Способ частотного регулирования скорости вращения двигателя переменного тока Советский патент 1980 года по МПК H02P7/42 

(54) СПОСОБ ЧАСТОТНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

I

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в станкостроении приборостроении, химической промышленности и т. д.

При создании современных высококачественных систем электропривода с широким диапазоном регулирования скорости на базе двигателей переменного тока применяются частотные способы управления.

Известны два способа частотного регулирования скорости двигателя переменного тока: пропорционально-частотный { и разностно-частотный, осуществляемый с помощью машины двойного питания (2J.

При пропорционально-частотном способе регулирования обмотку статора (ротора) короткозамкнутого асинхронного двигателя подключают к преобразователю, выходную частоту которого изменяют от нуля до номинальной частоты сети f для регулирования скорости от нуля до номинальной.

При использовании современных тиристорных преобразователей частоты, выпускаемых промышленностью, диапазон регулирования скорости не превышает 1:20. Кроме того, при снижении скорости напряжение на двигателе уменьшается, что пои2

воднт к возрастанию угла регулирования п выпрямителя. При этом возрастает содержание высших гармонических в питающей сети, что вредно отражается на работе остальных потребителей, н увеличиваются

5 пульсации выходного напряження выпрямителя. Для обеспечення нормальной работы инвертора возникает необходимость применения громоздкого силового фильтра, увеличивающего вес и габариты всего устройства и снижающего быстродействие системы.

10 Кроме того, оптимальный режим работы двигателя при пропорционально-частотном управлении возможен только з пределах измерения частоты от номинальной до приблизительно (зависит от типа н мощности двигателя) половины ее номинального зна15чения, т. е. в диапазоне регулирования 1 :2. При дальнейщем изменении частоты начинает оказывать влияние активное сопротивление статориой (роторной) обмотки, что приводит к возникновению колебательности

20 и резкому ухудшению всех экеплуЛационных характеристик. Применение специальных режимов с использованием средств автоматического регулирования (режим постоянного абсолютного скольжения, прстоянт

ство потока и т. д.) значительно усложняет систему и снижают надежность.

Ряд указанных недостатков устраняется при разностно-частотном способе управления. При этом обмотку статора (ротора) подключают к сети, а обмотку ротора (статора) -к преобразователю. Частоту на выходе преобразователя изменя1рт от частоты сети до нуля для регулирования скорости от нуля до синхронной. Затем, изменив порядок следования фаз напряжений возбуждения на обратный и отрегулировав частоту преобраэoвateля от нуля До частоты сети, доводят скорость двигателя до двойной синхронной.

Низкие скорости вращения при разностночастотном способе получаются при частоте и напряжении роторной (статорной) обмотки, блнзких к номинальным значениям. СледоВ1ательно, угол зажигания ч минимальный, пульсаций выходното 1напряжения выпрямителя на низких скоростях незначительны, коэффициент мощности роторного (статорного) преобразователя имеет максимальное значение и генерация высших гармоник в питающую сеть практически отсутствует. При этом отпадает необходимость в использовании силового фильтра, в связи с чем возрастает быстродействие системы, снижаются вес и габариты устройства и колебательность. Быстродействие возрастает также потому, что на низких скоростях перегрузочная способность двигателя увеличивается в 10-12 раз. Бесконтактный реверс д1В1Йгателя осуществляется повйшейием частоты обмотки возбуждения по отношению к частоте сети. Однако при повышении скорости двигателя (снижение частоты питания обмотки возбуждения) начинает оказывать влияние активное сопротивление обмотки и энергетические и динамические характеристики всей системы привода ухудшаются так же, как при пропорционально-частотном управлении в зоне низких скоростей.

Таким образом, оптимальные характеристики привода получаются при изменении частоты питания двигателя от частоты сети до половины ее номинального значения. Общим недостатком обоих способов является то, что при глубоком регулировании скорости напряжение и частота должны изменяться в щироких пределах. Из-за изменения параметров двигателя возникает необходи мость в использований корректирующих устройств с переменной структурой и параметрами для достижения требуемого качества регулирования во всем диапазоне, что в значительной степени услб йняет и удорожает систему электропривода.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ частОтНргб регулирования скорости двигателя Непременного тока, по которому В цепь обМОТКИ ротора (статора) включают преобразователь, обмотку статора (ротора) замыкают накоротко, а частоту на выходе

преобразователя изменяют от нуля до половины частоты сети для регулирования скорости от нуля до значения, соответствующего половине синхронной скорости, после чего статор (ротор) размыкают 3J. Затем статор (ротор) включают в сеть и изменением частоты преобразователя от половины частоты сети до нуля доводят скорость двигателя до синхронной скорости. После этого, изменив порядок следования фаз напряжения возбуждения на обратный, изменением частоты преобразователя от нуля до половины частоты сети доводят скорость двигателя до номинальной, равной полуторному значению синхронной скорости.

