Способ управления частотой вращения трехфазного асинхронного электродвигателя и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК H02P7/42 

Изобретение позволяет непосредственно из трехфазной промышленной сети получать на обмотках двигателя переменное синусоидальное напряжение, регулируемое по амплитуде от О до с етевого напр$)жения

и регулируемое по частоте вверх от сетевой частоты до значений, ограничиваемых быстродействием ключей переменного тока, и вниз До нуля и далее со сменой фазы на 180°. 2с. н 2 3. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в безредукторных электроприводах низкоскоростного технологического оборудования с широким диапазоном регулирования частоты вращения.

Целью изобретения является расширение диапазона регулирования частоты вращения электродвигателя.

На фиг. 1 показана структурная схема устройства, реализующего способ управления частотой вращения трехфазного асинхронного электродвигателя; на фиг. 2 - блок управления напряжением; на фиг. 3 - 5 диаграммы, поясняющие суть способа управления и работу устройства.

Устройство для управления частотой вращения трехфазного асинхронного электродвигателя, реализующее способ управления, содержит (фиг. 1) шесть управляемых ключей 1-6 переменного тока, блок 7 управления частотой вращения с шестью выходами, первым и шестью дополнительными входами, задатчик 8, трехфазный трансформатор 9, три датчика 10 - 1 тока. Выходы управляемых ключей 1-6 переменного тока попарно объединены и через соответствующие датчики 10 - 12 тока соединены с выводами соответствующих фаз статорной обмотки электродвигателя 13. Начала первичных обмоток трехфазного трансформатора 9 соединены с соответствующими клеммами для подключения к фазам трехфазной сети и соответственно с первым, вторым и третьими дополнительными входами блока 7 управления частотой вращения. Входы одних управляемых ключей 2 6 переменного тока каждой пары соединены с соответствующими клеммами для подключения к фазам трехфазной сети переменного, а входы других управляемых ключей 1-5 переменного тока каждой пары соединены к концам соответствующих вторичных обмоток трехфазного трансформатора 9. Концы первичных иначала вторичных обмоток трехфазного трансфорMatopa 9 объединены и снабжены зажимом для соединения с нулевой шиной трехфазной сети. Выходы датчиков 10 - 12 тока соединены соответственно с четвертым, пятым и шестым дополнительными входами блока 7 управления частотой вращения, выходы которого соединены с управляющими входами соответствующих ключей 1-6 пер менного тока, а первый вход - с выходом задатчика 8.

Блок 7 управления частотой вращения содержит последовательно соединенные управляемый генератор 14 и распределитель 15импульсов, блоки 16- 1Вуправления напряжением и шесть логических элементов И 19-24. Первые входы логических элементов И Ш-24 попарно объединены и подключены к выходам соответствующих

блоков 16 - 18 управления напряжением, первые входы которых объединены, соединены с входом управляемого генератора 14 и образуют.первый вход блока 7 управления частотой вращения. Выходы распределителя 15 импульсов соединены с вторыми входами 19-24 соответствующих логических элементов И 1.9-24, выходы которых образуют выхоДы блока 7 управления частотой вращения. Первый, второй и третий дополнительные входы блока 7 управления частотой вращения образованы вторыми входами блоков 16-18 управления напряжением, третьи входы которых образуют соответствейно четвертый, пятый и шестой дополнительные входы блока 7 управления частотой вращения..

Каждый из блоков 16-18 управления напряжением содержит (фиг. 2) формирователь 25 эталонного напряжения, управляемую схему 26 задержки, компаратор 27, задатчик 28 амплитуды тока, блок 29 сравнения фаз и ПИ-регулятор 30 (проп рционально-интегральный).

