Частотно-регулируемый электропривод

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электроприводам переменного тока, и может найти применение в механизмах, работающих в широком диапазоне регулирования частоты вращения с высоким коэффициентом полезного действия. Целью изобретения является расширение диапазона регулирования и снижение потерь путем улучшения формы фазных токов. Указанная цель достигается тем, что каждая из фазных обмоток асинхронного двигателя 1 выполнена в виде изолированных секций по числу фаз питающей сети, подключенных к соответствующим выходам усилителей мощности 13, 14, а питающие выводы преобразователей частоты 15, 16, 17 соединены по схеме "треугольник". В фазосдвигающий узел 23 введен сумматор 30, подключенный первым входом к выходу генератора развертывающего напряжения 25 вторым входом - к опорному входу 37 усилителя мощности, а выходом - к входу компаратора 27. При этом обеспечивается смещение частоты пульсаций фазных токов в более высокочастотную область путем реализации многофазной модуляции и улучшение энергетических показателей за счет снижения потерь в двигателе, вызванных несинусоидальностью тока фаз. 5 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к электроприводам переменного тока, и может найти применение в механизмах, работающих в широком диапазоне регулирования частоты вращения с высоким коэффициентом полезного действия.

Целью изобретения является расширение диапазона регулирования и снижение потерь путем улучшения формы фазных токов.

На фиг. 1 представлена функциональная схема частотно-регулируемого электропривода; на фиг. 2, 3 представлены временные диаграммы, поясняющие работу частотно-регулируемого электропривода; на фиг. 4 представлены временные диаграммы, поясняющие работу фазосдвигающего узла; на фиг. 5 представлена условная диаграмма, эквивалентная напряжению повышенной частоты с многозонной модуляцией эквивалентная коммутационная функция.

Частотно-регулируемый электропривод содержит асинхронный двигатель 1 (фиг. 1) с тахогенератором 2 на валу, выход которого подключен к первому входу блока сравнения 3, второй вход которого соединен с выходом блока задания 4. Выход блока сравнения 3 через преобразователь 5 аналог-частота подключен к формирователю 6 фазных гармонических функций, выходы которого подключены к первым входам "mn" блоков умножение 7 12, где "m" число фаз питающей сети, "n" число фаз асинхронного двигателя (для определенности принято m 3 и n 2). Усилители мощности 13, 14, каждый из "n" усилителей, выполнен в виде преобразователя 15 (16, 17) частоты, по числу фаз питающей сети, на ключах 18, 19, 20, 21 переменного тока с двухсторонней проводимостью, управляющие цепи которых через узел развязки 22 соединены с выходами фазосдвигающего узла 23. Фазосдвигающий узел 23 преобразователей 15 (16, 17) частоты выполнения по двухканальной схеме, каждый канал которой включает генератор развертывающего 34 (25) напряжения, компаратор 26 (27), двухвходовый элемент 28 (29), "исключающие ИЛИ", выход которого образует выход фазосдвигающего узла, а второй канал, кроме того, содержит сумматор 30. Одни из входов элементов 28, 29 "исключающее ИЛИ" обоих каналов объединены между собой и со входом генераторов развертывающего 24, 25 напряжения и образуют тактовый 31 (32, 33) вход фазосдвигающего 23 узла. Второй вход элементов 28, 29 "исключающее ИЛИ" соединен с выходом компараторов 26, 27, первые входы которых объединены и образуют управляющий 34 (35, 36) вход фазосдвигающего узла 23. Второй вход компаратора 26 первого канала фазосдвигающего узла 28 соединен с выходом генератора 24 развертывающего напряжения 24. Генератор развертывающего напряжения 25 входом соединен с первым входом сумматора 30, выход которого подключен ко второму входу компаратора 27. Вторые входы сумматоров 30 всех преобразователей 15, 16, 17 частоты усилителей 13 и 14 объединены и образуют дополнительный опорный вход 37 усилителей мощности 13, 14. Управляющий 34, 35, 36 и тактовый 31, 32, 33 вход фазосдвигающих узлов 23 преобразователей частоты 15, 16, 17 образуют информационные входы усилителя мощности 13 (14), выходы которых образованы выходами усилителя мощности 13 (14), выходы которых образованы выходами преобразователей частоты 15, 16, 17. Одни из информационных входов усилителей мощности 13 (14) соединены с выходами блоков умножения 7, 8, 9 (10, 11, 12), вторые входы которых соединены с энергетическими входами усилителей мощности 13 (14) и подключены к соответствующим фазам А, В, С питающей сети. Вторые информационные выходы усилителей мощности 13 (14) объединены и подключены к выходу генератора напряжения постоянной амплитуды и частоты 38.

