Вентильный электродвигатель

 

ВЕНТИЛЬНЬЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ, содержащий синхронную машину, обмотка якоря которой соединена с цепью питания через управляемые вьшрямитель и инвертор, блок фазового управления тиристорами инвертора, регулятор скорости, датчик частоты вращения , датчик тока двигателя, управляемый выпрямитель для питания обмотки возбуждения, функциональный преобразователь , датчик тока возбуядения и регулятор тока возбуждения, подключенный входом к датчику тока возбуждения и через функциональный преобразователь к датчику тока двигателя, отличающийся тем, что, с целью повышения энергетических показателей путем осуществления работы вентильного двигателя в режиме поддержания постоянного момента, в него введены датчик постоянного напряжения инвертора, датчик напряжения на обмотке якоря, усилитель, делитель , блок арккосинуса, перемножитель и сумматор, функциональный преобразователь содержит подключенные к датчику тока двигателя второй пе (Л ремножитель,и второй сумматор, который через второй перемножитель и блок арккосинуса подключен к делителю, первый вход которого через усилитель подключен к датчику напряжения на обмотке якоря, а второй вход через второй сумматор - к датчику постоянного напряжения инвертора и к второму перемножителю, входы которого СП to соединены с датчиком тока дгагатепя и датчиком частоты вращения, выход Од регулятора скорости подключен к блоку фазового управления тиристорами инвертора.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЩЕЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

4(51) Н 02 К 29/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTQPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3611341/24 — 07 (22) 24.06.83 (46) 23.02.85. Вюл. М 7 (72) О.A. Алекперов (53) 621. 313. 13. 014. 2: 621. 382(088. 8) (56) i Рабинович З.Я. Электроснабже е и электрооборудование магистральных аэопроводов. М., "Недра", 1976, с. 130-131. . 2, Аракелян А,.К. и др. Вентильный электропривод с синхронным двигател м и зависимым инвертором. М., "Энергия", 1977, с. 33, формула 1-25.

3. Патент Японии М:. 50-.3485, кл. 55 С 2 P 7/00, опублик. 05.02.75.

4. Русов Е., Коровинских Л. 0 регулируемом электроприводе для центробежных насосов магистральных нефтегазопроводов. — "Машины и нефтяное оборудование", 1979, У 6, с. 32. (54) (57) ВЕНТИЛЬНЫИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ, содержащий синхронную машину, обмотка якоря которой соединена с цепью питания через управляемые выпрямитель и инвертор, блок фазового управления тиристорами инвертора, регулятор скорости, датчик частоты вращения, датчик тока двигателя, управляемый выпрямитель для питания обмотки возбуждения, функциональный преоб„„SU„„1141526 разователь, датчик тока возбуждения и регулятор тока возбуждения, подключенный входом к датчику тока возбуждения и через функциональный преобразователь к датчику тока двигателя, отличающийся тем, что, с целью повышения энергетических показателей путем осуществления работы вентильного двигателя в режиме поддержания постоянного момента, в него введены датчик постоянного напряжения инвертора, датчик напряжения на обмотке якоря, усилитель, делитель, блок арккосинуса, перемножитель и сумматор, функциональный преобразователь содержит подключенные к датчику тока двигателя второй перемножитель.и второй сумматор, который через второй перемножитель и блок арккосинуса подключен к делителю, первый вход которого через усилитель подключен к датчику напряжения на обмотке якоря, а второй вход через второй сумматор — к датчику постоянного напряжения инвертора и к второму перемножителю, входы которого соединены с датчиком тока двигателя и датчиком частоты вращения, выход регулятора скорости подключен к блоку фазового управления тиристорами инвертора.

1141526

Изобретение относится к электротехнике, конкретнее к вентильным электродвигателям, и может быть использовано в приводах насосов и перекачивающих агрегатов, где необходиI мо управлять их производительностью.

Повышение экономической эффективности работы насосных и компрессорных станций тесно связано с регулируемыми безредукторными синхронными 10 электроприводами. Решению этой задачи способствует применение системы регулируемого электропривода по схеме вентильного двигателя, включающего синхронно машину и упрваляемые вы- 15 прямитель и инвертор (13.

