Способ векторного управления пуском и торможением асинхронизированной машины



Способ векторного управления пуском и торможением асинхронизированной машины
Способ векторного управления пуском и торможением асинхронизированной машины
Способ векторного управления пуском и торможением асинхронизированной машины

 

H02P27/05 - Управление или регулирование электрических двигателей, генераторов, электромашинных преобразователей; управление трансформаторами, реакторами или дроссельными катушками (конструкции пусковых аппаратов, тормозов или других управляющих устройств см. в соответствующих подклассах, например механические тормоза F16D, механические регуляторы скорости G05D; переменные резисторы H01C; пусковые переключатели H01H; системы для регулирования электрических или магнитных переменных величин с использованием трансформаторов, реакторов или дроссельных катушек G05F; устройства, конструктивно связанные с электрическими двигателями, генераторами, электромашинными преобразователями, трансформаторами, реакторами или дроссельными катушками, см. в соответствующих подклассах, например H01F,H02K; соединение или управление

Владельцы патента RU 2466492:

Открытое акционерное общество "Федеральная гидрогенерирующая компания - РусГидро" (ОАО "РусГидро") (RU)
Открытое акционерное общество "Научно-технический центр электроэнергетики" (ОАО "НТЦ электроэнергетики") (RU)
Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт энергетических сооружений" (ОАО "НИИЭС") (RU)

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления электрическими машинами двойного питания большой мощности - асинхронизированными электрическими машинами (АСМ). Техническим результатом является обеспечение мобильного (ускоренного) пуска и торможения без использования дополнительного оборудования. В способе векторного управления пуском и торможением определяют частоту и фазу ЭДС скольжения, наводимой в обмотках ротора (2) вращающимся магнитным полем статора (5), и подают с помощью преобразователя (1) частоты на обмотки ротора (2) напряжение возбуждения на частоте скольжения. Фазу напряжения возбуждения устанавливают относительно фазы ЭДС скольжения со сдвигом в сторону опережения при пуске и - в сторону отставания при торможении, а амплитуду регулируют в соответствии с требуемым вращающим моментом. Сдвиг напряжения возбуждения относительно фазы ЭДС скольжения устанавливают в пределах 80-100 электрических градусов. Устройство содержит преобразователь (1) частоты, питающий обмотку ротора (2) АСМ, устройство (3) управления, датчик (4) напряжения статора (5) АСМ и датчика (6) положения ротора (2). Устройство (3) управления состоит из блока (11), который управляет преобразователем в режиме обычной работы, и блока 12, который управляет преобразователем - в режимах пуска и торможения. Переключение преобразователя осуществляет ключ (13). 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к управлению электрическими машинами переменного тока и, в особенности, к системам возбуждения электрических машин двойного питания большой мощности (десятки и сотни МВт). Такие машины в технической (отечественной и зарубежной) литературе носят название асинхронизированных машин (АСМ). Они способны работать синхронно с сетью при частоте вращения, отличной от синхронной, и могут использоваться в качестве генератора, двигателя, компенсатора реактивной мощности и кратковременных колебаний активной мощности. Решаемая проблема относится к управлению пуском и торможением АСМ и особенно актуальна для компенсаторов, ветро- и гидрогенераторов.

Уровень техники

Известен способ управления пуском электрической машины двойного питания, при котором обмотку статора питают через трехфазный мостовой инвертор на силовых ключах IGBT модулей, а на обмотку ротора подают (от преобразователя частоты системы возбуждения) фиксированное напряжение такой формы, чтобы наведенный в статоре ток имел синусоидальный характер [пат. RU 2427069].

Недостаток этого аналога - низкая технико-экономическая эффективность (особенно для машин большой мощности), обусловленная необходимостью иметь в статорной цепи машины дополнительное оборудование в виде трехфазного мостового инвертора на силовых ключах IGBT модулей.

Известен способ управления электрической машиной двойного питания, при котором обмотку статора питают от трехфазной сети, а обмотки ротора - от преобразователя частоты системы возбуждения, при этом в обмотку статора подают напряжение постоянной амплитуды, а в обмотку ротора через преобразователь частоты подают регулируемое трехфазное напряжение возбуждения, направленное встречно ЭДС скольжения, наведенной в обмотке ротора, и превышающее ее по величине [пат. RU 2076450]. Это решение выбрано в качестве прототипа.

