Способ управления многофазным электродвигателем Советский патент 1980 года по МПК H02P7/42 

1

Изобретение относится к способам управления электродвигателем переменного тока, в частности, регулирования его скорости.

Известен способ регулирования скорости вращения асинхронного двигателя изменением числа его полюсов путем подключения к питающей сети различных обмоток, имеющих различные tO числа полюсов, или отдельных частей одной обмотки, образующих различные числа полюсов 1. Недостатки такого регулирования - изменение скорости только в кратное число раз относи- S тельно угловой частоты питания; невозможность получения частоты вращения выше угловой частоты питания невозможность применения для синхронных двигателей и трудность использо- 20 вания для асинхронных двигателей с фазным ротором; трудность получения больше четырех ступеней скорости; плохое использование меди двигателя, особенно при большом числе скоростеЙ;25 трудность выполнения нескольких об1 юток с различными числами полюсов, обеспечивающих синусоидальную намагничивающую силу постоянной амплитуды.30

Наиболее близок к предлагаемому по технической сущности является способ частотного регулирования, при котором на фазные обмотки статора двигателя подают симметричное многофазное напряжение регулируемой частоты, -чем достигается регулирование частоты вращения магнитного поля и широкий диапазон плавного и сравнительно экономичного регулирования скорости при хорошем использовании двигателя 2, Недостаток способа - сложность его реализации из-за необходимости применения сложных преобразователей частоты сети в синусоидальное многофазное напряжение регулируемой частоты.

Известен способ регулирования скорости путем изменения напряжения питания, что достигается, например, изменением угла открывания тиристоров коммутатора по данной программе 3.

Этот способ неэкономичен и практически реализует небольшой диапазон регулирования скорости.

Цель настоящего изобретения - расширение диапазона регулирования скорости и повышение экономичности.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе программного управления многофазным электродвигателем, например двухпоЛюсньлм, питающимсяот многофазного источника синусоидального напряжения, путем переключения напряжений на обмотках двигателя, формируют переменное напряжение двух уровней, отличающихся по амплитуде вдвое, подают на каядцую .фазную обмотку один из двух уровневй противоположных полярностей, переключают указанные уровни и полярности с частотой, кратной частоте питания, например, в 12 раз, и одинаковой цля различных скоростей вращения, а в интервалах между переключениями указанные уровни и полярности определяют для каждой скорости и для каждой фазы программами, например, изображенными на фиг. 14 и 15 для частот вращения соответственно в. полтора и два рс1за больших частоты питания.

Благодаря таким переключениям для реализации предлагаемого способа не требуется получения синусоидального напряжения питания регулируемой Чс1Стоты и, следовательно, не требуется применения выпрямителей, инверторов и фильтров, а достаточен простой коммутатор. Не требуется также совместного регулирования частоты и напряжения, следовательно, нет необходимости управляюсь углом отпирания ключей. Система управления коммутатором должна лишь переключать ключи по определенной программе в одни и те же моменты времени, не зависящие от скорости вращения. Все это обуславливает упрощение как силовой схемы, так и системы управления. Периодическое подключение обмоток двигателя к источнику неизменной частоты обуславливает постоянство.коэффициента мощности во всем диапазоне регулирования. В то же время сохраняются преимущества частотного способа - возможность плавного регулирования скорости в широком диапазоне при хорошем использовании двигателя.

На фиг. 1 изображена функциональная схема управления двигателем; на фиг. 2 - трехфазная система токов нерегулируемого двигателя; на фиг, 3 - пространственное распределение чисел витков фазных обмоток двигателя; н;а фиг. 4 -- вращающееся магнитное поле нерегулируемого двигателя; на фиг. 5- получение удвоенной частоты вращения магнитного поля; на фиг. 6 - получение учетверенной частоты вращения магнитного поля; на фиг. 7 - получение половинной частоты вращения магнитного поля; на фиг. 8 - получение полуторакратной частоты вращения магнитного поля; на фиг. 9 - получение частоты вращения магнитного поля втрое меньшей, чем угловая частота питающей сети; на фиг. 10 - получение частоты вращения магнитного поля, равной 2/3 УГЛОВОЙ частоты питающей сети на

фиг. 11 - фазные напряжения при половинной и полуторакратной частоте вращения магнитного поля; на фиг. 12 временные графики намагничивающих сил трех фаз и их сумма при половинной частоте вращения при уменьшенной точности регулирования; на фиг. 13 - вращение магнитного поля машины с половинной скоростью при уменьшенной точности регулирования; на фиг, 14 и .15 - программы переключения уровней фазного напряжения соответственно для частот вращения в полтора и два раза больших частоты питания.

