Электропривод переменного тока Советский патент 1992 года по МПК H02P5/36 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах на основе асинхронных машин с фазным ротором (например, шахтных подъемных установок) для глубокого регулирования частоты вращения.

Известен ряд технических решений, в которых для регулирования скорости двигателя использованы два преобразователя частоты, включенные в ротор и статор двигателя.

Известен электропривод переменного тока, содержащий электрическую машину, на роторе и статоре которой расположены трехфазные обмотки, управляемый выпрямитель с выводами для подключения к сети, инвертор, сглаживающий реактор и преобразователь частоты с выводами для подключения к сети, служащий для возбуждения машины. Выходные зажимы преобразователя подключены к выводам роторной обмотки электрической машины. Выводы обмотки статора последней подключены ко входу инвертора, один из выходных зажимов инвертора соединен с выходным зажимом выпрямителя. Второй выходной зажим инвертора подключен к сглаживающему реактору, второй вывод которого соединен со вторым входом выпрямителя. В состав электропривода входят также блоки управления выпрямителем, инвертором и преобразователем частоты. Рассматриваемое устройство позволяет эффективно регулировать частоту вращения электропривода во всем диапазоне от 0 до номинального значения. Этим оно выгодно отличается от традиционной схемы электропривода переменного тока по схеме вентильный двигатель (ВД) с возбуждением постоянным током, поскольку ВД не может обладать высоким пусковым

VI

сл о о

сл

моментом и длительно работать на низких скоростях из-за отсутствия машинной коммутации на низких скоростях. В то же время рассматриваемый электропривод, по сравнению с ВД, для достижения тех же частот вращения требует более высокого напряжения выпрямителя. Это приводит к завышению установленной мощности трансформатора, питающего выпрямитель.

В известном устройстве в статор асинх- ронного двигателя включен преобразователь частоты, а в ротор - неуправляемый выпрямитель и инвертор, как в традиционном варианте асинхронно-вентильного каскада. Для того, чтобы такой электропривод мог работать при номинальной частоте вращения, преобразователь частоты в цепи статора должен обеспечивать на выходе номинальную частоту и номинальное напряжение двигателя, то есть иметь установленную мощность, равную установленной мощности двигателя. Это существенно ухудшает массогабаритные показатели электропривода. Известен также электропривод переменного тока, кото- рый по устройству и принципу действия в основном аналогичен ранее описанному электроприводу и поэтому обладает тем же недостатком. Кроме того, устройство содержит узел управления преобразователем в цепи возбуждения, который препятствует возникновению режима рекуперации энергии за счет увеличения намагничивающего тока. При насыщенной магнитной цепи машины это приводит к резкому возрастанию тока возбуждения, а следовательно, к росту потерь в меди. Это ухудшает энергетические показатели электропривода.

Наиболее близким заявляемому устройству по технической сущности и выполняв- мым функциям является электропривод переменного тока, содержащий электрическую машину с трехфазными обмотками на статоре и роторе, выпрямитель, инвертор, сглаживающий реактор, преобразователь частоты для возбуждения машины, два блока управления, датчик частоты вращения привода и датчики напряжений фаз ротора. Преобразователь частоты и выпрямитель имеют выводы для подключения к трехфаз- ной сети. Выходные зажимы преобразователя частоты соединены с выводами обмотки статора электрической машины, выводы обмотки ротора последней подключены на вход инвертора, один из выходных зажимов инвертора подключен к выходному зажиму выпрямителя, второй выходной зажим инвертора соединен с выводом сглаживающего реактора, второй вывод которого подключен ко второму, выходному зажиму

выпрямителя. Входы первого блока управления подключены к задатчику и датчику частоты вращения, а выходы этого блока соединены с управляющими входами выпрямителя и инвертора. Выход второго блока управления подключен к управляющему входу преобразователя частоты в цепи статора. Принцип работы описанного устройства идентичен классическому ВД с возбуждением постоянным током, но обладает тем преимуществом, что обеспечивает естественную машинную коммутацию тиристоров инвертора при нулевой частоте вращения. Тем самым существенно расширяется диапазон устойчивого регулирования частоты вращения (от нуля до номинальной), привод может развивать высокий пусковой момент.

Однако известное устройство обладает следующими недостатками.

