Электропривод переменного тока

 

Использование: в шахтных подъемных установках. Сущность: наличие контура регулирования потокосцепления, составленного из задатчика 19. регулятора 18 и блока 20 вычисления потокосцепления для блока 6 управления, и задатчика 15 частоты , блока 16 сравнения и блока 17 нелинейности с характеристикой типа насыщение позволяет регулировать частоту вращения в сторону ее увеличения изменением поля возбуждения, создаваемого преобразователем 2 частоты в цепи статора асинхронного двигателя 1 с фазным ротором , постоянство потокосцепления ротора в период пуска и снизить потребление реактивно й мощности в период разгона до номинальной частоты вращения с некоторой фиксированной частоты. 1 ил. СО с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я>5-;:.Н 02 P 5/36

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

2 фиксированной частоты. 1 ил, К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4794145/07 (22) 21,02.90 (46) 23.07.92, Бюл. N 27 . (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт горной механики им. М,МФедоро ва (72) В.А.Баринберг, П.В.Альтзицер и . С,А.Спектор (56) Заявка ФРГ М 300938, кл. Н 02 Р 7/62, 1987.

Заявка Японии М 62-40954, кл. Н 02 Р

5/415, 1987.

Авторское свидетельство СССР

N 1073870, кл. Н 02 P 5/40, 1984, Заявка Великобритании М 2187052, кл.

Н 02 P 5/408, 1987, (54) ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО

ТОКА

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах на основе асинхронных машин с фазным ротором (например, шахтных подьемн ых установок) для глубокого регулирования частоты вращения.

Известен ряд технических решений, в которых для регулирования скорости двигателя использованы два преобразователя частоты, включенные в ротор и статор двигателя.

Известен электропривод переменного тока, содержащий электрическую машину, на роторе и статоре которой расположены трехфазные обмотки, управляемый выпрямитель с выводами для подключения к сети, инвертор, сглаживающий реактор и преобразователь частоты с выводами для подключения к сети, служащий для возбуждения машины..Выходные зажимы преобразова„, SU, 1750015 А1 (57) Использование: в шахтных подьемных установках. Сущность: наличие контура регулирования потокосцепления, составленного из задатчика 19. регулятора 18 и блока

20 вычисления потокосцепления для блока

6 управления, и задатчика 15 грани @ой частоты, блока 16 сравнения и блока 17 нелинейности с характеристикой типа

"насыщение" позволяет регулировать частоту вращения в сторону ее увеличения изменением поля возбуждения, создаваемого преобразователем 2 частоты в цепи статора асинхронного двигателя 1 с фазным ротором, постоянство потокосцепления ротора в период пуска и снизить потребление реактивной мощности в период разгона до номинальной частоты вращения с некоторой теля подключены к выводам роторной обмотки электрической машины, Выводы обмотки статора последней подключены ко входу инвертора, один из выходных зажимов инвертора соединен с выходным зажимом выпрямителя. Второй выходной зажим инвертора подключен к сглаживающему реактору, второй вывод которого соединен со вторым входом выпрямителя. В состав электропривода входят также блоки управления выпрямителем, инвертором и преобразователем частоты, Рассматриваемое устройство позволяет эффективно регулировать частоту вращения электропривода во всем диапазоне от 0 до номинального значения.

Этим оно выгодно отличается от традиционной схемы злектропривода переменного тока по схеме "вентильный двигатель" (ВД) с возбуждением постоянным током, поскольку ВД не может обладать высоким пусковым

1750015 моментом и длительно работать на низких скоростях из-за отсутствия машинной коммутации на низких скоростях. В то же время рассматриваемый электрапривод, по сравнению с ВД, для достижения тех же частот вращения требует более высокого напряжения выпрямителя. Это приводит к завышению установленной мощности трансформатора, питающего выпрямитель, В известном устройстве в статор асинхронного двигателя включен преобразователь частоты, а в ротор — неуправляемый выпрямитель и инвертор, как в традиционном варианте асинхронно-вентильного каскада, Для того, чтобы такой электропривод мог работать при номинальной частоте вращения, преобразователь частоты в цепи статора должен обеспечивать на выходе номинальную частоту и номинальное напряжение двигателя, то есть иметь установленну<о мощ«ость, равную установленной мощности двигателя, Это существенно ухудшает массогабаритные показатели электропривода. Известен также электропривод переменного тока, который по устройству и принципу действия в основном аналогичен ранее описанному электроприводу и поэтому обладает тем же недостатком, Кроме того, устройство содержит узел управления преобразователем s цепи возбу>кдения, который препятствует возникновению режима рекуперации энергии за счет увеличения нэмагничивающего тока. Г!ри насыщенной магнитной цепи ма шины это приводит к резкому возрастанию тока возбуждения, а следовательно, к росту потерь в меди. Это ухудшает энергетические показатели электропривода.