В случае узкого диапазона регулирования скорости прицода целесообразно регулировать ее изменением угла управления / тиристоров инвертора, 20 так как это позволяет иметь в схеме привода более простой, неуправляе— мый выпрямитель Г11 и(23. К тому же, регулирование скорости по каналу управляемого выпрямителя изменением 25 угла управления с его тиристоров имеет недостаток, связанный с тем, что с увеличением глубины регулирования угла o(растут нелинейные искажения в сети, сказывающиеся на коэффициен- 50 те реактивной мощности в узле нагрузок.

Возможность регулирования скорости.изменением угла видна из (1 ):

35 ск С, созе где n — частота вращения;

U — напряжение.на входе инвертора;

К „— коэффициент схемы, по кото- 40 рой собран инвертор;

С вЂ” постоянный коэффициент, зависящий от конструкции машины.

Известно устройство для возбуждения вентильного двигателя, содержащего синхронную машину, управляемые выпрямитель и инвертор с обмоткой возбуждения, включенной в рассечку между. выпрямителем и инвертором и обтекаемой постоянным током, пропорциональным выпрямпенному току двигаСз 2.

Недостатком этого устройства является зависимость возбуждения от работы управляемого выпрямителя и управляемого инвертора вентильного двигателя, а также то, что оно не обеспечивает работу вентильного двигателя в режиме поддержания постоянного момента при регулировании скорости

4 изменением угла управления тиристоров инвертора.

Наиболее близким по тех ической сущности и достигаемому результату к изобретению является вентильный электродвигатель, содержащий синхронную машину, обмотка якоря которой подключена к цепи питания через управляемые выпрямитель и инвертор, блок фазового управления инвертором, регулятор скорости, датчик частоты вращения, датчик тока двигателя, управляемый выпрямитель для питания обмотки возбуждения, функциональный преобразователь, датчик тока возбуждения и регулятор тока возбуждения, подключенный к датчику тока. возбуждения и через функциональный преобразователь к датчику тока двигателя. Управление скоростью двигателя осуществляется изменением величины постоянного напряжения на входе инвертора. Источником этого напряжения является управляемый тиристорный -выпрямитель с импульсно-фазовым управляющим устройством. Изменение величины выходного напряжения выпрямителя осуществляется регулированием yr— ла управления eL его тиристоров Г4 J.

Известное устройство в состоянии обеспечить работу в режиме поддержания постоянного момента при регулировании его скорости по каналу управляемого выпрямителя, однако оно не обеспечивает такую работу при регулировании скорости изменением угла управления тиристоров инвертора, так как в этом случае недостаточно управлять возбуждением только в зависимости от тока двигателя.

Цель изобретения — повышение энергетических показателей вентильного электродвигателя.

Цель достигается тем, что в устройство, содержащее синхронную машину, обмотка якоря которой соединена с цепью питания через управляемые выпрямитель и инвертор, блок фазового управления тиристорами инвертора, регулятор скорости, датчик частоты вращения, датчик тока двигателя, управляемый выпрямитель для питания обмотки возбуждения, функциональный преобразователь, датчик тока возбуж114152Ü ния !

50 дения и регулятор тока возбуждения, подключенный входом к датчику тока возбуждения и через функциональный преобразователь к датчику тока двигателя, введены датчик постоянного напряжения инвертора, датчик напряжения на обмотке якоря, усилитель, делитель, блок арккосинуса, перемножитель и сумматор, функциональный преобразователь содержит подключенные к датчику тока двигателя второй перемножитель и второй сумматор, который через второй перемкожитель и блок арккосинуса подключен к делителю, первый вход которого через уси- 15 литель подключен к датчику напряжения на обмотке якоря, а второй вход через второй сумматор — к датчику, постоянного напряжения инвертора и к второму перемножителю, входы которого соединены с датчиком тока двигателя и датчиком частоты вращения, выход регулятора скорости подключен к блоку фазового управления тиристорами инветора. 25

На фиг. 1 и 2 приведена структурная схема вентильного электродвигателя для возбуждения вентильного двигателя.