Недостаток прототипа - малый разгонный или тормозящий электромагнитный момент на валу машины при ее пуске или торможении и, соответственно, большое время запуска или останова.

Раскрытие существа изобретения

Техническим результатом изобретения является обеспечение мобильного (ускоренного) пуска и торможения электрической машины двойного питания, например АСМ большой мощности, без использования дополнительного пускового или тормозного оборудования.

Предметом изобретения является способ векторного управления пуском и торможением асинхронизированной электрической машины, подключенной к трехфазной электросети, заключающийся в том, что определяют частоту и фазу ЭДС скольжения, наводимой в обмотках ротора вращающимся магнитным полем статора, и подают напряжение возбуждения с частотой скольжения на обмотки ротора, при этом фазу напряжения возбуждения устанавливают относительно фазы ЭДС скольжения со сдвигом в сторону опережения при пуске и - в сторону отставания при торможении, а амплитуду регулируют в соответствии с требуемым вращающим моментом.

Это позволяет получить указанный выше технический результат.

Уточняющее развитие изобретения состоит в том, что сдвиг напряжения возбуждения относительно фазы ЭДС скольжения устанавливают в пределах 80÷100 электрических градусов.

Краткое описание чертежей.

На фиг.1 показана общая схема АСМ, питающейся от сети, с системой возбуждения, подключенной к обмоткам ротора.

На фиг.2 представлена блок-схема, иллюстрирующая возможный вариант выполнения системы возбуждения, осуществляющей заявляемый способ.

На фиг.3 представлена векторная диаграмма роторной цепи АСМ в режимах пуска и торможения с управлением по заявляемому способу.

Осуществление изобретения

На общей схеме АСМ (фиг.1) показана ее система возбуждения, которая содержит преобразователь 1 частоты, питающий обмотку ротора 2, и устройство 3 управления, к входам которого подключены выходы датчика 4 напряжения статора 5 АСМ и датчика 6 положения ротора 2, а к выходу - управляющий вход преобразователя 1. Обмотки ротора 2 и статора 5 трехфазные. Обмотка ротора 2 подключена к выходу преобразователя 1 частоты, а обмотка статора 5 подключена к сети переменного тока через выключатель 7 и блочный трансформатор 8. Питание преобразователя 1 осуществляется от согласующего трансформатора 9. На фиг.1 показана также турбина 10 (например, ветровая или гидравлическая).

Устройство 3 управления условно показано на фиг.1 в виде двух блоков. Блок 11 управляет преобразователем 1 в режиме обычной работы (т.е. в соответствии с технологическими требованиями), а блок 12 - в режимах пуска и торможения. Переключение управляющего входа преобразователя 1 между выходами блоков 11 и 12 осуществляет ключ 13. В блок 12 по двум двухпроводным цепям поступают от датчика 4 и датчика 6 ортогональные составляющие сигналов, характеризующих вектор Uг напряжения статора 5 и вектор Uдпр положения ротора 2. Устройство управления 3 формирует трехфазный сигнал µU, частота, амплитуда и фаза которого однозначно определяют соответствующие параметры трехфазного напряжения Uf, подаваемого преобразователем 1 на обмотку ротора 2.

Преобразователь 1 может быть выполнен по схеме инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией на IGBT-модулях, IGCT тиристорах или GTO-тиристорах и должен обеспечивать рабочую полосу частот выходного напряжения в диапазоне от частоты сети (например, 50 Гц) до нуля.

Работа системы возбуждения при осуществлении заявляемого способа описывается ниже с помощью схемы на фиг.2, отражающей функциональное содержание блока 12 устройства 3 управления. На практике устройство 3 управления может быть реализовано на базе одного или нескольких программируемых контроллеров.

Блок 14, в состав которого входят блоки 15 и 16, формирует нормированное опорное напряжение Uo, частота и фаза которого совпадают с соответствующими параметрами ЭДС скольжения ротора 2 относительно поля, создаваемого током статора 5. Для этого блок 15 предварительно формирует из ортогональных составляющих напряжения Uг и сигнала Uдпр ортогональные составляющие их разностной частоты (равной частоте Ω, скольжения), которые затем нормируются по амплитуде блоком 16.

