Устройство для регулирования числа оборотов асинхронного двигателя

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

CoIo3 Советских

Социалистическими

Республик он 871746 (61) Дополнительный к патенту— (22) Заявлено 04Д 077 (21) 2533350/24-07 (23) Приоритет — (32) 041076 (31) Р 2644748. 3 (33) ФР1 (51)М. Кл.з

Н 02 P 7/42

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий

Опубликовано 071(181.6кзллетеиь ¹37 (53) УДК621. 313.

° 3 (088. 8 ) Дата опубликования описания 07.10.81

Иностранец

Хорст .Вольф (ФРГ) (72) Автор изобретения

Иностранная фирма

"Цинзер Текстильмашинен ГмбМо=-- --..„.. (ФРГ) (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧИСЛА

ОБОРОТОВ АСИНХРОН НОГО ДВИ ГАТЕЛЯ

Изобретение относится к электро- технике и может быть использовано в частотно-регулируемых электроприводах на базе асинхронного двигателя.

Известно устройство для регулирования числа оборотов асинхронного двигателя, содержащее блок измерения тока, выход которого через блок сравнения соединен с блоком эадайия частоты скольжения. Выход последнего через сумматор частоты, куда подсоединен выход тахогенератора, подключен к блоку регулирований частоты преобразователя, к которому подключен асинхронный двигатель (1).

Недостатком известного устройства является то, что в результате быстрого изменения нагрузки, частота преобразователя изменяется практически безынерционно,а ток — нет, что может привести к уменьшению перегрузочной способности двигателя и его опрокидывания в переходном режиме.

Известно также устройство для ре- гулирования числа оборотов асинхронного двигателя с короткоэамкнутым ротором и тахогенератором на валу, содержащее инвертор тока, к выходу которого подключен асинхронный двига-30

2 тель, а вход через катушку индуктйв- . ности соединен с регулируемым выпрямителем, управляющая цепь которого соединена с блоком регулирования тока асинхронного двигателя, блок измерения напряжения на зажимах асинхронного двигателя, сумматор частот, к одному входу которого подключен выход тахогенератора, к другому— блок задания частоты скольжения, а выход сумматора частот соединен с управляющим входом инвертора тока, причем к первому входу блока задания частоты скольжения подсоединен выход тахогенератора (2).

Недостатком известного устройства является то, что в результате внезапного изменения момента нагрузки быстро изменяется ток, и появляются импульсы перенапряжения на инверторе, что снижает его надежность

Цель изобретения — повышение надежности устройства.

Эта цель достигается тем, что в указанном устройстве к второму входу блока задания частоты скольжения подсоединен выход блока измерения напряжения на зажимах асинхронного двигателя.

871746

Кроме того, блок задания частоты скольжения выполнен в виде пропорцион аль ного ре гулятора.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит асинхронный двигатель 1. В этом предпочтительном варианте выполнения имеется в виду трехфазный двигатель, работающий как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. Он может иметь преимущественно корот коз амкнутый ротор. Его роторный вал 2 связан с нагрузкой 3 и тахогенератором 4.

Тахогенератор 4 Формирует либо постоянное напряжение, пропорциональное скорости вращения ротора двигателя 1, либо вырабатывает трехфазный ток, который затем выпрямляется.

Сеть 5 трехфазного тока через двухпозиционный переключатель 6 подключена к регулируемому выпрямителю

7, управляющие входы которого соединены с блоком 8 регулирования тока.