Выход формирователя 25 эталонного

напряжения через управляемую схему 26 задержки соединен с первым входом задатчика 28 амплитуды тока, выход которого соединен с первыми входами компаратора 27 и блока 29 сравнения фаз, выход которого

через ПИ-регулятор 30 соединен с управля- ющим входом схемы 26 задержки. Второй вход задатчика 28 амплитуды тока, вход формирователя 25 эталонного напряжения и объединенные вторые входы компаратора

27 и блока 29 сравнения фоз оГфазуют соответственно первый, второй и третий входы блоков 16-18 управления напряжением, а . выходы каждого из этих блоков 16 - 18 управления напряжением образованы выхоом компаратора 27.5

Устройство, реализующее способ,управления частотой вращения трехфазного асинхронного электродвигателя, работает следующим образом.

При включенных ключах 2,4,6 перемен- 10 ного тока обмотки электродвигателя 13 подключены непосредственно к своим фазам питающей сети, а имежню: обмотка I - к фазе А, обмотка II - к фазе В, обмотка IU - к фазе С. Асинхронный электродвигатель 13 при 15 этом работает в номинальном режиме с частотой напряжения питания fo и амплитудой

Uo.

В момент времени ti ключ 2 переменного тока выключается, а ключ 1 включается, 20 при этом ключи 4 и 6 оста1отся открытыми, т. е. не изменяют своего состояния (фиг. 3). Это значит, что на обмотки II и III электродвигателя 13 продолжают подаваться напряжения своих фаз В и С с. амплитудой 25 DO и частотой fo (фиг, 3 II, III). На обмотку 1 подается теперь напряжение фазы А, сдвинутое на 130° по фазе (инверсная фаза А) с амплитудой 2Uo и частотой fo (фиг. 3, () квивалентная электрическая схема данно- 30 го устройства при описанном состоянии, ключей переменного тока 1-6, соответствующем интервалу времени ti - tz диаграммы работы ключей на фиг. 3, приведена на фиг. а. Здесь же приведена векторная диаграм- 35 ма напряжений на обмотках электродвигаеля 13 для данного подключения обмоток, где пунктирными линиями показана исходная трехфазная симметричная система питающих напряжений А, В и С с нейтральной 40 точкой N. Такой же вид имела векторная диаграмма напряжений на обмотках электродвигателя 13 до момента ti, когда были включены ключи 2,4 и 6 Переменного тока, т.е. когда обмотки электродвигателя 13 бы- 45 ли подключены к своим фазам. В момвйт ti закрылся ключ переменного тока 2, что.на векторной диаграмме напряжений (фиг. 4а) соответствует точке Q т. е. нейтральная точка обмоток электродвигателя 13 отошла от ВО N на вектор NQ, что означает теперь же не нулевое напряжение в этой точке, а

напряжение Это соответствует рабое асинхронного электродвигателя 13 С од- 55 ной оборваной фазой.

В этот же момент времени t открывается ключ 1 переменного тока и подает с рансформатора 9 напряжение - 2UA на об;

мотку I электродвигателя 13, чтосоответствует вектору QI на диаграмме (фиг. 4а}. В результате векторного сложения получается, что напряжение ё обмотке I соответствует вектору QI, т. е. имеет значение - и А. При этом нейтральная точка О обмоток электродвигателя 13 отошла от нейтральной точки N исходной трехфазной системы напряжения на вектор N0, т, е. в свою очередь также находится под напряжением г UA относительно земли (точки N). Напряжение в каждой обмотке асинхронного электродвигателя 13 обуславливается векторной суммой Напряжений на разных концах этой обмотки. В том случае, когда напряжение нейтральной точки етаторных обмоток электродвигателя, соединенных в звезду, равно нулю, напряжение в самих обмотках по амплитуде и по фазе совпадает с сетевыми напряжениями исходной трехфазной системы, т. е. с фазами А, В и С, подсоединенными к обмоткам.

