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

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в автоматизированном электроприводе различных отраслей народного хозяйства.

Известен электропривод переменного тока, содержащий асинхронный трехфазный короткозамкнутый электродвигатель, статорные обмотки которого, включенные в звезду, соединены первыми выводами с полупроводниковыми ключами, а другими выводами - с конденсаторными, соединенными между питающей многофазной сетью и статорными обмотками управляемого асинхронного двигателя.

Один из недостатков аналога состоит в отсутствии возможности регулировать величину критического скольжения короткозам- кнутого двигателя, что ограничивает диапазон изменения частоты вращения.

Известен также электропривод переменного тока, содержащий асинхронный трехфазный короткозамкнутый электродвигатель, статорные обмотки которого, включенные в звезду, соединены выводами, соответственно, с первичными выводами первичных обмоток трехфазного трансформатора и через конденсаторы соединены с выводами для подключения к шинам источника питания, три дополнительных конденсатора, включенные по схеме треугольника, с вершинами которого соединены вторые выводы первичных обмоток трансформатора, выходы которого объединены между собой.

Это известное решение выбрано здесь в качестве прототипа. Один из недостатков прототипа состоит в недостаточно хороших массогабаритных показателях, поскольку оказывается относительно большой устаVJ XJ

сл

00

со

4

новленная мощность используемых конденсаторов.

Это вызвано, в частности тем, что для всего ди;плзипа регулирования частоты вращение в протопип со ф,шлется неизменной емкость конденсаторов, включенных между питающей сетью и слаторной обмоткой управляемого асинхронного двигателя. Следствием такой особенности схемного решения прототипа является возможность получения только дпух довольно сильно отличающихся между соОой квазиестественных механических характеристик. Это приводит: а) к возникновению значительных колебательных моментов в промежуточных механических характерна ПКЛУ, формируемых циклическим измеримом па раметров схемы силовой части мгюютипа между их величинами, соответствующими каждой из квазиестественных механических характеристик; б) к недостаточному уменьшению напряжения на статорной обмотке двигателя при переходе на ту квэзи естественнуюмеханическую

характеристику, которая соответствует нижней границе диапазона изменения частоты вращения двигателя; в) к обусловленным этим относительно большим тепловым потерям в управляемом двигателе при ею работе в нижней части диапазона изменения частоты вращения даже при вентиляторном характере изменения момента сопротивления на валу управляемого двигателя; г) к существенному ограничению снизу пределов изменения частоты вращения; д) к недостаточно эффективному использованию управляемого двигателя но установленной мощности, т.е. невысоким массогабаршным показателям.

Увеличение пределов изменения приложенного к двигателю напряжения может быть достигнуто в прототипе только увеличением емкости конденсаторной батареи, циклически подключаемой параллельно статорной обмотке управляемого двигателя. Это приводит к дальнейшему ухудшению массогабаритных показателей устройства, а также к увеличению его стоимости. Целью изобретения является улучшение энергетических характеристик при расширении диапазона регулирования частоты вращения.

Поставленная цель достигается тем, что в электропривод введены три цепи из последовательно соединенных дросселей и конденсаторов, второй трехфазный коммутатор и шесть управляемых ключей, при этом первые выводы указанных цепей соединены со входами управляемых ключей и второго трехфазного коммутатора, выходы

первых ipex управляемых ключей предназначены длп соединения с шинами источника питания, выходы второго трехфазного коммутатора объединены между собой, а выходы вторых трех управляемых ключей и вторые выводы указанных цепей соединены с выводами статорных обмоток электродвигателя с возможностью включения указанных цепей в треугольник.

