Способ синхронизации асинхронного электродвигателя Советский патент 1982 года по МПК H02P7/48 H02P7/78 

(54) СПОСОБ СИНХРОНИЗАЦИИ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в асинхронных вентильных каскадах с однозонным регулированием скорости таких механизмов, как скиповые подъемники шахт, рудников, доменных печей и т. д.

Известен способ синхронизации асинхронного двигателя, при котором пуск двигателя до подсинхронной скорости осуществляется выведением сопротивления пускового реостата, после чего двигатель переводится в синхронный режим работы подключением обмоток ротора к управляемому выпрямителю 1.

Недостатком этого способа синхронизации является то, что перед подачей тока возбуждения в обмотки ротора не определяется благоприятный момент для синхронизации двигателя. Это обстоятельство обуславливает возникновение в отдельных случаях отрицательного синхронного момента, при этом могут возникнуть значительные по амплитуде колебания ротора около синхронной скорости или двигатель вообще не втягивается в синхронизм. Возникновение колебаний ротора около синхронной скорости отрицательно влияет на сеть, ухудщается динамика электропривода, влияющая на надежность работы механического оборудования. .

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ синхронизации асинхронного двигателя с последовательно соединенными неуправляемым выпрямителем и инвертором в цепи ротора электродвигателя, при котором уменьщают противо- ЭДС инвертора до нуля, подключают инвертор к роторной обмотке электродвигателя и переводят инвертор в выпрямительный режим работы 2.