Каждая обмотка асинхронного двигателя 1 выполнена в виде изолированных секций, по числу "m" фаз питающей сети, каждая из которых подключена к соответствующим выходам усилителей мощности 13 (14). Преобразователи частоты 15, 16, 17 каждого усилителя мощности 13 (14) соединены с выводами питающей сети по схемам "треугольник". Генераторы развертывающего напряжения 24, 25 первого и второго каналов выполнены для преобразователя частоты 15 фазы А в виде генераторов нарастающего пилообразного и ниспадающего пилообразного напряжений, для преобразователя частоты 16 фазы В в виде генераторов ниспадающего пилообразного и нарастающего пилообразного напряжений, для преобразователя частоты 17 фазы С в виде генераторов треугольного и сдвинутого на 180^o треугольного напряжений соответственно.

На фиг. 2 5 обозначено: 39 напряжение ошибки на выходе блока сравнения 3; 40, 41 напряжения на выходах формирователя 6 фазных гармонических функций; 42, 43, 44 трехфазная система переменного напряжения питающей сети; 45, 46, 47 напряжения на выходах блоков умножения 7 9 соответственно; 48, 49, 50 линейно нарастающее, линейно ниспадающее и треугольное напряжение генератора развертывающего напряжения 24 соответственно для преобразователей частоты 15, 16, 17; 51, 52, 53 линейно ниспадающее, линейно нарастающее и треугольное напряжение на выходе сумматора 30 соответственно для преобразователей частоты 15, 16, 17; 54 опорное напряжение с входа 37; 55 выходное напряжение генератора 38 постоянной амплитуды и частоты; 56, 57, 58 выходное напряжение преобразователей частоты 15, 16, 17 соответственно; 59, 60 (61, 62, 63, 64) напряжение на выходе компаратора 27, 26 соответственно, для преобразователей частоты 15 (16, 17); 65, 66 (67, 68, 69, 70) выходные напряжения фазосдвигающего узла 23 преобразователей частоты 15 (16, 17) соответственно; 71, 72, 73 суммарные коммутационные функции для ключей переменного тока с двухсторонней проводимостью 18 21 преобразователей частоты 15, 16, 17 соответственно; 74 условная суммарная коммутационная функция преобразователей частоты 15, 16, 17.

Частотно-регулируемый электропривод функционирует следующим. Рассмотрим алгоритм работы для одной фазы асинхронного двигателя, т. к. для другой фазы диаграммы будут аналогичны, но со сдвигом на 90^o.

С выхода тахогенератора 2 (фиг. 1) на первый вход блока сравнения 3 подается напряжение обратной связи, а на второй вход узла сравнения 3 подается задающее напряжение с выхода блока задания 4. На выходе блока сравнения 3 получают напряжение ошибки 39 (фиг. 2), которое подается на вход преобразователя 5 напряжения напряжение частота. Напряжение с его выхода поступает на вход формирователя 6 фазных гармонических функций, на выходах которого получают синусоидальные напряжения 40, 41. Синусоидальное напряжение 40 подается на входы блоков умножения 7 9, на другие входы которых подаются переменные напряжения, синфазные с напряжениями питающей сети 42, 43, 44. На выходе блоков 7 9 получают напряжения 45, 46, 47, равные произведению входных напряжений. Напряжение 45 является результатом перемножения напряжения 40 и напряжения 42 фазы А питающей сети, 46 напряжения 40 и напряжения 43 В питающей сети и 47 напряжения 40 и напряжения 44 фазы С питающей сети. Напряжения 45, 46, 47 подаются на управляющие входы усилителя мощности 13, к тактовым входам которого приложено напряжение 55 (фиг. 3) с выхода генератора 38 постоянной амплитуды и частоты.

Алгоритм работы преобразователя частоты 15 для фазы А питающей сети усилителя мощности 13 (14) заключается в следующем.

Напряжение 42 фазы А питающей сети (фиг. 2) поступает на энергетический вход преобразователя частоты 15, алгоритм включения ключей 18 21 которого определяется величиной и знаком управляющего напряжения 45 (для фазосдвигающего узла 23) и в сумме представляет собой коммутационную функцию 71. Для преобразователей частоты 16, 17 с питающим напряжением 43, 44 алгоритм включения ключей с двухсторонней проводимостью определяется величиной управляющего напряжения 46, 47 и в сумме представляет собой 72, 73 соответственно.

