Частотно-регулируемый электропривод

 

Изобретение относится к электотехнике. Цель изобретения - упрощение, расширение диапазона регулирования при повышении надежности и КПД. Частотно-регулируемый электропривод содержит асинхронный двигатель с тахогенератором на валу и обмотками, выполненными в виде гальванически развязанных секций, блок сравнения, преобразователь аналог-частота, формирователь фазных гармонических функций, множительные блоки, усилители мощности, каждый из которых содержит преобразователи частоты на ключах переменного тока, и генератор напряжения постоянной амплитуды и частоты. Частотно-регулируемый электропривод обеспечивает регулирование скорости вращения электродвигателя в широких пределах путем создания пульсирующего поля с изменением углового положения, что позволяет при сохранении высокой частоты питания создать низкие частоты вращения. 5 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электроприводам переменного тока, и может найти применение в механизмах, где требуется широкий диапазон регулирования частоты вращения.

Цель изобретения - упрощение, расширение диапазона регулирования при повышении надежности и КПД.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого электропривода; на фиг. 2 - функциональная схема фазосдвигающего узла; на фиг. 3-5 - временные диаграммы.

Частотно-регулируемый электропривод содержит асинхронный двигатель 1, каждая фаза статорной обмотки которого в пределах полюсного деления разделена на m гальванически развязанных секций, тахогенератора 2 на валу асинхронного двигателя. Выход тахогенератора подключен к первому входу блока 3 сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока 4 задания, выход блока 3 сравнения через преобразователь 5 аналог-частота подключен к формирователю 6 фазных гармонических функций, выходы которого подключены к одному из входов множительных блоков 7-9 и 10-12, объединенных в n групп по m входов, где m - число фаз питающей сети, n - число фаз асинхронного двигателя (для определенности принято m=3 и n=2).

Каждый из n усилителей 13 и 14 мощности выполнен в виде преобразователей 15-17 и 18-20 частоты на ключах 21-24 переменного тока с двухсторонней проводимостью, управляющие цепи которых через узлы 25 развязки соединены с выходами фазосдвигающих узлов 26, входы которых образуют информационные входы усилителя мощности. Выходы усилителей 13 и 14 мощности образованы выходами преобразователей 15-17 и 18-20 частоты и подключены к соответствующим изолированным секциям обмоток двигателя. Одни из информационных входов (управляющих входов) усилителей 13 и 14 мощности соединены с выходами соответствующих множительных блоков 7-9 и 10-12. Другие входы множительных блоков 7-9 и 10-12 соединены с энергетическими входами соответствующих преобразователей 15-17 и 18-20 частоты, которые соединены по схеме "звезда" и подключены к фазам питающей сети: А-15,18, В-16,19, С-17,20. Другие информационные входы (тактовые входы) усилителей 13 и 14 мощности объединены и подключены к выходу генератора 27 напряжения постоянной амплитуды и частоты.

Фазосдвигающий узел 26 с регулируемыми углами задержки и опережения выполнен по двухканальной схеме (фиг. 2), каждый канал которой включает последовательно соединенные генераторы 28 и 29 пилообразного напряжения, компараторы 30 и 31, двухвходовые элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 32 и 33, выходы которых образуют выходы фазосдвигающего узла с регулируемыми углами задержки и опережения, а одни из входов элементов 32 и 33 объединены с входами генераторов 28 и 29 и образуют тактовые входы фазосдвигающего узла, другие входы элементов 32 и 33 соединены с выходами компараторов 30 и 31. Одни входы компараторов 30 и 31 соединены с выходами генераторов 28 и 29, другие входы компараторов 30 и 31 объединены и образуют управляющий вход фазосдвигающего узла.

На фиг. 3 и 4 обозначено: 34 - напряжение ошибки на выходе узла 3 сравнения; 35 и 36 - напряжения на выходах формирователя 6; 37-39 - трехфазная система переменного напряжения питающей сети; 40-42 - напряжение на выходах множительных блоков 7-9 соответственно; 43 и 44 - линейно падающее и линейно нарастающее напряжение на выходах соответствующих генераторов 28 и 29; 45 - выходное напряжение генератора 27; 46-48 - выходное напряжение преобразователей 15-17 соответственно.

На фиг. 5 обозначено: 37 - напряжение на входе блока 7; 43 и 44 - линейно падающее и линейно нарастающее напряжения на выходе соответствующих 28 и 29; 45 - выходное напряжение генератора 27; 49 и 50 - диаграммы, поясняющие алгоритм работы фазосдвигающего узла 26; 51 и 52 - выходные напряжения фазосдвигающего узла 26 для фазы А; 53 - суммарная коммутационная функция для ключей 21-24; 46 - выходное напряжение преобразователя 15.

Работает электропривод следующим образом.

Рассмотрим алгоритм работы устройства для одной фазы асинхронного двигателя, так как для другой фазы диаграммы будут аналогичны, но со сдвигом на 90^о.