С момента времени ti нейтральная точка О обмоток 1, И и III электродвигателя 13 находится под напряжением - UA (вектор N0 - фиг. 4а). В этом случае, хотя обмотки М и III электродвигателя подсоединены непосредственно соответственно к фазе В (через ключ 4 переменного тока) и фазе С (через ключ 6 переменного тока) результирующие, напряжения на них будут .обуславливаться векторной суммой напряжений соответственно UB и -UA, и Ue и UA, т. е..векторов NB и N0, и NC и t)IO. В результате на обмотке 11 появится переменное напряжение правильной гармонической формы амплитудой Uo, частотой fo и фазой, сдвинутой относительно фазы В ка , или инверсной фазой С: -Uc. Аналогичным образом на обмотке HI формируется переменное напряжениеЧ}в (вектор ОЩ) фиг. 4а).

Таким образом, из исходной трехфазной Симметричной системы напряжений UA, UB и Uc на обмотках I, II, III электродвигателя 13 относительно нейтральной точки О формируют симметричную инверсную трехфазную систему напряжений:

(1)

Uiti -UA Uosln(fot + 180°);

Uiiti -Uc Uosin(fo + 120°) - UoSln (fot + 60°):(2)

Uiiiti UB Uosin(fot + 240°) + 60° Ubsln(fot + 300°)(3)

или

Uiti Uosln(fot + 180°) Uosin(fot + ): {4J Uiiti-Uo8ln(fot + 240°) -l80T-UoSlri(fot-b ). В момент времени (фиг. 3) ключ 1 пересменного тока закр йвавтбй и опять открывается ключ 2 переменного тока, подключая обмотку 1 электродвигателя 13 непосредственно к фазе А сети. Одновременно с этим закрываетс я ключ 4 riepe менного тока и открыве еТся ключ 3 переменного тока, подавая на обмотку II электродвигателя 13 переменное н{апряжение амплитудой 2Uo, частотой fo и инверсной фазой В иг. 3, И). Эквивалентная схема данного устройства и ве1сторнай диаграмма напряжений для периода времени t2 -13 представлена Нймфиг. 46/ В этом случае нейтральная точка О обмоток электродвигателя 13 находится теперь под напряжением -иви.изиосодной трехфазной симметричной системы напряжений UA, UB и Uc формируется инверсная трехфазная система напряжений на обмотках электродвигателя 13; UoSlnKfot+ 40°)-180° ; (7) Uiit2 -UB UpSlnRfot + + (8) Umt2 -UA-UoS|n(fot+18d°)-(9) . . Uit2 - Uoslnttfot + pd (10) V Uiit2 Uoslnttfot + i) - (11) Uiiit2 Uoslnttfot pn) - 120°. (12) Таким о.бразом сформированная на обмотках электродвигателя новая Инверсная симметричная трехфазная система напряжений С7) - (9) сдвинута по фазе относительно Предыдущей инверсной системы (4) - (6) на 120°. , В момент времени t3 (фиг. 3) ключи 3 и 6 переменного тока закрываются,.а ключи 4 и 5 переменного тока открываются. Таким образом, обмотки I и II подключаются к фазам А и В (фиг. 3,1,11), а на обмотку III подается напряжение -2Uc. В результате формируется третья инверсная симметричная система напряжений в обмотках электродвигателя 13, смещенная по фазе относительно предыдущей системы (1 ф - (12) на 120°, а относительно первой ) - (6) на Uit3 Uoslnttfo+Й)-240° ;(13) Uiita Uoslnttfo + i) - (14) Uiijt3 UoSinttfo + ii)-240°. (15) Продолжая коммутировать обмотки J, II, II) электродвигателя 13 пари помощи ключей переменного тока 1-6 в соответствии с диаграммой работы, показанной на фиг, 3, с частотой fn, получим в каждой обмотке синусоидальное напряжение с амплитудой Uo, частотой fo ± fn и с непрерывным смещением фазы в любую стЬрЬну (в зависимое от порядка переключения фаз),где fп - - 6(пд -fp/p) Пд-частота вращенияэлектродвигателя, р - число пар полюсов электродвигателя. : Таким образом осуществляется преобразование переменного трехфазного напряжения сетевой частоты в переменное трехфазное напряжение постоянной амплиуды и регулируемой частоты. Сигналы управления ключами 1-6 переменного тока формируются на выходах логических элементов И 19-24 (фиг. 1), на вход которых поступают сигналы с выходов распределителя 15 импульсов и блоков 16 - 18 управления напряжением. . Частота следования сигналов управления ключами переменного тока, а следовательно, и частота вращения электродвигателя 13 определяется частотой выходного сигнала управляемого генератора 14, задаваемой задатчиком 8. Амплитуда напряжения питания электродвигателя 13 формируется блоками 16 18 управления напряжением также на основе сигнала задатчика 8. Рассмотрим процесс формирования напряжения нд обмотках электродвигателя на примере одной из фаз, например фазы А. При включенном ключе 2 переменного тока по обмотке электродвигателя 13 протекает ток 1о(фиг. 5а), обусловленный значением напряжения сети Оо (фиг. 56). Включением и выключением ключа 2 переменного тока (фиг. 1) управляет компаратор 27 (фиг. 2), который сравнивает два синусоидальных сигнала: один отдатчика 10 тока, т. е. реальную кривую переменного тока, протекающего по обмотке I (фиг. 5а), а другой - сформированную кривую заданного 31начения oк$ правильной синусоидаль,ной формы и необходимой амплитуды 1зад (фиг. 5а). При этом, есйи заданное значение ток1| 1зад. больше текущего тока I, компаратор 27; включает ключ 2 переменного тока, а если меньше, выключает его. Таким образом происходит непрерыв ная коммутация обмотки 1 электродвигателя 13 припомощиключа 1 переменного тока в нужные моменты времени и осциллограмма напряжения на обмотке I будет иметь

