Способ компенсации пульсаций вращающего момента вентильного электродвигателя

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим машинам различного назначения при работе их от преобразователей частоты. Целью изобретения является уменьшение пульсаций момента вентильного двигателя (ВД), расширение области применения, а также улучшение энергетических и массогабаритных показателей ВД. Способ осуществляется следующим образом. Определяют величину и фазу основной составляющей вектора результирующего потокосцепления и вычисляют требуемую величину переменной составляющей потокосцепления возбуждения и пропорциональную ей переменную составляющую тока возбуждения из условий обеспечения постоянства значения проекции вектора результирующего потокосцепления на направление, ортогональное вектору тока якоря, равного среднему значению для заданного момента нагрузки. Приводятся варианты способа, отличающиеся характером регулирования тока возбуждения. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

COfO3 СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (5)) 4 Н 02 К 29/06

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЬГТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, /

H А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

М вЂ” V i — (q; +, ) i,, ()) где

Й 4i проекция основной сос с Я тавляющей вектора резуль т ирующе г о п о токосцепления на ось Я, ор(21) 4) 46937/24-07 (22) ) 7.1! .86 (46) 15.05 89. Бюл. ) - 18 (7 ) Всесоюзный научно-исследовательский институт электромашиностроения (72) Р.К. Евсеев и А.С. Сазонов (53) 62) .313.292(088.8) (56) Вентильные двигатели и их применение на электроподвижном составе.

Под ред. Б.Н. Тихменева. М.: Транспорт, 1 976, с. 18-2! .

Conf. Pec. Pap. IREE Ias Int Ce-, micond . Power Confert. .Conf . Lake

Buena Vista, F1a, 977, New York, 1 977, с. 320-326. (54) СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ПУЛЪСАЦИИ

ВРА)ЦАЮЩЕГО MOMEHTA ВЕНТИЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ (57) Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим машинам различного назначения при рабсте их от преобразователей часто1

Изобретение относится к электротехнике, конкретно к регулируемым электрическим машинам различного назначения при работе их от преобразователей частоты.

Целью изобретения является уменьшение пульсаций момента вентильного электродвигателя (ВД), расширение области применения, а также улучшение энергетических и массогабаритных показателей ВД.

На фиг. ) приведена векторная диаграмма изображающих векторов ВД при регулировании тока возбуждения электромеханического преобразователя

„„SU„„1480045 А1 ты. Целью изобретения является уменьшение -пульсаций момента вентильного двигателя (ВД), расширение области применения, а также улучшение энергетических и массогабаритных по— казателей ВД. Способ осуществляется следующим образом. Определяют величину и фазу основной составляющей вектора результирующего потокосцепления и вычисляют требуемую величину переменной составляющей потокосцепления возбуждения и пропорциональ— ную ей переменную составляющую тока возбуждения из условий обеспечения постоянства значения проекции вектора результирующего потокосцепления на направление, ортогональное вектору тока якоря, равного среднему значению для заданного момента нагрузки. Приводятся варианты способа, . отличающиеся характером регулирования тока возбуждения. 6 з.п.ф-лы, 5 ил.

2 (ЭМП) ВД по предельной оси, на фиг. 2 — то же, по поперечной оси, на фиг. 3 — то же, по продольйой и поперечной осям; на фиг. 4 — диаграмма токов и ЭДС ЭМП ВД; на фиг.5устройство для осуществления способа.

Электромагнитный момент ВД определяется из соотношения:

1480045

30 тогональную направлению вектора тока якоря

ЭМП (ось g ), и ее постоянная и переменная

S составляющие.

Согласно выражению (1) момент ВД пропорционален модулю вектора тока якоря и проекции основной составляющей вектора результирующего потокосцепления, создающего поток в зазоре, на направление, ортогональное вектору тока якоря.

Пульсации тока и момента ВД обусловлены в общем случае изменением взаимного расположения магнит— ных осей обмотки якоря и индуктора на межкоммутационном интервале и дискретным переключ е |ием секций обмотки якоря на коммутационном интер- 20 вале, вызывающим скачкообразное изменение взаимного расположения магнитных осей обмоток якоря и возбуждения, что сопровождается наведением в обмотке якоря модуляционнььх сос- 25 тавляющих ЭДС вращения и трансформации. При этом векторы тока якоря и результирующего потокосцепления . содержат постоянные составляющие, соответствующие амплитудам первых гармоник, и переменные составляющие, соответств ующие высшим временным и пространственным гармоникам. Рассмотрение механизма возникновения модуляционных составляющих ЭДС показывает, что их появление связано, в первую очередь, с переменной составляющей тока якоря, обусловленной несоответствием формы питающего напряжения форме выпрямленной противоЭДС ЭМП ВД.