На функциональной схеме фиг. 1 показан пример переключателя, состоящего из шести вторичных фазных обмоток трансформатора и двенадцати полностью управляемых ключей. Первичная трехфазная обмотка трансформатора, подключенная к питающей сети трехфазного синусоидального напряжения, на фиг. 1 не показана. Вторичные обмотки трансформатора, по две идентичные обмотки на каждую фазу, выполнены с отводами. Выводы и отводы обмоток подключены через полностью управляемые ключи к клеммам питания А, В, С, О управляемого двигателя. Две вторичные обмотки каждой фазы имеют противоположную полярность (точки на фиг. 1).

Фазные токи угловой частоты питания UJ трех фаз нерегулируемого двигателя изображены на фиг. 2 различными линиями: штрихпунктирной для фазы А, линией тире - две точки для фазы В и пунктирной для фазы С. Такими же линиями на фиг. 3 изображены пространственные распределения чисвл витков V/ трех фаз обмоток питания двигателя. Каждая фаза двигателя представляет собой простую равномерно распределенную двухполюсную обмотку, которая при достаточно большом числе пазов имеет трапецеидальное распределение чисел витков .в функции от пространственной координаты х,

Ротор управляемого двигателя может быть короткозамкнутым, если двигатель асинхронный, и может возбуждаться постоянным током или быть без обмоточным если двигатель синхронный .

Рассмотрим регулирование скорости (частоты) вращения магнитного поля двигателя или, что то же самое при равномерном воздушном зазоре, намагничивающей силы (НС), считая, что двигатель работает при постоянной нагрузке. При изложении полагаем, что ключи пронумерованы слева направо (фиг, 1).

На фиг. 4 изображена бегущая (вращающаяся) волна НС нерегулируемого двигателя, когда к его зажимам А, В, С, О постоянно подключено по одной обмотке трансформатора одинаковой полярности, т. е. когда постоянно замкнуты ключи 1-ый,5-ый и 9-ый, а

остальные ключи постоянно разомкнуты. НС трех фаз имеют такие же трапецеидальные распределения, что и числа фазных обмоток, и изображены на фиг. 4 такими же линиями. Кривые сумм НС трех фаз изображены сплошными линиями. Как и в любом неуправляемом двигателе, вслна НС в этом случае вращается вдоль расточки статора - пространственной координаты х - с угловой скоростью, равной угловой частоте питающего напряжения; на фиг. 4 показан поворот волны НС на

лрпространственный угол радиан за интервал 2 -

На фиг. 5 показано получение удвоенной скорости вращенияволны НС. В момент uut О замкнуты ключи 1-ый 5-ый и 9-ый на (фиг. 4) и кривая НС имеет то же положение. Так как при этом фазные обмотки двигателя подключены к идентичным отводам обмоток трансформатора, имеющих одинаковую полярность, то фазные токи текут в условно положительном направлении - обозначим их мгновенные значения +1д, +1 и ig . В следующий момент uut -5- ток фазы В проходит через нуль (), все ключи фазы А разомкнуты (1д - 0) , а в фазе С замкнут 10-ый ключ, подающий на фазную обмотку удвоенное напряжение положительной полярности, так что ток фазы С равен +21 соответственно НС фазы С в этот момент .изображена на фиг. 5 сдвоенной пунктирной -линией. В следующий момент out - замкнуты ключи 4-ый, 5-ый, 9-ый и по обмоткам двигателя текут токи -21д, +i-g и +1, соответственно НС фазы А, созданная ее током условно отрицательной полярности, изображена на фиг. 5 сдвоенной штрих-пунктирной линией, а НС остальных двух фаз - одинарными линиями. В следующий момент cut -5(на фиг. 5 не показан) замкнуты ключи б-й и 12-ый, и в фазных обмотках фаз В и С текут токи +210 и -2ic, и т. д. Как видно из фиг. 5, волна результирующей НС, изображенная сплошной линией, вращается вдвое быстрее, чем на фиг. 4т. е. поворачивается на такой же пространственный угол Щ- радиан за вдвое меньшее время О UJ t - угловая частота ее вращения вдвое больше угловой частоты сети.

