Устройство для частотного управления асинхронным двигателем с фазным ротором

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт, свид-ву (22) Заявлено 2501.77 (21) 2446 342/24-07 с присоединением заявки ¹â€” (23) Приоритет

Опубликовано 25.06.80. Бюллетень ¹ 23

Дата опубликования описания 25.0680 р1)м. к .

Н 02 Р 7/42

Государственный комитет

СССР по дедам изобретений н открытий (53) УДК62-83 ° 621. .313.333.072. .9.077 (088,8) (72) Авторы изобретения

В.A.Áàðêoâ и Г.В.Булыгин

Ленинградский политехнический институт им. M.È.Калинина (71) Заявитель (54) JJCTPOACTBO ДЛЯ ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯ

АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С ФАЗНЫМ

РОТОРОМ

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в автоматизированных электроприводах, применяемых в станкостроении, приборостроении, в химической промышленности и .т.д.

Известные устройства для частотного управления двигателем делятся на две группы системы с пропорционально-частотным и раэностно-частотным методами регулирования скорости.

К первой группе относятся широко распространенные электроприводы с асинхронными двигателями (1).

Регулирование скорости осуществ- 15 ляется изменением напряжения и частоты питания статорной обмотки по-. средством управляемого выпрямителя и статического преобразователя, Роторная обмотка при этом закорочена. 20

Возможные пределы регулирования скорости определяются диапазоном изменения частоты преобразователя.

Снижение скорости двигателя осуществляется посредством уменьшения выход- 25 ной частоты преобразователя и выходного напряжения управляемого выпря-. мителя за счет увеличения угла регулирования (зажигания), При этом с одной стороны возрастает содержание 3О высших гармоник в питающей сети, что вредно отражается на работе остальных потребителей, с другой — возрастают пульсации выпрямленного напряжения. Для обеспечения нормальной работы статического преобразователя частоты, на выходе выпрямителя включается громоздкий силовой фильтр, приводящий к увеличению габаритов устройства, возникновению колебаний и снижению быстродействия всей систе" ь н. Кроме того, увеличение угла регулирования вызывает значительное снижение коэффициента мощности, что также влечет за собой увеличение габаритов всего оборудования.

Оптимальный режим работы электропривода при пропорционально-частотном управлении возможен только в пределах частоты от номинальной до приблизительно (зависит от типа и мощности цвигателя) половины ее номинального значения. При дальнейшем снижении частоты начинает сказываться влияние активного сопротивления статорной обмотки, что приводит к резкому ухудшению всех эксплуатационных характеристик, Ряд указанных недостатков устраняется в устройстве с разностно743152

35 частотным методом регулирования скорости, где управление обычно осуществляется по роторной цепи. Скорость двигателя равна >s = Е%(f, f, /v, 5

Где f u f — частоты питания статорг ной и роторной обмоток.

Асинхронный двигатель в данном устройстве может работать в двух режимах: асинхронном (каскадные схемы постоянного момента и мощности), когда частота переключения тиристоров роторного преобразователя является функцией скорости двигателя, и синхронном, когда частота питания ротора принудительно задается от внешнего генератора. В последнем случае, скорость двигателя не зависит от изменения нагрузки и от колебаний напряжения питания ° В подобных устройствах обмотка статора 20 .асинхронного двигателя подключена непосредственно к сети ° Регулирование скорости осуществляется изменением частоты питания роторной цепи посредством задающего генератора, 25 выходная частота которого определяет выходную частоту статического преобРазователя частоты, включенного в роторную цепь двигателя и управляемого посредством блока управления 30 преобразователем.

Напряжение питания двигателя при изменении скорости регулируется посредством управляемого выпрямителя.

