Асинхронный частотно-регулируемый электропривод Советский патент 1982 года по МПК H02P7/42 

Изобретение относится к электротехнике, а также к частотноуправляемым электроприводам и может быть использовано для привода высокооборотных насосов, газодувок, испытательных стендов и т.д. Некоторые типы насосов, испытате ные стенды, газодузки большой мощности требуют применения быстроходных частотно-регулируемых электроприводов большой мощности. Специфик подобных электроприводов по сравнению с электроприводами на основе асинхронных двигателей с номинально скоростью до 3000 об/мин является то, что по условиям механической прочности ротор быстроходного асинхронного электродвигателя выполняет ся массивным с обмоткой типа беличье клетки. Эта особенность быстроходного асинхронного электродвигателя приво дит к необходимости питания их от тиристорных преобразователей частоты с высоким качеством выходного напряжения, так как в противном случае сильно увеличиваются потери в роторе электродвигателя. Известные схемы трехфазных мостовых тиристорных преобразователей частоты на базе автономных инверторов напряжения с амплитудным способом регулирования выходного напряжения имеют в кривой выходного напряжения большой спектр гармоник, при этом коэффициент нелинейного искажения кривой выходного напряжения составляет около 30%. Быстроходный частотно-регулируемый асинхронный электропривод большой мощности на базе такого преобразователя и быстроходного асинхронного электродвигателя обычного исполнения нецелесообразен ввиду больших потерь в электродвигателе. . Известен электропривод, содержащий асинхронный электродвигатель, подключенный к инвертору. Инвертор в йтом устройстве состоит из нескольких инверторов, напряжения которых суммируются. Три однофазных инвертора работают при прямоугольно форме выходного напряжения. Коэффициенты трансформации и сдвига фаз инверторов устанавливаются таким образом, что обеспечивается желаемая форма выходного напряжения 1 . Быстроходный частотно-регулируемый асинхронный электропривод боль шой мощности на базе аналогично тиристорного преобразователя частоты обеспечивает малые потери в быстроходном асинхронном электродвигателе, но имеет недостаток, заключающийся в том, что приходится использовать дополнительный трансформатор (или несколько трансформаторов), ко торый выбирается исходя из полной моицности электропривода и необходимости работы электродвигателя на низких частотах. Наиболее близким к предлагаемому является асинхронный частотно-регулируемый электропривод, содержащий асинхронный электродвигатель с двумя статориыми обмотками, сдвинутыми в пространстве друг относительно друга на 30 эл.град., датчик ско рости, выходом соединенный с регуля тором скорости, выходкоторого через первый и второй функциональные преобразователи соединены с пер вым и вторым регуляторами напряжения соответственно, инвертирующий усилитель, входом подключенный к вы ходу регулятора скорости, а выходом связанный с блоком вычисления абсо лютного скольжения, к которому подключен и выход датчика скорости, регулятор абсолютного скольжения,, вход которого подключен к блоку вычисления абсолютного скольжения и через переключающий блок к входу регулятора скорости, а выход - к первому и второму регулятору напряжения, преобразователь частоты с двумя независимыми каналами преобразования напряжения и частоты, к выходам которых соответственно подключены статорные обмотки электродвигателя, обеспечивающие питание электродвигателя напряжениями, сдвинутыми на 30 эл.