Вентильный электродвигатель содерЖит синхронную машину 1, с обмоткой якоря 2 которой соединен зависимый инвертор 3, блок 4 импульсно.-фазового управления которого связан с блоком 5 выделения коммутирующей элект35 родвижушей силы, соединенным с обмоткой якоря 2.

Управление тиристорами инвертора в зоне частот, превосходящих 3 Гц (пусковой режим не рассматривается), 40 осуществляется синхронно с частотой . вращения двигателя по коммутирующей сверхпереходной ЭДС, получаемой из напряжения на зажимах двигателя с помощью блока 5.

Инвертор 3 через сглаживающий реактор 6 связан с подключенным к сети управляемым выпрямителем 7, имеющим блок 8 импульсно-фазового управлеВ вентильном двигателе осуществля,ется регулирование скорости с подчиненным регулированием тока двигателя, отличающееся высокими показателями качества. На вход 4 подан выход ре- 55 гулятора 9 тока двигателя. Вход регулятора 9 соединен с выходом его схемы 10 сравнения, один вход которой

1 соединен с выходом датчика 11 тока двигателя, чувствительным элементом которого служит трансформатор 12 тока, а второй вход соединен с выходом регулятора 13 скорости, чей вход соединен с выходом его схемы 14 сравнения, один вход которой соединен с выходом датчика 15 частоты вращения, а второй вход соединен с выходом задатчика 16 скорости.

Устройство возбуждения содержит включенный на обмотку 17 возбуждения и подсоединенный к сети управляемый выпрямитель 18 возбуждения, вход блока 19 импульсно-фазового управления которого соединен с выходом регулятора 20 тока возбуждения, чей вход соединен с выходом его схемы 21 сравнения, один вход которой соединен с выходом датчика 22 тока возбуждения, чувствительным элементом которого является трансформатор 23 тока, а второй вход соединен линией 24 с функциональным преобразователем 25, который линией 26 соединен с датчиком 11 тока двигателя..В устройство введены датчик 27 постоянного напряжения инвертора, датчик 28 выпрямленного тока инвертора, чувствительным элементом которого служит шунт 29, датчик 30 напряжения на обмотке якоря, вычислитель 31 угла управления тиристоров инвертора.

Функциональный преобразователь 25 состоит из двухвходового перемножителя 32 и с ним последовательно соединенного сумматора 33, причем на один из входов каждого из них подан выход датчика 11 тока двигателя по линии

26, на второй вход перемножителя 32 выход вычислителя 31, входы которого соединены с выходами датчиков 27, 28, 30 и 15 соответственно линиями

34 — 37.

Вычислитель 31 состоит из усилителя 38, перемножителя 39 с двумя входами, сумматора 40, делителя 41 и блока 42 арккосинуса. Вход блока

42 соединен с выходом делителя 41, первый вход которого соединен с выходом сумматора 40, а второй вход соединен с выходом усилителя 38, вход которого соединен с выходом дат. чика 30, первый вход сумматора 40 соединен с выходом перемножителя 39, . а второй вход соединен с выходом датчика 27, первый вход перемножите1141526 ля 39 соединен с выходом датчика 28, а второй вход соединен с выходом дат- чика 15.

В связи с тем,что известные устройства не могут обеспечить постоян- 5 ство момента при регулировании скорости по каналу инвертора, рассмотрим работу предлагаемого электродвигателя в этом режиме.

Пусть а=сопзй и управление скоростью ведется изменением угла о .

Чтобы обеспечить работу вентильного двигателя в режиме поддержания постоянного момента, необходимо компенсировать размагничивающее действие реакции якоря при условии постоянства величины отношения напряжения на зажимах статора синхронной машины к числу оборотов. Компенсацию осуществляют регулированием возбуж- 20 дения по току двигателя. Графическое определение зависимости выполняют с помощью диаграммы Потье, . Зависимость тока возбуждения от тока двигателя для двигателей разных мощностей с достаточной точностью имеет линейный вид: (2)

В А где О* — ток двигателя, ЗО

Л в — ток возбуждения;

3 Во — ток возбуждения холостого хода;

К вЂ” постоянный коэффициент.