Блок 17 (фазовращатель), в состав которого входят блоки 18 и 19, сдвигает фазу опорного напряжения Uo на задаваемый угол α и выдает ортогональные составляющие сдвинутого напряжения U. Для этого блок 18 (функциональный преобразователь) предварительно формирует константы sinα и cosα, с помощью которых блок 19 формирует ортогональные составляющие сдвинутого напряжения U.

Преобразования ортогональных составляющих в блоках 15 и 19 выполняются в соответствии с известными математическими формулами для тригонометрических функций разности и суммы аргументов.

Заданное значение угла α поступает на вход блока 17 из блока 20 задания фазы, в состав которого входят переключатель 21 и блок 22.

Переключатель 21 подает в блок 19 значение угла α, обеспечивающее сдвиг фазы в сторону опережения (α=αп) или отставания (α=αт) в зависимости от выбранного режима пуска или торможения. Блок 22 в составе блока 20 осуществляет необходимое демпфирование изменений угла α, учитывающее инерционность протекающих электромеханических процессов.

В блоке 23, в состав которого входят блоки 24, 25 и 26, вырабатывается трехфазное напряжение заданной амплитуды, управляющее преобразователем 1. Это напряжение формируется блоком 24 (блок преобразования числа фаз) из ортогональных составляющих сдвинутого напряжения параметров опорного вектора U, умножаемых в блоках-модуляторах 25 и 26 на скалярную величину µ.

Задание µ в соответствии с требуемой тахограммой M(t) пуска или торможения осуществляет блок 27, состоящий аналогично блоку 20 из переключателя 28 и демпфирующего блока 29. В общем случае тахограммы (т.е. временные зависимости момента М) для пуска M(t)п и торможения M(t)т могут задаваться различными (например, плавный пуск и экстренное торможение). Сигнал µ может изменяться в пределах 0-1.

Преобразователь 1 (см. фиг.1) в соответствии с управляющим напряжением, сформированным устройством 3 управления, подает на обмотку ротора 2 трехфазное напряжение Uf с частотой Ω скольжения и амплитудой, равной µUKп, где Кп - коэффициент усиления преобразователя 1 по напряжению, который определяется параметрами его силовой схемы и обмотки возбуждения АСМ.

Векторная диаграмма на фиг.3 иллюстрирует процессы в роторной цепи при пуске и торможении (пунктиром). Активное сопротивление обмоток ротора считается пренебрежимо малым.

На фиг.3 обозначено:

If - ток в обмотке ротора, IfA - активная составляющая тока If;

Uf - выходное напряжение системы возбуждения, подаваемое преобразователем 1 на обмотку ротора 2;

Ef - ЭДС скольжения, наведенная вращающимся полем статора в обмотке ротора;

x'f - эквивалентное индуктивное сопротивление роторной цепи;

UΣ - суммарное напряжение на обмотке ротора (UΣ=Ifx'f);

α, β, γ - углы между векторами.

Напряжение Uf (см. фиг.3) сдвинуто по фазе относительно ЭДС скольжения Ef нa заданный угол α в сторону опережения при пуске (при этом α=αп) или в сторону отставания (пунктир) при торможении (при этом α=αт).

Вектора If и UΣ ортогональны, поскольку сопротивление роторной обмотки xf имеет практически чисто индуктивный характер. В этом случае, как видно из векторной диаграммы на фиг.3, ток IfA, которому пропорционален пусковой или тормозящий момент на валу ротора, представляет собой проекцию тока If на направление Ef. Если вектор Uf опережает Ef, то ток IfA совпадает по направлению с наводимой ЭДС Ef, и, следовательно, создает пусковой (разгонный) момент, а если - отстает, то ток IfA и Ef направлены встречно и создаваемый момент - тормозящий.