град., при этом каждый канал преобразования сЬстоит из последовательно соединенных выпр мителя, фильтра, инвертора со схема ми управления выпрямителем и инвер3 4 тором, с датчиками напряжения и блоками разряда, подключенными параллельно входу инвертора, блок фазового сдвига, подключенный входом к схеме управления одним инвертором, а выходом к схеме управления вторым инвертором, вход схемы управления первым инвертором соединен с выходом регулятора скорости, а выход каждого регулятора напряжения связан со входом схемы управления выпрямителем соответствующего канала преобразования преобразователя частоты. Привод позволяет осуществлять синтез поля в воздушном зазоре быстроходного асинхронного электродвигателя, иными словами, привод позволяет при плохом качестве питающего напряжения, поступающего на электродвигатель с преобразователе частоты значительно ослабить поля высших гармонических в зазоре быстроходного асинхронного электродвигателя и тем самым уменьшить потери в роторе. Физический смысл компенсации высших гармоник поля в зазоре такого электродвигателя заключается в следующем. Первые временные гармонические токов в расщепленных обмотках сдвинуты на ЗО, в то время как пятые на 150°, а седьмые на 210°, т.е имеющие наибольшие значения пятые и седьмые гармонические токов находятся почти в противофазе. Так как фазные обмотки соосны, то происходит почти полная компенсация и суммарная намагничивающая сила обеих обмоток по 5-ой и гармоникам в зазоре близка к нулю 2 . Недостатком привода является отсутствие контроля синтезированного в зазоре магнитного поля, что может привести к появлению в зазоре высших гармонических намагничивающих сил, что увеличивает потери в роторе и снижает КПД привода. Причиной появления высших гармонических намагничивающих сил в зазоре может быть асимметрия статорных обмоток. Для высших гармонических электродвигатель находится в режимах, близких к режиму короткого замыкания. Так для гармоники скольжение изменяется в пределах от 1 до 1,2, а для 7-й в пределах 0,. Для более высоких гармоник скольжение становится еще более близким к единице. В силу этого параметры электродвиа гателя для токов высших гармоник могут быть приняты равными параметрам короткого замыкания. Из-за неизбежной асимметрии двух статорных обмоток быстроходного асинхронного электродвигателя они будут иметь отличающиеся по величине параметры короткого замыкания. При этом первые гармонические составляющие токов в обмотках будут практически одинаковыми при равных напряжениях двух выходных систем преобразователя частоты, так как их величина слабо зависит от параметров короткого замыкания обмоток, и определяет ся током намагничивания и роторным током, который является общим для обоих систем. В то же время высшие составляющие гармонические токов в первой и второй обмотках будут разными и отношение их будет пропорцио нально отношению параметров короткого замыкания статорных обмоток. Неравенство токов высших гармоничес ких составляющих в обмотках приводи к появлению в зазоре намагничивающих сил и полей высших гармонических, что увеличивает потери в роторе и снижает КПД привода. Цель изобретения - повышение КПД привода. Поставленная цель достигается тем, что в асинхронный частотно-регулируемый электропривод введены да чики тока высших гармоник, каждый и которых включен последовательно с о ной из статорных обмоток асинхронно го электродвигателя, и регулятор то ка высших гармоник, вход которого соединен с выходами датчиков тока высших гармоник, а выход подключен ко входу второго функционального преобразователя. 1 На чертеже показана функциональная схема асинхронного частотнорегулируемого электропривода. Электропривод содержит быстроход ный асинхронный электродвигатель 1 с двумя статорными обмотками, сдвин тыми в пространстве относительно др друга на 30 эл. град., регучпятор 2 скорости, датчик 3 скорости, первый и второй 5 функциональные преобра зователи, инвертирующий усилитель 6 блок 7 вычисления абсолютного сколь жения, регулятор 8 абсолютного скол жения, переключающий блок 9 первый и второй регуляторы 10 и 11 напряже ния, преобразователь 12 частоты, со держащий первый и второй в.