Вентильный электродвигатель

 

Изобретение относится к вентильным электродвигателям (БД) и может быть использовано в системах электропривода различных производственных механизмов при питании от источника соизмеримой мощности. Цель изобретения - уменьшение пульсаций вращающего момента двигателя и искажения питающего напряжения. ВД со звеном постоянного тока содержит синхронную машину 1с независимым возбуждением, подключенную к питающей сети 2 через два параллельно соединенных выпрямительно-инверторных агрегата с индиви- ЧЕВвМ УНг &}

СООЭ СООЕТСЙИХ .КЦ МВ Ю

РЕСПУБ МИН

„.SUÄÄ 25 2

А1 (59 4 Н 02 К 29/06

ГОСУД СТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССОР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

Ф

Е

-1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

{21) 3832934/24-07 (22) 26.12.84 (46) 23.09.86. Бюл. и 35 .(71) Криворожский ордена Трудового

Красного Знамени горно-рудный инстйтут (72) Д.И.Редькин (53) 621.313.13.014.2:621.382(088 ° 8) (56) Вентильные двигатели и их приме,нение на электроподвижном составе /

Пед ред. Б.Н.Тихменева.- И.: Транс; порт, 1976, с. 49 -53.

Весколлекторные регулируемые элек трические двигатели: Труды ВНИИэлектремащ. Л., 1983, с. 139-148. (54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТКЩ (57) Изобретение относится к вентильным электродвигателям (ВД) и может быть использовано в системах электропривода различных производственных механизмов при питании от источника соизмеримой мощности. Цель изобре-. тения — уменьщение пульсаций вращающего момента двигателя и искажения питающего ианряжения. ВД со звеном постоянного тока содержит синхронную машину I с независимым возбуждением, подключенную к питающей сети 2 через два параллельно соединенных выпрямительно-инверторных агрегата с индиви9

12S дуальными вводными реакторами 3, 4.

Каждый агрегат содержит соответственно первый и второй выпрямители 5, 8, первый и второй инверторы 6, 9, первый и второй сглаживающие дроссели

7, 10. Управление первым и вторым выпрямителями осуществляется от независимых систем регулирования с контуром, регулирования скорости, содержащим датчик скорости 11 на валу двигателя, .регулятор скорости 12, и с контуром регулирования тока, содержащим регуляторы 13, 14 -тока первого и второго выпрямителей, первые входы которых связаны с выходом регулятора скорости, а вторые входы - соответственно с выходами датчиков 15, 16. Выходы регуляторов 13 14 соединены с выходами систем 17, 1$ импульсно-фазового управления выпрямителями. Управление инверторами осуществляется от первой и второй систем 19, 20 импульсно-фазового управления инверторами.

ВД дополнительно снабжен блоком 23 выделения электромагнитного момента, подключенным первым и вторым входом

9428 к датчикам 24, 25 мгновенных значений напряжения инверторов, третьим входом — к выходу датчика 11, четвергым входом — к выходу датчика полного тока статора синхронной машины, пятым и шестым — к выходам датчиков 15., 16.

Выход блока 23 соединен с входом блока 26 выделения амплитуды колебаний электромагнитного момента, выход которого соединен с входом блока 27 нелинейности с зоной нечувствительности, выход которого соединен с одним из входом системы 19. Первый выход датчика 28 полного тока двигателя соединен с входом датчика 29 статического тока, второй вход — с входом датчика 30 динамического тока двигателя, а третий — с одним иэ входов блока 23. Вход блока 31 формирования угла управления инверторами связан с выходом датчика 29, а два выхода - с входами систем 19, 20. При ограниченной мощности сети мощность двигателя может быть увеличена примерно вдвое без каких-либо дополнительных устройств. 7 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к вентильным электродвигателям повышенной мощности., питаемым от преобразователей ча. стоты со звеном постоянно о тока, и может быть использовано в системах электропривода различных производственных механизмов при питании от источника соизмеримой мощности.

Цель изобретения — уменьшение .. пульсаций вращающего момента двигателя и уменьшение искажений питающего напряжения.

