Способ регулирования частоты вращения электродвигателя переменного тока Советский патент 1989 года по МПК H02P7/42 

114

Изобретение относится к электротехнике, а именно к области частотно го управления электродвигателями переменного тока, и может быть исполь- зовано в электроприводе общепромышленных механизмов.

Цель изобретения - расширение диапазона регулирования частоты вращения электродвигателя переменного тока.

На фиг. 1 приведена схема электропривода с вентильным преобразователем (га 3) ; на фиг. 2 - схема- системы управления электроприводом; на фиг. 3 - вариант исполнения устройства формирования сигнала отсутствия тока в фазах статорной обмотки электродвигателя; на фиг. 4 и 5 - временные диаграммы напряжений и сигналов, иллюстрирующие способ .регулирования частоты вращения электродвигателя переменного тока, а также работу устройства, реализующего этот способ.

Устройство, реализующее способ регулирования частоты вращения электродвигателя переменного тока, содержит непосредственньй преобразователь частоты, составленный из встречно-параллельно соединенных пар тиристоров 1-18, которые объединены в три группы 19-21 таким образом, что при одновременном включении всех тиристоров одной группы обеспечивается прямое подключение статора двигателя 22 к питающей сети, напряжения фаз которой сдви.нуты между собой последовательно на угол, 2 и /3. Управляющие электроды тиристоров под ключены к выходам системы 23 управ- ления, первые три .входа которой соединены с фазами питающей сети, а чет вертый с выходом формирователя 24 сигнала отсутствия тока в статорной обмотке двигателя 22. Входы формирователя 24 подключены к датчикам 25- 27 фазных токов электродвигателя 22

Система 23 управления содержит. системы импульсно-фазового управления (СИФУ) 28-30 (фиг. 2)j блок 31 задания напряжения, блок 3 2 задания частоты вращения, преобразователь 33 напряжение-частота, кольцевой регистр 34 сдвига, логические элементы И 2 35 и 36j логические элементы ЗАПРЕТ 37 и 38, логические элементы ИЛИ 2 39 и 40, RS-триггер 4 логические элементы И 3 42-59, усили

тели-формйрователи 60-77, элемент 78 задержки.

Q

5 0

0

35

5

,

45

50

55

При этом первые входы СИФУ 28-30 соединены соответственно с фазами А, В и С питающей сети, а вторые входы подключены к выходу блока 31 задания напряжения. Первый, выход СИФУ 28 соединен с первыми входами элементов И 3 42, 48 и 54, второй выход СИФУ 28 соединен с первыми входами элементов И 3 43, 49 и 55. Первый выход СИФУ 29 соединен с первыми входами элементов И 3 44, 50 и 56, а второй выход СИФУ 29 соединен с первыми входами элементов И 3 45, 51 и 57. Первый выход СИФУ 30 соединен с первыми входами элементов И 3, 46, 52 и 58, а второй выход.СИФУ 30 соединен с первыми входами элементов И 3 47, 53 и 59. Первьш выход блока 32 задания частоты подключен к входу преобразователя 33 напряжение - частота, выход которого соединен с входом кольцевого регистра 34 сдвига и с R-входом RS-триггера 41, S- вход которого подключен через элемент 78 задержки к выходу формирователя 24. Первый выход кольцевого регистра 34 сдвига соединен с вторыми входами элементов И 3 42-47. Второй выход кольцевого регистра 34 сдвига соединен с первым входом элемента И 2 35 и прямых- входом элемента ЗАПРЕТ 37. Третий выход регистра 34 соединен с первым входом элемента И 2 36 и црямым входом элемента ЗАПРЕТ 38. Вторые входы элементов И 2

35и 36, а также инверсные входы элементов ЗАПРЕТ 37 и 38 соединены между собой и подключены к второму выходу блока 32 задания частоты. Выходы логических элементов 35 и 37 подключены соответственно к первому и второму входам элемента ИЛИ 239, выход которого .соединен с вторьп-ш входами логических элементов И 3 48-53. Выходы логических элементов

36и 38 подключены соответственно к первому и второму входам элемента ИЛИ 2 40, выход которого соединен с вторыми входами элементов И.3 54- 59. Третьи входы логических элементов И 3 42-59 подключены к прямому выходу .RS-триггера 41. Выходы эле- lieHTOB И 3 42-59 соединены соответственно с входами усилителей -формирователей 60-77,. выходы которых со

ответственно подключены к управляющим электродам тиристоров 1-18.

Формирователь 2Д сигнала отсутствия тока содержит формирователи- ограничители 79-81 (фиг. 3), входы которых соединены с выходами датчиков 25-27 тока, а выходы подключены соответственно с входами двух- полупериодных вьшрямителей 82-84, выходы которых соединены с входами логического элемента ИЛИ-НЕ 3 85. Выход элемента 85 является.выходом формирователя 24 сигнала отсутствия тока.