Этот способ имеет тот недостаток, что в нем не предусматривается закорачивание роторного выпрямителя и увеличение тем самым подсинхронной скорости двигателя. Подача постоянного тока в обмотки ротора отключением роторного выпрямителя от инвертора и подключение обмоток ротора к инвертору происходит с паузой в токе ротора, которая обусловлена длительностью переключения. Отсутствие двигательного момента во время паузы приводит к снижению подсинхронной скорости вращения днигателя. Перевод инвертора в выпрямительный режим и подача тока возбуждения в обмотки ротора без предварительного определения наиболее благоприятного момента синхронизации двигателя может привести к возникновению отрицательного синхронного момента, при этом возникают значительные по амплитуде колебания ротора или двигатель не будет втягиваться в синхронизм. Этот способ синхронизации не обеспечивает надежную синхронизацию асинхронного двигателя, возможность возникновения значительных по амплитуде колебаний снижает надежность и срок службы оборудования. Цель изобретения - повышение надежности втягивания асинхронного двигателя в синхронизм путем увеличения подсинхронной скорости двигателя и обеспечения подачи тока возбуждения в наиболее благоприятный для синхронизации двигателя момент. Указанная цель достигается тем, что в способе синхронизации асинхронного электродвигателя с последовательно соединенными неуправляемым мостовым выпрямителем и инвертором в цепи ротора электродвигателя, при котором уменьшают противоЭДС инвертора до нуля, подключают инвертор к роторной обмотке электродвигателя и переводят инвертор в выпрямительный режим работы, после уменьшения противоЭДС инвертора до нуля закорачивают выпрямитель, а перевод инвертора в выпрямительный режим работы осушествляют при нулевых значениях напряжения и тока на одной из фаз роторной обмотки электродвигателя. На фиг. 1 приведена схема устройства, реализуюшего способ синхронизации асинхронного двигателя; на фиг. 2 - кривые трехфазной ЭДС ротора и отмечены последовательность и интервалы проводимости вентилей роторного выпрямителя; на фиг. 3 - картины поля статора и положение оси ротора при подаче тока возбуждения в ротор для синхронизации. Устройство, реализуюшее способ, содержит асинхронный двигатель 1, трехфазный мостовой выпрямитель 2 с вентилями 3-8, к выпрямителю 2 подключен инвертор 9. В мостовой выпрямитель 2 включены два размыкаюших контакта 10 и 11 релейного элемента 12. Контакт 10 включен последовательно с вентил М 7. Контакт 11 включен между общей точкой соединения вентилей 6 и 8 и общей точкой соединения вентиля 4 с инвертором 9. К выпрямителю 2 подключен анодом к катодной группе вентилей моста управляемый шунтирующий вентиль 13. С валом асинхронного двигателя жестко связан датчик 14 скорости, выход которого подключен к входу блока 15 управления инвертором в качестве обратной связи по скорости. Выход датчика 14 скорости присоединен также к входу блока 16 управления шунтирующим вентилем 13 и к управляющему входу ключевого элемента 17. Датчики 18-20, контролирующие наличие токов и их направление в фазах роторных обмоток, включены последовательно с вентилями 3, 5, 4 соответственно. Выходы датчиков 18, 20 присоединены к входам нульоргана 21, выход которого подключен на вход ключевого элемента 17. Выход датчика 19 тока присоединен к входу нульоргана 22, а к другому его входу подается сигнал, пропорциональный напряжению фазы в. Выход нуль-органа 22 подключен к входу ключевого элемента 23, выход которого соединен с одним из входов блока 15 управления инвертором. Выход ключевого элемента 17 соединен с управляющим входом ключевого элемента 23 и с входом релейного элемента 12. В цепь выпрямленного тока ротора включен датчик 24 тока, выход которого подключен к входу блока 15 управления инвертором. Работа устройства, реализующего способ синхронизации асинхронного двигателя, осуществляется следующим образом. При уменьшении противо-ЭДС инвертора до нуля двигатель разгоняется до максимальной скорости. Блок 15 управления инвертором с обратными связями по току и скорости обеспечивает требуемое качество переходных процессов при регулировании скорости от нуля до максимальной. При достижении максимальной скорости уменьшением противо-ЭДС инвертора до нуля,сигнал на выходе датчика 14 скорости достигает уровня, достаточного для срабатывания блока 16 управления шуйтирующим вентилем. Шунтирующий вентиль 13 включается и закорачивает роторный выпрямитель 2. Происходит дополнительное увеличение скорости вращения ротора практически до значений, соответствующих естественной механической характеристике, если пренебречь падением напряжения на .вентилях роторного выпрямителя и шунтирующем вентиле, которое незначительно и составляет примерно 1,5-2 В. При незакороченном роторном выпрямителе и противо-ЭДС инвертора равной нулю, скорость двигателя значительно ниже по сравнению со скоростью при. закороченном роторном выпрямителе. Это обусловлено дополнительным падением напряжения на сглаживающем дросселе, на вентилях инвертора, на обмотках трансформатора инвертора. После увеличения скорости двигателя включением шунтирующего вентиля 13 уровень сигнала на выходе датчика 14 скорости достигает значения, достаточного для включения ключевого элемента 17. При этом выход нуль-органа 21 подключается к управляющему входу ключевого элемента 23 и к входу релейного элемента 12. На вход нульоргана 21 подаются сигналы с датчиков 18 и 20 тока. Причем эти датчики включены таким образом, что при прохождении тока через вентили 3 и 4 сигналы на выходе датчиков 18 и 20 имеют противоположную полярность. Вентили 3-8 работают в последовательности, соответствующей нумерации их на фиг. 1. В любой момент времени вентили работают попарно, а при коммутации тока с работающего вентиля на вентиль, поступающий в работу, ток одновременно проводят