0 На фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - варианты приближенных схем замещения для одной из фаз этого устройства, каждый из которых соответствует своему варианту

5 состояния ключей принципиальной схемы; на фиг. 3 - блок-схема управления устройства. Эти схемы дополнены таблицей значений расчетных коэффициентов применительно к вариантам приближенных

0 схем замещения фиг. 2,

Предлагаемое устройство содержит конденсаторы 1, 2, 3, соединенные между выводами 4, 5, 6 питающей сети и выводами 7, 8, 9 трехфазной ста горной обмотки 10

5 управляемого асинхронного двигателя с ко- роткозамкнутым ротором. К выводам 7, 8, 9 статорной обмотки 10 присоединены одноименные вчнодн соединенной звездой с разомкнутой нулевой точкой первичной

0 обмотки 11 трансформатора 12, к выводам 13, 14, 15 разомкнутой нулевой точки этой обмотки присоединена трехфазная конденсаторная батарея 16, а вторичная обмотка 17 трансформатора присоединена к шунти5 рующему ее трехфазному ключу 18, выполненному, например, из полностью управляемых полупроводниковых вентилей. К выводам 7, 8, 9 статорной обмотки 10 присоединена также одна группа выводов

0 устройства 19 из индуктивно-емкостных цепочек, другие выводы 20, 21, 22 которого присоединены; а) к шунтирующему их трехфазному ключу 23; б) к однофазным ключам 24, 25, 26, присоединяющим каждую фазу

5 таких цепочек параллельно соответствующим конденсаторам 1, 2,3; в) к однофазным ключам 27, 28, 29, присоединяющих каждую фазу этих цепочек к соответствующему линейному напряжению на выводах 7, 8, 9

0 статорной обмотки 10 управляемого асинхронного двигателя. Если пренебрьчь чрезвычайно малой индуктивностью каждой из цепочек устройства 19 и учитывать только ее емкость, то отмеченному выше поочередно5 му включенному состоянию упомянутых ключей соответствует соединение конденсаторов трех цепочек: а) звездой параллельно статорной обмотке 10; б) параллельно конденсаторам 1, 2, 3; в) треугольником параллельно статорной обмотке 10.

На фиг. 2 приведены варианты приближенных схем замещения для одной из фаз данного устройства, соответствующие своему состоянию ключей принципиальной схемы. Изображенная на фиг. 3 блок-схема системы управления устройства содержит задатчик частоты вращения 30, программирующее устройство 31, датчик частоты вращения двигателя 32, устройство 33 для управления коммутацией ключей 24-26, устройство 34 для управления трехфазным ключом 23, устройство 35 для управления ключами 27, 28, 29, а также устройство 36 для управления циклического переключения трехфазного ключа 18.

Работа предлагаемого устройства предусматривает параметрическое управление частотой вращения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором регулированием жесткости устойчивой части его механической характеристики, что достигается изменением параметров схемы замещения двигателя вместе с другими элементами устройства, соединенными как последовательно, так и параллельно статорной обмотке.

В определенном отрезке диапазона регулирования частоты вращения параметры одних элементов устройства сохраняются неизменными, а другие регулируются изменением скважности циклического подключения и отключения соответствующего элемента. Получающаяся в этом случае механическая характеристика занимает промежуточное положение между квазиестественными механическими характеристиками, одна из которых соответствует включенному, а другая - отключенному состоянию этого элемента, т.к. так же, как и в прототипе.

При описании и анализе работы предлагаемого устройства необходимо учитывать, что оно должно обеспечивать возможность получения с его помощью, как естественной, так и квазиестественной механических характеристик управляемого асинхронного короткозамкнутого двигателя. Естественной механической характеристике в предлагаемомустройстведолжнысоответствовать: а) номинальное значение приложенного к статорной обмотке напряжения; б) результирующая величина реактивного сопротивления цепи приведенного роторного тока Г-образной схемы замещения двигателя, равная его реактансу короткого замыкания. Поскольку в силовой части предлагаемого устройства наряду со статорной обмоткой двигателя используются также и конденсаторы, одна из групп которых соединена между питающей сетью и

статорной обмоткой, то определенному сочетанию включенных на длительное время ключей схемы может соответствовать только квазиестественная механическая характеристика. В предлагаемом устройстве квазиестественная механическая характеристика совпадает с естественной, например, при выборе емкостного сопротивления последовательно соединенных со статор0 ной обмоткой конденсаторов вдвое большим реактанса короткого замыкания управляемого двигателя. Далее будет показано, что наименьшее значение требуемой емкости в этом случае будет соответство5 вать схеме фиг. 26 и отвечающему ей определенному сочетанию включенных ключей принципиальной схемы.