Вид зависимости и значение коэффициента К остаются неизменными при всех скоростях только в том случае, когда скорость регулируется изменением угла at à р остается постоянной величиной. 40

При регулировании скорости изменением угла р недостаточно регулировать возбуждение по уравнению (2), так как каждому новому значению р со- . ответствует новое значение коэффици- 45 ента К.

Коэффициент К есть коэффициент передачи замкнутой системы автоматического регулирования тока возбуждения по току двигателя: S0

Кр К

К=К К

АТс Фп 1+К Кв Ко р в ос где К. — коэффициент передачи датчика тока двигателя;

К вЂ” коэффициент передачи функ-. фв ционального преобразователяя;

Кр — коэффициент передачи регулятора тока возбуждения;

К вЂ” коэффициент передачи по8 следовательно соединенных выпрямителя возбуждения и обмотки возбукдения;

Кр — коэффициент передачи датчика тока возбуждения.

Влияние р на коэффициент К при автоматической настройке схемы регулирования тока возбуждения будет учтено, если в зависимости от р изменять коэффициент КФ„.

Зависимость К() получают следующим образом. Строят зависимости вида (2) при разных углах р (включая нижний и верхний предел его изменения).

Затем по значениям токов возбуждения, взятых из полученных зависимостей, при нормальном V. строят график .((P) °

Из выражения (2) получаем

З Э З 1-Э З I 3 в вр g{ Анрм! Вр 6 A но®J So

А g нрм *ном дном

Переход от. заданной графически зависимости 0 в(р) к зависимости К(3) осуществляется с помощью линейных преобразований — умножения на постоянный коэффйциент 1/О в нрм и уменьшения полученного произведения на поЭв

Стояиную величину ною дном А нрм

Таким образом, если в выражении (3) в соответствии с (4) изменять

К то получим желаемое регулироваФп ние возбуждения в зависимости от р., Иэ графика на фиг. 1

Ф

6 В К

p 1 где Э.В, р, Э в — соответственно теФ кущие и фиксированные значения параметров.

Нижнее значение р ограничено пределом устойчивости инвертора.

Если принять p = p „„и в =,1 В (Ье1п) °

В= в(ш1 ) К1(Р-Р„„„) . (Й

Подставляя выражение (5) в (4), получим в(ю1 ) (t J ;„) во

K(pil ном д ном

1141526

К =К-К р п фн

I (e j где рв ос

* ном

Рассматривая совместно выражения (3) и (б), получим

Э(.1K .-Э К

eh min f 1Рmin в, 1I Atc P

К К К

+ =Крр д ном д нам 1 "рКв "ос (7) В mini 1 min 80 *тс р в

К К К К 1S

К р в

А ком 1t р Кп ос

Регулировку тока возбуждения в зависимости от тока двигателя при переменном угле а можно осуществить, если выполнить функциональный преобразователь в устройстве 533 с коэффициентом передачи по формуле (8).

Введение в устройство параметра р обуславливает необходимость иметь в его составе вычислитель угла р . Одна из возможных схем вычислителя угла управления тиристоров инвертора реализует алгоритм определения угла р из ф.ормулы 30

О = ЧГ20СВЗ/3+=3, Х 1 2й0о,, (Sl зЛ 3 а = ofp где U — фазное напряжение на обмотке статора двигателя;

J. — срепнее значение выпрями ленного тока инвертора;

6„1 — постоянное напряжение на входе инвертора-;

Х вЂ” индуктивное сопротивление а фазы обмотки статора, or- 40 раничивающее ток короткого замыкания при коммутации тиристоров при номинальной частоте вращения;

5V — падение напряжения в откры"45 а том тиристоре (весьма малая величина).

Индуктивное сопротивление Ха(Ха=

=uL ) зависит от частоты вращения двиCl гателя 50

Хан л

Х„= —, (о!

"н где Ха„-Ха — при номинальной частоте вращения; и — величина номинальной

Н частоты вращения;

n — текущее значение частоты вращения.

Вычисление угла р производится по формуле, полученной из (9) 0,1 -Kzn3g

P=arc cos @>,(111 к u„ где U — линейное напряжение на обл мотке статора двигателя.