При fg = f и одноименном порядке следования фаз из выражения, указан ного выше, следует, что М 6 =О,,т.е. низкис скорости получаются при час,тоте и напряжении роторной обмотки, близких к номинальным значениям

Следовательно, угол зажигания венти- 40 лей выпрямителя минимальный, пульсации на низких скоростях незначительны, коэффициент мощности роторного преобразователя имеет максимальное значение и генерация высших гармоник 45 в питающую сеть практически отсутствует. При этом отпадает необходимость в использовании силового фильтРа, в связи с чем возрастает быстро,цействие системы, снижаются габаРиты

Устройства и колебательность. Активное сопротивление роторной цепи начинает о оказывать влияние при йг, близкой .к половине номинального значения, когда скорость двигателя достигает величины, равной половине номинальной (синхронной). Весьма низкие скорости вращения, а следовательно, и широкий диапазон Регулирования получается в данном случае при незначительной вариации частоты g) ротора, Бесконтактный реверс двигателя осуществляется путем повы-шения частоты f по сравнению с частотой f . По мере приближения к синхронной скорости перегрузочная способность и момент двигателя уменьшаются. Дальнейшее повышение скорости от синхронной до двойной синхронной производится изменением порядка следования фаз роторного напряжения и повышением частоты тока ротора.

При аварийной скорости частота и напряжение роторной обмотки равны. номинальному значению. В случае постоянного статического момента

М = Мном= const двигатель развивает на валу двойную мощность по сравнению с номинальной мощностью асинхронного двигателя.

Таким образом, перекрытие диапазона скоростей от нуля до двойной синхронной в устройствах с разностночастотным управлением обеспечивается изменением частоты питания роторной обмотки от номинального значения до нуля и наоборот.

Однако большой диапазон изменения частоты усложняет реализацию устройства управления.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для частотного управления асинхронным двигателем с фазным ротором, где одновременно используются пропорционально-частотный и разностночастотный методы регулирования (2).

Обмотки статора и ротора соединены последовательно так, чтобы порядок следования фаз статора и ротора был различный и затем подключался к статическому преобразователю частоты, получающего питание от сети остоянного или переменного тока. Таким образом, скорость двигателя всегда равна двойной синхронной по отношению к частоте питания двигателя °

Требуемая скорость двигателя устанавливается посредством задатчика скорости вращения двигателя, сигнал с которого после преобразования в блоке сравнения определяет уровень напряжения частоты питания двигателя, Придание системе определенных динамических свойств в данном случае осуществляется включением двух контуров обратной связи по скорост посредством тахометра и по углу поворота ротора.

Регулирование скорости в данном устройстве осуществляется пропорционально-частотным методом управления при изменении частоты одновременно на статорной и роторной обмотках, включенных по схеме с разностно-частотным управлением. В связи с этим преимущества устройств с пропорционально-частотным н разностно-частотным управлением используются только

s ограниченной области скоростей при изменении частоты преобразователя от номинальной до приблизительно половины номинальной, а получение

743152 малых скоростей влечет появление тех недостатков, которые присущи устройствам с пропорционально-частотным управлением двигателя.

Цель изобретения — расширение диапазона регулирования скорости, повы- 5 шение энергетических показателей и быстродействия.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для частотного управления асинхронным двигателем с фазным )P ротором, содержащее тиристорный преобразователь, вход которого подключен к трехфазной сети, а выход — к обмоткам ротора асинхронного двигателя, тахометр, установленный на валу асинхронного двигателя, подключенный к первому входу блока сравнения, ко второму входу которого подключен задатчик скорости, введены реверсивный и нереверсивный выключатели, синхронизирующий блок, формирователь алгоритмов управления, преобразователи аналог-код и код-аналог, переключательограничитель, суммирующий усилитель и реверсор,причем первые входы синхронизирующего блока и нереверсивного выключателя и выход реверсивного выключателя соединены с обмоткой статора асинхронного двигателя, первый вход реверсивного выключателя подключен к сети и ко второму входу синхронизирующего блока, выход которого соединен с одним из входов формирователя алгоритмов управления, четыре других входа которого соединены с четырьмя выходами преобразователя 35 аналог-код, вход последнего связан с выходом тахометра и первым входом блока сравнения, выход которого подключен к первому входу суммирующего усилителя, вторым входом соединен- 4р ного через преобразователь код-аналог с четвертым выходом формирователя алгоритмов управления, третий выход которого соединен со вторым входом нереверсивного выключателя, 45 второй и первый выходы соединены с третьим и вторым входами реверсивного выключателя, а пятый выход формирователя алгоритмов управления связан со входом реверсора и первым входом переключателя-ограничителя, второй и третий входы которого соединены с первым и вторым выходами суммирующего усилителя, а выходы переключателя-ограничителя и реверсора соединены с первым и вторым входами тиристорного преобразователя.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства для управления асинхронным двигателем с фазным ротором; на фиг.2,3 и 4 — диаграммы работы уст- 60 рой ств а.

