Способ регулирования скорости асинхронного двигателя

 

Использование: может быть использован в асинхронных электроприводах общепромышленных механизмов, к которым предъявляются требования регулирования скорости в диапазоне пониженных скоростей. Сущность: изменяют частоту однофазного питающего напряжения, подаваемого на трехфазную статорную обмотку двигателя, путем подачи управляющего напряжения на тиристоры коммутатора одновременно на два тиристора одной группы вентилей коммутатора и один тиристор другой группы вентилей, подключенных к трем фазам статорной обмотки двигателя. В течение интервала времени t_инт=T/2·n, где T - период напряжения сети; n - целое число в пределах от 1 до 10. Затем отключают управляющее напряжение на одном из двух тиристоров одной группы вентилей коммутатора и одновременно подают управляющее напряжение на тиристор другой группы вентилей коммутатора, подключенной к той же фазе статорной обмотки двигателя. В результате изменяется ориентация вектора результирующей МДС на угол 60 эл. градусов в направлении вращения со скоростью, определяемой заданным числом, обеспечивая получение пониженных скоростей вращения двигателя. 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в асинхронных электроприводах общепромышленных механизмов, к которым предъявляются требования регулирования скорости.

Известен способ регулирования скорости асинхронного двигателя, при котором изменяют частоту подаваемого напряжения на статорную обмотку двигателя путем поочередного подключения каждой из трех фаз статорной обмотки двигателя к однофазному напряжению питающей сети в течение одного полупериода [1] Недостатком известного способа является отсутствие возможности регулирования скорости в широких пределах за счет получения только одной пониженной скорости, которая определяется скоростью вращения пульсирующего магнитного потока, задаваемой частотой питающего напряжения. При этом ориентация пульсирующего магнитного потока за период питающего напряжения меняется на 120 эл. градусов.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому способу является способ регулирования скорости асинхронного двигателя, подключенного через тиристорный коммутатор к питающей сети, при котором изменяют частоту однофазного питающего напряжения, подаваемого на статорную обмотку двигателя, путем подачи управляющего напряжения на тиристоры коммутатора. Причем подачу управляющего напряжения на тиристоры коммутатора осуществляют одновременно на два тиристора разных групп вентилей, подключенных к одной фазе. При этом каждая фаза двигателя подключается к питающей сети на интервале времени длительностью в один период [2] Недостатком данного способа является отсутствие возможности регулирования скорости в широких пределах, так как этот способ также позволяет получать только одну пониженную скорость, которая зависит от длительности подключения каждой фазы двигателя к питающей сети, равной длительности одного периода питающего напряжения. При этом ориентация пульсирующего магнитного потока за период питающего напряжения изменяется на 120 эл.градусов.

В основу изобретения положена задача разработать такой способ регулирования скорости асинхронного двигателя, который обеспечивал бы возможность получения пониженных скоростей вращения ротора двигателя путем создания устойчивого вращающегося магнитного поля с заданной частотой вращения, определяемой длительностью одновременной подачи управляющего напряжения на два тиристора одной группы вентилей и один тиристор другой группы вентилей определенной комбинации, что позволяет значительно расширить диапазон регулирования скорости двигателя.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе регулирования скорости асинхронного двигателя, подключенного через тиристорный коммутатор к питающей сети, при котором изменяют частоту однофазного питающего напряжения, подаваемого на статорную обмотку двигателя, путем подачи управляющего напряжения на тиристоры коммутатора, согласно изобретению управляющее напряжение одновременно подают на два тиристора одной группы вентилей коммутатора и один тиристор другой группы вентилей коммутатора, подключенных к трем фазам статорной обмотки двигателя, затем через интервал времени, равный t_инт T/2·n где T период напряжения питающей сети; n целое число в интервале от 1 до 10, отключают управляющее напряжение на одном из двух тиристоров одной группы вентилей коммутатора и одновременно подают управляющее напряжение на тиристор другой группы вентилей коммутатора, подключенный к той же фазе статорной обмотки двигателя, после чего цикл переключений повторяют.

В способе регулирования скорости асинхронного двигателя одновременная подача управляющего напряжения на два тиристора одной группы вентилей коммутатора и на один тиристор другой группы вентилей коммутатора, подсоединенных к разным фазам статорной обмотки, позволяет устранить влияние изменения полярности переменного питающего напряжения на направление результирующей магнитодвижущей силы (МДС) обмоток статора, т.е. результирующая МДС остается неизменной по направлению при заданной комбинации тиристоров, на управляющие электроды которых подается напряжение управления. Отключение через интервал времени, равный t_инт T/2·n, где T период питающего напряжения; n целое число в диапазоне от 1 до 10, управляющего напряжения на одном из двух подключенных тиристоров одной группы вентилей и одновременная подача управляющего напряжения на тиристор другой группы вентилей, присоединенной к той же фазе статорной обмотки, позволяет получить до десяти значений скоростей вращения вектора результирующей МДС с заданным направлением и более плавным изменением его ориентации за счет поворота на 60 эл. градусов за t_инт, что создает возможность регулирования скорости в широких пределах.