ыпрямители 13 и 14, первый и второй инверторы 15 и 16, блок 17 фазового сдвига, первый и второй датчики 18 и 19 напряжения, первый и второй блоки 20 и 21 разряда, первый и второй фильтры 22 и 23, первую и вторую схемы 24 и 25 управления выпрямителями, первую и вторую схемы 26 и 27 управления инверторамиJ первый и второй датчики 28 и 29 тока высших гармоник двигателя, регулятор 30 тока высших гармоник. , Последовательно соединенные выпрямитель 13, фильтр 22, датчик 18 напряжения, блок 20 разряда и инвертор 15 образуют канал преобразования частоты. Последовательно соединенные выпрямитель 14, фильтр 23, датчик 19 напряжения, блок 21 разряда и инвертор 17 образуют канал преобразования напряжения. Схемы 26 и 27 управления инверторами подключены к инверторам 15 и 16 соответственно. Входы указанных каналов подключены к статорным обмоткам асинхронного электродвигателя 1. Блок 17 фазового сдвига входом подключен к схеме 26 управления а выходом - к схеме 27 управления. Регулятор 2 скорости выходом подключен к инвертирующему усилителю 6, к функциональным преобразователям 4 и 5 и к схеме 26 управления. Регулятор 8 абсолютного скольжения подключен к блоку 7 вычисления абсолютного скольжения и через переключающий блок 9 к регулятору 2 скорости. Выходы регуляторов 10 и 11 нап- , ряжений подключены ко входам схем 24 и 25 управления соответственно. Электропривод, работает следующим образом. Сигнал на задание скорости Ujjjj, поступает на сумматор регулятора 2 скорости. Сюда же поступает с датчика 3 скорости сигнал фактической скорости привода. Под действием, разности этих сигналов регулятор 2 скорости вырабатывает сигнал на задание частоты преобразователя Uyj, который поступеет на вход первой схемы 26 управления первым инвертором 15 преобразователя 12 частоты. Для осуществления фазового сдвига напряжений на выходах первого 15 и второго 16 инверторов в преобразователе имеется блок 17 фазового сдвига. 79 Одновременно сигнал (} с выхода регулятора 2 скорости поступает на первый функциональный преобразовател , который формирует сигнал задания первому регулятору 10 напряжения. Регулятор 10 напряжения через схе му управления первым выпрямителем 2 устанавливает на выходе первого инвертора 15 определенную величину выходного напряжения. Сигнал Uu.i с выхода регулятора 2 скорости через второй функциональный преобразовател 5, второй регулятор 11 напряжения и вторую схему 25 управления вторым выпрямителем устанавливает величину напряжения на выходе второго инверто ра 16, Поддержание постоянства абсолютного скольжения двигателя осуществляют блок 7 вычисления абсолютного скольжения и регулятор 8 абсолю ного скольжения. К сумматору блока 7 вычисления абсолютного скольжения с выхода инвертирующего усилителя 6, служащего для согласования полярности подаваемых на сумматор напряжений подается сигнал Uy, пропорциональный частоте напряжения на обмотках асинхронного электродвигателя, а зна чит, и синхронной скорости поля в за зоре. А с выхода датчика 3 скорости к сумматору блока 7 вычисления абсолютного скольжения подается сигнал пропорциональный фактической скорост вращения ротора асинхронного электро двигателя. С выхода блока 7 вычисления абсолютного скольжения сигнал, пропорциональный модулю фактического абсолютного скольжения асинхронного электродвигателя, поступает на сумма тор регулятора 8 абсолютного скольже ния, куда через переключающий блок 9 поступает также сигнал заданного абсолютного скольжения , Переключающий блок 9 подключает сигнал заданного абсолютного скольжения к сумматору регулятора 8 абсолютного скольжения только после того, как появился сигнал задания скорости на входе регулятора 2 скорости. Это исключает появление на выходе регуля тора 8 абсолютного скольжения нала при нулевых сигналах задания , особенно при использовании в качестве регулятора 8 абсолютного скольжения астатических регуляторов. При отклонении абсолютного скольжени от заданного регулятора 8 абсолютног скольжения увеличивает или у еньшает задание регуляторам 10 и 11 напря 3 жения, т.е. изменяет поток в машине, восстанавливая заданное абсолютное скольжение р . Так как в данном приводе не предусматривается работа в режиме рекуперативного торможения, то с целью предотвращения чрезмерного повышения напряжения на конденсаторах фильтров 22 и 23 преобразователя 12 при возможных переходах асинхронного электродвигателя в генераторный режим преобразователь 12 снабжен датчиками 18 и 19 напряжения, по сигналу которых при предельном значении напряжения включаются блоки 20 и 21 разряда, предотвращающие дальнейший рост напряжения. Контроль синтезированного с помощью двух обмоток магнитного поля в асинхронном электродвигателе осуиествляется следующим образом, При возникновении режима, при котором токи высших гармоник обмоток неодинаковы, датчики 28 и 29 токов высших гармоник подают на сумматор регулятора 30 тока высших гармоник р.