На фиг, 1 представлена блок-схема вентильного электродвигателя, на фиг.2 — схема блока выделения элек тромагнитного момента; на фиг.3— схема блока определения амплитуды изменения момента, на фиг.4 — линейные диаграммы формирования момента; на фиг.S -. схема датчика составляющих . тока; на фиг.6 - функциональная ñõåма блока формирования углов опережения, на фиг.7 - векторная диаграмма.

Вентильный электродвигатель со звеном постоянного тока состоит из синхронной машины 1 с независимым возбуждением, подключенной к питающей сети 2 через два параллельно соединенных выпрямительно-инверторных агрегата с индивидуальными вводными реакторами 3 и 4. Первый выпрямительноинверторный агрегат содержит первый

1О выпрямитель 5, первый инвертор 6, перкьпь сглаживающий дроссель 7. Второй выпрямительно-инверторный агрегат содержит второй выпрямитель 8, второй инвертор 9 и второй сглаживающий дро15 дроссель .10.

Управление первым и вторым выпрямителями осуществляется от неэависи1 мых систем регулирования с подчиненными контурами тока и скорости. Кон20 тур регулирования скорости включает датчик 11 скорости на валу двигателя и регулятор 12 скорости. Заданная скорость соответствует напряжению от независимого источника, поступающему

3 1259 вход регулятора скоросна второй тие

В контур регулирования тока входят регуляторы 13 и 14 тока первого и второго выпрямителей, первые входы которых связаны с выходом регулятора скорости, а вторые входы — соответственно. с выходами датчиков 15 и 16 тока второго и первого выпрямителей.

Выходы регуляторов 13 и 14 тока сое- 10 динены с выходами систем 17 и 18 импульсно-фазового управления выпрямителями.

Управление инверторами осуществляется от первой 19 и второй 20 систем импульсно-фазового управления инверторами. Системы импульсно-фазового управления синхронизированы напряжением статора с помощью блока 21 синхронизации инверторов, датчика 22 по- 20 ложения ротора. Синхронизация осуществляется известным способом: на малой скорости - с помощью датчика положения,: а на скорости, достаточной для естественной коммутации, — с помощью напряжения на зажимах синхронной машины.

В вентильный электродвигатель со звеном постоянного тока введены также30 блок 23 выделения электромагнитного момента вентильного двигателя, подключенный первым и.вторым входами к датчикам 24 и 25 мгновенных значений напряжения инверторов, третьим входом — к выходу датчика 11 скорости, четвертым входом — к выходу датчика полного тока статора синхронного двигателя, пятым и шестым - к выходам блоков 1 и 16. Выход блока 23 соединен с входом блока 26 выделения амп40 литуды колебаний электромагнитного момента, выход которого соединен с входом блока 27 нелинейности с зоной нечувствительности, выход которого соединен с одним из входов системы

19. Первый выход датчика 28 полного тока двигателя соединен с входом датчика 29 статического тока, второй выход — с входом датчика 30 динамического тока двигателя, а третий — с одним из входов блока 23 выделения электромагнитного момента.

Вход блока 31 формирования угла управления инверторами связан с выходом датчика 29 статического тока, i два выхода - с входами систем 19 и .20 управления инверторами.

428 4

Сигналы с входов от датчиков 24 и ,25 напряжения, а также блоков 15 и

16 поступают на множительные блока 32 и 33, выполняемые ка аналоговых множительных микросхемах. Выходы этих множительных блоков — сигнал, пропорциональный соответствующему значению электромагнитной мощности, подводи мой к первому и второму инверторам, питающим двигатель. Сигнал от датчика полного тока статора двигателя с входа сумматора 34 поступает на квадра" тор 35, с помощью которого определяются полные активные потери мощности в статорных цепях двигателя. Коэффициент усиления квадратора берется таким, чтобы учитывались потери в трех фазах, а также потери в стали двигателя. На вход квадратора 35 не подается сумма токов Х„ и Х„, так как

Ц1 полный ток статора двигателя формируется в виде геометрической, а не арифметической суммя составЛяющих выходных токов первого и второго инверторов.