Кроме того, заявляемая последовательность выполнения операций способа позволяет формировать такие электромагнитные процессы в асинхронном двигателе, при которых ток, потребляемый двигателем из сети, практически не меняется при изменении момента вращения от нуля до значения, соответствующего стопорению двигателя, что обеспечивает повышение надежности двигателя без использования в последнем средств токовой защиты от перегрузок, в то время, как в известных способах регулирования скорости асинхронного двигателя переход к режиму стопорения сопровождается увеличением тока статора до недопустимых для двигателя значений.

В процессе проведения патентно-информационных исследований выявлено, что отличительные признаки, характеризующие подачу управляющего напряжения одновременно на два тиристора одной группы вентилей и один тиристор другой группы вентилей, подключенных к трем различным фазам статорной обмотки при питании однофазным напряжением, в известных технических решениях не обнаружены; отличительный признак, характеризующий подачу управляющего напряжения на тиристор из другой группы вентилей, подсоединенный к той же фазе обмотки статора одновременно с отключением управляющего напряжения на тиристоре той же фазы другой группы, в известных технических решениях не обнаружен.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что предлагаемый способ регулирования скорости асинхронного двигателя не следует явным образом из известного уровня техники, а следовательно, соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для реализации предлагаемого способа; на фиг.2 временная диаграмма питающего напряжения, поясняющая чередование комбинаций тиристоров коммутатора; на фиг.3 векторная диаграмма МДС, поясняющая формирование МДС статорной обмотки двигателя.

Устройство для реализации способа содержит тиристоры 1 6 (фиг.1) коммутатора 7. Статорные обмотки асинхронного двигателя 8 соединены по схеме "звезда", общая точка которой подключена к одному из зажимов сети однофазного питающего напряжения U_ф. Катоды тиристоров 1,3,5 (фиг.1) и аноды тиристоров 2,4,6 соединены между собой и подключены к другому зажиму сети однофазного питающего напряжения U_ф. При этом катод тиристора 4 соединен с анодом тиристора 1 и подключен к фазе "а" статорной обмотки двигателя 8, катод тиристора 6 соединен с анодом тиристора 3 и подключен к фазе "в" статорной обмотки двигателя 8, а катод тиристора 2 соединен с анодом тиристора 5 и подключен к фазе "с" статорной обмотки двигателя 8. Кроме того, устройство снабжено блоком управления 9 (фиг. 1), состоящим из стандартных функциональных узлов: генератора задания частоты вращения 10 двигателя 8, циклического реверсивного синхронного счетчика 11 с модулем счета K_c 6, дешифратора 12, блока управляемых ключей 13, генератора импульсов управления 14 тиристорами коммутатора 7. При этом выход генератора задания частоты вращения 10 соединен с входом циклического реверсивного синхронного счетчика 11, три выхода которого присоединены к трем адресным входам дешифратора 12. Шесть выходов дешифратора 12 соединены с шестью управляющими входами блока управления ключей 13, общий вход которого соединен с выходом генератора импульсов управления 14 тиристорами коммутатора 7, а шесть выходов блока управляемых ключей 13 присоединены к управляющим электродам тиристоров 1-6 коммутатора 7.

Способ осуществляется следующим образом.