Устройство. содержит синхронизирующий блок 1, который соедин ен по входу с нереверсивным 2 и реверсивным 3 выключателями, а выходом 65 с формирователем 4 алгоритмов управления, основные четыре входа которого соединены через блок-преобразователь 5 аналог-код с тахометром 6, установленном на валу асинхронного двигателя 7 с фазным ротором. Блок

8 сравнения первым входом связан с тахометром 6, а выходом через суммирующий усилитель 9, переключательограничитель 10 связан с преобразователем 11 частоты. Задатчик 12 скорости соединен со вторым входом блока

8 сравнения, Преобразователь 13 каданалог входом соединен с выходом формирователя 4 алгоритмов управления, а выходом с суммирующим усилителем

9. Реверсор 14 входом подключен к формирователю 4, переключателю-ограничителю 10, а выходом — к входу преобразователя .11 частоты. Выключатель 3 предназначен для подключения статора двигателя 7 к трехфазной сети переменного тока с прямым или обратным чередованием фаз на его статорных обмотках, а выключатель 2 для закорачивания статорной цепи.

Выходной сигнал синхронизирующего блока 1 при разности фаз напряжений на его входах в с эл.рад. через формирователь 4 алгоритмов управления осуществляет формирование сигнала на включение реверсивного выключателя 3 при переходе из асинхронного режима работы двигателя 7 в синхронный режим двойного питания. Измерение выходного параметра устройства производится тахометром 6. Блок 8 сравнения выявляет разницу мЕжду сигналами выхода эадатчика 12 скорости и тахометра 6, которая далее корректируется в суммирующем усилителе

9 преобразователем код-аналог 13 и усиливается в три раза. Суммирующий усилитель 9 имеет два выхода — прямой и инверсный, которые коммутируются переключателем-ограничителем 10 на первый вход преобразователя 11 частоты. Переключатель-ограничитель

10 предназначен для обеспечения знака связи по выходному параметру отрицательным независимо от способа регулирования скорости двигателя 7 и ограничения амплитуды напряжения на первом входе блока 11. Управление переключателем -ограничителем 10, как и реверсором 14, предназначенным для изменения чередования фаз напряжения на выходе преобразователя 11 частоты, осуществляется выходным напряжением формирователя

4 алгоритмов управления, пятым его выходом, Принцип работы устройства поясняется диаграммой (фиг.2), где представлены регулировочные характеристики асинхронного двигателя с фаэным ротором. По оси ординат отложено относительное значение скорости

743152,Вращения ротора Cd» /д),, а по оси абсцисс — относительная частота питающего роторные обмотки напряжения f» / fe, где Ю !.- скорость вращения ротора; (d — синхронная скорость вращения ротора при номинальных значениях питающего напряжения; f — частота напряжения, подводимого к poTopHbIM обмоткам;

f! номинальное значение частоты .питающего напряжения ° 10

Первая прямая, проходящая через начало координат, отражает регули, роночную характеристику двигателя при пропорционально-частотном способе регулирования скорости, вторая при разностно-частотном способе и прямой последовательности чередования фаз на обмотках статора, третья — при раэностно-частотном способе, но с обратным чередованием

Фаз на статорных обмотках.. В устрой- 20 стве используются только те скоростные зоны регулировочных характеристик, .где частота роторного напряжения изменяется в диапазоне от 0,5 до 1,5 f> т.e LD, D C CA, A B, 25

В К.

Работа двигателя в каждой из указанных эон кодируется по уровню сигнала тахометра 6, преобразователем

5 аналог-код и представлена двоич- 30 ными переменными н табл.1.

