигателя; Л6 - ток возбуждения; во ток возбуждения холостого хода; К - постоянный коэффициент. Вид зависимости и значение коэффициента К остаются неизменными при всех скоростях только в том случае, когда скорость регулируется изменением угла d, а ft остается постоянно величиной. При регулировании скорости измен нием угла /ь недостаточно регулировать возбуждение по уравнению (2), так как каждому новому значению /э с ответствует новое значение коэффици ента К. Коэффициент К есть коэффициент передачи замкнутой системы автоматического регулирования тока возбужде ния по току двигателя: АТС-ФП .c коэффициент передачи дат чика тока двигателя; коэффициент передачи фун ционального преобразователя ; 6 К„ - коэффициент передачи регулятора тока возбуждения; -коэффициент передачи последовательно соединенных выпрямителя возбуждения и обмотки возбуткдения; -коэффициент передачи датчика тока возбуждения. Влияние /5 на коэффициент К при автоматической настройке схемы регулирования тока возбуждения будет учтено, если в зависимости от /ь изменять коэффициент Кфп. Зависимость K(fj) получают следующим образом. Строят зависимости вида (2) при разных углах (ь (включая нижний и верхний предел его изменения). атем по значениям токов возбуждения, зятых из полученных зависимостей, ри нормальном ;1.д строят график Лj(/J) . . Из выражения (2) получаем 8л ) -в 6V АНОм 6 BO ном Переход от. заданной графически зависимости О g(/i) к зависимости К() осуществляется с помощью линейных преобразований - умножения на постоянный коэффициент 1 /О д „р„ и уменьшения полученного произведения на по, 3« стоянную величину Таким образом, если в выражении (3) в соответств1Ш с (4) изменять то получим желаемое регулирование возбуждения в зависимости от /3 . Из графика на фиг. 1 , где 3 g , /i , D в /i - соответственно текущие и фиксировайные значения параметров. Нижнее значение ft ограничено пределом устойчивости инвертора. Если принять/i /5 и () , о e 8{/3min)S() Подставляя выражение (5) в (4), получим ) + ((-fimin) В, кы 71141526Рассматривая совместно выражения (3) и (6), получим ,b- , w% ЗAнo« 1 c 5 к. . . Регулировку тока возбуждения в з висимости от тока двигателя при переменном угле /3 можно осуществить, если выполнить функциональный преоб разователь в устройстве ГЗ с коэффициентом передачи по формуле (8). Введение в устройство параметра обуславливает необходимость иметь в его составе вычислитель угла /Ь. Одна из возможных схем вычислителя угла управления тиристоров инвертор реализует алгоритм определения угла из формулы. Uj - l Uco3/J-J-J X.24uJ , где и - фазное напряжение на обмо ке статора двигателяj Dj - среднее значение выпрям ленного тока инвертора; Uj - постоянное напряжение на входе инвертора ; Хд - индуктивное сопротивление фазы обмотки с,татора, ограничивающее ток коротког замыкания при коммутации тиристоров при номинально частоте вращения; 4Uo, - падение напряжения в откр том тиристоре (весьма ма лая величина). Индуктивное сопротивление Х(.,(Хц luJt ) зависит от частоты вращения д гателя где Xp, - при номинальной часто вращения; Пц - величина номинальной частоты вращения; п - текущее значение част ты вращения. по Вычисление угла производится формуле, полученной из (9) ,i cos V Ном J7 где U - линейное напряжение на обмотке статора двигателя. Аналоговые измерители величины Uoi, d/j л должны быть подсоединены к соответствующим выводам инвертора на стороне постоянного тока ( , ScJft) и на стороне переменного тока (ид). На вход вычислителя должен поступать сигнал, пропорциональный величине п, от датчика частоты вращения. Датчик выпрямленного тока инвертора О - по существу тот же датчик тока двигателя Зд (связаны соотношением ,0,817- 0 ), так что сигналом на выходе последнего можно пользоваться для вычисления угла jb . Задание скорости г осуществляется в соответствии с величиной давления Р в трубопроводе за перекачивакнцей станцией. Схема задатчика осуществляет выполнение функциональной зависимости п(Р) и функциональной зависимости /i(n). Здесь не рассматривается устройство схемы задатчика, как не имеющей непосредственное отношение к устройству возбуждения. Зависимость yft(n) просчитьшается и уточняется экспериментально. Устройство работает следующим образом. Пусть заданный задатчиком 16 сигнал сравнивается в блоке 14 с величиной сигнала от датчика 15 оборотов и результат сравнения поступает на вход регулятора 13 скорости. Величина выходного сигнала блока 13 служит заданием для регулятора 9 тока двигателя. В блоке tp сравниваются величины сигналов от регулятора 13 и от датчика 11 тока двигателя, и резУльтат сравнения подается на вход регулятора 9 тока. Выходной сигнал регулятора 9 воздействует на блок 4 импульсно-фазового управления инвертора 3, устанавливая значение угла управления тиристоров инвертора, соответствующее заданной скорости. Действукмцее в системе значение угла управления тиристоров инвертора вычисляется блоком 31 в соответствии