При подаче в момент времени t=0 импульса напряжения с выхода управляемого генератора задания частоты вращения 10 (фиг.1) на вход циклического реверсивного синхронного счетчика 11, на его трех выходах устанавливается состояние <001> в двоичном формате, которое является входной адресной последовательностью для дешифратора 12. При этом на шести выходах дешифратора 12 устанавливается цифровой набор, подаваемый на управляющие входы блока управляемых ключей 13, с помощью которых подается управляющее напряжение с генератора импульсов управления 14 одновременно на три тиристора: на два тиристора, например тиристоры 6 и 2 (фиг.1), одной группы вентилей коммутатора 7 и один тиристор, например тиристор 1, другой группы вентилей коммутатора 7. В зависимости от полярности питающего напряжения U_ф (фиг.2) открывается и проводит ток либо тиристор 1, присоединенный своим анодом к фазе "a", либо открывается и проводят ток тиристоры 6 и 2, присоединенные своими катодами соответственно к фазам "b" и "c" статорной обмотки двигателя 8. При этом из векторной диаграммы МДС, приведенной на фиг.3, видно, что положения векторов результирующей МДС F при прохождении тока одной полярности в фазе "a" F_a или токов другой полярности в фазах "b" и "c" F_-b-c совпадают по направлению, т. е. ориентация вектора МДС F при заданной комбинации трех тиристоров 6,1,2 (фиг. 2), на которые подаются управляющие напряжения с генератора импульсов управления 14 через блок ключей 13, не зависит от полярности питающего напряжения. Затем через интервал времени, равный t_инт=T/2·n, при n, например, равном 2 (фиг. 2), отключают управляющее напряжение на одном из двух тиристоров одной группы вентилей коммутатора 7, например на тиристоре 6, и одновременно подают управляющее напряжение на тиристор другой группы вентилей коммутатора 7, например тиристор 3, подключенный к той же фазе "b" статорной обмотки двигателя 8, что и отключенный тиристор 6. Для этого в момент времени t₁, равный t_инт=T, (при n=2) подают очередной импульс напряжения с выхода управляемого генератора задания частоты вращения 10 (фиг.1) на вход циклического реверсивного синхронного счетчика 11. Вследствие чего на трех его выходах устанавливается очередное состояние <010> в двоичном формате, которое подается на три адресных входа дешифратора 12, при этом на шести его выходах устанавливается цифровой набор, соответствующий задаваемой комбинации тиристоров 1,2,3. Цифровой набор подается на управляющие входы блока ключей 13, с помощью которых подается управляющее напряжение с генератора импульсов управления 14 одновременно на три тиристора задаваемой комбинации, а именно тиристоры 1, 2, 3 (фиг.1,2). При этом в зависимости от полярности питающего напряжения U_ф (фиг.2) открывается и проводит ток либо тиристор 2, присоединенный своим катодом к фазе "c", либо открываются и проводят ток тиристоры 1, 3, присоединенные своими анодами соответственно к фазам "a" и "b" статорной обмотки двигателя 8. В этом случае, как видно из векторной диаграммы МДС, приведенной на фиг.3, положения векторов результирующей МДС F при прохождении тока одной полярности в фазе "c" F_-c или токов другой полярности в фазах "a" и "b" F_ab совпадают по направлению, т.е. ориентация вектора МДС при заданной комбинации трех тиристоров 1,2,3, на которые подаются управляющие напряжения с генератора импульсов управления 14 через блок ключей 13, также не зависит от полярности питающего напряжения. Ориентация вектора МДС на интервале времени t₁^oCt₂ отличается от ориентации вектора МДС на интервале 0^oCt₁ на угол 60 эл. градусов, что соответствует повороту вектора МДС по часовой стрелке за время заданного t_инт.

На следующих интервалах времени t₂^oCt₃; t₃^oCt₄; t₅^oCt₆ циклы переключений тиристоров повторяют аналогично вышеописанным для других комбинаций тиристоров, соответственно для тиристоров 2,3,4; 3,4,5; 5,6,1 (фиг.2) и в каждом очередном цикле ориентация результирующего вектора МДС меняется на 60 эл. градусов относительно предыдущего цикла. Таким образом, через шесть циклов переключений завершается полный оборот результирующего вектора МДС и далее порядок переключений тиристоров повторяют согласно описанному выше, начиная с интервала времени 0^oCt₁.

При длительности интервала времени t_инт=T/2·n, соответствующего другим значениям n в пределах от 1 до 10, цикл переключений тиристоров 1-6, описанный для n=2 (фиг.2) в интервалах времени от 0^oCt₁ до t₅^oCt₆, повторяют, что позволяют получить соответственно другие более низкие значения частоты вращения вектора МДС. При увеличении t_инт до значений, соответствующих n>10, происходит снижение электромагнитного момента, развиваемого двигателем, что приводит к нарушению устойчивого вращения ротора двигателя.

Следовательно, длительность t_инт целесообразно выбирать при значениях n от 1 до 10, так как указанные интервалы обеспечивают достижение наилучшего технического результата.

Таким образом, предлагаемый способ регулирования скорости асинхронного двигателя обеспечивает возможность получения до 10 значений пониженных скоростей вращения ротора двигателя путем создания устойчиво-вращающегося магнитного поля с заданной частотой вращения, что позволяет значительно расширить диапазон регулирования скорости двигателя.

Предлагаемый способ может найти широкое применение в нефтегазодобывающей и угольной промышленности, где асинхронные электроприводы работают в условиях, не допускающих их полной остановки при отсутствии технологических нагрузок. При этом становится целесообразным переходить на пониженные устойчивые частоты вращения, позволяющие экономить электроэнергию, сократить расход смазки в трущихся частях, соответственно износ оборудования и предотвратить смерзание смазки при низких температурах окружающей среды.

Формула изобретения

Способ регулирования скорости асинхронного двигателя, подключенного через тиристорный коммутатор к питающей сети, при котором изменяют частоту однофазного питающего напряжения, подаваемого на статорную обмотку двигателя, путем подачи управляющего напряжения на тиристоры коммутатора, отличающийся тем, что управляющее напряжение одновременно подают на два тиристора одной группы вентилей коммутатора и один тиристор другой группы вентилей, подключенных к трем фазам статорной обмотки двигателя, затем через интервал времени, равный t_инт T/2 ·n, где Т период напряжения питающей сети; n целое число в интервале от 1 до 10, отключают управляющее напряжение на одном из двух тиристоров одной группы вентилей коммутатора и одновременно подают управляющее напряжение на тиристор другой группы вентилей коммутатора, подключенный к той же фазе статорной обмотки двигателя, после чего цикл переключений повторяют.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3