Аналоговые измерители величины, 2д, U äîëæíû быть подсоедине9 ны к соответствующим выводам инвертора на стороне постоянного тока (Ug, Jg ) и на стороне переменного тока (Бл). На вход вычислителя доложен поступать сигнал, пропорциональный величине и, от датчика частоты вращения. Датчик выпрямленного тока инвертора 3 @ по существу тот же датчик тока двигателя 1 (связаны соотношением 3 =0,817 3 ), так что сигЭ налом на выходе последнего можно пользоваться для вычисления угла

Задание скорости и осуществляется в соответствии с величиной давления

P в трубопроводе за перекачивающей станцией. Схема задатчика осуществляет выполнение функциональной зависимости n (P) и функциональной зависимости р(п). Здесь не рассматривается устройство схемы задатчика, как не имеющей непосредственное отношение к устройству возбуждения. Зависимость p(n) просчитывается и уточняется экспериментально.

Устройство работает следующим образом.

Пусть заданный задатчиком 16 сигнал сравнивается в блоке 14 с величиной сигнала от датчика 15 оборотов и результат сравнения пбступает на вход регулятора 13 скорости. Величина выходного сигнала блока .13 служит заданием для регулятора 9 тока двигателя. В блоке 1.0 сравниваются величины сигналов от регулятора 13 и от датчика 11 тока двигателя, и результат сравнения подается на вход регулятора 9 тока. Выходной сигнал регулятора 9 воздействует на блок

4 импульсно-фазового управления инвертора 3, устанавливая значение угла управления тиристоров инвертора, соответствующее заданной скорости.

Действующее в системе значение угла управления тиристоров инвертора вычисляется блоком 31 в соответствии

1141526

10 с выражением (11) . Величины сигналов от датчика 28 выпрямленного тока инвертора и от датчика 15 оборотов перемножаются в инвертирующем перемножителе 39 с коэффициентом усилен-. ния К,,и результат операции складывается с величиной сигнала от датчика 27 постоянного напряженця инвертора.в сумматоре 40. В делителе 41 осуществляется деление выходной величины сумматора 40 на выходную величину усилителя 38 с коэффициентом усиления Кз, на вход которого поступает сигнал от датчика 30 линейного напряжения на обмотке статора. В блоке 42 арккосинуса осуществляется вычисление функции арккосинуса по значениям аргумента от делителя 41.

Выходом блока 42 является действующее в системе значение угла управления тиристоров инвертора.

По сигналам от вычислителя 31 и датчика 11 тока двигателя в перемножителе 32 осуществляется перемножение, и результат операции с весовым коэффициентом К" в сумматоре 33 складывается с сигналом от датчика

11 тока двигателя с весовым коэффициентом К . Величина сигнала на вы— ходе сумматора 33 является заданием для регулятора 20 тока возбуждения.

В блоке 21 сравнения сравниваются задание от блока 33 и.величина сигнала от датчика 22 тока возбуждения.

5 По результату сравнения регулятор

120 вырабатывает сигнал управления, поступающий на вход блока 19 импульсно-фазового управления выпрямителя возбуждения. Устанавливается соответствующее напряжение возбуждения, и такой ток в обмотке 17 возбуждения, который в соответствии с выражениями (2), (3) и (8) компенсирует размагничивающее действие реакции якоря. Подачей сигнала от датчика 22 тока возбуждения на вход блока 21 сравнения осуществляется стабилизация тока возбуждения при колебаниях напряжения питания выпрямителя 18.

Вентильный двигатель в режиме поддержания постоянного момента благодаря точной компенсации размагничиваю— щего действия реакции якоря, достигаемой коррекцией коэффициента передачи системы автоматического управ ления током возбуждения по току двигателя в зависимости от величины угла управления тиристорами инвертора, имеет повышенные энергетические лов казатели при работе в механизмах с переменной скоростью вращения.

1141526

1141526

Составитель А.Санталов

РедаН Н.Данкулич Техред М.Надь Корректор И. Эрдейи

Заказ 509/42 Тираж 646 Подписное

ВНИИПО Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал 1П1П "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4