вид, представленный на фиг. 56, а осциллограмма тока - на фиг. 5а,.

Допустим, что в момент времени ц (фиг. 5) мгновенное знамение тока в обмотке I электродвигателя 13 меньше заданногозначения (фиг. 5а) на величину, равную гистерезису компаратора 27, Хомпаратор 27 срабатывает и включает ключ 2 переменного тока. Напряжение промышленной чаСтоты fo и амплитуды .(Jo полностью прикладывается к обмотке I электродвигателя 13 (фиг. 56). Ток в обмотке начинает увеличиваться по кривой Г переходного процесса при включении рбмотки под синуг соидальное напряжение (фиг. 5а) и обусларливается постоянной цепи одной фазы электродвигателя и величиной Оо. В момент t2 (фиг. 5), когда значение тока Г в обмотке станет болbU4e заданного значения 1зад на величину гистерезиса компаратора 27, компаратор 27 включает ключ 2 переменного тока и напряжение Uo снимается с обмотки (фиг. 56). Ток в обмотке начинает, уменьшаться по кривой Г- обусловленной скоростью срабатывания ключа 2, до момента, когда его значение опять станет меньше Iзад на величину гистерезиса компаратора 27. Снова произойдет включение ключа 2 и т. д.

Таким образом, кривая тока I будет с высокой частотой флуктуировать относительно правильной гармонической синусоидальной величины 1эад(фиг. 5а). Эта частота Обуславливается временем срабатывания и величиной гистерезиса компаратора 27, временем срабатывания ключа 2 переменного тока и постоянной времени обмотки электродвигателя 13 и достигает нескольк11х килогерц. При реальных значениях обмоточных дранных асинхронных электродвигателей на промышленную частоту 50 Гц процесс коммутации обмотки с высокой, частотой практически не влияет на работу электродвигателя. Величины относительного отклонения мгновенных значений тока (Г , I ) от гармонической кривой 1зад (фиг. 5а) также зависят от указанных параметров компаратора 27 и ключа 2 и могут достигать весьма малых значений при достаточно быстродействующих элементах электронной техники - до 6,1%, что вполне достаточно для решения задач управления частотой вращения электродвигателей.,

Таким образом получили резул тирую щую кривую тока в обмотке электродвигателя. 13 правильной гармонической формы и необходимой амплитуды 1зад (фиг. 6а), соответствующей эквивалентному переменному напряжению заданной частоты и амплитуды.