Описание работы предлагаемого устройства целесообразно построить примени0 тельно к частным вариантам комбинации включенного и отключенного состояний отдельных ключей схемы, чему соответствуют приведенные на фиг. 2в-2е упрощенные схемы для одной из фаз принципиальной

5 схемы, соответствующие определенному положению ключей этой схемы; упрощение состоит в том, что: а) вследствие относительной малости не учитываются как индуктивность рассеяния первичной обмотки 11

0 трансформатора 12 при режиме короткого замыкания, так и индуктивность цепочек 19; б) при разомкнутом положении ключа 18, соответствующем режиму холостого хода трансформатора 12, входная проводимость

5 и ток первичной обмотки 11 положены равными нулю.

Такие упрощения не приведут к заметным неточностям при анализе различных режимов устройства при рациональном вы0 боре параметров его элементов.

Однофазная схема фиг. 2а соответствует разомкнутому состоянию всех ключей принципиальной схемы фиг. 1.

Также упрощенная однофазная схема

5 фиг. 26 соответствует разомкнутому состоянию ключей 18, 27, 28, 29 и замкнутому - ключей 24. 25, 26. Схема фиг. 2в соответствует замкнутому положению только ключа 18. Однофазная схема фиг. 2г соответствует

0 замкнутому состоянию только ключей 18, 24,25,26,а схема фиг.2д-только ключей 18, 27, 28, 29 и разомкнутому - ключей 23, 24, 25, 26.

Целесообразная очередность перехода

5 от одной квазиестественной характеристики управляемого двигателя к другой переключением соответствующих ключей принципиальной схемы определяется и реализуется с помощью системы управления, блок-схема которой приведена на фиг. 3;

наличие в ней датчика частоты вращения 32 говорит о замкнутом характере этой системы управления, учитывающей физическое состояние управляемого асинхронного ко- роткозамкнутого двигателя.

Анализ работы управляемого двигателя в составе предлагаемого устройства производится с помощью аналитических выражений приведенного тока ротора la, комплекса тока статора lg и критического скольжения 8к. Приведенные ниже аналитические выражения указанных величин относятся к каждой из упрощенных однофазных схем фиг. 2, что учитывается с помощью коэффициентов KI и К2 и их выражений в таблице.

U/Ki

Zg О) Ci Ка

(1)

U/Ki

В приведенных выражениях U и Zg - фазное напряжение питающей сети и комплексное входное сопротивление схемы замещения асинхронного двигателя для одной фазы; Ri1, Ra, Хк - активное сопротивление статора, приведенное активное сопротивление ротора и реактанс короткого замыкания ветви при веден но го тока ротора Г-образной схемы замещения асинхронного двигателя; Ci - емкость одинаковых между собой конденсаторов 1, 2, 3 принципиальной схемы; Ki и К2 - безразмерные коэффициенты, определяемые приведенными в таблице выражениями, относящимися каждое к своему варианту схемы фиг. 2а - фиг. 2з. В выражениях для KI и Ка, приведенных в таблице под Gig следует понимать емкость каждого конденсатора цепочек 19, под Cte- емкость каждого из соединенных треугольником конденсаторов батареи 16.