Можно также преобразователь частоты подключать вначале с обмотке статора (ротора) двигателя, а его обмотку ротора (статора) закорачивать. При достижении ротором скорости, равной половине синхронной скорости, преобразователь подключают к обмотке ротора (статора), а обмотку статора (ротора) - к сети.

Этот способ характеризуется значительным диапазоном изменения частоты (О до fc), т. е. отношение при регулировании скорости двигателя. Это приводит к необходимости иметь переменными структуру и параметры корректирующих устройств из-за значительного изменения параметров двигателя. Кроме того, при малых скоростях ротора, двигатель развивает незначительный электромагнитный момент, увеличение которого ограничивается насыщением машины. При регулировании скорости двигатель работает не в оптимальной области частот (О до 0,5 fc), где его характеристики значительно ухудшаются.

Цель из()бретения - расширение диапазона регулирования скорости двигателя переменного тока и повышение энергетических показателей.

Это достигается тем, что по способу регулирования скорости двигателя переменного тока с помощью преобразователя частоты, подключенного к ротору, включающему операции подключения обмотки статора к сети, регулирования частоты преобразователя в Заданном диапазоне, частоту преобразования регулируют от частоты сети до половины ее номинального значения для регулирования скорости от нуля до величины, соответствующей половине синхронной скорости, после чего статор отключают от сети и подключают к источнику постоянного тока и изменением частоты преобразователя от половины частоты сети до полуторакратного ее значения доводят скорость вращения ротора до скорости, равной полуторасинхронной, затем отключают обмотку статора от источника постоянного тока, уменьшают частоту преобразователя до половины частоты сети и подключают статор к сети. .

Таким образом, реализация способа сводится к подключению обмоток статора (ротора) к сети, а обмоток ротора (статора) - к преобразователю. После регулирования скорости от нуля до половины синхронной обмотку статора подключают к источнику постоянного тока, а частоту преобразователя изменяют от половины до полуторакратного значения. При способе регулирования мощность преобразователя уменьшается по сравнению с мощностью прн других способах регулирования. Кроме того, возможно получать более широкий диапазон регулирования при одновременном уменьщении диапазона питающих частот (максимальный диапазон варьирования выходной частоты преобразователя составляет всего 1;3). В связи с этим параметры двигателя остаются практически постоянными, что позволяет иметь постоянными параметры и структуру цепей коррекции, значительно упрощающих систему регулирования. Из-за- малого диапазона изменения частоты преобразователя напряжение на его выходе также изменяется незначительно. Поэтому угол регулирования а выпрямителя регулируется вблизи нулевого значения в малом диапазоне, что приводит к уменьшению пульсаций выпрямленного напряжения, повышению коэффициента мощности преобразователя, отсутствию генерации высших гармоник в питающую сеть, снижению габаритов силового фильтра или полное его устранение, а следовательно, повышение быстродействия всей системы в целом. Быстродействие повышается также за счет высокой перегрузочной способности двигателя во всем диапазоне, достигаемой при данном способе регулирования скорости. Поскольку двигатель используется в той области частот, где роль активного сопротивления обмоток не оказывает влияния, он имеет во всем диапазоне скоростей и нагрузок оптимальные рабочие характеристики. Так как преобразователь в указанной области частот и напряжений имеет высокие энергетические показатели, энергетические показатели в целом всей системы также возрастают. Формула изобретения Способ частотного регулирования скорости вращения двигателя переменного тока с помощью преобразователя частоты, подключенного к ротору, заключающийся в том, что подключают обмотки статора к сети, регулируют частоту преобразователя в заданном диапазоне, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования скорости и повышения энергетических показателей, частоту преобразователя регулируют от частоты сети до пбловины ее номинального значения для регулирования скорости от нуля до величины, соответствующей половине синхронной скорости, после чего статор отключают от сети и подключают к источнику постоянного тока и изменением частоты преобразователя от половины частоты сети до полуторакратного ее значения доводят скорость вращения ротора до скорости, равной полуторасинхронной, затем отключают обмотку статора от источника постоянного тока, уменьшают частоту преобразователя до половины частоты сети и подключают статор к сети. Источники информации, принятые во внимание прн экспертизе 1.Булгаков А. А. Частотное управление асинхронными электродвигателями. М., «Наука, 1966, с. 58, 79. 2.Ботвиник М. Н., Шакарян Ю. Г. Управляемая машина перем1БННого тока. М., «Наука. 1969, с. 71. 3.Авторское свндетельство СССР № 229679, кл. Н 02 Р 1/24, 1%5.