Пусть, например, к обмотке якоря

ВД приложено напряжение прямоугольной формы. Для того, чтобы отсутствовали переменная составляющая тока якоря и связанные с ней модуляцибнные составляющие ЭДС, необходимо, чтобы форма "выпрямленной" противоЭДС ВД была также прямоугольной. При этом пульсации момента ВД также будут отсутствовать .

Следовательно, для подавления пульсаций тока и момента ВД необходимо формировать "выпрямленную(противоЭДС ВД так„чтобы исключить условия появления переменной составляющей вектора тока якоря.

Предлагаемый способ компенсации пульсаций така и момента ВД сснован на искусственном формировании формы противо-ЭДС ЭМП (при синусоидальном распределении магнитной индукции) путем регулирования поля возбуждения так, чтобы исключить появление переменной составляющей вектора тока якоря, и сводится к непрерывному слежению за изменениями проекции вектора результирующего потокосцепления на ось, ортогональную вектору тока якоря, и к поддержанию ее величины неизменной на заданном уровне и равной ее среднему значению для каждого заданного момента нагрузки путем регулирования поля возбуждения, т.е. вводится обратная связь по переменной составляющей проекции вектора результирующего потокосцепления: — (2) где q< — среднее значение проекции основной составляющей вектора результирующего потокосцепления на ось Е.

Покажем, что условие поддержания постоянства проекции вектора резуль; ( тирующег о потокос цепления y g является достаточным для исключения пульсаций тока и момента ВД.

Так, например, при работе коммутатора ВД в режиме инвертора тока переменная составляющая вектора тока якоря отсутствует и пульсации момента ВД обусловлены изменением проекции основной составляющей вектора результирующего потокосцепления (л(,р . Следовательно, поддержание проекции указанного вектора на заданном уровне согласно выражению (1) приводит к исключению пульсаций момента ВД.

В случае работы коммутатора ВД в режиме инвертора напряжения к двум фазам ЭМП приложено постоянное напряжение. При этом поддержание постоянства проекции основной составляющей вектора результирующего потокосцеп— ления ((> (обусловливает постоянство выпрямленной противо-ЭДС ЭМП, что определяет неизменную величину модуля вектора тока якоря, а значит согласно выражению (1) и момента ВД.

Указанные вьшге условия справедливы как для межкоглмутационного, так и коммутационного интервалов работы

ВД.

Таким образом, для подавления пуль— саций вращающего момента ВД достаточ1480045 4f = Ма (5) где 84 — проекция переменной сос- 25

fE тавляющей вектора потокосцепления возбуждения на ось

4

5Е ср! где 4

Ч

«! о (6) 5Е, ная составляющая, причем (1 О) (11) 5 ным является BbtnoJIHpHBE условия (2), для ч er о необходимо определить величину и фазу основной составляющей вектора результирующего потокосцепле— ния 4 и вычислить требуемую величину переменной составляющей потокосцепления возбуждения а4 и пропорциональную ей переменную составляющую тока возбужденияд1у из условия обеспечения постоянного значения проекции вектора результирующего потоко« сцепления 4 « на направление, ортого— нальное вектору тока якоря, равное ее среднему, значению для заданного момента нагрузки, при этом + д j (3)

Тогда с учетом условия (2) 4 + Б Q gy = « + D4®= 4JE

«М (4)

Откуда

Аналогичного результата можно достичь при поддержании проекции вектора полного потокосцепления неизменной на заданном уровне и равной ее среднему. значению для каждого заданного момента нагрузки путем регулирования поля возбуждения: проекция вектора полного потокосцепления на ось Е, среднее значение проекции основной составляющей вектора полного потокосцепления, на ось E и ее постоян4 5

5 (7)

Итак, условия (2) и (5) являются основными при подавлении пульсаций момента ВД.

Условие (5) можно выполнить путем регулирования тока возбуждения

ЭИП по продольной оси d, по поперечной оси q или по продольной и поперечной осям одновременно.

