Асинхронный частотно-регулируемый электропривод

 

О П И C А Н И Е, „957403

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 21. 01. 81 (21) 3238161/24-07 (51) IN, Кл. з с присоединением заявки Рй—

Н 02 P 7/42

Гаеударстеенны» квинтет (23) Приоритет—

Опубликовано 07.09.82. Бюллетень № 33

w лвлаи нэебретеннй н втхрытн11 (53) УДK Б2-83:

:621.313 333. .072.9(088.8) Дата опубликования описания 09.09.82, (72) Авторы изобретения

П.И. Щербаков, Е.Ю. Анишев и В.А. Глаголев

Изобретение относится к электротехнике, а также к частотноуправляемым электроприводам и может быть использовано для привода высокооборотных насосов, газодувок, испытательных стендов и т.д.

Некоторые типы насосов, испытательные стенды, газодувки большой мощности требуют применения быстроходных частотно-регулируемых электроприводов большой мощности. Спецификой подобных электроприводов по сравнению с электроприводами на основе асинхронных двигателей с номинальной скоростью до 3000 об/мин является

15 то, что по условиям механической прочности ротор быстроходного асинхронного электродвигателя выполняется массивным с обмоткой типа беличьей клетки.

Эта особенность быстроходного

20 асинхронного электродвигателя приводит к необходимости питания их от тиристорных преобразователей частоты с высоким качеством выходного напряжения, так как в противном случае сильно увеличиваются потери в роторе электродвигателя. Известные схемы трехфазных мостовых тиристорных преобразователей частоты на базе автономных инверторов напряжения с амплитудным способом регулирования выходного напряжения имеют в кривой выходного напряжения большой спектр гармоник, при этом коэффициент нелинейного искажения кривой выходного напряжения составляет около 30.ь.

Быстроходный частотно-регулируемый асинхронный электропривод большой мощности на базе такого преобразователя и быстроходного асинхронного электродвигателя обычного исполнения нецелесообразен ввиду больших потерь в электродвигателе.

Известен электропривод, содержащий асинхронный электродвигатель, подключенный к инвертору. Инвертор в этом устройстве состоит из не957ч03 4 скольких инверторов, напряжения которых суммируются. Три однофазных инвертора работают при прямоугольной форме выходного напряжения, Коэффициенты трансформации и сдвига фаэ инверторов устанавливаются таким образом, что обеспечивается желаемая форма выходного напряжения (1) .

Быстроходный частотно-регулируемый асинхронный электропривод большой мощности на базе аналогично тиристорного преобразователя частоты обеспечивает малые потери в быстроходном асинхронном электродвигателе, íо имеет недостаток, заключающийся в том, что приходится использовэть дополнительный трансформатор (или несколько трансформаторов), который выбирается исходя иэ полной мощности электропривода и необходимости работы электродвигателя на низких частотах.

Наиболее близким к предлагаемому является асинхронный частотно-регулируемый электропривод, содержащий асинхронный электродвигатель с двумя статорными обмотками, сдвинутыми е пространстве друг относительно друга на 30 эл.град., датчик скорости, выходом соединенный с регуля" тгром корости, выход которого через первый и второй функциональиые преобразователи соединены с первым и вторым регуляторами напряжеI-I s соответственно, инвертирующий усилитель, входом подключенный к выходу регулятора скорости, а выходом свяэаннь1й с блоком вычисления абсолютного скольжения, к которому подключен и выход датчика скорости, регулятор абсолютного скольжения, вход которого подключен к блоку вы" числения абсолютного скольжения и через переключающий блок к входу регулятора скорости, а выход - к первому и второму регулятору напряжения, преобразователь частоты с двумя независимыми каналами преобразования напряжения и частоты, к выходам которых соответственно подключены статорные обмотки электродвиraтеля, обеспечивающие питание электродвигателя напряжениями, сдвинутыми на 30 эл.град., при этом каждый канал преобразования состоит из последовательно соединенных выпря мителя, фильтра, инвертора со схемами управпения выпрямителем и инвер" тором, с датчиками напряжения и блоками разряда, подключенными параллельно входу инвертора, блок фазового сдвига, подключенный входом к схеме управления одним инвертором, а выходом к схеме управления вторым инвертором, вход схемы, управления первым инвертором соединен с выходом регулятора скорости, а выход каждого регулятора напряжения связан со входом схемы управления выпрямителем соответствующего канала преобразования преобразователя частоты.