три вентиля. В дальнейщем временем коммутации тока с вентиля на вентиль будем пренебрегать, что вполне допустимо для малой частоты роторного напряжения при подсинхронной скорости двигателя. Согласно фиг. 2, на которой отмечены последовательность и интервалы проводимости вентилей роторного выпрямителя, при прохождении тока через вентили 3 и 4 остальные вентили моста не проводят ток. Это означает, что сигналы на выходе датчиков 18 и 20 тока по величине одинаковы, и так как на вход нуль-органа 21 они подаются противоположной полярности, то на выходе нуль-органа 21 появляется сигнал, который включает ключевой элемент 23 и воздействует на релейный элемент 12. Контакты 10 и 11 разомкнутся и вентили 6-8 в дальнейшем будут отключенными. В течение половины периода роторного напряжения, когда проводят оставщиеся вентили моста, а именно вентили 3-5, отключение вентилей 6-8 не будет влиять на электромагнитные процессы в двигателе. Если инвертор перевести в выпрямительный режим работы в .интервале времени работы вентилей 3-5, ток возбуждения будет подаваться в роторную обмотку через вентили 3-5 по схеме: две фазы обмотки ротора в параллель и третья с ними последовательно. Переход от асинхронного режима работы двигателя к синхронному осуществляется без паузы в токе обмоток ротора. Отключение вентилей 6-8 моста позволяет предотвратить возникновение режима короткого замыкания тока, подаваемого в ротор через вентили моста, при переводе инвертора в выпрямительный режим работы. Как отмечалось ранее, подача тока возбуждения в ротор должна осуществляться в наиболее благоприятный момент для синхронизации двигателя. На фиг. 3 изображены картины поля статора и положение оси ротора при работе вентилей роторного выпрямителя в сочетаниях вентилей 8-3, 3-4, 4-5, 5-б, 6-7, 7-8 соответственно для моментов времени ti-te-Картины построены из предположения, что ток возбуждения подается в обмотки ротора поочередно в указанные моменты времени tt-te. Направление тока возбуждения в обмотках в рассматриваемые моменты времени соответствует направлениям проводимости неотключенных вентилей моста 3-5. Направление вращения поля и ротора принято против часовой стрелки, следовательно, относительная скорость ротора по отнощению к полю статора направлена по часовой стрелке и определяется как oJoS, где cJo - скорость вращения поля статора; S - скольжение ротора. Построения проводятся на примере асинхронного двигателя с одной парой- полюсов и в соответствии с правилами построения аналогичных картин в классической электротехнике. На основе анализа картин поля статора и положения магнитных осей ротора при подаче постоянного тока в ротор можно сделать вывод о том, что наиболее благоприятные условия для синхронизации асинхронного двигателя будут при подаче тока воз- .. буждения в интервале времени ta-tj, так как на этом интервале времени ось ротора будет отставать от поля статора на угол 0 30-90°. Возникающий в этом интервале синхронизирующий момент будет положительным. При О 90° работа синхронизированного двигателя неустойчива, так как увеличение угла О при возмущениях со стороны нагрузки- может привести к выходу двигателя из синхронного режима работы. Учитывая, что отключение контактов 10 и 11 не может произойти мгновенно, что коммутация тока с вентиля 8, который выходит из работы, на вентиль 4, который вступает в работу, происходит тоже не мгновенно, перевод инвертора в выпрямительный режим работы следует осуществлять в середине интервала времени . Moмент времени, соответствующий середине интервала можно считать наиболее благоприятным моментом для синхронизации асинхронного двигателя. Этот момент времени характеризуется прохождением через нулевое значение фазного напряжения той обмотки, в которой после отключения части вентилей моста отсутствует той (фиг. 2). Этот момент времени определяется с помощью нуль-органа 22 (фиг. 1), на входы подключен выход датчика 19 , контролирующий ток фазы в через вентиль 5, и подается сигнал фазного напряжения той же обмотки. Так, в наиболее благоприятный момент времени для синхронизации двигателя нуль-орган 22 дает сигнал через открытый в момент времени t ключевой элемент 23 на вход системы управления инвертором 15, инвертор 9 переводится в выпрямительный режим, при этом обеспечивается питание обмоток ротора постоянным током по схеме: две фазы ротора в параллель и третья с ними последовательно. Скорость вращения ротора увеличивается до синхронной, двигатель втягивается в синхронный режим работы.

Использование предлагаемого способа синхронизации асинхронного двигателя в схеме асинхронного вентильного каскада позволяет повысить надежность втягивания асинхронного двигателя в синхронизм и уменьшить колебания ротора путем увеличения подсинхронной скорости двигателя и обеспечения подачи тока возбуждения в наиболее благоприятный момент для синхронизации двигателя. Дополнительное увеличение подсинхронной скорости, подача тока возбуждения в ротор в наиболее благоприятный момент и без паузы в токе ротора позволяет улучшить динамику втягивания асинхронного двигателя в синхронизм и повысить тем самым надежность и срок службы оборудования.

Формула изобретения

Способ синхронизации асинхронного электродвигателя с последовательно соепт

диненными неуправляемым мостовым выпрямителем и инвертором в цепи ротора электродвигателя, при котором уменьшают противо-ЭДС инвертора до нуля, подключают инвертор к роторной обмотке электродвигателя и переводят инвертор в выпрямительный режим работы, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, после уменьшения противо-ЭДС инвертора до нуля закорачивают выпрямитель, а перевод инвертора в выпрямительный

режим работы осуществляют при нулевых значениях напряжения и тока на одной из фаз роторной обмотки электродвигателя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

/

IIIII

Фг/г.2