Способ регулирования частоты вращения двигателя двойного питания и устройство для его осуществления

 

Использование: для регулирования частоты вращения двигателя двойного питания. Сущность изобретения: Способ регулирования частоты вращения двигателя двойного питания предусматривает питание обмоток статора двигателя из трехфазной сети, а обмоток ротора - от преобразователя частоты. При достижении двигателем частоты вращения, превышающей частоту вращения поля статора, изменяют чередование фаз обмоток статора, одновременно изменяют напряжение, подведенное к обмоткам ротора. Угол открывания тиристоров инвертора преобразователя частоты поддерживают неизменным и равным 150^oC в процессе регулирования частоты вращения. Устройство, реализующее способ, содержит фазопереключающее устройство, согласующее чередование фаз в силовой цепи и в системе управления инвертором. Изобретение позволяет увеличить диапазон регулирования частоты вращения. 2 с.п. ф-лы., 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к области регулируемого асинхронного электропривода на базе двигателя двойного питания.

Известен способ управления машиной двойного питания, согласно которому обмотку статора подключают к сети, а обмотку ротора к регулируемому преобразователю частоты, измеряют мгновенные значения токов в фазах ротора, усиливают эти сигналы и подают на управляющие электроды преобразователя частоты, причем коэффициент усиления выбирают таким, чтобы обеспечить критическое скольжение двигателя, скорость двигателя регулируют изменением частоты задатчика [1] Недостатком способа является сложность и малая надежность процесса регулирования, т.к. для регулирования частоты необходимо выполнять принудительную коммутацию тиристоров инвертора, питающего обмотку ротора, а для устойчивой работы двигателя в широком диапазоне скоростей, сигнал управления необходимо изменять в функции тока ротора двигателя.

Наиболее близким к заявляемому является известный способ регулирования частоты вращения двигателя двойного питания, при котором обмотку статора питают напряжением постоянной амплитуды, а обмотку ротора регулируемым напряжением от преобразователя частоты, измеряют мгновенные значения линейных напряжений между фазами обмоток ротора, определяют моменты коммутации ключей инвертора преобразователя частоты, коммутируя ключи инвертора устанавливают заданную частоту вращения двигателя, а регулирование частоты вращения осуществляют изменением величины подведенного к обмотке ротора напряжения [2] Однако известный способ регулирования частоты вращения двигателя имеет следующие недостатки. Осуществляется только однозонное регулирование частоты вращения, когда направление вращения ротора асинхронного двигателя противоположно направлению вращения поля статора. В результате диапазон регулирования частоты вращения двигателя ограничен предельно допустимой величиной ЭДС в обмотке ротора, т.к. чем больше частота вращения ротора, тем больше его ЭДС, и при превышении предельно допустимого значения напряжения в обмотках ротора возможен пробой изоляции ротора. При регулировании скорости и в установившемся режиме двигатель работает в режиме противовключения. Поэтому максимальная частота вращения ротора в два-три раза превышает частоту вращения поля статора. Кроме того, угол открывания ключей инвертора меняется в процессе регулирования частоты вращения, что приводит к нелинейности механических характеристик электропривода и ухудшает работу инвертора преобразователя частоты.

В предлагаемом способе регулирование частоты вращения двигателя двойного питания в обмотку статора подают напряжение постоянной амплитуды, а в обмотку статора подают напряжение постоянной амплитуды, а в обмотку ротора через преобразователь частоты со звеном постоянного тока подают регулируемое трехфазное напpяжение, направленное встречно ЭДС обмотки ротора и превышающее его по величине. Измеряют мгновенные значения трехфазного напряжения на выводах обмоток ротора, сдвигают фазу измеренного трехфазного напряжения на постоянный угол запаздывания. Определяют моменты коммутации ключей инвертора преобразователя частоты путем сдвига момента подачи сигналов управления на ключи инвертора на предельно допустимый угол запаздывания 150^o относительно точек естественной коммутации ключей инвертора.