На тактовый вход 31 фазосдвигающего узла 23 (фиг. 1) подается напряжение 55 (фиг. 3), моменты смены уровня которого являются тактирующими для генераторов развертывающего напряжения 24, 25, причем первый их них формирует линейно нарастающее напряжение 48, а второй формирует линейно ниспадающее напряжение. Генераторы развертывающих напряжений преобразователей частоты 16, 17 формируют соответственно линейно ниспадающее напряжение 49, линейно нарастающее напряжение 48, треугольное напряжение 50 и сдвинутое на 180^o треугольное напряжение 53.

Далее напряжение развертки 48 (для фазы А) генератора развертывающего напряжения 24 подается на вход компаратора 26, а напряжение с выхода генератора развертывающего напряжения 25 поступает на первый вход сумматора 30, на второй вход которого подается опорное напряжение 54.

Для фаз В и С последовательность формирования алгоритмов коммутации ключей с двухсторонней проводимостью будет аналогична, поэтому ниже в скобках будут указываться номера диаграмм соответственно для преобразователей частоты 15, 17.

В результате на выходе сумматора 30 формируется напряжение 51 (52, 53), которое затем подается на первый вход компаратора 27. На вторые входы компараторов 26, 27 подается управляющее напряжение 45 (46, 47), Результатом сравнения являются напряжения 59, 60 (61, 62, 63, 64), которые с выхода компараторов 26, 27 подаются на один из входов двухвходовых элементов 28, 29 "исключающее ИЛИ" соответственно, на другие входы которых подается напряжение 55. На выходе элементов 28, 29 формируются напряжения 65, 66 (67, 68, 69, 70), которые с выходов фазосдвигающего узла 23 (фиг. 1) через узел развязки 22 поступают на управляющие входы ключей 18 21 преобразователя частоты 15 (16, 17).

Условимся, что уровень логического нуля выходных напряжений 65, 66 фазосдвигающего узла 23 соответствует отрицательной полуволне выходного напряжения узла развязки 22, а уровень логической единицы соответствует положительной полуволне выходного напряжения узла развязки 22. Состояние ключей 18 21 преобразователя частоты 15 определяется упомянутыми выходными напряжениями узла развязки 22, в частности отрицательная полуволна (уровень логического нуля напряжения 65) соответствует замкнутому состоянию ключа 18, а положительная полуволна (уровень логической единицы напряжения 65) - замкнутому состоянию ключа 20; напряжения 66 ключей 19, 21 соответственно. При непрерывном изменении управляющего напряжения 45 (46, 47) процесс преобразования переменного напряжения 42 (43, 44) питающей сети в напряжение повышенной частоты 56 (57, 58) и его модуляцию можно представить через суммарную коммутационную функцию 71 (72, 73) для преобразования частоты 15 (16, 17).

Для наглядности напряжения 71 (72, 73) можно представить как геометрическую сумму выходных разнополярных напряжений узла развязки 22.

Напряжение 56 (57, 58) повышенной частоты приложено к одной из изолированных секций обмотки электродвигателя 1 и его можно представить как произведение напряжения 42 (43, 44) питающей сети на коммутационную функцию 71 (72, 73).

Суммарное магнитное поле, создаваемое напряжением 56, 56, 58 повышенной частоты, приложенными к изолированным секциям n-обмоток электродвигателя 1, для наглядности можно представить через суммарную коммутационную функцию 74 преобразователей частоты 15, 16, 17.

Таким образом, на выходе усилителя мощности 13 формируются напряжения 56, 57, 58 (см. фиг. 3), которые можно записать как произведение исходного "m"-фазного напряжения питающей сети (1): (1) где U_m амплитуда, а Т период колебаний напряжения питающей сети, на коммутационную функцию (2): (2) где КРФ_m коммутационная функция определенной фазы, которую в общем виде можно записать в виде: (3) где f_a(t) коммутационная функция, называемая "прямоугольный синус" с полупериодом "а" повышенной частоты, а τ₁-τ₈ фазовые сдвиги, изменяющиеся по закону напряжения управления, определенному для каждой фазы питающей сети: (4) где sinΩ напряжение 40 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 f_a(t) и управляющего сигнала (4), т. е. напряжения 56, 57, 58 (фиг. 3). На выходах преобразователей частоты 15, 16, 17 напряжения представляются в виде: (5)
Напряжения на выходах усилителя мощности 14 можно записать в виде:
(6)
Напряжения (5) и (6) приложены к "mn" изолированным секциям обмоток двигателя 1 (фиг. 1) и создают в каждой из них пульсирующее магнитное поле, направленное вдоль оси своей катушки:
(7)
где ϕ фазовый сдвиг между вектором магнитной индукции и приложенным напряжением.