Выходные сигналы блоков 32, 33 и

35 поступают на сумматор 34 и данее на делительный блок 36. Вторым входом делительного блока является сигнал о с датчика скорости двигателя. Таким образом, на выходе блока 23 получается зависимость развиваемого синхронной машиной 1 электромагнитного момента.

Линейные диаграмм, поясняющие процесс формирования электромагнитного момента двигателя И для

ЗЕ р случая равенства значений выпрямленных токов первого и второго инверторов, представлены на фиг.4. На диаграммах обозначены также угол опережения управления инверторами .р средЕ нее значение электромагнитного момен та И е, амплитуда колебаний элекЕ ср тромагнитного момента, блок фазы статора двигателя, угол коммутации вентилей инвертора g

Е

Блоки 24 и 25 представляют собой датчики мгновенных значений напряжения, например реостатные датчики.

Известными. техническими средствами может быть осуществлена и гальваническая развязка их от блока 23, если такая необходимость возникает.

Блок выделения амплитуды колебаний электромагнитного момента состоит из фильтра, выделяющего среднее значение электромагнитного момента М, сумЭс9

Ф 12594 матора, на котором определяется разность между текущим значением электромагнитного момента М и его средэ ним значением.

Фильтр блока 26 содержит пассивный RC- или ЬС-фильтр 37 с выходным усилителем, обеспечивающим результирующий коэффициент. передачи 1 О, и сумматор 38. Выход блока 26 (вход сумматора 38) связан с блоком 27, представляющим собой нелинейность с зоной нечувствительности. Указанная нелинейность является типовой.

Величина зоны нечувствительности блока 27 выбирается равной допустимому значению амплитуды колебаний электромагнитного момента, Указанное значение не может быть равно нулю, поскольку в схеме вентильного электродвигателя со звейом постоянного тока невозможно в принципе получить электромагнитный момент без пульсаций при конечном числе фаз статора двигателя. Максимум пульсаций электромагнитного момента и, следовательно, зо- 2> на нечувствительности должны получиться меньше максимума пульсаций момента вентильного двигателя при шестифазном инверторе и несколько выше значения, которое характерно.для двенадцатифазного инвертора (примерно в 1,8-2,3 раза меныае пульсаций при шестифаэном инверторе).

Датчик полного тока двигателя представляет собой известную схему измерителя тека (фиг.5). Ток статора

35 двигателя контролируется с помощью трансформаторов 39 тока, соединенных в звезду. Обмотки трансформаторов нагружены на выпрямитель 40 с выходным

40 резистором 41 и конденсатором 42.

Нагрузкой измерителя являются резисторы 43 и 44, конденсатор 45 и резисторы 46, Сопротивления конденсатора и резисторов таковы, что ток нагрузки

45 невелик по сравнению с выпрямительным током выпрямителя 40. С резистора 43 снимается сигнал, пропорциональный полному току двигателя, сигнал дополнительно усиливается и формируется с помощью усилителя. С резистора 44

5О . снимается сигнал, пропорциональный статической составляющей полного ток а.

Датчик статического тока реализуется на резисторе 44 и усилителе.

С резистора 46 снимается сигнал, пропорциональный динамической составляющей полного тока. Датчик динамической

28 б составляющей реализуется с помощью конденсатора 45, резистора 46 и усилителя 47, Выход датчика 30 динамического тока соединен с третьим входом регулятора тока первого выпрямителя.

Выходы усилителей 48 и 49 являются выходами соответственно датчика статического и датчика полного токов.

Выход датчика статического тока через блок 31 формирования углов опережения инверторов связан с входами систем

19 и 20 импульсно-фазового управления .

Блок 31 {фиг. 6) включает сумматоры 50 и 51, масштабные блоки 52 и 53, нелинейные блоки 54 и 55, масштабный блок 56, сумматор 57, нелинейный блок

58. С помощью блоков 54, 55 и 58 реализуется зависимость

Х, P = arccos (1 — — - -)

Е У

К где Х, — значение статического тока двигателя;

Х„ — амплитуда сверхпереходной составляющей тока двухфазноного короткого замыкания синхронного двигателя в номинальном режиме

P — угол опережения управления, равный углу коммутации инверторов или выпрямленном токе инерторов Х 1

I

I = - (это минимальное значение

2 угла опережения управления, при котором возможна работа вентильного двигателя).