При переходах из одной скоростной эоны в другую необходимо изменять состояние выключателей 2 и 3 в статорной цепи двигателя, реверсора 14 З5 в роторной цепи, скачкообразно изменять частоту и напряжение преобразователя частоты, а также производить переключения переключателя-ограничителя 10. 40

Зависимость относительной частоты питания обмоток ротора (f

В левых столбцах указанной табли- 50 цы для каждой из функций К-F> отражено изменение состояний этих двух фуксий при регулировании скорости в направлении от -2,5(АМ»до +2<5

00o/(Иу, а в правых — от +2,5 Ыо!Ю» 55 до — 2,5 00!! /М)»

Р1 — функция, управляющая реверсором 14 и переключателем-ограничителем 10. При Р = 1 ко нходу пре- 60 образонателя 11 частоты подключается прямой выход суммирующего усилителя

9, а на выходе преобраэовател еля 11 частоты устанавливается прямое чередование фаз, F, F> — функции, управляющие прямым и обратным чередованием фаэ трехфазного напряжения сети на обмотках статора двигателя. При Fz =

=1 чередование фаз обратное, при F

"-1 чередование фаз прямое, а при F

= Рз = 0 обмотка статора отключается от сети.

F!! — функция, управляющая закорачиванием обмотки статора и при F!!

=1 обмотка закорочена. ! I

Fp Fq F< —,функции переменных

Р, Р Р!, и временной задержки, обусловленной временем нключения и выключения выключателей 2 и 3.

F F< Р» — двоичные переменные, преобразуемые преобразователем 13 код-аналог в напряжение U, пропорциональное номеру набора и смещенное соответствующим образом относительно нулевого значения этого напряжения (фиг.3). Запись функций Р, — F представлена в табл.2.

Р = A В В А К АР; СВК !

F = A В Р!! Е АР!! С ВЕ

F3 Р

Р„А В С Ра ABCF DF ! т ч иу

Рб F1

F» F5 РЭ где Š— двоичная переменная на выходе синхронизирующего блока.

2. 2 F () РЕ F F

Р9 Р3 (ht) F3 F РЭ ()

Fq = Ру; Р у (Ь t) ° Ру F„Р (ht)

К вЂ” промежуточная переменная в (п + 1) такте, (л+» л — (n i\ -tl (и.+1) . л (л+1)

К = (ВВ +В-В )-F Рх — I (лм ) -7w — itt - Iq

Рр ° Р " Рз

-((и+4- t(!!g) - у(л.!-а)

Приведенные выше функции F<. — Р+ двоичных переменных А, В, С, D, Е реализуются формирователем 5 алгоритмов управления, O

На фиг. j представлены следующие зависимости: напряжение на выходе блока

8 сравнения; ()2 - напРяжение на выходе преобразователя 13 код-аналогу

U, U!t-соответственно напряжение

71 на прямом выходе суммирующего усилителя 9 и на инверсномм.

743152 выхода переключателя-ограничителя

10 представлены на фиг.4, где U = U>, I

aU> =Uq.

Работу устройства поясним для случая регулирования скорости двигателя

7 в диапазоне от нуля до -2,5И Мо (фиг.2) . Задатчиком 12 скорости устанавливается напряжение на первом входе блока 8 сравнения, равное нулю.

При неподвижном двигателе 7 с выхода тахометра б получаем напряжение, так- 1О же равное нулю. Значение переменных на выходе блока 5 в рассматринаемый момент времени согласно табл.1 следующие: A - =В = 1, С = D = --О. В соответствии с табл.2 выходные переменные формирователя 4 алгоритмов преобретают значения F —— Г = О;

F6= 1. При такой комбинации напряжение на выходе преобразователя 13 код-аналог имеет значение U (фиг.З) . Ъ

На прямом выходе суммирующего усилителя 9 имеем согласно равенству

U = U>+ U = U, а на инверсном

Uy — — ("1 + U -2Пг) — 4 где 2"2. амплитуда внутреннего источника смещения суммирующего усилителя 9.