Привод позволяет осуществлять синтез поля в воздушном зазоре быстроходного асинхронного электродвигателя, иными словами, привод позволяет при плохом качестве питающего напряжения, поступающего на электродвигатель с преобразователя частоты значительно ослабить поля высших гармонических в зазоре быстроходного асинхронного электродвигателя и тем самым уменьшить потери в роторе.

Физический смысл компенсации высших гармоник поля в зазоре такого электродвигателя заключается в следующем. Первые временные гармонические токов в расщепленных обмотках сдвинуты на 30в, в то время как пя-. тые на 1)0, а седьмые на 210, т.е имеющие наибольшие значения пятые и седьмые гармонические токов находятся почти в противофазе. Так как фаэные обмотки соосны, то происходит почти полная компенсация и суммарная намагничивающая сила обеих обмоток по 5-ой и 7-ой гармоникам в зазоре близка к нулю )2j .

Недостатком привода является отсутствие.контроля синтезированного в зазоре магнитного поля, что может привести к появлению в зазоре высших гармонических намагничивающих сил, что увеличивает потери в роторе и снижает КПД привода. Причиной появления высших гармонических намагничивающих сил в зазоре может быть асимметрия статорных обмоток. Для высших гармонических электродвигатель находится в режимах, близких к режиму короткого замыкания. Так для

5-й Гармоники скольжение изменяется в пределах от 1 до 1,2, а для 7-й— в пределах 0,857-1. Для более высоких гармоник скольжение становится еще более близким к единице.

В силу этого параметры электродвиь гателя для токов высших гармоник

5 9574 могут быть приняты равными параметрам короткого замыкания. Из-за неизбежной асимметрии двух статорных обмоток быстроходного асинхронного электродвигателя они будут иметь 3 отличающиеся по величине параметры короткого замыкания. При этом первые гармонические составляющие токов в обмотках будут практически одинаковыми при равных напряжениях двух выходных систем преобразователя частоты, так как их величина слабо зависит от параметров короткого замыкания обмоток, и определяеъ ся током намагничивания и роторным током, который является общим для обоих систем. 8 то же время высшие составляющие гармонические токов в пеРвой и второй обмотках будут разными и отношение их будет пропорцио- 31 нально отношению параметров короткого замыкания статорных обмоток.

Неравенство токов высших гармонических составляющих в обмотках приводит к появлению в зазоре намагничиваю- 23 щих сил и полей высших гармонических, что увеличивает потери в роторе и снижает КПД привода.

Цель изобретения — повышение

КПД привода. 36

Поставленная цель достигается тем, что в асинхронный частотно-регулируемый электропривод введены датчики тока высших гармоник, каждый из которых включен последовательно с одной из статорных обмоток асинхронного электродвигателя, и регулятор тока высших гармоник, вход которого

I соединен с выходами датчиков тока высших гармоник, а выход подключен ко входу второго функционального преобразователя.

На чертеже показана фуйкциональная схема асинхронного частотнорегулируемого электропривода.

Электропривод содержит быстроходный асинхронный электродвигатель 1 с двумя статорными обмотками, сдвинутыми в пространстве относительно друг друга на 30 эл. град., регулятор 2

50 скорости, датчик 3 скорости, первый

4 и второй 5 функциональные преобразователи, инвертирующий усилитель 6, блок 7 вычисления абсолютного скольжения, регулятор 8 абсолютного сколь- жения, переключающий блок 9, первый и второй регуляторы 10 и 11 напряжения, преобразователь 12 частоты, со-.

03 6 держащий первый и второй выпрямители

13 и 14, первый и второй инверторы

15 и 16, блок 17.фазового сдвига, первый и второй датчики 18 и 19 напряжения, первый и второй блоки 20 и 21 разряда, первый и второй фильтры 22 и 23, первую и вторую схемы

24 и 25 управления выпрямителями, первую и вторую схемы 26 и 27 управления инверторами, первый и второй датчики 28 и 29 тока высших гармоник двигателя, регулятор 30 тока высших гармоник.