Фиг. б поясняет получение учетверенной скорости вращения волны НС. В момент Cjut О замкнуты те же ключи 1-ый, 5-ый, 9-ый, как и на фиг. 4 волна НС имеет то же положение. В следующий момент (jut -, изображенный на фиг. б, замкнуты ключи 4-ый и Ю-ьгй, подавая на фазные обмотки фаз А и С удвоенные напряжения соответственно отрицательной и положительной полярности, так что по этим обмоткам текут токи соответственно -21/, и

+ 2if . В следующий момент otT ,.- (на фиг. 6 не показан) замкнут только 12-ый ключ и течет ток -21,,, только в фазе С и т, д. Как видно из фиг. б, при таких переключениях волна результирующей НС вращается вчетверо быстрее, чем на фиг. 4 - поворачивается на такой же пространственный угол - радиан за вчетверо меньшее время.

Фиг. 7 поясняет получение половинной скорости вращения магнитного поля машины. В период Osu;t - замкнуты только 1-ый и 9-ый ключи и текут только токи +1д и +1. Далее в момент шt - замкнут только

5 10-ый ключ и течет ток +21, Далее в момент Щ- замыканием соответствующих ключей задаются фазные токи

+1-а и +1

в момент out

далее

с

- - токи -1д и +21 и т, д. Как

видно из фиг. 7, волна не вращается

0 вдвое медленнее, чем на фиг. 4, т. е. частота вращения вдвое меньше частоты сети.

Фиг. 8 поясняет получение частоты вращения магнитного поля, в 1,5 раза

5 .превышающей частоту сети. Переключе- ниями соответствующих ключей задают в момент (i)t О фазные токи +1д и + iBf в момент си t - - +1д и +1с/ в момент - - +1 и +1„, в мо0

- jL/

мент uut -;т- - +2ig и т. д. За время О -5 ш t 2ж. волна НС поворачивается в пространстве на 1Г радиан, т. е. угловая частота ее вращения в 1,5 раза больше частоты сети.

5

Для расширения возможностей регулирования скорости вращения перемещение волны НС может производиться и неравномерно. Например, на фиг. 9 показано, как путем вышеописанных переключений задается остановка волны НС в интер0

-f

2L..

e(ut

далее опять равновале

о -S.мерное ее движение в интервале 2. :ttj-t frH т. д. Обладая достаточной инерционностью, ротор при этом будет вращаться равномерно со скоростью,

5 определяемой средней частотой вращения волны НС. Эта средняя частота втрое меньше частоты питания фиг. 9. Аналогичным образом показано получение средней частоты вращения поля,.

0 равной 2/3 частоты питания (фиг, 10).

Таким образом, показана возможность получения практически любой частоты вращения магнитного поля как в

5 сторону увеличения, Так и в сторону уменьшения относительно частоты питания, причем в широком диапазоне (рассмотренные примеры охватывают диапазон 1 : 12). Эта возможность достигается переключением в каждой фазе все0го двух значений напряжений или токов противоположной полярности, хотя, конечно, может быть использовано и большее число таких значений - при этом увеличивается число ключей и отводов

5

вторичных обмоток трансформатора (фиг. 1).

Как видно из приведенных примеров, регулирование осуществляется переклю.чением ампервитков фазных обмоток через равноотстоящие промежутки времени, не зависящие от достигаемой частоты вращения магнитного поля. Эти переключения осуществляются в рассмотренных примерах путем изменения напряжений, подаваемых на фазные обмотки, между двумя значениями противоположной полярности (всего 4 значения). На фиг. 11 приведены временные ,циаграммы изменения фазных напряжений для получения половинной частоты враш,ения (на фиг. 11 вверху, над градуировкой оси времени) и для получения полуторакратной частоты вращени.я (на фиг. 11 внизу). Фазные напряжения нерегулируемого двигателя (условно положительные и равные единице) изображены такими же линиями, как и на фиг. 2, а точечными линиями изображены изменения Напряжений в моменты коммутации. На фазные обмотки двигателя подаются несинусоидальные напряжения, состаЕ ленные из временных отрезков питающего синусоидального напряжения (фит. 11). Амплитуда и полярность синусоида/: ьного напряжения на каждом из этих отрезков различны в различных фазах, т. е. на трехфазную обмотку двигателя подаётся несимметричная система нелкней;ных напряжений.