Включают ключи инвертора с постоянным углом запаздывания относительно точек естественной коммутации ключей инвертора. Изменяя величину подведенного к обмотке ротора напряжения, путем изменения сигнала задания на входе преобразователя частоты, регулируют частоту вращения двигателя до тех пор, пока она станет по величине больше, чем частота вращения поля статора. После разгона двигателя до частоты вращения, превышающей по величине частоту вращения поля статора изменяют чередование фаз напряжения в обмотке статора двигателя, одновременно уменьшают напряжение задания на входе преобразователя частоты. Изменяя величину подведенного к обмотке ротора напряжения путем изменения сигнала задания на входе преобразователя частоты регулируют частоту вращения двигателя при значениях превышающих по величине частоту вращения поля статора двигателя.

В этом способе осуществляется двухзонное регулирование частоты вращения двигателя двойного питания. В первой зоне при низких частотах вращения двигатель двойного питания развивает двигательный момент, хотя направление вращения ротора противоположно направлению вращения поля статора. Это достигается за счет того, что напряжение на выходе преобразователя частоты больше ЭДС ротора, и ток в обмотках ротора направлен встречно ЭДС. При увеличении частоты вращения ротора, вращающегося против направления вращения поля статора, ЭДС ротора возрастает, и при значениях частоты вращения ротора, превышающих по величине частоту вращения поля статора, ЭДС ротора превышает пусковое значение более чем в два раза. Поэтому после разгона двигателя до частоты вращения, превышающей по величине частоту вращения поля статора, двигатель двойного питания переводят во вторую зону работы при высоких частотах вращения.

Для этого изменяют чередование фаз напряжения в обмотке статора, изменяя тем самым направление вращения поля статора. Теперь поле статора вращается в ту же сторону, что и разогнанный ранее ротор двигателя, причем скорость вращения ротора превышает скорость вращения поля статора. При этом величина ЭДС обмотки ротора после изменения чередования фаз напряжения в статоре уменьшается, поэтому для уменьшения тока двигателя одновременно с изменением чередования фаз напряжения статора уменьшают напряжение задания на входе преобразователя частоты до такой величины, чтобы напряжение на выходе преобразователя частоты превышало ЭДС ротора двигателя. Напряжение на выходе преобразователя частоты превышает ЭДС ротора и направлено встречно, поэтому ток ротора двигателя, вращающегося в ту же сторону, что и поле статора двигателя, направлен встречно ЭДС ротора. Двигатель двойного питания развивает двигательный момент при частоте вращения ротора двигателя, превышающей частоту вращения поля статора, причем ротор и поле статора вращаются в одну сторону.

Во второй зоне регулирования при высоких частотах вращения, так же как и в первой зоне регулирования при низких частотах вращения для увеличения частоты вращения двигателя увеличивают напряжение задания на входе преобразователя частоты, для уменьшения частоты вращения двигателя уменьшают напряжение задания на входе преобразователя частоты.

В данном способе регулирования частоты вращения двигателя двойного питания инвертор преобразователя частоты работает в режиме инвертора тока, ведомого напряжением, снимаемым с выводов обмоток ротора, с постоянным углом запаздывания открывания ключей инвертора. Это повышает надежность работы инвертора, исключает возможность его опрокидывания. Инвертор работает в режиме инвертора тока, ведомого напряжением на выходах обмотки ротора.

Перевод двигателя двойного питания во вторую зону регулирования путем изменения чередования фаз напряжения обмотки статора с одновременным уменьшением напряжения задания на входе преобразователя частоты после превышения частоты вращения ротора уровня, равного частоте вращения поля статора, позволяет расширить более чем в 2 раза диапазон регулирования частоты вращения двигателя, т.к. после изменения чередования фаз уменьшается скольжения ЭДС обмотки ротора.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства, в котором реализуется способ регулирования частоты вращения двигателя двойного питания; на фиг.2 принципиальная схема устройства, реализующая способ; на фиг.3 - векторная диаграмма, поясняющая работу фазосдвигающего устройства.