На фиг. 1-4 обозначены: U, Ug, U - напряжения фаз питающей сети; А, В, С-фазы питающей сети; а, bj с - фазы статора двигателя 22; Ig.- сигнал .отсутствия тока в фазах двигателя; 1, I.,, ;, - выходные сигналы датчиков 25-27 тока; Ха - логический сигнал задания диапазона ре гулирования скорости электропривода; Ui, - потенциальный сигнал задания скорости электропривода; Q - выходной сигнал преобразователя 33 напряжение-частота; Q, Q выходны сигналы кольцевого регистра 34 сдвига;.-Q, QS - выходные сигналы осот- ветственно логических элементов ИЛИ 2. 39. и 40; сигнал на прямом выходе R-S-триггера 41; U, U DC - напряжения на фазах двигателя 22; QB - сигнал на выходе элемента 78 задержки; б - продолжительность единичньк значений сигналов Q - Qs

Способ осуществляется следующим образом.

Напряжения U , Ug,, U, питающей сети поступают на входы СИФУ 28-30, которые формируют широкие импульсы- управления тиристорами, длящиеся от момента открывания тиристора до момента перехода синусоиды напряжения данной входной фазы через ноль. Передний фронт этих-импульсов сдвигают относительно сетевого напряжения с помощью потенциального сигна- ла, поступающего с блока 31 задания напряжения на вторые входы СИФУ 28- 30. Сигналы на первых выходах СИФУ 28-30 соответствуют положительным полуволнам сетевых напряжений и чер соответствующие элементы И 3 и усилтели-формирователи поступают на уп- равляющие электроды.тиристоров, подключенных анодами к фазам питающей сети. Сигналы на вторых выходах

O

5

0

5 ,Q

50 55

35

40

45

СИФУ 28-30 соответствуют отрицательным полуволнам сетевых напряжений и через соответствую цие элементы И 3 и усилители-формирователи поступают на управляющие электроды тиристоров, подключенных катодами к фазам сети.

На вход кольцевого регистра 34 сдвига поступают с выхода преобразователя 33 напряжение-частота импульсы, частота которых определяется аналоговым выходным сигналом блока 32 задания частоты. Регистр 34 сдвига предварительно устанавливают в состояние, которому соответствуют потенциальные сигналы логического нуля на втором и третьем его выходах. Сигналы логической единицы на первом выходе регистра 34 сдвига разрешают при этом работу шестерки группы 19 тиристоров. Сигнал Хо. на втором выходе блока 32 задания частоты может принимать значение логической единицы, соответствующей диапазону регулирования скорости OCCOg i ,СО и значение логического нуля, соответствующее диапазону регулирования скорости СОзд :: СОд он Р смотрим работу устройства при Х 1 (фиг. 4). В этом случае Q; Qj KQ4 Q6 с поступлением очередного импульса Q, в момент времени t состояние кольцевого регистра 34 сдвига изменяется и единичный потенциал переходит на второй выход, проходит чер ез элементы 35 и 39 и поступает на вторые входы элементов 48-53, что соответствует включенному состоянию тиристорной группы 20. Одновременно с переклю- чением регистра 34 сдвига выходной импульс блока 33 устанавливает в нулевое состояние RS-триггер 41, находившийся до этого момента в еди- .ничном состоянии. Сигнал Q: на прямом выходе триггера 41 принимает нулевое значение и запрещает прохождение управляющих импульсов на тиристоры 1-18. Однако токJпротекающий по фазам статора двигателя 22 в течение интервала времени удерживает соответствующие тиристоры группы 19 в открытом состояний. Для упрощения временных диаграмм, иллю- стрир.ующих работу устройства, электродвигатель заменен активно-индуктив ной нагрузкой, угол ot открывания ваш тилей равен нулю. В момент времени , t, ток во всех фазах-двигателя 22

спадает до нуля и выходной сигнал 1 блока 24 принимает единичное значение. Элемент 78 задержки сдви- гает передний фронт сигнала 1 таким образом, что на интервале

обеспечивается бестоковая пауза, достаточная для восстановления запирающих свойств тиристоров. В момент времени t выходной сигнал Q-j элемента задержки принимает единичное значение И устанавливает RS-триггер 41 в единичное состояние. При этом сигнал Q- принимает единичное значение и разрешает поступление управляющих импульсов на тиристоры 1-18. В соответствии с единичньм значением : сигнала открываются тиристоры группы 20 и по фазам электродвигателя 22 начинает протекать ток. В результате сигналы Т и Q , принимают нулевые значения.