Эталонная кривая переменного напряжения правильной синусоидальной формы необходимой амплитуды, соответствующей 1зад1 которая подается для сравнения на второй вход компаратора 27, формируется следующим образом. Формирователь 25 эталонного напряжения .генерирует переменное напряжение правильной синусоидальной формы заданной частоты и синхронизирует это переменное напряжение относительно соответствующей фазы сетевого напряжения, в данном случае фазы А. В качестве формирователя 25 может быть использован, например мостовой генератор Вина, синхронизированный с фазой А. Амплитуда колебаний на выходе формирователя 25 эталонного Напряжения должна соответствовать значению тока в обмотке 1о. т. е. максимальна при данном Uo. Однако подавать этот сигнал для сравнения на компаратор 27 нельзя, т. к. при индуктивной нагрузке, (обмотка электродвигателя 13) кривая тока отстает от кривой нanpяжeниil на угол (фиг. 56). Поэтому с выхода формирователя 25 .эталонного напряжения сигнал поступает на управляемую схему 26 задержки, которая задерживает (сдвигает) сформированной гармонический сигнал 1о на угол (р зависящий от сигнала управления, и не искажая формы сигнала, подает его на вход задатчика 28 амплитуды тока. Задатчик 28 в зависимости от сигнала задания, не искажая формы эталонной кривой, формирует необходимую амплитуду этого сигнала, соответствующую значению 1зад, и подает его уже на компаратор 27.

Величина угла р соответствующего коэффициенту мощности cos (р данной фазы, колеблется в зависимости от нагрузки и частоты вращения, поэтому необходимо в соответствии с этим изменять время задержки управляемой схемы задержки 2б. Для этого параллельно компаратору 27 подключен блок 29 сравнения фаз, который в зависимости от угла (р между током и напряжением данной обмотки I изменяет свою выходную величину. Последняя после преобразования по пропорционально-интегральному закону в ПИ-регуляторе 30 подается на управляющий вход схемы 26 задержки. Использование ПИ-регулятора 30 позволяет исклюнить статическую ошибку в определении угла (р в каждый момент времени и поддерживать эталонный по форме сигнал задания тока при любых частотах вращения и нагрузках на. электродвигатель 13 с углом, соответствующим коэффициенту мощности cos в данной фазе.

Таким образом, изобретение позволяет непосредственно из трехфазной силовой цепи промышленной частоты и амплитуды получать на обмотках электродвигателя переменное напряжение правильной синусо идальной формы с регулируемой частотой вверх от сетевой частоты (ограничивающейся быстродействием ключей переменного тока) и вниз до нуля и далее со сменой фазы на 180°, а также с регулируемой амплитудой от О до сетевого напряжения, что позволяет, в свою очередь, создать достаточно простой и надежный безредукторный злёктропривод низкоскоростного технологического оборудования с широким диапазоном регулирования частоты вращения..