Устройство для регулирования частоты вращения двигателя двойного питания содержит преобразователь частоты, инвертор которого выполнен по трехфазной мостовой схеме на ключах (тиристорах) 1-6, выводы постоянного тока которого соединены с выходом трехфазного управляемого мостового выпрямителя 7, силовой вход которого через согласующий трансформатор 8 подключен к сети, а управляющий вход к задатчику напряжения 9. Выводы переменного тока инвертора подключены к фазным выводам обмотки ротора 10 двигателя двойного питания 11.

Блок управления инвертором содержит фазопереключающее устройство 12, имеющее реверсирующий контакт 13, катушка которого подключена к питающей сети через замыкающий контакт 14 центробежного реле, установленного на одном валу с двигателем 11, а основные переключающие контакты 16 реверсирующего контактора включены в две фазы статорной обмотки 17 двигателя 11, первые вспомогательные переключающие контакты 18 контактора 13 включены в цепи между двумя фазами обмотки ротора двигателя и двумя первичными обмотками фазосдвигающего на угол 150^o трансформатора 19, собранного по схеме "звезда-зигзаг". Вторые вспомогательные переключающие контакты 20 контактора 13 включены в цепь между двумя вторичными обмотками трансформатора 19 и двумя входами времязадающего устройства 21. Третья первичная обмотка трансформатора 19 подключена непосредственно к третьей обмотке ротора двигателя, а третья вторичная обмотка трансформатора 19 подключена непосредственно к третьему входу времязадающего устройства 21, выход которого подключен ко входу формирователя импульсов 22, выход которого соединен с управляющим входом инвертора. Фазосдвигающее устройство с углом сдвига фаз 150^o выполнено в виде трехфазного трансформатора, соединенного по схеме "звезда зигзаг", имеющего выводы 24-26 для подключения первичной обмотки, и выводы 27-29 для подключения вторичной обмотки.

Времязадающее устройство 21 выполнено в виде трехфазного моста 30, собранного из светодиодов динисторных оптопар 31-36, к выходу моста 30 подключен резистор 37. Формирователь импульсов 22 составлен из динисторов оптопар 31-36, подключенных к управляющим электродам тиристоров, соответственно 1-6, причем анод каждого из динисторов оптопары подключен к аноду своего тиристора, а катод динистора к управляющему электроду этого тиристора.

Способ регулирования частоты вращения в устройстве осуществляется следующим образом. На обмотку статора двигателя 11 подают через переключающие контакты 16 напряжение постоянной амплитуды и частоты, а в обмотку ротора 10 через преобразователь частоты регулируемое трехфазное напряжение. Величину напряжения на выходе выпрямителя 7 устанавливают задатчиком 9. При протекании тока по обмоткам статора двигателя 11 в обмотках ротора наводится ЭДС. Трехфазное напряжение с выводов обмотки ротора 10 подают через переключающие контакты 18 на трехфазное фазосдвигающее устройство 19, сдвигающее фазу на угол α 150^o.

Двухпозиционное фазопереключающее устройство 12 подключает к соответствующим фазам обмотки ротора двигателя соответствующие фазы блока управления инвертором. При любом из двух положений реверсирующего контактора 13 у первичной обмотки трансформатора 23 вход 24 соединен с фазой А обмотки ротора, к этой обмотке трансформатора подведено напряжение U_A, вход 25 соединен с фазой В обмотки ротора, к этой обмотке трансформатора подведено напряжение U_B, вход 26 соединен с фазой 6 обмотки ротора, к этой обмотке трансформатора подведено напряжение U_C. Вторичные обмотки трансформатора 23 соединены зигзагом, так что на выходе 27 напряжение U₁ U_B U_A, сдвинутое на угол a 150^o эл. по отношению к напряжению U_A, на выходе 28 напряжение U₂ U_C U_B, на выходе 29 напряжение U₃ U_A - U_C. Трансформатор 23 является фазосдвигающим устройством со сдвигом фаз a 150^o эл. При любом из двух положений реверсирующего контактора 13, у вторичной обмотки трансформатора вывод 27 подключен к плечу светодиодного моста времязадающего устройства 21, управляющего тиристорами фазы А инвертора, вывод 28 подключен к плечу светодиодного моста, управляющего тиристорами фазы В инвертора, вывод 29 подключен к к плечу светодиодного моста, управляющего тиристорами фазы С инвертора.