с выражением (11). Величины сигналов от датчика 28 выпрямленного тока инвертора и от датчика 15 оборотов перемножаются в инвертирующем перемножителе 39 с коэффициентом усиления IG ,и результат операции складывается с величиной сигнала от датчика 27 постоянного напряжет1я инвертора в сумматоре 40. В делителе 41 осуществляется деление выходной величины сумматора 40 на выходную величину усилителя 38 с коэффициентом усиления К,, на вход которого поступает сигнал от датчика 30 линейного напряжения на обмотке статора. В блоке 42 арккосинуса осуществляется вычисление функции арккосинуса по значениям аргумента от делителя 41. Выходом блока 42 является действующее в системе значение угла управления тиристоров инвертора.

По сигналам от вычислителя 31 и датчика 11 тока двигателя в перемножителе 32 осуществляется перемножение, и результат операции с весовым коэффициентом К в сумматоре 33 складывается с сигналом от датчика 11 тока двигателя с весовым коэффициентом К . Величина I сигнала на выходе сумматора 33 является заданием

для регулятора 20 тока возбуждения. В блоке 21 сравнения сравниваются задание от блока 33 и. величина сигнала от датчика 22 тока возбуждения. По результату сравнения регулятор 20 вырабатывает сигнал управления, поступающий на вход блока 19 импульсно-фазового управления выпрямителя возбуждения. Устанавливается соответствующее напряжение возбуждения, и такой ток-в обмотке 17 возбуждения, который в соответствии с выражениями (2), (3) и (8) компенсирует размагничивающее действие реакции якоря. Подачей сигнала от датчика 22 тока возбуждения на вход блока 21 сравнения осуществляется стабилизация тока возбуждения при колебаниях напряжения питания выпрямителя 18.

Вентидьный двигатель в режиме поддержания постоянного момента благодаря точной компенсации размагничивающего действия реакции якоря, достигаемой коррекцией коэффициента передачи системы автоматического управления током возбуждения по току двигателя в зависимости от величины угла управления тиристорами инвертора, имеет повышенные энергетические показатели при работе в механизмах с переменной скоростью вращения.

JS

Jff

Tsl

ВЕНТИЛЬНЬЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ, содержащий синхронную машину, обмотка якоря которой соединена с цепью питания через управляемые вьшрямитель и инвертор, блок фазового управления тиристорами инвертора, регулятор скорости, датчик частоты вращения, датчик тока двигателя, управляемый выпрямитель для питания обмотки возбуждения, функциональный преобразователь, датчик тока возбуядения и регулятор тока возбуждения, подключенный входом к датчику тока возбуждения и через функциональный преобразователь к датчику тока двигателя, отличающийся тем, что, с целью повышения энергетических показателей путем осуществления работы вентильного двигателя в режиме поддержания постоянного момента, в него введены датчик постоянного напряжения инвертора, датчик напряжения на обмотке якоря, усилитель, делитель, блок арккосинуса, перемножитель и сумматор, функциональный преобразователь содержит подключенные к датчику тока двигателя второй пе(Л ремножитель,и второй сумматор, который через второй перемножитель и блок арккосинуса подключен к делителю, первый вход которого через усилитель подключен к датчику напряжения на обмотке якоря, а второй вход через второй сумматор - к датчику постоянного напряжения инвертора и к второму перемножителю, входы которого СП to соединены с датчиком тока дгагатепя и датчиком частоты вращения, выход Од регулятора скорости подключен к блоку фазового управления тиристорами инвертора.