Диапазон изменения частоты вращения асинхронного двигателя связан с жесткостью устойчивой части ближайших квазиестественных механических характеристик, на которую влияют не только критическое скольжение, но и возможное изменение величины приложенного к статорной обмотке напряжения. На приведенных в таблице выражений для коэффициента изменения на

пряжения статора Ki следует, что по сравнению с прототипом предлагаемое устройство обеспечивает многократное увеличение диапазона изменения приложенного к статор5 ной обмотке напряжения соответственно отдельным вариантам схем фиг. 2, каждому из которых отвечает своя квазиестественная механическая характеристика управляемого двигателя,

10 Поэтому требуемое существенное расширение диапазона регулирования частоты вращения достигается в предлагаемом устройстве: а} при относительном уменьшении диапазона изменения частоты критического

15 скольжения с помощью конденсаторов устройства; б) при обусловленном этим относительном уменьшении суммарной емкости и установленной мощности используемых конденсаторов; в) при соответствующем

20 улучшении массогабаритных и стоимостных показателей этих элементов устройства; г) при многократном увеличении числа квазиестественных механических характеристик управляемого двигателя, каждой из которых

25 соответствует синусоидальная форма кривых напряжения и тока двигателя и обусловленное этим улучшение энергетических характеристик и качества электроэнергии, потребляемой из питающей сети; д) при

30 обусловленной этим возможности уменьшить колебания электромагнитного момента и частоты вращения двигателя, связанных с необходимостью циклического изменения параметров цепи, например:

35 при циклическом подключении и отключении конденсаторной батареи 16 и получения таким образом промежуточной механической характеристики между соседними квазиестественными характеристиками.

40 Самой верхней части диапазона изменения частоты вращения управляемого двигателя соответствует упрощенный вариант однофазной схемы фиг. 2а. а самой нижней - фиг. 2з, получающихся каждый своим со45 четанием включенных и отключенных ключей принципиальной схемы фиг. 1. Переходу от схемы 2а к схеме фиг. 2в или от схемы фиг. 26 к схеме фиг. 2г соответствует: а) переход к включению трехфазного ключа 18; 6} пере50 ход трансформатора ,12 в режим короткого Замыкания; в) подключение конденсаторной батареи 16 параллельно статорной обмотке через посредство пренебрежимо малого индуктивного сопротивления рассе55 яния первичной обмотки 11 этого трансформатора; г)увеличение коэффициентов Ki и Ка и определяемой этим увеличение наклона устойчивой части квазиестественной механической характеристики вследствие увели- чения критического скольжения и

уменьшения подведенного к статорной обмотке напряжения; д) обусловленной этим расширение диапазона параметрического регулирования частоты вращения двигателя.

Если циклически коммутировать трехфазный ключ 18 с выбранным соотношением интервалов его включенного и отключенного состояния, то соответствующая этому механическая характеристика займет промежуточное положение между квазиестественными характеристиками, отвечающими упрощенным схемам фиг. 2а и 2в, либо фиг. 26 и 2г, т.е. включенному и отключенному состоянию ключа 18. Изменением указанного соотношения, т.е. скважности переключения, можно регулировать положение промежуточной механической характеристики двигателя и тем самым - частоту вращения при определенном моменте сопротивления на валу управляемого двигателя.

Аналогичные замечания можно сделать относительно упрощенных однофазных схем фиг. 2д, фиг. 2е или схем фиг. 2ж, фиг. 2з, а также как о соответствующих им квазиестественных механических характеристиках управляемого двигателя, так и промежуточных механических характеристиках, соответствующих циклическому переходу от одной схемы рассматриваемой пары к другой путем циклической коммутации трехзфазною ключа 18,

Если прототип позволяет получить только одну пару квазиестественных механических характеристик двигателя, соответствующих только одной паре упрощенных однофазных схем включения элементов, то предлагаемое устройство позволяет получить четыре пары упрощенных схем фиг. 2. Возможность получения только двух квазиестественных механических характеристик в прототипе обуславливает как большое различие между ними, так и большие колебания электромагнитного момента и соответствующей частоты вращения в той механической характеристике, которая получается циклическим переключением и отключением конденсаторов параллельно статорной обмотке.