Рассмотрим выполнение условия (5) при регулировании тоха возбуждения по продольной оси. Необходимая переменная составляющая потокосцепления возбуждения определяется из векторной диаграммы.(фиг . !), построенной для изображающих векторов токов и потокосцеплений при протекании тока в фазах а, Ъ, угол опережения относительно ЭДС холостого хода

30 эл.град., угол опережения относительно напряжения р = 15 эл.град. и угол коммутатции г = О (принуди)6 тельная коммутация) . Из векторной диаграммы видно, что для компенсации пульсаций момента ВД необходимо, чтобы конец вектора результирующего потокосцепления по мере вращения ин2р дуктора двигался по прямой, совпадающей по направлению с вектором тока якоря и отсекающей на оси Е значение потокосцепления 4 = 4 . При

Ь этом имеем

4,1« = й4,р /соа Я, (8), где VgE = 4,раисов(q- 7i/6 — p)— — 3/7) cos p 1 — v/6- р л 4 — пераo> f/ менная составляющая вектора потокосцепления возбуждения по оси d

p p — углы опережения включения при нагрузке и холостом

35 ходе, текущий угол поворота.

При регулировании тока возбуждения по поперечной оси q необходимый закон изменения потокосцепления возбуждения по оси q определяется (фиг. 2):

d4> = Q4 «« E /sin

fd (9)

Регулирование тока возбуждения . Б по продольной и поперечной осям (фиг. 3) необходимо производить по соотношениям:

«! QgE co s

1 бо 4 Д„

8q r « Р

Использование возбуждения ЭМП по двум.. осям дает возможность наряду с подавлением пульсаций момента дополбб нительно улучшить энергетические и массогабаритные показатели ВД за счет исключения составляющих потокосцеплений, связанных с реактивной мощностью ЭИП. При этом регулирование по1480045 — 8 vgE соз — vg sin i

Иэ 9

= IIVgE sin — +I cos < >

1%3 g 1 где л vg = ср P ахп(4 — Л6-р )+ !

+ 3/II сов p — переменная составляющая проекции основной составляющей вектора результирующего по(14),0 (1 5) токосцепления на направление р вектора тока якоря; (! „ = v sin(4 — v/6 -Р ) — про- 20

9 екция основной составляющей вектора результирующего потокосцепления на направление вектора тока .якоря. 25

В последних двух способах регулирования потокосцепления возбуждения по двум осям происходит поддержание вектора результирующего потокосцепления в первом случае равным по амплитуде и фазе постоянной составляю— щей вектора результирующего потокосцепления, а во втором случае ортогональным вектору тока якоря и равным проекции постоянной состав35 ляющей вектора результирующего пото-. косцепления

Итак, регулирование потока возбуждения в двух осях позволяет наиболее полно компенсировать пульсации момента ВД, а также улучшить массогабаритные и энергетические показатели ВД.

Регулирование потока возбуждения по оси d является наиболее простым и по условиям компенсации пульсаций момента не уступает случаю регулирования потока возбуждения в двух осях, однако такое регулирование сопряжено с дополнительным потреблением реактивной мощности. С точки зрения потребления реактивной мощности регулирование потока возбуждения по ос.и q обладает определенными преимуществами, однако регулирование потока возбуждения по поперечной оси не позволяет полностью компенсировать пульсации момента ВД (при регулировании потока по поперечной оси имееттокосцеплений возбуждения необходимо производить по следующим соотношениям (фиг . 3) ф ) — — II VgE cos < — a /3р sin ., (1 2) 5 а М Ч = а ЮЯ Я1п 7. — ВЮУ cos Г (13) а также ся ограничение в регулировании минимума потока возбуждения).

Для пояснения, способа на фиг. 5 приведена схема устройства для его осуществления.

Устройство содержит генератор 1 постоянного тока с регулятором 2 возбуждения, электромеханический преобразователь (ЭМП) 3, обмотка якоря которого связана с выходом инвертора

4 через трансформатор 5 тока, систему 6 управления (СУ), датчик 7 углового положения ротора (ДПР) ЭМП 3 с дополнительной продольной, обмоткой возбуждения, вычислительное устройство 8, усилитель 9 тока возбуждения, датчики 1 О, 11 тока регулируемого и нерегулируемого возбуждения по продольной оси ЭМП 3.

Регулирование частоты вращения

ЭМН 3 производится изменением амплитуды напряжения генератора с помощью регулятора 2 возбуждения генератора 1 . Напряжение генератора 1 подается на обмотку якоря ЭМП 3 через инвертор 4, управляемьй от датчика 7 угловorо положения ротора (ДПР), выполненного в виде синусно-косинусного вращающегося трансформатора. В зависимости от величины сигнала управления U угла опережения включения сигналы ДПР 7 сдвигаются по фазе и подаются на вычислительное устройство

8, а также используются для формирования импульсов управления инвертором 4. По сигналам ДПР 7. (sin i,, cosi) фазным токам ЭМП 3, а также токам регулируемогo и нерегулируемого возбуждения ЭМП 3 с помощью вычислительного устройства 8 известными способами определяются проекция основной составляющей вектора результирующего потокосцепления, ее переменная и постоянная составляющие и выделяется сигнал управления возбуждением, равный д „ = и, /cos ", который поступает на дополнительную продольную обмотку возбуждения через усилитель 9 возбужден ия .