В рассмотренных примерах (фиг. 4- 10} прослежено изменение фазных токов двигателя через равноотстоящие интервалы времени uJt -, При этом предполагалось, что за каждый такой интервал фазный ток достигает расчетного указанного значения, т. е„ переходный процесс протекает достаточно быстро. Рассмотрим ограничения, накла,цываемые временем переходного процесса на реализацию .предлагаемого способа.

Как известно, длительность изменения токов при переходном процессе в нагруженной электрической машине определяется, в основном, реактизностями рассеяния. Если ot-и г- индуктивность и активное сопротивление на входных зажимах, то постоянная времени переходного процесса Т - р. Коэффициент мощности машины

cos Ч cos(arctg ) cos (arctg2li-:j:r)V-i+( /т)

где Т - период частоты питания, должен быть, достаточно высок, чтобы свободная составляющая тока переходного процесса практически исчезла на заданный интервал мелсду двумя пе;реключениями. Так как эта свободная составляющая тока затухает до 5% от своего первоначального значения за вре:мя Str, то для регулирования с точностью не хуже 5% необходимо, чтобы интервал между двумя переключениям составлял St. В рассмотренных примерах этот интервал был выбран равным {12), т. е, для установки токов с точностью до 5% необходимо, чтобы ЗТ - :j, поэтому cos Ч машины может быть очень высок (csO,97).

Для регулирования предлагаемым способоммашины с меньшим cos необходимо уменьшить точность регулирования или ввести, большее, чем два число значений токов (напряжений), участвующих в переключениях. Например, для т О,IT (cos 0,846) на фиг„ 12 и- 13 представлены диаграммы НС, по которым можно оценить уменьшение точности регулирования для скорости вращения поля, равной половине частоты питании. На фиг. 12 представлены расположенные друг под другом временные диаграммы фазных НС фаз А, В, С и их сумма - результирующая кривая НС. Диаграммы построены для той же точки воздушного зазора машины, в которой относительные значения чисел витков фаз равны V 1, Wg w с - - (точка X - на фиг. 3), интервал между переключениями равен cut . Сплошные линии изображают НС при переключениях, остальными линиями намечены установившиеся значения НС. Из фиг. 12 видно, что хотя фазные токи, экспоненциально изменяющиеся между переключениями, несинусоидальны, результирующая НС обмотки питания (половинной частоты) приближается к синусоиде.

На фиг. 13 показаны перемещения волны НС в пространстве через каждые - радиан за период частоты питания при фазных токах (фиг. 12). Из сопоставления фиг, 13 и фиг. 7 можно оценить влияние уменьшения cos двигателя в различных его режимах на точность регулирования,

Необходимые для реализации предлагаемого способа изменения ампервитков фазных обмоток могут быть осуществлены не только переключениями напряжений, подаваемых на двигатель, но и переключениями чисел витков в каждой фазе самого двигателя и реверсированием фазных токов. В зтом случае необходимость в дополнительном трансформаторе отпадает, а переключатель состоит только из ключевых Приборов при этом обмотки двигателя должны быть соответственно секционированы. Таким образом, функциональна схема фиг. 1 пригодна как для регулирования двигателя обычного исполнени так и для регулирования двигателя с секционированными обмотками. В посленем случае А, В, С, О обозначают кле1.И питания двигателя, а обмотки на фиг. 1 - обмотки двигателя.

В практической реализации режим работы ключей фиг. 1 задается программой. Две такие программы представлены на прилатаемых фиг. 14 и 15 соответственно для частот вращения в 1,5 и в 2 раза больших частоты питания. Каждая программа представляет собой три ступенчатые диаграммы, расположенные на фиг. 14, 15 друг под другом соответственно для трех фаз, где высота ступенек означает уровень мгновенного значения фазного напряжения питания.