Переходу от включенного состояния трехфазного ключа к его отключению соответствует: а) переход трансформатора в режим холостого хода, вследствие чего произойдетувеличение в десятки раз индуктивного сопротивления обмотки по сравнению со случаем режима короткого замыкания трансформатора при включенном состоянии трехфазного ключа; б) переход к упрощенной однофазной схеме фиг.

2а; в) к обусловленному этим единичному значению коэффициентов «т и «2; г) многократное уменьшение критического скольжения в соответствии с (3). Как отмечалось выше вариант приближенной однофазной схемы фиг. 26 соответствует той квазиестественной механической характеристике двигателя, которая может совпадать с его естествен0 ной механической характеристикой при наименьшей возможной величине суммарной емкости конденсаторов, включаемых в этом случае между питающей сетью и статорной обмоткой управляемого двигателя.

5 Если учесть, что тем же требованиям должен удовлетворять выбор емкости конденсаторов между питающей сетью и статорной обмоткой в прототипе, то можно считать, что: а) схема фиг. 26 соответствует

0 одной фазе схемы прототипа, когда ключ в цепи вторичной обмотки трансформатора разомкнут и трансформатор пребывает в режиме холостого хода; б) в этом случае упрощенная схема фиг. 2г соответствует схеме

5 прототипа при режиме холостого хода этого трансформатора, а приведенное в таблице соответствующее выражение для коэффициента напряжения Ki, содержит наряду с единицей слагаемое в виде дроби с наи0 большей вепичиной знаменателя по сравнению с коэффициентами для большой группы схем фиг. 2в - фиг. 2з. Из этого можно сделать вывод о несоизмеримо малых возможностях прототипа по сравнению с

5 предлагаемым устройством в отношении, например, уменьшения приложенного напряжения приложенного к статорной обмотке по мере перехода в нижнюю часть диапазона регулирования частоты враще0 ния управляемого двигателя. При этом следует отметить, что такое преимущество предлагаемого устройства обусловлено, в частности, наличием индуктивно-емкостных цепочек 19, которые могут подключаться ли5 бо между питающей сетью к статорной обмоткой двигателя параллельно другой группе конденсаторов, либо - параллельно статорной обмотке. Это приводит: а) к существенному увеличению диапазона измене0 ния приложенного к статору напряжения как за счет изменения емкости конденсаторов между питающей сетью и статорной обмоткой, так и за счет возможности последующего шунтирования статорной об5 мотки конденсаторами этих цепочек; б) к уменьшению колебания параметров схемы в нижней части частного диапазона регулирования вследствие циклического подключения конденсаторов 16 параллельно не только статорной обмотке двигателя, но и

конденсаторам цепочек 19; в) к обусловленному этим улучшению как формы кривой тока управляемого двигателя, так и в качестве электроэнергии, потребляемой этим двигателем; г) к уменьшению колебания частоты Ефащения, наблюдаемому особенно в нижней части диапазона регулирования.

Возможность получения четырех пар упрощенных схем фиг. 2а - фиг. 2з в предлагаемом устройстве и соответствующих их четырех пар квазиестественных механических характеристик позволяет: а) обеспечить параметрическое регулирование частоты вращения за счет изменения жесткости устойчивой части кавзиестестоенных механических характеристик, каждой из которых соответствует чисто синусоидальные формы кривых тока и напряжения в управляемом двигателе; б) перекрыть весь требуемый диапазон изменения жесткости устойчивой части многочисленных квазиестественных механических характеристик; в) обеспечить относительно небольшое отличие между соседними квазиестественными механическими характеристиками для пар схем фиг. 2, которые, например, содержат или не содержат конденсаторы de; в) уменьшить колебания электромагнитного момента и частоты вращения управляемого двигателя при циклическом изменении параметров схемы, обусловленных, например, коммутацией ключа 18; д) уменьшить тепловые потери в управляемом асинхронном двигателе, соответствующие улучшению формы кривой тока в двигателе и качества потребляемой электроэнергии (что связано с ограничением колебательной составляющей электромагнитного момента), т.е. улучшить энергетические показатели регулируемого двигателя.