Векторная диаграмма (фиг.3) напряжений на вторичных обмотках трансформатора 23 поясняет работу фазосдвигающего устройства со сдвигом фаз на a 150^o. Таким образом выполнен сдвиг на 150^o эл. точек естественной коммутации светодиодов оптопар, включенных по трехфазной мостовой схеме, относительно точек естественной коммутации ключей инвертора, которыми управляет эти светодиоды.

С помощью блока управления по указанному принципу поочередно коммутируют тиристоры 1-6 инвертора в таком порядке, чтобы обеспечить протекание тока по фазам обмотки 10 ротора навстречу ЭДС ротора. Инвертор работает в режиме инвертора тока. Двигатель будет вращаться в направлении, противоположном направлению вращения электромагнитного поля, создаваемого обмоткой статора. Ротор будет иметь скольжение: ω_o частота вращения поля статора; ω частота вращения ротора.

ЭДС обмотки ротора будет: E_p E_pн · S где Е_рн ЭДС неподвижного ротора.

По мере разгона ротора увеличивается скольжение S, увеличивается ЭДС в его обмотке E_p, уменьшается ток и уменьшается момент двигателя. В установившемся режиме ротор вращается с частотой, при которой соблюдается равенство: U_α=E_и+I·R_э+2ΔU_т (1) где U_α напряжение на выходе выпрямителя 7;
E_и против ЭДС инвертора;
I входной ток инвертора;
R_э эквивалентное сопротивление двигателя, приведенное к выходу инвертора.

DU_т прямое падение напряжения на открытом тиристоре инвертора.

Для регулирования частоты вращения ω двигателя 10 в первой зоне имевшего частоту вращения w₁, с помощью задатчика 9 изменяют напряжение U_α на выходе выпрямителя. В результате нарушается выполнение условия (1), изменяется ток ротора, происходит изменение частоты вращения, ЭДС ротора двигателя до тех пор, пока ЭДС не достигнет нового значения, при котором выполняется соотношение (1). Двигатель будет в установившемся режиме с новым значением w₂ частоты вращения.

Регулирование частоты вращения в первой зоне ведется до тех пор, пока частота вращения не достигнет значения, при котором ЭДС ротора будет иметь предельно допустимую величину, которая определяется свойствами изоляции ротора. Если частота вращения ротора равна частоте вращения поля статора, то скольжение:

а ЭДС ротора
E_p E_рн · S 2Е_рн
если

E_p E_рн · S 3E_рн
и т.д.

Поэтому при превышении скорости двигателя ω, скорости вращения поля w_o изменяют чередование фаз напряжения, подведенного к обмотке статора и переводят двигатель во вторую зону регулирования частоты вращения.

Частота вращения, при которой изменяют чередование фаз напряжения в обмотке статора, может быть выбрана в диапазоне;
1,1ω_o<ω<2ω_o
При достижении указанной частоты вращения срабатывает центробежное реле 15, замыкает свой контакт 14, катушка 13 реверсирующего контактора получает питание и его контакты 16, 18 и 20 переключаются во второе положение.

Изменяется чередование фаз напряжения, подведенного к обмотке статора, изменяется направление вращения поля статора двигателя, изменяется чередование фаз ЭДС обмотки ротора, однако фазопереключающее устройство 12 обеспечивает нормальную работу инвертора, также изменив чередование фаз в блоке управления инвертором. После реверсирования напряжения в обмотке статора, поле статора вращается в том же направлении, что и ротор, однако скорость вращения ротора больше скорости вращения поля, поэтому в роторе наводится ЭДС, меньшая по величине, чем ЭДС перед изменением чередования фаз. Для ограничения тока в обмотке ротора задатчиком 9 уменьшают напряжение U_α на выходе выпрямителя. Ток по фазам обмотки ротора по-прежнему протекает навстречу ЭДС ротора, однако двигатель вращается в направлении вращения поля со скоростью, выше скорости вращения поля, т. е. работает во второй зоне "высоких" скоростей. По мере разгона ротора увеличивается ЭДС в его обмотке, уменьшается ток и уменьшается момент двигателя. В установившемся режиме ротор вращается с частотой, при которой соблюдается равенство (1).