Формулаизобретения 1. Способ управления частотой вращения трехфазного асинхронного эЛектродвигателя, при котором изменяют напряжение, подводимое к фазам статорной обмотки, о т л и ч а ю щи и с.я тем, что, с целью расширения диапазона регулирования частоты вращения электродвигателя, увеличивают амплитуду питающего напряжения в два раза.по сравнению с номинальной для данной частоты вращения, инвертируют его и подают на первую фазу статорной обмотки электродвигателя, через промежуток времени г одновременно уменьшают амплитуду питающего напряжения, подаваемого на первую фазу статорной обмотки электродвигателя, до номинальной, увеличивают в два раза амплитуду питающего напряжения, подаваемого на третью фазу статорной обмотки электродвигателя, и инвертируют питающее напряжение, подаваемое на вторую фазу статорной обмотки электродвигателя, затем через промежуток времени г одновременно уменьшают амплитуду питающего напряжения, подаваемо,го на третью фазу статорной рбмотки электродвигателя до номинальной, увеличивают в два раза амплитуду питающего напряжения, подаваемого на вторую фазу статорной обмотки электродвигателя, и инвертируют питающее напряжение, подаваемое на первую фазу статорной обмотки электродвигателя, затем через промежуток времени г одновременно уменьшают до номинальной амплитуду питающего напряжения, подаваемого на вторую фазу статорной обмотки электродвигателя, увеличивают в два раза амплитуду питающего напряжения, подаваемого на первую фазу статорной обмотки электродвигателя, и инвертируют питающее напряжение, подаваемое на третью фазу статорной обмотки электродвигателя, затем через промежуток

времени г одновременно уменьшают до номинальной амплитуду питающего напряжения, подаваемого на Г1ервую статорной обмотки электродвигателя, и увеличивают в

два раза амГтлитуду питающего напряжения, подаваемого на третью фазу статорной обмотки электродвигателя, и инвертируют питающее напряжение, подаваемое на вторую фазу статорной обмотки электродвигателя, затем через промежуток времени одновременно уменьшают до номинальной амплитуду питащего напряжения на третьей фазе статорной обмотки электродвигателя, увеличивают в два раза амплиту-

ду питающего напряжения, подаваемого на вторую фазу статорной обмотки электродвигателя, и инвертируют питающее напряжение, подаваемое на первую фазу статорной обмотки электродвигателя,затем

через промежуток времени г одновременно уменьшают до номинальной амплитуду питающего напряжения, подаваемого на вторую фазу статорной обмотки электродвигателя, увеличивают в два раза амплитуд

ду питающего напряжения, подаваемого на первую фазу статорной обмотки электродвигателя, и инвертируют питающее напряжение, подаваемое на третью фазу статорной обмотки электродвигателя, далее указанные операции повторяют при Пд fc/p, а при последовательность операций изменяют на противопо1

ложную, где т , / д частота b(ng-fc/p;

вращения электродвигателя, fc - частота напряжения сети; р - число пар полюсов электродвигателя.

подключения к фазам трехфазной сети, блок управления частотой вращения с шестью выходами, первый вход которого подключен к задатчику, о т л и ч а ю щ е е с я тем; что, с целью расширения диапазона регулирования частоты вращения электродвигателя, в него введен трехфазный трансформатор/ три датчика тока, а блок управления частотой вращения выполнен с шестью дополнительными входами, начала первичных

обмоток трехфазного трансформатора соединены с соответствующими клеммами для подключения к фг1зам трехфазной сети и соответственно с первым, вторым и третьим дополнительными входами блока управления частотой вращения, концы вторичных обмоток трёхфазного трансформатора соединены с входами соответствующих других ключей переменного тока каждой пары, концы первичных и начала вторичных обмоток трехфазного трансформатора объединены и снабжены зажимом для соединения с нулевой шиной трехфазной сети, управляющие входы ключей ггеременного тока соединены с соответствующими выходами блока управления частотой вращения, выходы попарно объе дйненяых ключей переменного тока соединены с выводами соответствующих фаз статорной обмотки электродвигателя через соответствующие датчики тока, выходы которых соединены соответственно с четвертым, пятым и шестым дополнительными входами блока у правления частотой вращения. :

управляемого генератора, вторые входы всех логических элементов И подключены к соответствующим выходам распределителя импульсов, вход управляемого генератора образует первый вход блока управления частотой вращения, первый, второй и третий дополнительные входы которого образованы вторыми входами блоков управления напряжением, а четвертый, пятый и шестой входы блока управления частотой вращения образованы третьими входами блоков управления напряжением.

0US.Z

Фиг.3 фуг.