На пятом выходе формирователя 4 алгоритмов образуется логический ноль, и ко нходу преобразователя

ll частоты посредством переключателя-ограничителя 10 подключается инвертирующий выход суммирующего усилителя 9, а с помощью реверсора

14 устанавливается обратное чередование фаз на выходе преобразователя

ll частоты. При этом выходная час- Ç5 тота преобразователя 11 частоты

f /fH — 1. В момент времени, когда на выходе синхронизирующего блока 1 появится логическая единица, функция Рг приобретает также единичное, 4О значение. Обмотка статора выключателем 3 присоединяется к сети с обратным чередованием фаз. После включения выключателч 3 асинхронный двигатель рабо ает в синхРонном Ðå- 45 жиме двойного питания (участок AC фиг.2) ° При увеличении задания задатчиком 12 скорости двигатель увеличивает скорость и при достижении значения - 0,5 ад /Юо, преобразователь аналог-код изменяет состояние выходов на следующие A = 1, В = С

= D =. О (табл,l) .

Формирователь 4 алгоритмов управления формирует следующую последовательность состояния выходов (табл.2}г

F< принимает значение логического

О, что приводит к отключению обмотки статора двигателя 7 выключателем 3 от сети;

60 через промежуток времени Дt функция F также принимает значение логического О, что свидетельствует об отключении ныключателя 31 при Р = Fz = 0 функция F = 1, 65

Это приводит к изменению порядка следования фаэ напряжения роторной цепи и подключению инверсного выхода усилителя 9 ко нходу преобразователя 11 частоты, Функция Г - вызывает увеличение напряжения на выходе peJl версора 14 до значения П . Однако благодаря использованию йнверсного выхода усилителя 9, указанные переключения не изменяют предаестнующего переключению напряжения на входе преобразователя 11 частоты (фиг.3 и 4). В момент времени, когда функция

Гг = О, функция Рч = 1, что влечет эа собой включение выключателя 2 и закорачивание обмотки статора. При этом двигатель работает как асинхронный при питании со стороны ротора и короткозамкнутой статорной обмотки.

При увеличении напряжения задатчика 12 скорости и достижения ротором скорости — 1,5(d / L0, преобразователь аналог-код изменяет состояние выходов н соответствии с табл.1 на следующие значения: A = В = С .=

= D = О. Формирователь алгоритмов формирует следующую последовательность переключений:

F<= О, а через промежуток времени

Ь и FV= О, что вызывает отключение выключателя 2;

F = О, напряжение на выходе преобразователя код-аналог изменяется до величины 1, а, следовательно, изменяется скачком в три раза частота на выходе преобразователя 11 частоты 11 (фиг.3 и 4) .

Р принимает единичное значение и выключатель 3 подключает статор двигателя к сети с обратным чередованием фаз сразу после появления на выходе синхронизирующего блока логической 1.

Дальнейшее увеличение напряжения задатчика скорости вызывает увеличение скорости вращения вала двигателя до -2, 5 Ю / СОО. Уменьшение скорости до О каждый раз при переходе из одной скоростной эоны в другую будет происходить в соответствии с табл.2 по правым столбцам значений двоичных функций с F — F> и соответствующих командах на переключение преобразователем 5 аналог-код.

Необходимо отметить, что координаты точек стыка различных режимов (точки А, В и т.д.) могут варьироваться н зависимости от мощности и типа двигателя, величины нагрузки на валу двигателя и коэффициента усиления контура обратной связи по скорости.

Таким образом, данное устройство расширяет диапазон регулирования скорости, причем максимальный диапазон варьирования питающей частоты при регулировании скорости н широких

743152

Та блиц а 1

LD

D С

CA

А В

В К

Таблица2

6 у

00 11 11

00 11 11

00 11

00 11 00

00 00

00 00

00 00

00 01

00 00 00

00 00 00

01 00 00.

01 00 00

00

10

01

00

00 11 00

01 10 00

00

00 11

00 10 .