Выход тахогенератора 4 с помощью провода 9 подсоединен к сумматору 10 и к блоку 11 задания частоты сколь= жения, выход которого соединен с входом управления регулятором 12 тока возбуждения. К блоку 11 подключен блок 13 йзмерения напряжения на зажимах асинхронного двигателя. В токоподводы 14, 15, 16 к регулятору 12 и сумматору 10 могут быть промежуточно включены не изображенные регулируемые сопротивления для установления желаемых констант р, С, С9 так. что к точке блока 1i через токоподвод 14 прикладывается сигнал C 0< (08 - напряжение на зажимах статора) и через токоподвод 16 сигнал С 0!, а к сумматору 10 через токоподвод

15 прикладывается сигнал C UI (0 выходное напряжение тахогенератора 4, пропорциональное скорости вращения ротора) С 2 и С могут при известных условиях быть равной величины. Регулятор 12 может иметь операционный усилитель 17 с П-характеристикой, образованной резистором 18, который с помощью провода 19 связывает вход и выход усили т ел я .

Выход регулятора 12 подсоединен к входу 20 сумматора 10, выход которого через преобразователь "напряжение-частота" 21 и распределитель 22 импульсов соединен с инвертором 23 тока. Устройство содержит блок 24 задания частоты скольжения и дроссель

25 ф цепи питания инвертора.

Устройство работает следующим образом.

Усилитель 17 Формирует на выходе сигнал постоянного напряжения, пропорциональный отклонению регулируемой величины, т.е. разнице С! 0<-С 0

Она определяет частоту скольжения ротора, которая подводится к второму входу сумматора 10 для сложения с проходящим по токоподводу 15 сигналом

C UI постоянного напряжения. Регулятор 12 выполнен таким образом, что частота скольжения ротора постоянно меньше разницы частот между критической и синхрониэирующей точками характеристики момента вращения — частота статора двигателя 1 так, что двигатель

1 при допусти!ых нагрузках не превышает предельное скольжение. Ток возбуждения, регулируемый посредством регулятора 12, при постоянной сКорости вращения ротора, т..е. при 04=

const, устанавливается на неизменное значение. В очень широком диапазоне скоростей вращения ток возбуждения остается неизменным неэависимо от нагрузки.

Напряжение на зажимах двигателя 1 образуется в соответствии с током статора и частотой скольжения ротоЩ ра. С помощью регулятора 12 путем воздействия на частоту скольжения ротора при данной скорости вращения оно удерживается приблизительно постоянным. Регулирование происходит таким образом, что при каждой скорости вращения, устанавливаемой заданной величиной, при номинальном крутящем моменте имеет место приблизительно оптимальная частота скольжения ротора для оптимального использования двигателя 1. Разница С 05C U4, прикладываемая к блоку 11, способствует при этом тому, чтобы напряжение на зажимах двигателя 1 изменялось пропорционально скорости вращения ротора.

Выход сумматора 10 подключен к преобразователю 21, выход которого посылает импульсы управления постоянной амплитуды, частота которых пропорциональна входному напряжению преобразователя 21. Эти импульсы управления через распределитель 22 прикладывается к ключам статического инвертора 23, образующего шестиимпульсный, полностью управляеьый мост трехфазного тока, для получения трехфазного тока статора асинхронного двигателя 1.

Для пуска двигателя 1 необходимо, чтобы регулятор 12 к началу пуска задавал скольжение ротора, что достигается с помощью включаемого лишь на короткое время для пуска блока 24.

Поясним подробнее регулирование тока возбуждения, под которым понимается чистый реактивный ток двигателя.

Вектор I = !4 I Î (! — ToK cTатора, !

4 — ток ротора, I> — ток возбуждения), Для безукоризненной работы

60 асинхронного двигателя необходимо точно так же как и при шунтовой машине постоянного тока, — чтобы всегда имелось достаточно энергии возбуждения. Но в шунтовой машине

65 постоянного тока относительно прос871746 то, поскольку имеются раздельные зажимки якоря и контура возбуждения, добиваться постоянного возбуждения независимо от нагрузки. Асинхронный двигатель, напротив, имеет общие зажими для всех токов, т.е. и для токов ротора (ток ротора является пропорциональным моменту вращения тока нагрузки), и для тока возбуждения, так что ток возбуждения асинхронного двигателя при постоянной скорости вращения ротора не может независимо от тока ротора воспринимать воздействие или соответственно поддерживаться постоянным. Однако это достигается с помощью регулятора 12.