С выхода тахогенератора 2 на первый вход узла 3 сравнения подается напряжение обратной связи, на второй вход узла 3 сравнения подается задающее напряжение с выхода блока 4 задания. На выходе узла 3 сравнения действует напряжение 34 ошибки, которое представляет собой разность входных напряжений узла сравнения. Это напряжение подается на вход преобразователя 5 напряжение-частота. Напряжение с выхода преобразователя 5 поступает на вход формирователя 6, на выходах которого действуют синусоидальные напряжения 35 и 36. Синусоидальное напряжение 35 подается на входы множительных блоков 7-9, на другие входы которых подаются переменные напряжения, синфазные с напряжениями 37-39 питающей сети. На выходе множительных блоков 7-9 действуют напряжения 40-42, равные произведению входных напряжений. Напряжение 40 является результатом перемножения напряжения 35 и напряжения 37 фазы А питающей сети; напряжение 41 - напряжения 35 и напряжения 38 фазы В питающей сети, напряжения 42 - напряжения 35 и напряжения 39 фазы С питающей сети. Напряжения 40-42 подаются на управляющие входы усилителя 13 мощности, к тактовым входам которого приложено напряжение 45 с выхода генератора 27.

Рассмотрим алгоритм работы усилителя мощности 13 для фазы А питающей сети, так как для фаз В и С все диаграммы будут аналогичны, но со сдвигом на 120 и 240^о соответственно.

Напряжение 37 фазы А питающей сети поступает на силовой вход преобразователя 15 частоты, алгоритм включения ключей 21-24 которого определяется величиной и знаком управляющего напряжения 40 (для фазосдвигающего узла 26) и в сумме представляет собой коммутационную функцию 53.

На тактовый вход фазосдвигающего узла 26 подается напряжение 45, моменты смены уровня которого являются тактирующими для генераторов 28 и 29, причем первый из них формирует линейно падающее напряжение 43, а второй - линейно нарастающее напряжение 44. Напряжения 43 и 44 подаются на входы компараторов 30 и 31 соответственно, на другие входы которых подается управляющее напряжение 40. Результатом сравнения являются напряжения 49 и 50, которые с выхода компараторов 30 и 31 подаются на один из входов двухвходовых элементов 32 и 33 соответственно, на другие входы которых подается напряжение 45. На выходе элементов 32 и 33 формируются напряжения 51 и 52, которые с выхода фазосдвигающего узла 26 с регулируемыми углами задержки и опережения (см. фиг. 1) через узлы 25 развязки поступают на управляющие входы ключей 21-24 преобразователя 15 частоты.

Условимся, что уровень логического нуля выходных напряжений 51 и 52 фазосдвигающего узла 26 соответствует отрицательной полуволне выходного напряжения узла 25 развязки, а уровень логической единицы соответствует положительной полуволне выходного напряжения узла 25 развязки. Состояние ключей 21-24 преобразователя 15 частоты определяется упомянутыми выходными напряжениями узла 25 развязки, в частности: отрицательная полуволна (уровень логического нуля напряжения 51) соответствует замкнутому состоянию ключа 22, а положительная полуволна (уровень логической единицы напряжения 51) - замкнутому состоянию ключа 21; напряжения 52 - ключей 23 и 24. При непрерывном изменении управляющего напряжения 40 процесс преобразования переменного напряжения 37 фазы А питающей сети в напряжение 46 повышенной частоты и его модуляцию можно представить через суммарную коммутационную функцию 53 для преобразователя 15 частоты. Напряжение 53 представляет собой геометрическую сумму выходных разнополярных напряжений узла 25 развязки.

Напряжение 46 повышенной частоты приложено к одной из изолированных секций обмотки электродвигателя и его можно представить как произведение напряжения 37 фазы А питающей сети на коммутационную функцию 53.

Таким образом, на выходе усилителя 13 мощности формируются напряжения 46-48, которые можно записать как произведение исходного m-фазного напряжения питающей сети U_A=U_m sin α U_B=U_m sin(α - π) (1) U_C=U_m sin(α + π), где U_m - амплитуда; π - период колебаний напряжения питающей сети, на коммутационную функцию U₄₆ = U_m sin α КРФ_а U₄₇ = U_m sin (α- π) КРФ_b (2) U₄₈ = U_m sin (α+ π) КРФ_с, где КРФ_m - коммутационная функция определенной фазы, которую можно записать в виде КРФ_m = [f_a(t+ τ₁)-f_a(t-τ₂) f_a(t) , (3) где f_a(t) - коммутационная функция, называемая "прямоугольный синус" с полупериодом а повышенной частоты;
τ₁ и τ₂ - фазовые сдвиги, изменяющиеся по закону напряжения управления, определенному для каждой фазы питающей сети
U₄₀ = sin Ω sin α
U₄₁ = sin Ω sin α ( α- π) (4)
U₄₂ = sin Ω sin (α+ π), где sin Ω - напряжение низкочастотной модуляции.