Суммарное магнитное поле, создаваемое изолированными секциями каждой из n-обмоток электродвигателя 1 (фиг. 1) можно представить в форме:
(8)
Поскольку каждое из слагаемых в квадратных скобках может быть представлено как сумма постоянной составляющей и гармонического колебания удвоенной частоты:
(9)
то (8) можно представить в виде:
(10)
Результирующая индукция по модулю равна:

и составляет угол β с осью X:

Причем, согласно (3), частота пульсаций индукции В будет в n раз выше, чем у прототипа, что отражено эквивалентной диаграммой 74 на фиг. 5.

Вектор результирующей магнитной индукции пульсирует по величине от -1,5 В_m до +1,5 B_m с частотой f_a(t) и вращается с угловой скоростью Ω..

Таким образом, выполнение обмоток асинхронного двигателя в виде изолированных секций по числу фаз питающей сети и соответствующее выполнение и подключение преобразователей частоты обеспечивают в сравнении с прототипом расширение диапазона регулирования за счет смещения частоты пульсаций фазных токов в более высокочастотную область путем реализации в устройствах многофазной модуляции и улучшение энергетических показателей за счет снижения потерь в двигателе, вызванных несинусоидальностью тока фаз. 1 2

Формула изобретения

Частотно-регулируемый электропривод, содержащий асинхронный двигатель с установленным на его валу тахогенератором, выход которого подключен к одному из входов блока сравнения, соединенного вторым входом с выходом блока задания, преобразователь аналог частота, подключенный входом к выходу блока сравнения, а выходом к входу формирователя фазных гармонических функций, каждый из фазных выходов которого подключен к объединенным между собой входам блоков умножения, другие входы каждого из которых предназначены для подключения к соответствующим фазам питающей сети, усилители мощности по числу фаз асинхронного двигателя, каждый из которых выполнен с преобразователями частоты по числу фаз питающей сети, причем каждый из преобразователей частоты, выходы которых образуют соответствующие выходы усилителя мощности, выполнен по мостовой схеме на ключах переменного тока с двусторонней проводимостью, управляющие цепи которых через узел развязки соединены с выходами фазосдвигающего узла, выполненного по двухканальной схеме, каждый канал которого включает генератор развертывающего напряжения, компаратор, двухвходовый элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого образует выход фазосдвигающего узла, одни из входов элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ обоих каналов объединены между собой и с входом генераторов развертывающего напряжения и образуют тактовый вход фазосдвигающего узла, другой вход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ в каждом канале соединен с выходом соответствующего компаратора, первые входы компараторов объединены и образуют управляющий вход фазосдвигающего узла, а второй вход компаратора первого канала фазосдвигающего узла соединен с выходом соответствующего генератора развертывающего напряжения, управляющие входы фазосдвигающих узлов преобразователей частоты подключены к выходам соответствующих блоков умножения, а тактовые входы фазосдвигающих узлов объединены между собой и подключены к выходу генератора напряжения постоянной амплитуды и частоты, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования и снижения потерь путем улучшения формы фазных токов, каждая фазная обмотка асинхронного двигателя выполнена в виде изолированных секций по числу фаз питающей сети, подключенных к соответствующим выходам усилителей мощности, питающие выводы мостовых схем преобразователя частоты каждого из усилителей мощности соединены по схеме "треугольник" и предназначены для подключения к соответствующим фазам питающей сети, во второй канал фазосдвигающего узла каждого из преобразователей частоты дополнительно введен сумматор, выход которого соединен с вторым входом компаратора, первый вход сумматора соединен с выходом соответствующего генератора развертывающего напряжения, а вторые входы указанных сумматоров всех преобразователей частоты объединены и образуют дополнительный опорный вход усилителей мощности, причем генераторы развертывающего напряжения первого и второго каналов фазосдвигающих узлов выполнены для преобразователя частоты первой фазы питающей сети в виде генераторов нарастающего пилообразного и ниспадающего пилообразного напряжений соответственно, для преобразователя частоты второй фазы питающей сети в виде генераторов ниспадающего пилообразного и нарастающего пилообразного напряжений соответственно, а для преобразователя частоты третьей фазы питающей сети в виде генераторов треугольного и сдвинутого на 180 эл. град. треугольного напряжения соответственно.

РИСУНКИ

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