Коэффициент усиления масштабного

1 блока 52 ранен К = †††. Аналогично

7.

К с помощью блоков 51., 53 и 55 реализуется зависимость

Х р = arccos (1 — -- — — ), " я 2т

Ка @фициент усиления блока 53 бе t рется равным К

2I

Угол б численно равен углу комму2 тации одного отдельно взятого инвертора в случае, если era токовая нагрузка равна половине суммарной. Очевидно, что

Условие, обеспечивающее нормальное использование электродвигателя, заключается в том, чтобы коэффициент мощности двигателя оставался примерно постоянным. В условиях равенства Ig,=

t Е

1259 Х справедливым должно быть равенство

Е,1 cos p. + Ед cosp (Ig + .Ig )х х cosp или 5

cos p, + соя р 2 cos.p .

В соответствии с фиг.б и. приведенным равенством очевидна реализация зависимости P, = arccos (2 cos P

- eos фг) с помощью блоков 56-58. 10

Коэффициент усиления блока 56 берется равным двум.

На. фиг.7 представлена векторная диаграмма, иллюстрирующая два возмож ных режима вентильного двигателя. В 15 первом режиме управления первым и вторым инверторами углы опережения управления равны друг другу, т, е. ф . При втором — первый инвертор имеет угол опережения управления, а 2О второй 15 . При этом 11 > 15 " и вйполняется условие, обеспечивающее неиэмеиность (постоянство) коэффициента мощности двигателя при вариациях р и ф . в зависимости от тока двигателя. 25

Выполнение блока 31 осуществляется с помощью стандартных .аппаратурных средств, в том числе и нелинейиостей, реализующих тригонометричеекую зависимость, 30

Устройство работает следующим абра зам °

В статическом режиме при малом ,.статическом моменте сигналы с выходов блоков 27 и 30 отсутствуют. На входы 35 регуляторов 13 и 14 тока поступают рваные по величине сигналы, в результате чего выпрямленные токи выпрямителей 5 и 8 равны друг другу (регуляторы токо вентильного двигателя как щиввило ПИ-регуляторы). Углы управлещуя выпрямителями при этом отличают.ся друг от друга, так как A„ 4 фг .

Таким. образом, первый выпрямитель ,имеет угол управления g, d. . Углы сбережения управления p и Pã с ц лью ловьаиения.устойчивости инвертировамия берутся с некоторым запасом относительно расчетных. Превышение указанных углов находится в тех же пределах, которые характерны для венти-. лькых электродвигателей с одиночным .инвертором.

С увеличением нагрузки на валу двигателя увеличивается ток. Х,1

E ..

Х,1 + Ц, изменяются при этом эна1 . г чения углов опережения управления ф,,P>, углов коммутации g

428

Процесс формирования кривых момента вентильного электродвигателя пред ставлен на фиг.4. Кривые М (t) и

М (й), I>q н Iи определяют Нолю электромагнитного момента двигателя, развиваемого от тока инверторов. При этом процессы формирования электромагнитного момента можно рассматривать независимо друг от друга для одного и второго инверторов. Так как выпрямленный ток Е,1 составляет только половину суммарного IJ

Е Iд + Е,1, углы р и у невелики. Так

1 г г г в обычных схемах вентильных электро1 вигателей

4 устройстве Р†вЂ, Значение М 1

6 гср вследствие независимой работы инверзначение амплитуды переменной составляющей момента

1 лМг- Ig sing K, = 0,5.К, sin — —, r г i где ʄ— коэффициент пропорциональности, зависящий только от конструктив.— ных характеристик двигателя °

Для первого инвертора имеем. аМ, = Е,1 -sing K -„0 5 К, sin fL,.

Если углй опережения управления одинаковы и равны, амплитуда переменной составляющей электромагнитного момента примерно равна

Значения и р при р -) - на4 ходятся в пределах

2Г Я

6 3

Поэтому анализируемые значения равны соответственно 4 M,t =. 0,707 К, ° аМ = 0,25 К,, ьМ, = 0,433 К,.

