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

1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в автоматизированном электроприводе 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 1, разностно-частотный, осуществляемый с помощью машины двойного питания 2.

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

При использовании современных тиристориых преобразователей частоты, выпускаемых промышленностью, диапазон регулирования скорости не превышает 1 :20. Кроме того, при снижении скорости напряжение на двигателе уменьшается, что приводит к возрастанию угла регулирования а .выпрямителя. При этом возрастает содержание высших гармонических в питающей сети, что вредно отражается на работе остальных потребителей, и увеличиваются пульсации выходного напряжения выпрямителя. Для обеспечения нормальной работы инвертора возникает необходимость применения громоздкого силового фильтра, увеличивающего вес и габариты всего устройства и снижающего быстродействие системы. Кроме того, оптимальный режим работы двигателя при пропорционально-частотном управлении возможен только в пределах измерения частоты от номинальной до приблизительно (зависит от типа и мощности

двигателя) половин .ее номинального значения, т. е. в диапазоне регулирования 1 :2. При дальнейшем изменении частоты начинает оказывать влияние активное сопротивление статорной (роторной) обмотки, что

20 приводит к возникновению колебательности и резкому ухудшению всех эксплуатационных характеристик. Применение, специальных режимов с использованием средств автоматического регулирования (режим постоянного абсолютного скольжения, постоянство потока и т. д.) значительно услож няет систему и снижает надежность. Ряд указанных недостатков устраняется при разностно-частотном способе управления. При этом обмотку статора (ротора) подключают к сети, а обмотку ротора (статора) - к преобразователк). Частоту на выходе преобразователя изменяют от частог ты сети до нуля для регулирования скорости от нуля до синхронной. Затем, изменив порядок следования фаз напряжения возбуждения на обратный и отрегулировав частоту преобразователя от иуля до частоты сети, доводят скорость двигателя до двойной синхронной. Низкие скорости вращения при расностночастотном способе получаются при частоте и напряжении роторной (статорной) обмоткИ; близких к номинальным значениям. Следовательно, угол зажигйния а минимальный, ПУЛЬСАЦИИ выходного напряжения 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 двигателя осуществляется повышением частоты обмотки возбуждения по отношеник) 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 управленнн 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 широких пределах. Из-за изменения параметров двигателя возникает необходимость в использовании корректирующих устройств с переменной структурой н параметрами для достижения требуемого качества регулирования во всем диапазоне, что в значительной степени усложняет и удорожает систему электропривода. Наиболееблизким по технической сущности к изобретению является способ регулирования скорости двигателя переменного 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 3. 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 к 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) подключают к сети. Этот способ характеризуется значительным диапазоном изменения частоты (О до fc), т. е. отношение fc/fn- oo при регулировании скорости двигателя. Это приводит к необходимости, как указывалось ранее, 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 изобретения - расширение диапазона регулирования скорости вращения двигателя переменного тока и повыщенне энергетических показателей. Это достигается тем, что по способу частотного регулирования скорости вращения двигателя переменного тока с помощью преобразователя частоты, подключенного к ротору, заключающемуся в том, что замыкают обмотки jCTaTopa накоротко, регулируют частоту преобразователя в заданном диапазоне, после чего обмотку статора размыкают, до. замыкания обмотки статора накоротко подключают обмотки статора к сети, изменяют частоту преобразователя 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, изменяют порядок чередования фаз напряжения возбуждения с последующим регулированием частоты преобразователя в диапазоне от половины частоты сети до полуторного значейия, обеспечивая скорость двигателя до полуторасинхронной скорости, а после размыкания обмоток статора уменыпают частоту преобразователя до половины частоты сети, включают обмотку статора в сеть и увеличением частоты преобразователя вновь до полуторакратного ее значения доводят скорость двигателя до номинальной величины, равной 2,5-кратному значению синхронной скорости.

На чертеже показана схема включения двигателя. Подключение статора 1 двигателя к сети и закорачивание его обмоток осуществляется соответственно переключателями 2 и 3. Частота и напряжение в обмотке ротора 4 двигателя регулируется посредством преобразователя 5.

Замыканием переключателя 2 подключают обмотку статора к сети и изменяют частоту преобразователя от частоты сети до половины ее номинального значения, затем размыкают переключатель 2 и замыкают переключатель 3 и, изменив порядок чередования фаз напряжения возбуждения на обратный, регулируют частоту преобразователя от половины частоты сети до полуторного значения, затем размыкают переключатель 3 и замыкают переключатель 2 и изменением частоты преобразователя от половины частоты сети до полуторного значения доводят скорость двигателя до номинальной, равной двух с половиной кратному значению синхронной скорости.

Таким образом, предлагаемый способ управления двигателем переменного тока расширяет диапазон регулирования (от нуля до двух с половиной синхронной скорости). Если момент на валу двигателя М const, а за номинальную мопшость привода принять мощность

Рно« МшмАкс М -2,50)0, то мощность преобразователя составляет величину, равную

МРп

РП 1,5Ма)о г,5

При данном способе регулирования мощность преобразователя также уменьшается по сравнению с мощностью при других способах регулирования, что дает возможность получать более широкий диапазон регулирования при одновременном уменьшении 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 « выпрямителя регулируется вблизи нулевого значения в малом диапазоне, что приводит к уменьшению пульсаций выпрямленного напряжения, повышению коэффициента мощности преобразователя, отсутствию генерации высших гармоник JB питающую сеть, снижению габаритоь силового фильтра или полное его устранение, а следовательно,

повышению быстродействия всей системы в целом. Быстродействие повышаетсятакже 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.

f

Формула изобретения

Способ частотного регулирования скорости вращения двигателя переменного тока с помощью преобразователя частоты, подключенного к ротору, заключающийся в том, что замыкают обмотки статора накоротко,

5 регулируют частоту преобразователя в заданном диапазоне, после чего обмотку статора размыкают, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования скорости и повышения энергетических показателей, до замыкания обмотки статора

0 накоротко подключают обмотки статора к сети, изменяют частоту преобразователя от частоты сети до половины ее номинального значения для регулирования скорости от нуля до величины, соответствующей полоJ вине синхронной скорости, после чего статор отключают от сети, изменяют порядок чередования фаз напряжения возбуждения с последующим регулированием частоты преобразователя в диапазоне от половины частоты сети до полуторного значения, обеспечивая скорость двигателя до полуторасинхронной скорости, а после размыкания обмоток статора уменьшают частоту преобразователя до половины частоты сети, включают обмотку статора в сеть и увеличением частоты преобразователя вновь до полуторакратиого ее значения доводят скорость двигателя до номинальной величины, равной 2,5-кратному значению синхронной скорости.

Источники информации, 0 принятые во внимание при экспертизе

. Булгаков А. А. Частотное управление асинхронными электродвигателями. М., «Наука, 1966, с. 58, 79.

2.Ботвииик М. Н.,Шакарян Ю. Г. Управляемая мащина переменного тока. М., «На ука, 1969, с. 71.

3.Авторское свидетельство СССР № 229679, кл. Н 02 Р 1/24, 1965.

5