Из векторной диаграммы видно, что ток IfA максимален при угле α между векторами Ef, и Uf, близком к 90°. Максимальное значение тока IfA обеспечивает, соответственно, максимальный момент (пусковой или тормозящий) на валу ротора. Поэтому предпочтительное значение угла α близко к 90° и лежит в пределах 80÷100 электрических градусов. Это также подтверждено расчетно-аналитическими и экспериментальными исследованиями, проведенными на компьютерной модели.

1. Способ векторного управления пуском и торможением асинхронизированной электрической машины, подключенной к трехфазной электросети, заключающийся в том, что определяют частоту и фазу ЭДС скольжения, наводимой в обмотках ротора вращающимся магнитным полем статора, и подают напряжение возбуждения с частотой скольжения на обмотки ротора, при этом фазу напряжения возбуждения устанавливают относительно фазы ЭДС скольжения со сдвигом в сторону опережения при пуске и в сторону отставания при торможении, а амплитуду регулируют в соответствии с требуемым вращающим моментом.

2. Способ по п.1, при котором сдвиг напряжения возбуждения относительно фазы ЭДС скольжения устанавливают в пределах 80÷100 электрических градусов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано как для автоматизации процесса ввода оборудования в эксплуатацию, так и в функциональном режиме в устройствах управления электрическими генераторами с целью получения требуемого значения выходных параметров, в частности, для управления возбуждением генератора с целью ослабления вредных влияний перегрузок или переходных процессов, например, при внезапном подключении, снятии или изменении нагрузки.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано как для автоматизации процесса ввода оборудования в эксплуатацию, так и в функциональном режиме в устройствах управления электрическими генераторами с целью получения требуемого значения выходных параметров, в частности, для управления возбуждением генератора с целью ослабления вредных влияний перегрузок или переходных процессов, например, при внезапном подключении, снятии или изменении нагрузки.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в составе оборудования для управления синхронными генераторами на предприятиях, вырабатывающих электрическую энергию.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в составе оборудования для управления синхронными генераторами на предприятиях, вырабатывающих электрическую энергию.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в составе оборудования для управления синхронными генераторами на предприятиях, вырабатывающих электрическую энергию.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в составе оборудования для управления синхронными генераторами на предприятиях, вырабатывающих электрическую энергию.

Изобретение относится к области электротехники в частности, к цифровым системам управления и регулирования с аналоговым выходом, и может быть использовано для регулирования и проверки блоков регулирования, управления и защиты систем электропитания в замкнутой схеме (с обратной связью).

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для защиты автоматического регулятора напряжения от противоэлектродвижущей силы, создаваемой реакцией арматуры электрогенератора при подсоединении к нему фазоопережающей нагрузки.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для защиты автоматического регулятора напряжения от противоэлектродвижущей силы, создаваемой реакцией арматуры электрогенератора при подсоединении к нему фазоопережающей нагрузки.

Изобретение относится к области электротехники, обеспечивающей электроснабжение автономных объектов. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводе стиральных машин. .

Изобретение относится к области электротехники, в частности к полупроводниковой технике, и может быть использовано на электроподвижном составе для управления тяговыми электрическими машинами переменного тока, электродвигателями переменного тока технологических установок, электротермическими установками и другими потребителями электроэнергии, получающими питание от электрической сети переменного и постоянного тока.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления электродвигателями переменного тока. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в частотно-регулируемом приводе. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электровозах переменного тока, в системах валогенераторов судов, в обратимых системах электропитания судов, для генераторов ветроустановок, для обкаточных стендов автотракторных двигателей и в других случаях, где используется энергия от источников механической энергии с непостоянной скоростью вращения первичного двигателя.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводах механизмов в химической и металлургической промышленности. .

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для питания асинхронных и синхронных электродвигателей напряжением свыше 3 кВ и мощностью 0,5-15 МВт от трехфазной или однофазной сети переменного тока с потреблением синусоидального тока с коэффициентом мощности, близким к единице, и рекуперацией энергии в сеть при генераторном торможении электродвигателя.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в частотно-регулируемом электроприводе переменного тока. .

Изобретение относится к электроприводу на основе асинхронных электрических машин и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства. .

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к способу управления преобразователем, и может быть использовано в частотно-регулируемом электроприводе.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в промышленных, транспортных и приборных электромеханических системах. .
Наверх