Предпосылкой при этом является то об- 15 стоятельство, что при каждом изменении нагрузки на протяжении короткого времени, например от 0,1 до 0,2 с, сохраняется приблизительно постоянный ток статора за счет сглаживания 20 тока катушкой индуктивности дросселя 25. Происходящее в асинхронном двигателе разделение тока статора на ток возбуждения и ток ротора (ток нагрузки ) осуществляется с помощью регулятора 12 путем изменения частоты скольжения ротора. Постоянный ток возбуждения и тем самым постоянная

ЭДС (векторная электродвижущая сила) достигается путем изменения тока ротора. Ток ротора со своей стороны через сопротивление R = R, (af) ротора и тем самым посредством частоты af скольжения ротора испытывает воздействие таким образом. что ток возбуждения всегда и независимо от нагрузки сохраняет свое оптимальное значение (R — общее эквивалентное активное сойротивление ротора; частота тока статора, ьf — частота скольжения ротора; R — собст- 40 венное сопротивление ротора}.

Регулирование тока возбуждения имеет, во-первых, цель, создать благоприятный динамический режим асинхронного двигателя, приблизительно соответствующий режиму шунтовой машины постоянного тока. во-вторых, это регулирование тока возбуждения имеет цель при данной скорости вращения поддерживать приблизительно постоянным напряжение на зажимах и при внезапном изменении нагрузки.

Напряжение на зажимах изменяется соответственно устанавливаемой скорости вращения ротора, а именно, приблизительно пропорционально скорости вращения ротора. Благодаря регулятору 12 удается при постоянной .скорости независимо от тока ротора поддерживать ток возбуждения приблизительно постоянным. Это объясняется Ц) следующим образом. Предполагается, что асинхронный двигатель 1 с постоянной скоростью вращения приводит ,в действие постоянную нагрузку Если

:затем наступает внезапное уменьшение 65 нагрузки, например происходит сбрасывание нагрузки, то благодаря катушке индуктивности (дросселя 25 ) ток статора еще коротное время, например целесообразно 0,05-0,2 c„остается приблизительно постоянным. Скорость вращения ротора за это короткое время может повыситься также лишь относительно незначительно. Регулятор

12 при этом работает безынерционно таким образом, что напряжение на зажимах, несмотря на сбрасывание нагрузки и незначительное повышение скорости вращения, остается всегда пропорциональным скорости вращения ° Этого он достигает благодаря тому, что выходное напряжение тахогенератора 4 изменяется пропорционально незначительному повышению скорости вращения и соответственно безынерционно увеличивается внутреннее сопротивление

:двигателя 1. Увеличение внутреннего сопротивления достигается благодаря уменьшению частоты скольжения ротора.

Одновременно, однако с определенной задержкой, через регулятор тока снижается ток статора и тем самым момент вращения двигателя 1 настолько, что снова достигается установленная заданная скорость вращения. Без регулятора 12 вследствие произошедшего изменения нагрузки напряжение на статоре .сразу же сильно бы возросло, что, например может легко привести к раз рушению ключей инвертора 23. Однако регулятор 12 поддерживает напряжение на статоре, несмотря на внезапную перемену нагрузки приблизительно постоянным. С уменьшением нагрузки ротор сразу же начинает повышать скорость своего вращения .с последующим уменьшением частоты сколожения ротора, то вследствие этого внутреннее сог.ротивление двигателя 1 сильно увели.» чивается и соответственно резко начинает повышаться напряжение на статоре. Это повышение напряжения на статоре происходит намного быстрее,чем повышение скорости вращения ротора„ так что на входе регулятора 12 появляется также бтклонение регулируемой величины, что с помощью регулятора 12, сумматора 10, преобразователя 21, распределителя 22 частота управления инвертора 23 практически безынерционно повышается таким образом, что частота скольжения ротора вследствие повышения частоты статора становится несколько больше. Но с увеличением частоты скольжения уменьшается внут реннее сопротивление двигателя, вследствие чего напряжение на статоре вновь снижается. Иэ-за этого вновь уменьшается отклонение регулируемой величины, так что частота скольжения становится меньше, напряжение на статоре затем снова возрастает. Эти процессы происходят так быстро,что напряжение на статоре даже при вне871746

