Способ управления работой электродвигателя

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для пуска электродвигателей, например асинхронных двигателей с полупроводниковыми компонентами. Техническим результатом является, по меньшей мере, уменьшение влияния постоянной составляющей тока в трехфазных контроллерах с двухфазной коммутацией. Способ управления током трехфазного электродвигателя с помощью трехфазного контроллера заключается в регулировании углов включения для выхода из диапазона углов включения, в котором возникает постоянная составляющая тока. 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится, в общем, к способу уменьшения влияния постоянной составляющей в токе нагрузки электродвигателя.

Уровень техники

Устройства пуска для электродвигателей, таких как асинхронные двигатели, содержащие полупроводниковые компоненты, уже используются в течение определенного времени. С помощью регулирования напряжения, подаваемого на двигатель по одной, двум или трем фазам, достигается уменьшение крутящего момента и тока, подаваемых на двигатель в режимах пуска и останова. В качестве параметра, определяющего меру мощности, подаваемой на двигатель, используется фазовый угол открытия или угол включения. Через нагрузку, которая подключается к выходу трехфазного контроллера, протекают полупериоды тока переменной полярности, при этом имеется временной интервал, в течение которого ток не протекает и который определяется фазой угла включения между каждыми из двух последовательных полупериодов тока.

Трехфазные контроллеры обычно имеют три пары полупроводниковых элементов, таких как тиристоры, подключенных встречно-параллельно по так называемой антипараллельной схеме. Поскольку тиристоры становятся определяющим стоимость фактором, используются также трехфазные контроллеры, имеющие только две пары тиристоров. В таких контроллерах, называемых трехфазными контроллерами с двухфазной коммутацией, оставшаяся третья фаза представляет собой некоммутируемый проводник.

Однако в случае, когда возможность управления ограничена только двумя из трех фаз, возникают нежелательные последствия, например, в виде возникновения постоянной составляющей тока электродвигателя. В режиме пуска двигателя желательно обеспечение плавного и постепенно нарастающего крутящего момента, однако постоянная составляющая тока, появляющаяся в режиме запуска, иногда приводит к задержкам или колебаниям крутящего момента. Это может вызывать как нарушение работы, так и повреждение контроллера, электродвигателя, а также приводимой им нагрузки.

В патентной публикации США 6930459 В2 раскрывается способ уменьшения влияния постоянной составляющей тока нагрузки асинхронного двигателя с помощью двух различных способов управления. При этом полное исключение постоянной составляющей тока оказалось сложной задачей при предложенном способе управления, поскольку значение регулируемого параметра является нестабильным и постоянная составляющая тока возникает мгновенно.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение предлагает способ устранения или, по меньшей мере, уменьшения влияния постоянной составляющей тока в трехфазных контроллерах с двухфазной коммутацией.

В основе изобретения лежит регулирование углов включения полупроводников, установленных в фазах, для устранения постоянной составляющей тока в случае наличия возможности ее возникновения в подаваемом на электродвигатель токе.

В соответствии с первым аспектом изобретения предлагается способ, охарактеризованный в п.1 прилагаемой формулы изобретения.

Для простой регулировки угла включения с целью обеспечения выхода из диапазона углов включения, в котором появляется постоянная составляющая тока, не требуется сложной системы управления. Таким образом, предлагается способ управления электродвигателем, который позволяет легким и удобным образом решить проблему появления постоянной составляющей тока в трехфазных контроллерах с двухфазной коммутацией.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения диапазон углов включения, в котором возможно появление постоянной составляющей в токе, подаваемом на электродвигатель, определяют до начала регулирования углов включения с целью выхода из данного диапазона углов включения. Это ограничивает применение предлагаемого способа частью рабочего диапазона, увеличивая его эффективность.

В предпочтительном варианте осуществления также проводят поиск постоянной составляющей тока в рабочем режиме и в случае ее обнаружения углы включения регулируют таким образом, чтобы выйти из диапазона углов включения, в котором появляется постоянная составляющая. Это ограничивает предлагаемый в изобретении способ регулирования углов включения только режимами, в которых реально появляется постоянная составляющая тока.

В соответствии со вторым аспектом изобретения предлагается компьютерный программный продукт, загружаемый непосредственно во внутреннюю память контроллера трехфазного двигателя.

Дальнейшие предпочтительные варианты осуществления изобретения охарактеризованы в зависимых пунктах формулы.

Краткое описание чертежей

Ниже изобретение описывается посредством примера со ссылкой на сопроводительные чертежи.

На фиг.1 представлена схема трехфазного электродвигателя со ступенью привода.

На фиг.2 представлена временная диаграмма, отображающая напряжение и ток электродвигателя в нормальном режиме работы электродвигателя в соответствии с изобретением.

На фиг.3 представлена временная диаграмма, отображающая напряжение и ток электродвигателя при появлении постоянной составляющей тока в режиме работы электродвигателя в соответствии с изобретением.

На фиг.4 представлена осциллограмма, отображающая пусковые токи двигателя с использованием известного способа регулирования.

На фиг.5 представлена осциллограмма, отображающая пусковые токи двигателя с использованием способа в соответствии с изобретением.

Осуществление изобретения

Далее приводится подробное описание предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения.

На фиг.1 показаны три линии фаз L1, L2 и L3, подключенные к источнику симметричного трехфазного напряжения (не показан), для питания трехфазного электродвигателя М. Трехфазный источник питания может быть напряжением питающей сети или трехфазным напряжением, генерируемым трансформатором.