Рассмотрим преимущества реализации предлагаемого способа по сравнению с реализацией частотного регулирования с помощью преобразователя частоты, обеспечивающего регулирование частоты в обе стороны относительно частоты напряжения сети. Такой преобразователь содержит регулируемый выпрямитель и инвертор на ключевых приборах, а также емкости для обеспечения двигателя необходимой реактивной мощностью. Управление частотой осуществляется регулированием моментов включения ключей инвертора, а управление напряжением - регулированием напряжения выпрямителя или широтно-импульсным регулированием инвертора. Для получения удовлетворительной формы кривой выходного напряжения на выходе инвертора необходим сложный фильтр, масса которого составляет примерно треть массы преобразователя или бесфильтровой транзисторный инвертор с числом фаз (ключей) 24 и более. Выпрямитель должен содержать фильтр для исключения резких коммутационных напряжений на входе инвертора.

Для реализации предлагаемого способа требуется преобразователь, содежащий лишь трансформатор и ключевые приборы, т. е. значительно проще, а при секционированных обмотках двигателя - только ключевые приборы. Так как нет промежуточного звена постоянного тока, реактивная мощность поступает из сети и каких-либо дополнителных источников реактивной мощности н требуется. Необходимое число ключевы приборов для реализации предлагаемог способа не превышает этого числа в преобразователях частоты. Таким образом, силовая схема реализации предлагаемого способа значительно проще.

Схема управления для реализации предлагаемого способа тем более проще, так как не требуется ни регулирования напряжения, ни регулирования углов включения ключевых приборов, ни их взаимного согласования. Все регулирование по предлагаемому способу

заключается только в изменении порядка переключения ключей в одни и те же моменты времени, т. е. в изменении программы переключений. noBTOhty схема управления ключами не должна содержать ни источников опорного сигнала, задающих углы открывания ключей, ни источников линейно изменяющегося сигнала, имитирующего течение времени, ни датчиков, -задаюищх изменение напряжения в функции от изменения ско0рости. Схема управления для рег1.пизации предлагаемого способа представляет собой лишь программное устройство, синхронизированное с питающей сетью и удобное для контроля с помощью ЭЦВМ, 5 Двигатель, регулируемый предлагаемым способом, работает при любой скорости с неизменным cosY t определяемым только частотой сети и нагрузкой двигателя.

0

Формула изобретения

Способ управления многофазным электродвигателем, например, двухполюсным, питающимся от многофазного ис-точника синусоидального напряжения, путем переключения напряжений на обмотках электродвигателя, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования и

0 повышения экономичности, формируют переменное напряжение двух уровней, отношение амплитуд которых равно двум, подают на каждую фазу обмотки электродвигателя напряжение одного из двух

уровней одной из двух полярностей с последующим переключением напряжения на другой уровень и другую полярность, причем переключение напряжения с одного уровня одной полярности на другой уровень другой полярности производят с частотой, кратной частоте питания, одинаковой для различных скоростей вращения, причем указанные уровни и полярности напряжения в каждой

г фазе определяют в соответствии с программами, превышающих в полтора и два раза частоту питания.

Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе 1. Голован А. Т. Основы электропривода. Госэнергоиздат, 1959, с. 187

2.Саидлер А. С. Сарбатов Р. С. Автоматическое частотное управление асинхронными двигателями, Энергия,

5 1974, с. 12-20.

3.Шубенко В. А, Враславский И. Я. Асинхронный тиристорный электропривод.. Энергия, 1972, с. 8.

А

Y ГУ -

TV. у ч У .Х I

1 Фиг./

Фиг.2

х

;

.

/

V

V V .

Фиг.з

Фиг. 5

jr/2jf ЗЛ/2 2У

Фи«.4

Uf. 6

3f

2Si

jf

Фиг. 7

оfSr 5f 2

Фиг. a

3 г

о f

Фиг.9

Фиг AJ

Фиг.И

Ч,

X

X

/

Ъ

Г

/N

т

X

лN

Ж

Т J

УТ 3|

Фиг.«

д| 3 7f 45Г

4

f

оjЗГ 3f 2Sr

г/г.«