Последовательно соединенные выпрямитель 13, фильтр 22, датчик 18 напряжения, блок 20 разряда и инвертор

l5 образуют канал преобразования частоты.

Последовательно соединенные выпрямитель 14, фильтр 23, датчик 19 напряжения, блок 21 разряда и инвертор

Ф

17 образуют канал преобразования напряжения. Схемы 26 и 27 управления инверторами подключены к инверторам

l5 и 16 соответственно. Входы указанных каналов подключены к статорным обмоткам асинхронного электродвигателя 1.

Блок 17 фазового сдвига входом подключен к схеме 26 управления, а выходом — к схеме 27 управления.

Регулятор 2 скорости выходом подключен к инвертирующему усилителю 6, к функциональным преобразователям

4 и 5 и к схеме 26 управления. Регулятор 8 абсолютного скольжения подключен к блоку 7 вычисления абсолютного скольжения и через переключающий блок 9 к регулятору 2 скорости.

Выходы регуляторов 10 и 11 напряжений подключены ко входам схем

24 и 25 управлейия соответственно.

Электропривод работает следующим образом.

Сигнал на задание скорости Uy поступает на сумматор регулятора

2 скорости Сюаа же поступает с датчика 3 скорости сигнал фактической скорости привода. Под действием разности этих сигналов регулятор 2 скорости вырабатывает сигнал на задание частоты преобразователя Uqg„ который поступает на вход первой схемы 26 управления первым инвертором

15 преобразователя 12 частоты. Для осуществления фазового сдвига напряжений на выходах первого 15 и второго 16 инверторов в преобразователе имеется блок 17 фазового сдвига.

957403

Одновременно сигнал U с выхода рег улятора 2 скорости поступает на первый функциональный преобразователь

4, который формирует сигнал задания первому регулятору 10 напряжения. 5

Регулятор 10 напряжения через схему управления первым выпрямителем

24 устанавливает на выходе первого инвертора 1 определенную величину выходного напряжения. Сигнал 0ц,„: с 1о выхода регулятора 2 скорости через второй функциональный преобразователь

5, второй регулятор 11 напряжения и вторую схему 25 управления вторым выпрямителем устанавливает величину напряжения на выходе второго инверто- ра 16, Поддержание постоянства абсолютного скольжения двигателя осуществляют блок 7 вычисления абсолютного скольжения и регулятор 8 абсолют о ного скольжения. К сумматору блока 7 вычисления абсолютного скольжения с выхода инвертирующего усилителя 6, служащего для согласования полярности подаваемых на сумматор напряжений, подается сигнал U<<, пропорциональный частоте напряжения на обмотках асинхронного электродвигателя, а значит, и синхронной скорости поля в зазоре. A с выхода датчика 3 скорости к сумматору блока 7 вычисления абсолютного скольжения подается сигнал, пропорциональный фактической скорости вращения ротора асинхронного электродвигателя. С выхода блока 7 вычисления абсолютного скольжения сигнал, пропорциональный модулю фактического абсолютного скольжения асинхронного электродвигателя, поступает на сумматор регулятора 8 абсолютного скольжения, куда через переключающий блок 9 поступает также сигнал заданного абсолютного скольжения . Переключающий блок 9 подключает сигнал заданного абсолютного скольжения к сумматору регулятора 8 абсолютного скольжения только после того, как появился сигнал задания скорости U на входе регулятора 2 скорости. Это исключает появление на выходе регулятора 8 абсолютного скольжения сигнала при нулевых сигналах задания

U, особенно при использовании в качестве регулятора 8 абсолютного скольжения астатических регуляторов.

При отклонении аЬсолютного скольжения H от заданного регулятора 8 абсолютного скольжения увеличивает или уменьшает. задание регуляторам 10 и 11 напряжения, т.е, изменяет поток в машине, восстанавливая заданное абсолютное скольжение 3 . Так как в данном приводе не предусматривается работа в режиме рекуперативного торможения, то с целью предотвращения черезмерного повышения напряжения на конденсаторах фильтров 22 и 23 преобразователя 12 при возможных переходах асинхронного электродвигателя в генераторный режим преобразователь 12 снабжен датчиками 18 и 19 напряжения, по сигналу которых при предельном значении напряжения включаются блоки 20 и 21 разряда, предотвращающие дальнейший рост напряжения.