Формирователи-ограничители 79-81 служат для преобразования переменных несинусоидальных сигналов 1, 1,, 1 в знакопеременные сигналы с нормированной амплитудой. Эти сигналы вы- пряьотяются выпрямителями 82-84 и пос- тупают на элемент ИЛИ-НЕ 3 85. Таким образом, выходной сигнал Ig блока 24 ; принимает единичное значение только , при условии IQ О, 1 0,I(j 0.

В случае Хм О (фиг. 5) обеспечивается изменение порядка переключения вентильных групп, так как справедливо

Л.

устройства не изменяется,

Таким образом, система 23 управления обеспечивает циклическое пёреютю- чение шестерок тирис горов и осзпцёст- вляет раздельное управление ими. Ше- стивентильные группы 19-21 осуществляют, соответственно три варианта подключения фаз сети к фазам статора электродвигателя 22: 1) АЯ, В,,

порядок чередования фаз питающей сети. Среднее значение напряжения на двигателе регулируют посредством изменения угла об открывания тиристо- ров в соответствии с потенциальным выходным сигналом блока 31 задания напряжения. Продолжительность работы одной тиристорной группы определяется частотой сигнала Q. При каждом очередном переключении тиристорных групп 19-21 фаза результирующего вектора напряжения на двигателе изменяется относительно фазы результирующего вектора напряже20

ния питающей сети на при Хл 1 и на +2 if /3 при Х 0.

После трех переключений тиристор. нык групп -за интервал времени ЗсГ этот фазовый сдвиг составит. -21 при Ха 1 И +2 i при Хо 0. Частота вращения холостого хода электродвига- ,теля определяется частотой cOg основ- : ной гармоническ ой составляющей напря25 жения на статоре электродвигателя в соответствии с выражением

о - -J S- (1)

-р„ -р„-йт

где UCfj. фазовьш угол, на который

поворачивается результирзта- щий вектор выходного напряжения за интервал времени ЛТ. .

В случае электропривода, представленного на фиг. 1, интервалу времени

30

Q и Q Q,. В остальном работа 35 дт, 3 соответствует угол uqj. З& СО,

, где (jo, - частота питающей сети, знак - соответствует Хл 1, знак + - Ха 0. Тогда справедливо

40

.-1- J..

0

2 п т

21

ЗсР,

(2)

2) А

В,

L. j j a.f. Од, GI,; 3) Ajj, Bp, Сд,. При Xo. 1 сигналы Q, Q и Qg принимают единичные значения в последовательности Q/г. - QS Qe 2. что обеспечивает последовательность переключения групп тиристоров 19-2О- 21-19-... и, .следовательно, прямой порядок чередования фаз питающей сети. При Xft О сигналы Q, QS-.H Qg принимают единичные ;значения в последовательностичто обеспечивает последовательность переключения групп тиристоров 19-21- 20-19-... и, следовательно, обратный

45

В общем случае для произвольного числа m эквивалентных фаз сети, подключаемых к одной фазе статора трехфазного двигателя, силовой вентильный блок электропривода должен содер- жать 6т тиристоров, функционально :объединенных в m вентильных групп по щесть тиристоров в каждой. Тогда при очередном переключении вентиль- 50 ных групп будет происходить фазовый сдвиг результирующего вектора на- : пряжения на двигателе на , где

знак - соответствует + соответствуетбЭрц- сОд 2СОрц. В соот- 55,ветств11и С (1) и по аналогии с (2) ;йолучим

(3)

аЗо сОс

2i

: I -m-t2 е

х с-м 4 ; ,

иияво

471277 .

порядок чередования фаз питающей сети. Среднее значение напряжения на двигателе регулируют посредством изменения угла об открывания тиристо- ров в соответствии с потенциальным выходным сигналом блока 31 задания напряжения. Продолжительность работы одной тиристорной группы определяется частотой сигнала Q. При каждом очередном переключении тиристорных групп 19-21 фаза результирующего вектора напряжения на двигателе изменяется относительно фазы результирующего вектора напряже20

ния питающей сети на при Хл 1 и на +2 if /3 при Х 0.

После трех переключений тиристор. нык групп -за интервал времени ЗсГ этот фазовый сдвиг составит. -21 при Ха 1 И +2 i при Хо 0. Частота вращения холостого хода электродвига- ,теля определяется частотой cOg основ- : ной гармоническ ой составляющей напря25 жения на статоре электродвигателя в соответствии с выражением

о - -J S- (1)

-р„ -р„-йт

где UCfj. фазовьш угол, на который

поворачивается результирзта- щий вектор выходного напряжения за интервал времени ЛТ. .