Наиболее близким заявляемомуустройству по технической сущности и выполняемым функциям является электропривод переменного тока, содержащий электрическую машину с трехфазными обмотками на статоре и роторе, выпрямитель, инвертор, сглаживающий реактор, преобразователь частоты для возбуждения машины, два блока управления, датчик частоты вращения привода и датч<<ки напряжений фаз ротора.

Преобразователь частоты и выпрямитель имеют выводы для подключения к трехфазной сети. Выходные зажимы преобразователя частоты соединены с выводами обмотки статора электрической машины, выводы обмотки ротора последней подключены на вход инвертора, один из выходных зажимов инверторэ подключен к выходному зажиму выпрямителя, второй выходной зажим инвертора соединен с выводом сглаживающего реактора, второй вывод которого подключен ко второму. выходному зажиму равления тиристорами выпрямителя а О, 55 коэффициент мощности близок к 1. При снижении частоты вращения и увеличивается, коэффициент мощности снижается. Это ухудшает энергетические показатели привода.

50 выпрямителя, Входы первого блока управления подключены к зэдатчику и датчику частоты вращения, э выходы этого блока соединены с управляющими входами выпрямителя и инвертора. Выход второго блока управления подключен к управляющему входу преобразователя <астоты в цепи статора. Принцип работы описанного устройства идентичен классическому ВД свозбуждением постоянным током, но обла-. дает тем преимуществом, что обеспечивает естественную машинную коммутацию тиристоров инвертора при нулевой частоте вращения, Тем самым существенно расширяется диапазон устойчивого регулирования частоты вращения (от нуля до номинальной), привод может развивать высокий пусковой момент, Однако известное устройство обладает следующими недостатками.

Выходную частоту преобразователя чаcTQTbI возбу>кдения для обеспечения устойчивой коммутации при нулевой частоте вращения рекомендуется принимать

0,1f>l, где fH — номинальная частота тока в обмотках машины, Соответственно, при нулевой частоте вращения в обмотках ротора индуктивности ЭДС Е2 0,1 Е2н (где Е2н номинальное значение ЭДС ротора). Тогда при номинальной частоте вращения индуктируемая в роторе ЭДС больше номинальной: Е2х 1,1Е2н. Следовательно, к ротору электрической машины (в качестве которой используется асинхронный двигатель с фазным ротором) прикладывается повышенное по сравнению с номинальным напряжение, что снижает надежность работы электропривода.

При тех же частотах вращения по сравнению с классическим ВД в рассматриваемой схеме напряжения .на выходе инвертора будут выше, соответственно выше должны быть напряжения на выходе выпрямителя. Значит, для достижения той >ке номинальной частоты вращения необходимо, чтобы трансформатор, питающий выпрямитель, имел большее (примерно на

10 ) вторичное напряжение, Это увеличивает установленную мощность питающего трансформатора, ухудшает массогабаритные показатели электропривода.

В рассматриваемом электроприводе при номинальной частоте вращения угол уп1750015

Целью изобретения является улучше- пряжений фаз ротора соединены с входами ние массогабаритных показателей и улуч- блока7импульг о-ф импульсно-фазового управления иншение энергетических показателей путем вертором, снижения потребления реактивной мощно- Выход задатчика частоты вращения 9 сти. 5 подключен также к входу задатчика 15 граС этой целью в электропривод введены ничной частоты вращения и первом вхо д ока, включенные в цепи роторной . элемента 16 сравнения, второй вх атчикит к в му входу обмотки а ин, второи вход последсинхронногодвигателя, регулятор него соединен с выходом"задатчика 15 грапотокосцепления, задатчик потокосцепле- ничной частоты вращения. Выход элемента ния и блок вычисления потокосцепления, 10 сравнения 16 соединен с входом блока 17 входами соединенный с выходами датчиков нелинейности, выход которого подключен к тока и напряжения, а выходом — с одним первомувходублока 6,являющегося входом входом регулятора потокосцепления, вто- задания частоты преобразователя 2. Вто ой рой вход которого подключен к выходу за- вход блока 6, являющийся входом задания датчика потокосцепления, а выход — к 15 напряжения преобразователя 2, соединен с одному из входов второго блока управле- выходом регулятора 17 потокосцепления. ния, последовательно соединенныэ между на два входа которого подключены выходы собой задатчик граничной частоты, входом задатчика потокосцейления 19 и блока 20 подключенный к выходу задатчика частоты вычисления потокосцепления, На входы вращения, блок сравнения, снабженный 20 блока 20 поданы сигналы с выхода т вто ым вх р одом, соединенным с выходом за- 14 напряжений и датчиков 21 токов всех фаз датчика частоты вращения, и блок нелиней- ротора, ности с характеристикой типа "насыщение", Электропривод переменного тока рабо-. выход которого подключен к другому входу тает следующим образом, второго блока и авления. р у равления. 25 Сигнал заданной частоты вращения от