Контроль синтезированного с помощью двух обмоток магнитного поля в асинхронном электродвигателе осушествляется следующим образом.

При возникновении режима, при котором токи высших гармоник обмоток неодинаковы, датчики 28 и 29 токов высших гармоник подают на сумматор регулятора 30 тока высших гармоник разнополярные сигналы. Под действием разности этих сигналов на выходе регулятора возникает напряжение, поступающее на сумматор второго функционального преобразователя 5. Полярность этого сигнала такова, что, воздействуя через второй функциональный преобразователь 5 на второй регулятор 11 напряжения, сигнал с выхода регулятора 30 тока высших гармоник таким образом изменяет напряжение на выходе второго инвертора

16 преобразователя 12, что разбаланс токов высших гармоник в обмотках устраняется, а значит, в зазоре устраняются поля высших гармоник вследствие их компенсации, уменьшаются потери в роторе от высших и повышается КПД привода. Для более точной компенсации полей высших в зазоре следует выполнять регулятор тока высших гармонических пропорционально интегральным или интегральным.

Следует также отметить, что при этом не происходит значительного разбаланса токов в обмотках двух систем по основной гармонике, Причиной того является то, что токи первых гармонических в обмотках определяются в основном нагрузочной сос.— тавляющей тока, общей для обеих обмоток. Не происходит и ухудшения использования габаритной мощности

9574 асинхронного электродвигателя, так как намагничивающие силы первых гармоник в зазоре складываются арифметически.

Таким образом, использование пред- лагаемого изобретения позволяет повысить КПД электропривода.

Формула изобретения

Асинхронный час.|отно-регулируемый электропривод, содержащий асин. ронный электродвигатель с двумя статорными обмотками, сдвинутыми 15

s пространстве относительно друг друга на 30 эл. град. датчик скорости, выходом связанный с регулятором скорости, выход которого через первый и второй функциональные пре- ур образователи соединен с первым и вторым регуляторами напряжения соответственно, инвертирующий усилитель, входом подключенный к выходу регулятора скорости, а выходом связанный с блоком вычисления абсолютного скольжения, к которому подключен выход датчика скорости, регулятор абсолютного скольжения, вход которого связан с выходом блока вычисления аб- ЗЕ солютного скольжения и через переключающий блок с входом регулятора скорости, а выход регулятора абсолютного скольжения подключен к входам первого и второго регуляторов на35 пряжения, преобразователь частоты, включающий два независимых канала преобразования напряжения и частоты, каждый из которых составлен из последовательно соединенных выпрямите03 10 ля, фильтра, датчика напряжения, бло1 ка разряда, инвертора, схемы управления выпрямителями и инверторами указанных каналов, блок фазового сдвига, вход которого соединен со схемой управления инвертором первого канала, а выход - со схемой управления инвертором второго канала, вход схемы управления инвертором первого канала соединен с выходом регулятора скорости, выход каждого регулятора напряжения связан с входом схемы управления выпрямителя соответствующего канала преобразования, а выход каждого канала преобразования связан с одной из статорных обмоток асинхронного электродвигателя, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения коэффициента полезного действия привода, в него введены датчики тока высших гармоник, каждый из которых включен последовательно с одной из статорных обмоток асинхронного электродвигателя, и регулятор тока высших гармоник, вход которого соединен с выходами датчиков тока высших гармоник, а выход подключен к входу второго функционального преобразователя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Бедфорд Б., Хофт P. Теория автономных инверторов. М., "Энергия", 1969> с. 238.

2. Кочетков В.Д. и др. Принципы построения быстроходных частотнорегулируемых асинхронных электроприводов большой мощности.-"Электромеханика". 1974. М 10.

957403

Составитель В. Тарасов

Редактор Н. Безродная Техред Т. Иаточка Корректор А. Ференц

Заказ 20/ 7 Тираж 72 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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