00 11 00 00

00

10 01 00

10 01 00

10 10 01

00 00

00 00 00 10

00 00 00 00

00 00

00 00

00 00

00 00

00. 00

00 00 00 01

10 00 01 01

10

10

00. 00

00 01

01 01

00

00

10 10

00 10

00 00

00 00

00

00 00

00

01

00.

00 пределах (от 0 до 2,5 синхронной) составляет всего 1: 3 (25 — 75 Гц), В связи с этим параметры двигателя остаются практически постоянными, что позволяет также иметь постоянными параметры и структуру цепей коррекции. По этой же причине напряжение на двигателе изменяется незначительно, поэтому угол зажигания управляющего выпрямителя регулируется вблизи нулевого значения в малом диапазоне, что приводит к уменьшению пульсаций выпрямленного напряжения, повышению коэффициента мощности, снижению габаритов силового фильтра или полное его устранение, а, следовательно, к повышению быстродействия

0 0 0 0

0 0 0 0

0 0 0 0

1 0 0 0

1 0 0 0

1 0 0 0

1 1, 0 0

1 1 0 0

1 1 0 0

1 1 0

1 1 1 0

) 1 1 0

1 1 1

1 1 всего устройства. Быстродействие также повышается за счет высокой перегрузочной способности двигателя, достигаемая в данном устройстве во всем диапазоне.

В данном устройстве исключается проблема плавного перехода через синхронную скорость, возникающую в устройствах с раэностно-частотным методом управления, поскольку двигатель используется в той области частот, где роль активного сопротивления обмоток не оказывает влияния, он имеет во всем диапазоне скоростей и нагрузок оптимальные рабочие характеристики.

00 11 00

01 11 00

11 00

11 11 00

10 10 01

10 10 01

00 00 11

00 00 11

13

743152

Формула изобретения

Устройство для частотного управления асинхронным двигателем с фазным ротором, содержащее тяристорный преобразователь, вход которого под- 5 ключен к трехфазной сети, а выход к обмоткам ротора асинхронного двигателя, тахометр, установленный на валу двигателя, подключенный к первому входу блока сравнения, ко второ- g му входу которого подключен задатчик скорости, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения диапазона регулирования, скорости повышения энергетических показателей и быстродействия, в устройство введены реверсивный и нереверсивный выключатели, синхронизирующий блок, формирователь алгоритмов управления, преобразователи аналог-код и каданалог, переключатель-ограничитель, суммирующий усилитель и реверсор, причем первые входы синхроннзирующего блока и нереверсивного выключателя и выход реверсивного выключателя соединены с обмоткой статора асин- 25 хронного двигателя, первый вход реверсивного выключателя подключен к сети и ко второму входу синхронизирующего блока, выход которого соединен с одним из входов формировате- 30 ля алгоритмов управления, четыре других входа которого соединены с четырьмя выходами преобразователя аналог-код, вход последнего связан с выходом тахометра и первым входом блока сравнения, выход которого подключен к первому входу суммирующего усилителя, вторым входом соединенного через преобразователь код-аналог с четвертым выходом формирователя алгоритмов управления, третий выход которого соединен со вторым входом нереверсивного выключателя, второй и первый выходы соединены с третьим и вторым входами реверсивного выключателя, а пятый выход формирователя алгоритмов управления связан со входом реверсора и первым входом переключателя-ограничителя, второй и третий входы которого соединены с первым и вторым выходами суммирующего усилителя, а выходы переключателя-ограничителя и реверсора соединены с nepsew и вторым входами тиристорного преобразователя.

Источники информация, принятые во внимание при экспертизе

1. Булгаков A.A., Частотное управление асинхронными электродвигателями, М,, Наука, 1966.

2. Патент CBR 93611032 кл.318-187, 1973.

743152

Редактор П.Макаревич

Заказ 36 29/19 Тираж 78,3 Подпи сн ое

1IHHHIIH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

4 5

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

Филиал ППП Патент, r. ужгород, ул. Проектная, 4

I !

1 л

1

I

I

1

Э

Сост авитель В . Тарасов

Техред Р . Оли ян Корректор C,Øåêìàð