Выходную частоту преобразователя частоты возбуждения для обеспечения устойчивой коммутации при нулевой частоте вращения рекомендуется принимать fB 0,1fn, где тн - номинальная частота тока в обмотках машины, Соответственно, при нулевой частоте вращения в обмотках ротора индуктивности ЭДС Еа 0,1Е2н (где Е2н - номинальное значение ЭДС ротора). Тогда при номинальной частоте вращения индуктируемая в роторе ЭДС больше номинальной: Е2 1,1 Е2н. Следовательно, к ротору электрической машины (в качестве которой используется асинхронный двигатель с фазным ротором) прикладывается повышенное по сравнению с номинальным напряжение, что снижает надежность работы электропривода.

При тех же частотах вращения по сравнению с классическим ВД в рассматриваемой схеме напряжения на выходе инвертора будут выше, соответственно выше должны быть напряжения на выходе выпрямителя. Значит, для достижения той же номинальной частоты вращения необходимо, чтобы трансформатор, питающий выпрямитель, имел большее (примерно на 10%) вторичное напряжение. Это увеличивает установленную мощность питающего трансформатора, ухудшает массогабаритные показатели электропривода.

В рассматриваемом электроприводе при номинальной частоте вращения угол управления тиристорами выпрямителя а. О, коэффициент мощности близок к 1. При снижении частоты вращения а. увеличивается, коэффициент мощности снижается. Это ухудшает энергетические показатели привода.

Целью изобретения является улучше ние массогабаритных показателей и улучшение энергетических показателей путем снижения потребления реактивной мощности.

С этой целью в электропривод введены датчики тока, включенные в цепи роторной обмотки асинхронного двигателя, регулятор потокосцепления, задатчик потокосцепле- ния и блок вычисления потокосцепления, входами соединенный с выходами датчиков тока и напряжения, а выходом - с одним входом регулятора потокосцепления, второй вход которого подключен к выходу за- дзтчика потокосцепления, а выход - к одному из входов второго блока управления, последовательно соединенные между собой задатчик граничной частоты, входом подключенный к выходу задатчика частоты вращения, блок сравнения, снабженный вторым входом, соединенным с выходом задатчика частоты вращения, и блок нелинейности с характеристикой типа насыщение, выход которого подключен к другому входу второго блока управления.

На чертеже изображена функциональная схема предложенного электропривода переменного тока.

Электропривод содержит электрическую машину 1, на роторе и статоре которой расположены трехфазные обмотки (например, асинхронный двигатель с фазным ротором). Трехфазная обмотка статора подключена к выходу преобразователя частоты 2, имеющего выводы для подключения к сети Ротор электрической машины 1 соединен с входом второго преобразователя частоты, состоящего из последовательно соединенных инвертора 3 и выпрямителя 4 между которыми включен сглаживающий реактор 5. К управляющему входу преобразователя 2 частоты подключены выходы первого блока 6 управления Второй блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами инвертора 3 и выпрямителя 4, включает в себя блоки 7 и 8 импульсно-фазового управления соответственно инвертором 3 и выпрямителем 4, а также систему регулирования скорости электропривода. Она выполнена по принципу подчиненного регулирования Выходы задатчика 9 и датчика 10 частоты вращения подключены к первому и второму входам регулятора 11 частоты вращения Выходы регулятора 11 частоты вращения и датчика 12 тока выпрямителя 4 соединены с первым и вторым входами регулятора 13 тока, выход которого, в свою очередь, подключен к входу блока8импульсно-фазового управления выпрямителем Выходы трех датчиков 14 напряжении фаз ротора соединены с входами блока 7 импульсно-фазового управления инвертором

Выход задатчика частоты вращения 9 5 подключен также к входу задатчика 15 граничной частоты вращения и первому входу элемента 16 сравнения, второй вход последнего соединен с выходом задатчика 15 граничной частоты вращения. Выход элемента 0 сравнения 16 соединен с входом блока 17 нелинейности, выход которого подключен к первому входу блока 6, являющегося входом задания частоты преобразователя 2 Второй вход блока б, являющийся входом задания

5 напряжения преобразователя 2, соединен с выходом регулятора 17 потокосцепления. на два входа которого подключены выходы задатчика потокосцепл ёния 19 и блока 20 вычисления потокосцепления. На входы