Как видно из линейных диаграмм, фазовые положения нелинейных искажений кривой электромагнитного момента не совпадают. Поэтому в качестве расчетных следует взять большие значения для одного и второго случаев, а М

К, 0,707, ьМ, =- К 0,433.

Таким образом очевидно снижение амплитуды переменной составляющего момента примерно вдвое.

Реальное снижение указанного параметра иэ-за влияния процесса коммутации еще более значительно.

9 1259428 «О ривые злектромаг- тока исчезают практически гармоники и тока двигате- 5 и 7-го порядков. Укаэанное значеы также на .Фиг.4 ние разности имеет место при значениывает, что наряду ях углов опережения управления инверРезультирующие к нитного момента М, ля Ig представлен

Анализ кривых показ со снижением амплитуды переменной составляющей момента растет частота пульсаций его примерно вдвое. При этом улучшается кривая тока фазы статора двигателя. — снижается содержание гармоник тока, следовательно увеличи- 10 вается коэффициент полезного действия двигателя.

С. увеличением статического момента на валу увеличиваются расчетные значения углов P и р ир следова 15 тельно, уменьшается р постепенно приближаясь к P . Оледовательно, эффективность описанного процесса снижения переменной составляющей ам"плитуды электромагнитного момента по- 2б степенно снижается. С целью предотвращения указанного явления введен до полнительный сигнал с нелинейного блока 27 в схему 19 импульсно-фазового управления первого инвертора. При 25 этом угол Р дополнительно увеличивается до своего предельного значения, равного примерно l7 /3, Процесс улучшения кривой электромагнитного момента двигателя носит описанный ранее характер с той лишь разницей, что несколько снижается коэффициент мощности двигателя (в результате увеличения значений, и Д ). Следствием этого является рост суммарного тока

Yg . Однако в области номинальных

Е* нагрузок двигателя указанное явление не снижает положительных свойств устройства, заключающихся в улучшении злектромеханических характеристик двигателя. Дальнейшее увеличение уг-. ла,не происходит (выше значения

P †-). ввиду наличия в системах

Я

3, 19 и 20 ограничения по углу опереже- 45 ния управления (блок ограничения угла в системах импульсно-фазового управления является типовым).

Работа вентильного двигателя происходит при разных значениях углов управления первого и второго выпрямителей. Эта приводит к полной или частичной взаимной компенсации отдельных высших гармонических тока, генерируемых преобразователями в сеть.

Так, например, если разность углов управления выпрямителей 4a(d., — d, близка к 5 /6, то из кривой сетевого

1Г, „Ц торами P = —.- = — —. Эффективность улучшения качественных показателей потребляемого из сети тока несколько снижается со снижением Скоро.сти вращения вентильного двигателя, т, е. с ростом абсолютных значений углов управления d., и с(В динамических режимах, например, при увеличении момента на валу двигателя от датчика динамического тока подается сигнал на увеличение задания регулятора тока первого выпрямителя (выпряМителя с большим значением угла опережения управления).

Второй выпрямитель загружается только статической составляющей выпрямленного тока, чем обеспечивается повышенная устойчивость инвертирования первого и второго -инверторов. Процесс регулирования происходит в таком порядке; появляется сигнал на выходе датчика 30,увеличивается задание ре- ° гулятора 13,уменьшается в результате угол управления выпрямителем, растет ток через выпрямитель5 иинвертор 6. Ток через инвертор 9 остается без изменений.

При отрицательном сигнале с выхода датчика 30 наблюдается обратный процесс снижения нагрузки первого инвертора.

При увеличении задающего напряжения растет входной сигнал на входе регуляторов 13 и 14, уменьшаются углы управления вьптрямителей 5 и 8, растет общий ток двигателя. Практически одновременно начинает увеличиваться входной сигнал регулятора 13 за счет дополнительного сигнала от датчика

30. Инвертор 6 будет брать еще большую нагрузку, а инвертор 9 постепенно начинает разгружаться до статического тока.