В случае электропривода, представленного на фиг. 1, интервалу времени

30

та 35 дт, 3 соответствует угол uqj. З& СО,

5 дт, 3 соответствует угол uqj. З& СО,

, где (jo, - частота питающей сети, знак - соответствует Хл 1, знак + - Ха 0. Тогда справедливо

0

.-1- J..

0

2 п т

21

ЗсР,

(2)

5

В общем случае для произвольного числа m эквивалентных фаз сети, подключаемых к одной фазе статора трехфазного двигателя, силовой вентильный блок электропривода должен содер- жать 6т тиристоров, функционально :объединенных в m вентильных групп по щесть тиристоров в каждой. Тогда при очередном переключении вентиль- 0 ных групп будет происходить фазовый сдвиг результирующего вектора на- : пряжения на двигателе на , где

знак - соответствует + соответствуетбЭрц- сОд 2СОрц. В соот- 5,ветств11и С (1) и по аналогии с (2) ;йолучим

(3)

аЗо сОс

2i

: I -m-tЕсли номинальное значение напряжения питания двигателя совпадает с напряжением сети, то при регулировании частоты вращения выше сОд перегру

его на каждом интервале последовательно на угол 2 нУЗ, изменяют углы открывания вентилей непосредственно го преобразователя частоты, регулизрчная способность быстро падает. По- - руя величину подводимого к фазам стаего на каждом интервале последовательно на угол 2 нУЗ, изменяют углы открывания вентилей непосредственно го преобразователя частоты, регули

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в общепромышленных механизмах. Целью изобретения является расширение диапазона регулирования частоты вращения электродвигателя переменного тока. С этой целью в способе регулирования частоты вращения электродвигателя переменного тока с помощью тиристоров 1-18 непосредственного преобразователя частоты осуществляют циклическую подачу напряжения питающей сети к фазам статорной обмотки электродвигателя 22 переменного тока через равные интервалы времени с последовательным сдвигом фазы подводимого напряжения на каждом интервале на угол 2П/3. Контролируют с помощью датчиков тока 25-27 токи в фазах статорной обмотки электродвигателя 22, определяют с помощью формирователя 24 сигнала отсутствия тока момент равенства тока во всех фазах нулю и осуществляют под действием сигнала с системы управления 23 одновременную подачу напряжения сети во все фазы статорной обмотки с прямым чередованием фаз питающей сети в диапазоне частот вращения от 0 до ω_он и с обратным чередованием фаз питающей сети в диапазоне частот вращения от *89о_он до 2 ω_он, где ω_он - частота вращения холостого хода. Регулирование величины питающего напряжения осуществляют изменением угла отпирания тиристоров 1-18. 5ил.

этому данный электропривод целесообразно использовать в тех механизмах, где требуется значительная скорость быстрых перемещений при малом момент нагрузки (например, в грузоподъемных механизмах при перемещении порожнего крюка).

Таким образом, предлагаемый спосо позволяет расширить диапазон регулирования частоты вращения электродвигателя переменного тока с непосредственным преобразователем частоты при естественной коммутации вентилей и частоты питающей сети, равной номинальной частоте питания электродвигателя, за счет изменения порядка чередования фаз при циклическом подключении фаз сети к фазам статора двигателя. . Формула изобретения

Способ регулирования частоты вращения электродвигателя переменного тока t трехфазным непосредственным преобразователем частоты с естественной коммутацией в цепи статорной обмотки, при котором к фазам статорной обмотки электродвигателя циклически через равные интервалы времени подают напряжение питания, сдвигая

торной обмотки напряжения, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования Q частоты вращения, контролируют токи в фазах статорной обмотки и в момент равенства токов во всех фазах нулю осуществляют одновременную подачу питающего напряжения на все фазы ста5 торной обмотки, при этом в диапазоне частот вращения от нуля до сО питающее напряжение подают с прямым чередованием его фаз относительно фаз статорной обмотки, а в диапаз.оне чаQ стот вращения от( 2сОд„ изменяют порядок чередования фаз питающего напряжения относительно фаз статорной обмотки на обратное, где сОоч частота вращения холостого хода,

5 определяемая из выражения

+ 25 -.P.m-t

где СОо - частота вращения электродвигателя;

- средняя продолжительность интервала подводимог о к одной из фаз статорной обмотки напряжения;

m - число эквивалентных фаз сети;

Р - число пар полюсов электродвигателя переменного тока.

0

5

Ч ои

Uc

Фиг.г

la

19

IB

80

le

8J

0

U2

0

%

Ilo.

iia 0

ti t

2ft

Bl

83

ffsoBit

Фиг.З

Фил.Я

t-i #// igig

Фаг.5