0 блока 20 поданы сигналы с выхода датчиков 14 напряжений и датчиков 21 токов всех фаз ротора

Электропривод переменного тока работает следующим образом

5 Сигнал заданной частоты вращения от задатчика 9 поступает на вход регулятора частоты вращения 11, на выходе его формируется сигнал задания тока якоря, поступающий на вход регулятора 13 тока На входе

0 регуляторов 11,13 поступаюттакжесигналы обратных связей с датчика 10 частоты вращения и датчика 12 тока выпрямителя Таким образом, управление частотой вращения электропривода осуществляется

5 в системе подчиненного регулирования по рассогласованию между действительной и заданной частотами вращения Сигнал с выхода регулятора 13 тока, поступая на вход блока 8, воздействует на угол а управления

0 выпрямителем 4 Блок 7 осуществляет управление тиристорами инвертора 3 в функции сигнала с датчиков 14 напряжения ротора машины 1 (в простейшем случае - задает постоянный угол опережения /J). Ре5 актор 5 сглаживает входной ток инвертора 3.

Возбуждение машины 1 осуществляется со стороны статора преобразователем частоты 2 Он может быть выполнен как с непосредственной связью, так и со звеном

0 постоянного тока Необходимо лишь, чтобы преобразователь 2 работал в режиме источника напряжения, причем форма выходного напряжения была как можно ближе к синусоидальной - это требуется для нормальной

5 коммутации вентилей инвертора 3 Управление преобразователем 2 осуществляется от блока 6, на входы которого поступают сигналы задания напряжения и частоты.

Сигнал задания напряжения преобразователя формируется на выходе регулятора 18 потокосцепления, Регулирование потокосцепления осуществляется в замкнутом контуре по рассогласованию между заданным и фактическим потокосцеплением. Заданное потокосцепление - величина постоянная, равная номинальному значению, - формируется задатчиком 19 потокосцепления. Фактическое потокосцепление вычисляется блоком 20, причем входными величинами этого блока являются токи и напряжения всех фаз с датчиков 14 и 21. Блок 20 реализуется на основе известных цифровых или аналоговых схем. Таким образом, контур регулирования потокосцепления обеспечивает стабилизацию потокосцепления ротора, а следовательно, и коммутирующую ЭДС ротора. Это необходимо для устойчивой коммутации инвертора во всех режимах работы электропривода. Формирование напряжения задания частоты преобразователя 2 происходит в функции заданной частоты вращения электропривода на выходе блока 17 нелинейности. Из чертежа видно, что последний имеет линейную характеристику с насыщением. Уровень насыщения соответствует выходной частоте преобразователя 2 при неподвижном двигателе. Обозначим д fo/тн, для устойчивой коммутации на стоянке рекомендуется принимать д 0,05-0,15. Задатчик граничной частоты 15 вырабатывает постоянный по модулю сигнал, знак которого определяется знаком заданной скорости (то есть заданным направлением вращения). На вход блока 17 с элемента сравнения 16 поступает сигнал, пропорциональный разности заданной пэ и граничной пгр частот вращения электропривода, причем уровень последней рекомендуется принимать равным Пгр пи(1- д ), где пн- номинальная частота вращения электропривода. При п3 по, где по пн(1-2 д) - некоторая заранее выбранная фиксированная частота, выходная частота преобразователя 2 fa fo const причем направление вращения поля возбуждения, создаваемого преобразователем 2, противоположно направлению вращения ротора электрической машины 1 (предполагается, что направление вращения поля возбуждения, то есть порядок чередования фаз выходного напряжения преобразователя 2, определяется знаком сигнала задания частоты на входе блока 6). Таким образом, при 0 п по предлагаемый электропривод работает аналогично прототипу. При этом выходное напряжение трансформатора, питающего

выпрямитель 4, выбрано таким, тобы при п по, а не при п пн по. угол управления выпрямителем .