На чертеже изображена функциональ- .задатчика 9 поступает на вход рег лято а ная схема и л предложенного электропривода частоты вращения 11, на выходе его формипеременного тока, руется сигнал задания тока якоря, поступаЭлектропривод содержит электриче- ющий на вход регулятора 13 тока. На входе скую машину 1, на роторе и статоре которой 30 регуляторов 11, 13 поступают также сигналы расположены трехфазные обмотки (напри- обратных связей с датчика 10 частоты врамер,асинхронныйдвигательсфазнымрото- щения и датчика 12 тока выпрямителя, Таром). Трехфазная обмотка статора ким образом, управление частотой подключена к выходу преобразователя час- вращения электропривода осуществляется тоты 2, имеющего выводы для подключения 35 в системе подчиненного регулирования по к сети. Ротор электрической машины 1 сое- рассогласованию между действительной и динен с входом второ о преобразователя заданной частотами вращения, Сигнал с вычастоты, состоящего из последовательно хода регулятора 13 тока, поступая на вход соединенных инвертора 3 и выпрямителя 4, блока 8, воздействует на угол а управления между которыми включен сглаживающий 40 выпрямителем 4, Блок 7 осуществляет ир р . управляющему входу преобра- равление тиристорами инвертора 3 в функосуществляет упзователя 2 частоты подключены выходы ции сигнала с датчиков 14 напряжения первого блока 6 управления. Второй блок ротора машины 1 (в простейшем случае— управления, выходы которого соединены с задает постоянныйугол опережения. j3). Реуправляющими входами инвертора 3 и вы- 45 актор 5 сглаживает входной ток инвертора прямителя 4, включает в себя блоки 7 и 8 3. импульсно-фазового управления соответст- Возбуждение машины 1 осуществляетвенно инвертором 3 и выпрямителем 4, а ся со стороны статора преобраз ователем элект оп ив му регулирования скорости частоты 2. Он может быть выпо е р привода, Она выполнена по принци- непосредственной связью, так и со звеном пу подчиненного регулирования. Выходы 50 постоянного тока, Необходимо лишь, чтобы задатчика 9 и датчика 10 частоты вращения преобразователь 2 работал в режиме д ены к первому и второму входам ника напряжения, причем форма выходного регулятора 11 частоты вращения, Выходы напряжения была как можно ближе к сину р частоты вращения и датчика соидальной — это требуется для нормальной

12 тока выпрямителя 4 соединены с первым 55 коммутации вентилей инвертора3. Управлеи вторым входами регулятора 13 тока, выход ние преобразователем 2 осуществляется от которого, в свою очередь, подключен к вхо- блока 6, на входы которого поступают сигду блока 8импульсно-фазового управления налы задания напряжения и частоты. выпрямителем, Выходы трех датчиков 14 на1750015

20

30 роприводе для достижения номинальной частоты вращения машины (асинхронного двигателя с фазным ротором) вторичное на35

50

Сигнал задания напряжения преобразователя формируется на выходе регулятора 18 потокосцепления., Регулирование потокосцепления осуществляется в замкнутом контуре по рассогласованию между заданным и фактическим потокосцеплением.

Заданное потокосцепление — величина постоянная, равная номинальному значению, — формируется задатчиком 19 потокосцеп-. ления. Фактическое потокосцепление вычисляется блоком 20, причем входными величинами этого блока являются токи и напряжения всех фаз с датчиков 14 и 21, . Блок 20 реализуется на основе известных цифровых или аналоговых схем, Таким об- 1 разом, контур регулирования потокосцепления обеспечивает стабилизацию потокосцепления ротора, а следовательно, и коммутирующую ЭДС ротора. Это необходимо для устойчивой коммутации инвертора во всех режимах работы электропривода. Формирование напряжения задания частоты преобразователя 2 происходит в функции заданной частоты вращения элекгропривода на выходе блока 17 нелинейности, Из чертежа видцо, что последний имеет линейную характеристику с насыщением. Уровень насыщения соответствует . выходной частоте преобразователя 2 при неподвижном двигателе. Обозначим д =

fo/fH, для устойчивой коммутации на стоянке рекомендуется принимать д = 0,05-0,15.