Для регулирования во второй зоне частоты вращения w двигателя 11, имевшего в установившемся режиме значение частоты вращения w₃, с помощью задатчика 9 изменяют напряжения на выходе выпрямителя. В результате нарушается выполнение условия (1), изменяется ток ротора двигателя, происходит изменение частоты вращения и ЭДС ротора двигателя до тех пор, пока ЭДС не достигнет нового значения, при котором выполнится соотношение (1). Двигатель будет работать в установившемся режиме с новым значением частоты вращения.

В результате работы во второй зоне регулирования частоты вращения двигателя, когда ротор вращается в направлении вращения поля со скоростью большей скорости вращения поля, а ток в обмотке ротора протекает навстречу ЭДС ротора, в два раза увеличен диапазон регулирования частоты вращения двигателя.

Формула изобретения

1. Способ регулирования частоты вращения двигателя двойного питания, при котором в обмотку статора подают напряжение постоянной амплитуды, а в обмотку ротора через преобразователь частоты со звеном постоянного тока подают регулируемое трехфазное напряжение, направленное встречно ЭДС обмотки ротора и превышающее его по величине, измеряют напряжение на выводах обмоток ротора, определяют моменты коммутации ключей инвертора преобразователя частоты, коммутируя ключи инвертора, устанавливают заданную частоту вращения двигателя, а регулирование частоты вращения осуществляют изменением величины подведенного к обмотке ротора напряжения путем изменения сигнала задания на входе преобразователя частоты, отличающийся тем, что измеряют мгновенные значения фазных напряжений на выводах обмоток ротора, сдвигают фазу измеренных напряжений на 150^o, подают сигналы управления на ключи инвертора со сдвигом на угол запаздывания 150^o относительно точек их естественной коммутации, после разгона двигателя до порогового значения частоты вращения, превышающего по величине частоту вращения поля статора, изменяют чередование фаз напряжения в обмотке статора двигателя и одновременно уменьшают напряжение задания на входе преобразователя частоты.

2. Устройство для регулирования частоты вращения двигателя двойного питания, содержащее преобразователь частоты, состоящий из регулируемого выпрямителя, силовой вход которого подключен через согласующий трансформатор к питающей сети, а управляющий вход к задатчику напряжения, и инвертора, силовой вход которого подключен к выходу выпрямителя, а силовой выход к обмоткам ротора двигателя, обмотки статора которого предназначены для подключения к питающей сети, а к управляющему входу инвертора подключен выход формирователя импульсов, выполненного в виде динистров шести оптопар, светодиоды которых собраны в трехфазный мост, к выходу которого подключен резистор, отличающееся тем, что в устройство введен реверсирующий контактор, катушка которого подключена к питающей сети через замыкающий контакт центробежного реле, установленного на одном валу с двигателем, основные переключающие контакты реверсирующего контактора включены в две фазы статорной обмотки двигателя двойного питания, а первые вспомогательные переключающие контакты упомянутого контактора включены в цепи между двумя фазными обмотками ротора двигателя и двумя первичными обмотками фазосдвигающего на угол 150^o трансформатора, собранного по схеме звезда зигзаг, а вторые вспомогательные переключающие контакты контактора включены в цепи между двумя вторичными обмотками трехфазного фазосдвигающего трансформатора и двумя входами трехфазного светодиодного моста, третья первичная обмотка фазосдвигающего трансформатора подключена непосредственно к третьей обмотке ротора двигателя, а третья вторичная обмотка непосредственно к третьему входу светодиодного моста.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3