Процесс регулирования при уменьшении напряжения задания происходит в указанном порядке.

Таким образом осуществляется функционирование вентильного двигателя, обеспечивающего минимизацию переменной составляющей электромагнитного момента, а также улучшение качественных показателей. электроэнергии на входе вентильных преобразователей.

Снижение переменной составляющей электромагнитного момента двигателя примерно вдвое исключает его вибрацию, вибрацию отдельных его частей и в особенности токонесущих. Двигатель становится менее чувствительным при работе на скоростях, где появляются его.резонансные частоты. Благодаря режиму работы инверторов, близкому к 12-фазному, существенно улуч° шается форма кривой его тока. Коэффициент полезного действия двигателя !О возрастает примерно на 0,2-0,37. за счет снижения удельного веса гармонических и потерь от них. Различные значения углов управления выпрямителями приводит к тому, что вдвое при- 15 мерно снижается амплитуда коммутационных искажений в кривой сетевого напряжения, так как коммутации вентилей выпрямителей осуществляются независимо друг от друга, т. е. и в сети по- 20 лучается режим выпрямлеиия, близкий к 12-фазному. В этих условиях использование предлагаемого устройства приводит к улучшению качества напряжения. Если мощность сети ограничена, 25 то при одних и тех же планируемых качественных показателях питающего напряжения с использованием предлагаемого устройства мощность двигателя ,может быть увеличена примерно вдвое 30 без использования дополнительных устройств.

Формула изобретения

Вентильный электродвигатель, содержащий синхронную машину с независимым возбуждением, два параллельно соединенных между собой выпрямительно-инверторных агрегата, образующих преобразователь частоты со звеном по- 40 стоянного тока, системы импульснофазового управления первым и вторым выпрямителями, первым и вторым инверторами, регуляторы тока выпрямителей, первый и второй датчики тока Выпря 4 мителей, выходы которых соединены с

;вторыми входами регуляторов тока первого и второго выпрямителей соответственно, регулятор скорости двигателя, подключенный к первым входам,ре1259428 12 гуляторов тока, выпрямителей, датчик скорости, связанный с входом регуля- . тора скорости двигателя, датчик положения ротора, блок синхронизации инверторов, связанный входами со статорными обмотками двигателя и датчиком положения ротора двигателя, а выходами — с первыми входами систем импульсно-фазового управления первым и вторым инверторами, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью уменьшения пульсаций вращающего момента и искажения питающего напряжения, он снабжен датчиками мгновенных значений напряжений первого и второго инверторов, датчиками статического и динамического токов двигателя, блоком выделения электромагнитного момента двигателя, блоком выделения амплитуды переменной составляющей электромагнитного момента, блоком нелинейности с зоной нечувствительности, блоком формирования углов опережения инверторов, причем датчики мгновенных значений напряжений первого и второго инверторов связаны соответственно с первым и вторым входами блока выделения электромагнитного момента, выходы датчиков тока выпрямителей связаны с пятым и шестым его входами, выходы . датчиков тока двигателя - с четвертым его входом, выход датчика скорости связан с третьим входом блока выделения электромагнитного момента двигателя, выход которого через последовательно связанные блок выделения амплитуды переменной составляющей е электромагнитного момента и блок нелинейности с зоной нечувствительности связан с вторым входом системы им-. пульсно-фазового управления первым инвертором, выход датчика статического тока двигателя связан с входом .,блока формирования углов опережения инверторов, выходы которого связаны с вторыми входами систем. импульснофазового управления инверторами, выход датчика динамического тока двигателя связан с третьим входом регулятора тока первого выпрямителя.

1259428

1259428

ФгУ

Яг Р1 uz. б

Составитель А.Санталов

Техред Л.Сердюкова Корректор М.Максимишинец, Редакгор А.Шишкийа

Тираж 631 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 5135/55

Э Э

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

l

l

I

J %7УЫУ

ИИ0/ШЧВСНОГО

Ю РАГ

Numpurr

ГЮ4ЮЯУЯМ%7Г

mud ю ы

ЛРЮИРГР

Mfa