Задатчик граничной частоты 15 вырабатывает постоянный по модулю сигнал, знак которого определяется знаком заданной скорости (то есть заданным направлением вращения), На вход блока 17 с элемента сравнения 16 поступает сигнал, пропорциональный разности заданной и> и граничной .п р частот вращения электропривода, причем уровень последней рекомендуется принимать равным пгр = пн(1- д ), где nH— номинальная частота вращения электропривода. При пз.< по, где no = п (1-2 д)— некоторая заранее выбранная фиксированная частота, выходная частота преобразователя 2 4 = fo = const причем направление вращения поля возбуждения, создаваемого преобразователем 2, противоположно направлению вращения ротора электрической машины 1 (предполагается, что направление вращения поля возбуждения, то есть порядок чередования фаз выходного напряжения преобразователя 2, определяется знаком сигнала задания частоты на входе блока 6). Таким образом, при 0 < n < no предлагаемый электропривод работает аналогично прототипу. При этом выходное напряжение трансформатора, питающего выпрямитель 4, выбрано таким, тобы при и

= по. а не при n = n, > по, угол управления выпрямителем a= О.

Увеличение частоты вращения электрической машины 1 выше осуществляется не путем увеличения напряжения выпрямителя, а путем изменения частоты поля возбуждения, создаваемого преобразователем 2.

- Если пз начинает превышать по, блок 17 переходит на линейный участок и задание на частоту поля возбуждения уменьшается, При п3 = nrp поле возбуждения останавливается (4 = О), а при дальнейшем росте пз.— начинает вращаться в другую сторону, достигая при п, = nH первоначального значения частоты fo. Однако вращение поля происходит теперь, при и, > n,ð, в ту же сторону, что и вращение ротора.

Поскольку блок нелинейности 17 и задатчик 15 граничной частоты вращения имеют симметричные характеристики, порядок работы всех узлов электропривода не зависит оr направления вращения электрической машины 1 (знака р ), Постоянство потокосцепления ротора при изменении частоты поля возбуждения в период разгона привода от п до пнобеспечивает регулятор

18 потокосцепления.

Таким образом, в предлагаемом злектпряжение трансформатора, питающего выпрямитель, может быть на 2 д ° 100 / = (10 — 30) меньшим, чем в прототипе. На столько же, очевидно, уменьшается требуемая мощность трансформатора, Это существенно улучшает массогабаритные показатели установки, На указанную величину также снижается по сравнению с прототипом прикладываемое к ротору напряжение при номинальной частоте вращения. Это напряжение будет даже меньше номинального на

2 д t007ь, что существенно повышает надежность работы электропривода.

Выше было показано, что в предлагаемом электроприводе при no < n < n„угол управления выпрямителем близок к нулю.

Соответственно, коэффициент мощности трансформатора, питающего выпрямитель, в указанном диапазоне частот вращения близок 1. Поскольку в прототипе а - 0 только при п п, в предлагаемом электроприводе существенно снижается потребление реактивной мощности, Перечисленные преимущества позволяют эффективно использовать предлагаемый электропривод переменното тока для мо1750015

Составитель В.Баринберг

Техред М,Моргентал Корректор О,Ципле

Редактор О,Стенина

Заказ 2602 Тира>к Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 дернизации злектроприводов на основе асинхронных машин с фазным ротором, например шахтных подъемных установок;

Формула изобретения

Электропривод переменного тока, содержащий асинхронный двигатель с фазным ротором, два преобразователя частоты, один из которых включен в цепь статорной обмотки асинхронного двигателя, а другой составлен иэ последовательно соединенных между собой управляемого выпрямителя с выходами для подключения к сети, реактора и инвертора, выводы переменного тока которого соединены с фаэными выводами обмотки ротора асинхронного двигателя, датчики напряжения, включенные в цепи фаз обмотки ротора асинхронного дви.гателя, первый блок управления, выходами подключенный к управляющим входам выпрямителя и инвертора преобразователя частоты в цепи ротора, а входами — к задатчику и датчику частоты вращения, установленному на валу ротора асинхронного двигателя, второй блок управления с двумя входами, выход которого соединен с управляющим входе". преобразователя частоты в цепи статорной обмотки, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью улучшения массогабаритных показателей i4 улучшения знергети5 ческих показателей путем снижения потребления реактивной мощности, введены датчики тока, включенные в цепи роторной обмотки асинхронного двигателя, регулятор потокосцепления, задатчик пото10 косцепления и блок вычисления потокосцепл ения, входами соединенный с выходами датчиков тока и напряжения, а выходом — с одним входом регулятора потокосцепления, второй вход которого подклю15 чен к выходу эадатчика потокосцепления, а выход — к одному из входов второго блока управления, последовательно соединенные задатчик граничной частоты, входом под-. ключенный к выходу задатчика частоты вра20 щения, блок сравнения, снабженный вторым входом, соединенным с выходом задатчика частоты вращения, и блок нелинейности с характеристикой типа "насыщение", выход которого подключен к другому входу

25 второго блока управления,