азнополярные сигналы. Под действием разности этих сигналов на выходе регулятора возникает напряжение, поступающее на сумматор второго функционального преобразователя 5- Полярность этого сигнала такова, что, воздействуя через второй функциональный преобразователь 5 на второй регулятор 11 напряжения, сигнал с выхода регулятора 30 тока высших гармоник таким образом изменяет напряжение на выходе второго инвертора 16 преобразователя 12, что разбаланс токов высших гармоник в обмотках устраняется, а значит, в зазоре устраняются поля высших гармоник вследствие их компенсации, уменьшаются потери в роторе от высших и повышается КПД привода. Для более точной компенсации полей высших в зазоре следует выполнять регулятор тока высших гармонических пропорционально интегральным или интегральным. Следует также отметить, что при этом не происходит значительного разбаланса токов в обмотках двух систем по основной гармонике. Причиной того является то, что токи первых гармонических в обмотках определяются в основном нагрузочной составляющей тока, общей для обеих обмоток. Не происходит и ухудшения использования габаритной мощности асинхронного электродвигателя, так как намагничивающие силы первых гармоник в зазоре складываются ариф метически. Таким образом, исполь зование пре латаемого изобретения позволяет повысить КПД электропривода. Формула изобретения Асинхронный частотно-регулируемый, электропривод , содержащий асинхронный электродвигатель с двумя статорными обмотками, сдвинутыми в пространстве относительно друг друга на 30 эл. град, датчик скорости, выходом связанный с регулятором скорости, выход которого чере первый и второй функциональные преобразователи соединен с первым и вторым регуляторами напряжения соот ветственно, инвертирующий усилитель входом подключенный к выходу регуля тора скорости, а выходом связанный с блоком вычисления абсолютного скольжения, к которому подключен вы ход датчика скорости, регулятор абсолютного скольжения, вход которого связан с выходом блока вычисления а солютного скольжения и через перекл чающий блок с входом регулятора ско рости, а выход регулятора абсолютного скольжения подключен к входам первого и второго регуляторов напряжения, преобразователь частоты, включающий два независимых канала преобразования напряжения и частоты каждый из которых составлен из последовательно соединенных выпрямите ля, фильтра, датчика напряжения, блока разряда, инвертора, схемы управления выпрямителями и инверторами указанных каналов, блок фазового сдвига, вход которого соединен со схемой управления инвертором первого канала, а выход - со схемой управления инвертором второго канала, вход схемы управления инвертором первого канала соединен с выходом регулятора скорости, выход каждого регулятора напряжения связан с входом схемы управления выпрямителя соответствующего канала преобразования, а выход каждого канала преобразования связан с одной из статорных обмоток асинхронного электродвигателя, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента полезного действия привода, в него введены датчики тока высших гармоник, каждый из которых включен последовательно с одной из статорных обмоток асинхронного электродвигателя, и регулятор тока высших гармоник, вход которого соединен с выходами датчиков тока высших гармоник, а выход подключен к входу второго функционального преобразователя. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Бедфорд Б., Хофт Р. Теория автономных инверторов. М., Энергия, 1969, с. 238. 2.Кочетков В.Д. и др. Принципы построения быстроходных частотнорегулируемых асинхронных электроприводов большой мощности.- Электромеханика. 147. № 10.

А

6

-4

Ыт