На фиг. 4 à-r приведена временная диаграмма токов и ЭДС ВД без регулирования полн возбуждения, на фиг,4 дж — при регулировании возбуждения по схеме фиг. 5.

Продольньй и поперечный токи при мгновенной коммутации изменяются IIQ известным соотношениям:

1480045

1, = 2/ 3 I„sin Г, (16) iq = 2/ IЗ.I cos (1 7)

Формула изобретения

1 . Способ компенсации пульсаций вращающего момента вентильного электродвигателя путем регулирования тока возбуждения в функции тока якоря, отличающийся тем, что, с целью уменьшения пульсаций могде I — эквивалентный выпрямленный ток ВД, 0 1 1 7 /3.

Из диаграммы (фиг. 4) видно, что

ЭДС ЭМП ВД в межкоммутационный период изменяется по линейному закону, скачкообразно меняясь во время ком10 мутации ° При этом форма фазного то- ка — прямоугольная без пульсаций с длительностью 2Г/3 эл.град.

Следует заметить, что такая же форма ЭДС и токов получается при

15 регулировании тока возбуждения по поперечной оси и в двух осях, когда компенсируется лишь активная часть переменной составляющей проекции основной составляющей вектора ре20 зультирующего нотокосцепления

При регулировании потока возбуждения в двух осях и компенсации составляющих потокосцеплений, св язанных с реактивной мощностью, формы

ЭДС и токов ЭЯП ВД - прямоугольные длительности 2К/3 эл.град.

Способы компенсаций пульсаций момента ВД могут быть применены для ВД

30 с различным способом возбуждения (независимое, магнитоэлектрическое и т.д.), при которых необходимо иметь дополнительные обмотки по продольной и/или по поперечной осям.

При этом Э!М ВД целесообразно выполнять без демпферных обмоток. Коммутатор ВД может быть выполнен как с естественной, так и с искусственной коммутацией силовых ключей.

Преимущество способа по сравнению с известными заключается в возможности создания ВД с уменьшенными пульсациями электромагнитного момента, т.е. улучшенными виброакустическими показателями и диапазоном .регулирования частоты вращения.

Кроме того, улучшаются также энергетические характеристики ВД, уменьшается масса установленного оборудования за счет исключения дросселя. мента и расширения области приме— нения, определяют величину и фазу основной составляющей вектора результирующего потокосцепления и вычисляют требуемую величину переменной составляющей потокосцепления возбуждения и пропорциональную ей переменную составляющую тока возбуждения из условия обеспечения постоянного значения проекции вектора результирующего потокосцет1ления на направление, ортогональное вектору тока якоря, равного ее среднему значению для заданного момента нагрузки.

2. Способпоп. 1, отл ич а ю шийся тем, что регулируют ток возбуждения по продольной оси.

3. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что регулируют ток возбуждения по поперечной оси.

4. Способ по и. 1, о. т л и ч а ю шийся тем, что регулируют ток возбуждения по продольной и поперечной осям.

5. Способ по и. 4, о т л и ч а юшийся тем, что ток возбуждения по продольной оси регулируют в функ.— ции проекции активной части переменной составляющей вектора результирующего потокосцепления на продольную ! ось, а по поперечной оси — в функции, проекции активной части того же вектора на поперечную ось.

6.Способпоп.4,отличаюшийся тем, что, с целью улучшения энергетических и массогабаритных показателей, ток возбуждения по продольной оси регулируют в функции проекции переменной составляющей вектора результирующего потокосцепления на продольную ось, а по поперечной оси — в функции проекции того же вектора на поперечную ось.

7. Способпоп. 4, отличаюшийся тем, что, с целью улучшения энергетических и массогабаритных показателей, ток возбуждения по продольной оси регулируют в функции суммы проекций активной части переменной составляющей и реактивной ча— сти основной составляющей вектора результирующего потокосцепления на продольную ось, а по поперечной оси— в функции суммы проекций активной части переменной составляющей и реактивной части основной составляющей того же вектора на поперечную ось . (1 480045

1480045

Составитель А. Санталов

Техред М.Дидык Корректор H. Муска

Редактор О. Спесивых

Заказ 2553/52 Тираж 647 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101