Увеличение частоты вращения электрической машины 1 выше осуществляется не путем увеличения напряжения выпрямителя, а путем изменения частоты поля возбуждения, создаваемого преобразователем 2. Если пз начинает превышать по, блок 17

переходит на линейный участок и задание на частоту поля возбуждения уменьшается При Пз пгр поле возбуждения останавливается (ffl 0), а при дальнейшем росте пз - начинает вращаться в другую сторону, достигая при пэ пн первоначального значения частоты fo. Однако вращение поля происходит теперь, при пэ пгр, в ту же сторону, что и вращение ротора.

Поскольку блок нелинейности 17 и задатчик 15 граничной частоты вращения имеют симметричные характеристики, порядок работы всех узлов электропривода не зависит от направления вращения электрической машины 1 (знака п3). Постоянство

потокосцепления ротора при изменении частоты поля возбуждения в период разгона привода от По до пнобеспечивает регулятор 18 потокосцепления.

Таким образом, в предлагаемом электроприводе для достижения номинальной частоты вращения машины (асинхронного двигателя с фазным ротором) вторичное напряжение трансформатора, питающего выпрямитель, может быть на 2 д « 100%

(10-30)% меньшим, чем в прототипе На столько же, очевидно, уменьшается требуемая мощность трансформатора Это существенно улучшает массогабаритные показатели установки

На указанную величину также снижается по сравнению с прототипом прикладываемое к ротору напряжение при номинальной частоте вращения. Это напряжение будет даже меньше номинального на

2 (5-100%, что существенно повышает надежность работы электропривода.

Выше было показано, что в предлагаемом электроприводе при по п пн угол управления выпрямителем близок к нулю.

Соответственно, коэффициент мощности трансформатора, питающего выпрямитель, в указанном диапазоне частот вращения близок 1. Поскольку в прототипе а 0 только при п пн, в предлагаемом электроприводе существенно снижается потребление реактивной мощности,

Перечисленные преимущества позволяют эффективно использовать предлагаемый электропривод переменного тока для мо

дернизации электроприводов на основе асинхронных машин с фазным ротором, например шахтных подъемных установок. Формула изобретения Электропривод переменного тока, со- держащий асинхронный двигатель с фазным ротором, два преобразователя частоты, один из которых включен в цепь статорной обмотки асинхронного двигателя, а другой составлен из последовательно соединен- ных между собой управляемого выпрямителя с выходами для подключения к сети, реактора и инвертора, выводы переменного тока которого соединены с фазными выводами обмотки ротора асинхронного двига- теля, датчики напряжения, включенные в цепи фаз обмотки ротора асинхронного двигателя, первый блок управления, выходами подключенный к управляющим входам выпрямителя и инвертора преобразователя частоты в цепи ротора, а входами - к задат- чику и датчику частоты вращения, установленному на валу ротора асинхронного двигателя, второй блок управления с двумя входами, выход которого соединен с управ-

ляющим входом преобразователя частоты в цепи статорной обмотки, отличающий с я тем, что, с целью улучшения массогаба- ритных показателей и улучшения энергетических показателей путем снижения потребления реактивной мощности, введены датчики тока, включенные в цепи роторной обмотки асинхронного двигателя, регулятор потокосцепления, задатчик пото- косцепления и блок вычисления потокосцепления, входами соединенный с выходами датчиков тока и напряжения, а выходом - с одним входом регулятора потокосцепления, второй вход которого подключен к выходу задатчика потокосцепления, а выход - к одному из входов второго блока управления, последовательно соединенные задатчик граничной частоты, входом подключенный к выходу задатчика частоты вращения, блок сравнения, снабженный вторым входом, соединенным с выходом задатчика частоты вращения, и блок нелинейности с характеристикой типа насыщение, выход которого подключен к другому входу второго блока управления.

Использование: в шахтных подъемных установках. Сущность: наличие контура регулирования потокосцепления, составленного из задатчика 19. регулятора 18 и блока 20 вычисления потокосцепления для блока 6 управления, и задатчика 15 частоты, блока 16 сравнения и блока 17 нелинейности с характеристикой типа насыщение позволяет регулировать частоту вращения в сторону ее увеличения изменением поля возбуждения, создаваемого преобразователем 2 частоты в цепи статора асинхронного двигателя 1 с фазным ротором, постоянство потокосцепления ротора в период пуска и снизить потребление реак- тивно й мощности в период разгона до номинальной частоты вращения с некоторой фиксированной частоты. 1 ил. СО с