60 запйой крайней перемене нагрузки постоянно и без появления пиков напряжения регулируется на приблизительно постоянное значение. тем самым ток возбуждения также регулируется на приблизительно постоянное значение независимо от нагрузки; так что можно говорить также о регулировании тока возбуждения, хотя сам ток возбуждения не измеряется. (Внутреннее сопротивление двигателя

1 изменяется в среднем временном значении в соответствии с изменением 1 тока статора, наступающим вследствие изменения нагрузки, Таким образом, несмотря на внезапное сбрасывание нагрузки, уменьшается номинальное по- 1з вышение напряжения иа статоре двигателя 1 и вместе с тем, ток возбуждения независимо от нагрузки поддерживается близким к постоянному. В результате достигается тот эффект, 20 что при любых изменениях нагрузки, даже при самых быстрых, напряжение на статоре и ток возбуждения при данной скорости вращения остаются приблизительно постоянными и ие могут 2 наступить опасные перенапряжения.

Регулирование скорости вращения значительно инерционн6еi чем регулирование тока возбуждения, и согласно описанно(((у начальному процессу до тех пор уменьшает ток статора, пока ток статора вновь не будет соответствовать уменьшенной или недостающей нагрузке асинхронного двигателя.

С другой стороны, если наступает внезапное повышение нагрузки, например внезапное начало нагрузки, то сразу же повышается частота скольжения ротора, чем сильно уменьшается внутреннее сопротивление двигателя 1 и уменьшается напряжение на статоре 40 и т.д., так что регулятор 12 практически безынерционно регулирует также приблизительно постоянное напряжение на статоре и тем саьым приблизительно постоянный ток возбуждения, 45

Блок повышает ток 8 статора .до тех,пор, пока он не достигнет величины, необходимой для более высокого момента вращен-ия.

Преимуществом регУлирования тока щ возбуждения двигателя 1 является также то, что частота скольжения ротора при постоянном ьюменте дви.гателя 1 независимо от скорости вра4 щения ротора приблизительно постоянна ф изменяется, таким образом, ливф в зависимости от момента вращения Это дает значительные преимущества также и для запуска и стабилизации регулиоования при динамических процессах. Таким образом, достигается тот эффект, что при данном номинальном токе и соответственно при данной номинальной нагрузке имеет место частота скольжения ротора, наиболее благоприятная 65 для р а боты а си ихронно го дви гат ел я .

Это легко достигается надлежащим согласованием констант С,, С и С, причем С и С могут быть равны по величине.

Регулятор 12 в данном примере выполнения является многоусиливающим П-регулятором, при этом имеет место лишь очень незначительный диапазон пропорциональности этого регулятора, так что в стационарных

Рабочих режимах отклонение регулируемой величины практически равно нулю и тем са(ым практически С 0 С У .

Разумеется, величину регулируемого тока возбуждения целесообразно настраивать на номинальное возбуждение, заданное изготовлением асинхронного . двигателя. Вместо П-регуляторов могут быть предусмотрены также другие подходящие регуляторы, предпочтительно

ПИ-регуляторы.