При первом приближении процесс модуляции трехфазного сетевого напряжения по закону коммутационной функции (3) можно представить в виде произведения питающего напряжения (1), напряжения повышенной частоты fa(t) и управляющего сигнала (4), т.е. напряжения 46-48 на выходе преобразователей 15-17 частоты представляются в виде
U_xa= U_m·f_a(t)sinΩ·sin²α
U_xb= U_m·f_a(t)sinΩ·sin²(α-)
U_xc= U_m·f_a(t)sinΩ·sin²(α+)
(5)
Напряжения на выходе преобразователей частоты 18-20 можно записать в виде
U_xa= U_m·f_a(t)cosΩ·sin²α
U_xb= U_m·f_a(t)cosΩ·sin²(α-)
U_xc= U_m·f_a(t)cosΩ·sin²(α+) (6)
Напряжения (5) и (6) приложены к mxn изолированным секциям обмоток электрической машины и создают в каждой из них пульсирующее магнитное поле, направленное вдоль оси своей катушки
B_ya= B_mf_a(t+ϕ)sinΩsin²α
B_yb= B_mf_a(t+ϕ)sinΩsin²(α-)
B_yc= B_mf_a(t+ϕ)sinΩsin²(α+)
B_xa= B_mf_a(t+ϕ)cosΩsin²α
B_xb= B_mf_a(t+ϕ)cosΩsin²(α-) (7)
B_xc= B_mf_a(t+ϕ)cosΩsin²(α+) где ϕ - фазовый сдвиг между вектором магнитной индукции и приложенным напряжением.

По отношению к прототипу, где суммирование напряжений с целью исключения пульсаций с частотой питающей сети производится в трансформаторе, в предлагаемом электроприводе за счет выполнения обмоток электродвигателя в виде изолированных секций и подключения их через преобразователи частоты к разным фазам питающей сети осуществляется суммирование магнитных потоков от отдельных секций в магнитном поле электрической машины.

Суммарное магнитное поле, создаваемое изолированными секциями каждой из m-обмоток электродвигателя 1, можно представить в форме (8)
B_y= B_mf_a(t+ϕ)sinsin²α+sin²(α-)+sin²(α+)
B_x= B_mf_a(t+ϕ)cossin²α+sin²(α-)+sin²(α+)
(8) Поскольку каждое из слагаемых в квадратных скобках может быть представлено как сумма постоянной составляющей и гармонического колебания удвоенной частоты
i+i c+ - (9) то (8) можно представить в виде (10)
B_у = 1,5 B_mf_a(t+ ϕ) sin Ω (10)
B_x = 1,5 B_mf_a(t+ ϕ) cos Ω .

Результирующая индукция по модулю равна
B = = 1,5B_mf_a(t+ϕ) (11) и составляет угол β с осью Х:
tgβ = = tgΩ (12)
Таким образом, вектор результирующей магнитной индукции, пульсирующий по величине от -1,5 до +1,5 В с частотой f_a(t), вращается с угловой скоростью Ω. Такой прием формирования вращающегося магнитного поля позволяет получать очень низкие частоты вращения электродвигателя с обеспечением требуемой перегрузочной способности двигателя, при этом отсутствуют пульсации вращающегося момента с частотой питающей сети.

Как следует из описания работы электропривода в предложенном устройстве по сравнению с прототипом достигаются следующие положительные свойства: повышение КПД (на 2-3%) за счет исключения дополнительного преобразования электрической энергии, осуществляемого в прототипе трансформаторами; повышение надежности электропривода за счет исключения трансформаторов и, следовательно, устранения одностороннего насыщения их сердечников, что в прототипе может привести к резкому возрастанию потребляемого тока и выходу из строя ключей переменного тока; улучшение массогабаритных показателей электропривода за счет уменьшения массы усилителей мощности в 1,5 раза.

Изобретение в равной степени может быть отнесено к электроприводу с любым, более двух, числом фаз.

Формула изобретения

ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД, содержащий n-фазный асинхронный двигатель с тахогенератором на валу, выход тахогенератора подключен к первому входу блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока задания, выход блока сравнения через преобразователь аналог-частота подключен к формирователю фазных гармонических функций, выходы которого подключены к первым входам множительных блоков, усилители мощности, каждый из которых выполнен в виде m преобразователей частоты, составленных из управляемых ключей переменного тока с двусторонней проводимостью, управляющие цепи которых через узлы развязки соединены с выходами фазосдвигающих узлов, входы которых образуют информационные входы усилителя мощности, выходы которого образованы выходами преобразователей частоты, одни из информационных входов усилителей мощности соединены с выходами множительных блоков, вторые входы которых соединены с энергетическими входами усилителей мощности и предназначены для подключения к соответствующим фазам питающей сети, другие информационные входы усилителей мощности объединены и подключены к выходу генератора напряжения постоянной амплитуды и частоты, отличающийся тем, что, с целью упрощения, расширения диапазона регулирования при повышении надежности и коэффициента полезного действия, каждая фаза обмотки асинхронного двигателя в пределах полюсного деления разделена на m гальванически развязанных секций, каждая из которых подключена к выводам одного из m преобразователей частоты, соответствующего данной фазной обмотке усилителя мощности, где m - число фаз сети.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5