Требуемое существенное расширение диапазона плавного изменения частоты вращения достигается в предлагаемом устройстве не только за счет циклического под- ключения конденсаторной батареи параллельно статорной обмотке двигателя и обусловленного этим циклического изменения реактивного сопротивления силовой ветви схемы замещения двигателя и соответствующего критического скольжения, но и за счет переключения части конденсаторов от их соединения между питающей сетью и статорной обмоткой до включения этих конденсаторов параллельно этой обмотке в одном случае звездой, а в другом треугольником. Вследствие этого открывается возможность: а) существенно шить емкость соединенной треугольником конденсаторной батареи 16, а потому суммарной емкости конденсаторов устройства

не только без уменьшения пределов изменения частоты вращения, но и при их увели- чении; б) существенно улучшить массогабаритные и стоимостные показатели этих элементов устройства; в) существенно расширить диапазон изменения приложенного к двигателю напряжения, влияющего на изменение жесткости устойчивой части квазиестественной механиче0 ской характеристики; г) существенно увеличить число квазиестественных механических характеристик управляемого двигателя и обусловленной этим возможностям уменьшить как колебания электромагнитно5 го момента и частоты вращения вследствие циклических изменений параметров силовой цепи при циклическом подключении и отключении конденсаторной батареи, так и обусловленном этим дополнительных теп0 ловых потерь.

В ряде случав возможно применение предлагаемого устройства может оказаться целесообразным выполнить, например, трехфазный ключ 23 или систему однофаз5 ных ключей 24-26, либо 27-29 в виде электромагнитных трехфазных контакторов. В других случаях эти ключи могут выполняться, например, в виде пар встречно-параллельно включенных тиристоров.

0

Формула изобретения Электропривод переменного тока, содержащий асинхронный трехфазный корот- козамкутый электродвигатель, статорные

5 обмотки которого, включенные в звезду, соединены выводами соответственно с первичными выводами первичных обмоток трехфазного трансформатора и через конденсаторы с выводами для подключения к

0 шинам источника питания, три дополнительных конденсатора, включенных по схеме треугольника, с .вершинами которого соединены вторые выводы первичных обмоток трансформатора, вторичные обмотки

5 трансформатора соединены в звезду и выходными зажимами соединены с входами трехфазного коммутатора, выходы которого объединены между собой, отличаю щи й- с я тем, что, с целью улучшения энергетиче0 ских характеристик при расширении диапазона регулирования частоты вращения, в него введены три цепи из последовательно соединенных дросселей и конденсаторов, второй трехфазный коммутатор и шесть уп5 равляемых ключей, при этом первые выводы цепей соединены с входами управляемых ключей и второго трехфазного коммутатора, выходы первых трех управляемых ключей предназначены для соединения с шинами источника питания, выходы второго трехфазного коммутатора объединены между с выводами статорных обмоток электродаи- собой, а выходы вторых трех управляемых гателя с возможностью включения цепей в ключей и вторые выводы цепей соединены треугольник.

В. 5 #

2

7

7

Использование: может быть использовано в автоматизированных приводах общепромышленных механизмов. Сущность: в данном устройстве предусматривается параметрическое управление частотой вращения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором регулированием жесткости устойчивой части его механической характеристики. Указанное обеспечивается изменением параметров схемы замещения двигателя вместе с другими элементами устройства, соединенными как последовательно, так и параллельно ста- торной обмотке. 3 ил. 1 табл.

V.,JU

-Hh

//

23

г

7 / 28/ 29/

//

/3 12т is

Vv

x

U.I™

a

18

а

u

г,

5

И

С)

Г

2

3

I

3%

3 д.

с,

И

ж

О

3 оч

ЗС

/5

о

Фаг.2 о

f о-нЈ

2 нЈ

с

Г

%

е о1}

С;

2

9

Р%

О

I

г

Ч

ЗГ

ш

ЗС;е

зг

зо

сшпш)

№

Фаг. 3

J/