Хотя скорость вращения двигателя 1 может предпочтительно регулироваться, но предлагаемое устройство обладает преимуществом и в том случае, если заданное значение скорости вращения не изменяется и частота статора отклоняется от частоты сети. До тех пор пока благодаря выпрямителю 7 напряжение тахогенератооа 4 растет пропорционально скорости вращения ротора и напряжение на статоре при этом может повышаться пропорционально скорости вращения ротора, максимально отдаваемая мощность асинхронного двигателя 1 возрастает пропорционально скорости. вращения @отора и снова понижается с уменьшением скорости вращения ротора пропорционально к ней. Кроме того, устройство позволяет дополнительно к этому диапазону регулирования скоростей вра" щения предусмотреть еще и другой, более высокий диапазон регулирования скоростей вращения асинхронного двигателя, в котором максимально отдаваемая мощность машины остается постоянной. Это достигается благодаря тому, что в токопроводе 16 промежутбчно подключен предпочтительно регулируемый, не показанный на чертеже ограничитель напряжения, который,. начиная с заранее определенной скорости вращения ротора, препятствует повышению напряжения в токопроводе

16, если скорость вращения ротора возрастает и далее, т.е. в этом верхнем диапазоне скорости вращения напряжение в токопроводе 16 поддер- . живается постоянным. Благодаря такому токоограничителю в токопроводе

16 в этом верхнем диапазоне скорости вращения асинхронный двигатель сохраняет режим, приблизительно соответствующий режиму шунтовой машины постоянного тока в диапазоне регулирования скорости вращения, который характеризует, так называемый, диапа871746

10 зон ослабления поля, бпагодаря чему в другом диапазоне регулирования скорости вращения, к которому напряжение в токоподводе 16 изменяется пропорционально выходному напряжению тахогенератора 4, двигатель поддерживает режим, приблизительно соответствующий режиму шунтовой машины постоянного тока, в так называемом,-диапазоне регулирования якоPH °

Сумматор 10 суммирует подводиьые нему сигналы. Если сигнал, поданный к нему от регулятора 12,является отрицательным. что имеет место в режиме генератора из-за перемены напряжения на зажимах двигателя 1, то это 15 соответствует сложению отрицательного сигнала с принятым положительным, поданным к сумматору 10 от тахогенератора 4 через токопровод 15 ° Отрицательное сложение может быть также 20 обозначено как вычитание, так что под суммированием в этом случае следует понимать также как принцип действия вычитания. Таким образом, в место того, чтобы производить отрицательное сложение, можно также предусмотреть, чтобы выход регулятора 12 при переходе от режима двигателя к режиму генератора не менял своей полярности, причем в этом случае сумматор 10 при этом переходе следует переключать с суммирования на вычитание, или вьщсто этого в токопровод, проходящий от регулятора 12 к сумматору 10, при режиме генератора можно дополнительно включить инвертор, лишь в режиме 35 генератора инвертирующий выходной сигнал регулятора 10.

Таким образом, за счет регулирования скольжения при изменении напряжения на зажимах двигателя исклю- 4О чается перенапряжение на плечах инвертора и повышается. его надежность.

Формула изобретения

1. Устройство для регулирования числа оборотов асинхронного двигате-, ля с короткозамкнутым ротором и тахогенератором на валу, содержащее инвертор тока, к выходу которого подключен асинхронный двигатель, а вход через катушку индуктивности соединен с регулируемым выпрямителем, управляющая цепь которого соединена с блоком регулирования тока асинхронного двигателя, блок измерения напряжения на зажимах асинхронного двигателя, сумматор частот, к одному входу которого подключен выход тахогенератора, к другому — блок задания частоты скольжения, а выход сумматора частот соединен с управляющим входом инвертора тока, причем к первому входу блока задания частоты скольжения подсоединен выход тахогенератора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности устройства, к второму входу блока задания частоты скольжения подсоединен выход блока измерения напряжения на зажимах асинхронного двигателя.

2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что блок заданиячастоты скольжения выполнен в виде пропорционального регулятора °

Источники информации, принятые -eo внимание при экспертизе

1. Патент ФРГ Р 1463344, " кл. 21 С 59/10, 1972.

2. Патент ФРГ 9 2234681, кл. Н 02 Р 5/36, 1972.

671 746

Составитель В. Тарасов

Редактор Г. Петрова Техред М.Рейвес Корректор Н. Швыдкая

Заказ 8512/32 Тираж 733 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4