Последовательно с линией L1 подключены полупроводники V1 и V2 по антипараллельной схеме, то есть два полупроводника, соединенные встречно-параллельно. В данном примере полупроводники являются тиристорами, которые управляются с помощью блока управления С таким образом, что они переключаются между проводящим и непроводящим состоянием обычным образом. С помощью данного переключения управляют напряжением и током, подаваемым на электродвигатель М. Напряжение, создаваемое на самих тиристорах, обозначается как U1, а ток соответствующей фазы обозначается как i1.

Параллельно с тиристорами V1, V2 подключен вольтметр D1, имеющий два входа и один выход. При подключении входов вольтметра D1 к выводам тиристоров измеряется напряжение U1. На выходе вольтметра D1 генерируется цифровой сигнал Х1, формирующийся на основании величины напряжения U1 следующим образом. Когда напряжение U1 на тиристорах V1, V2 равняется практически нулю, то есть либо когда по меньшей мере один из тиристоров находится в проводящем состоянии, либо в момент пересечения нулевого уровня напряжением фазы, сигнал Х1 равен логической "1". Во всех остальных случаях, то есть когда на тиристорах имеется ненулевое напряжение, сигнал Х1 равняется логическому "0". Сигнал Х1 поступает на блок управления С.

Линия фазы L1 подключена к одному из выводов фаз трехфазного электродвигателя М.

В линии L2 подключаются соответствующие тиристоры V3, V4 и вольтметр D2, измеряющий напряжение U2 на выводах тиристоров. Вольтметр передает информацию о напряжении в виде цифрового сигнала Х2 блоку управления С. Линия фазы L2 подключена к выводу второй фазы электродвигателя М.

Линия L3 не имеет подключенных проводников и подключена напрямую к выводу третьей фазы электродвигателя М.

Ниже описывается режим работы двигателя со ссылкой на фиг.2 и 3.

Сигналы Х1 и Х2 используются блоком управления С в качестве опорных сигналов для открытия (включения) тиристоров, то есть перевода их в проводящее состояние. Тиристоры включаются при угле включения "α", который на фиг.2 и 3 вычисляется от отрицательного фронта соответствующего сигнала Х1, Х2. Напряжение между выводами обмоток двигателя регулируется с помощью управления углом включения α. При угле включения, равном 0°, то есть при тиристорах, находящихся все время в проводящем состоянии, напряжение на двигателе составляет 100% от максимума. При угле включения, равном 180°, то есть при нахождении тиристоров все время в закрытом состоянии, напряжение на двигателе составляет 0%. С помощью постепенного увеличения или уменьшения угла включения α осуществляется соответствующая регулировка напряжения на выводах обмоток двигателя.

Как показано на фиг.2, при отсутствии постоянной составляющей тока длительность периода Т0 опорных сигналов Х1, Х2 будет равна половине периода напряжения. При частоте 50 Гц Т0 будет равняться 10 миллисекундам. Это также означает, что интеграл от величины тока фазы за один период напряжения будет равняться нулю.

При появлении постоянной составляющей тока, формы кривых напряжения и тока изменяются. Данные изменения будут описаны со ссылкой на фиг.3, на которой добавлена постоянная положительная составляющая тока. Также изменяется длительность периодов опорных сигналов. На фиг.3 первый период в случае появления постоянной составляющей тока обозначается Т1, а второй обозначается Т2. При наличии положительной постоянной составляющей Т1>Т0, в то время как Т2<Т0. Наличие постоянной составляющей может, таким образом, определяться, например, по факту того, что период Т1 длиннее Т2 или что Т1 и Т2 отличаются от Т0. В качестве альтернативного способа определения может производиться анализ интервалов проводящего состояния тиристоров, обозначаемых Т3 для первого периода и Т4 для второго периода. Факт того, что Т3>Т4, указывает на присутствие постоянной составляющей тока.

Постоянная составляющая тока появляется при определенных углах включения α. При большом угле включения α и низком напряжении, подаваемом на двигатель, проводить ток в каждый конкретный момент будет только один тиристор. Ток - i1 для фазы L1 или i2 для фазы L2 - протекает между фазой, имеющей проводящий тиристор, и фазой, не имеющей тиристоров, то есть линией фазы L3. По мере увеличения напряжения и уменьшения угла включения α при определенном верхнем значении угла включения α=а1 токи i1 и i2 начинают перекрываться, вызывая протекание тока также между данными двумя фазами L1 и L2. При угле включения α<а1 существует риск возникновения постоянной составляющей тока. Имеется также определенное нижнее значение угла включения α=а2, ниже которого риск возникновения постоянной составляющей тока устраняется. Следовательно, имеется диапазон а1<α<а2, в котором существует риск появления постоянной составляющей тока.

Значения а1 и а2 зависят, в числе прочих параметров, от коммутации полупроводников и импеданса схемы. В типичном случае а1=45° и а2=90°.

На этапе пуска, при обнаружении постоянной составляющей тока двигателя в вышеупомянутом диапазоне углов включения, угол включения немедленно уменьшается, что приводит к подаче более высокого напряжения на электродвигатель М. Это в свою очередь приводит к увеличению крутящего момента и быстрому выходу угла включения, регулируемому контроллером, из диапазона, в котором возникает постоянная составляющая тока. Процесс управления может затем возвратиться к нормальному рабочему режиму, если постоянная составляющая тока устранена.

Благодаря ограничению диапазона, в котором контролируется возникновение постоянной составляющей, обеспечивается более эффективное управление. Кроме того, воздействие интерференции не будет вызывать регулировку углов включения.

Далее приводится сравнение между рабочим режимом в предшествующем уровне техники и режимом при использовании предлагаемого в изобретении способа со ссылкой на фиг.4 и 5. На фиг.4 представлена осциллограмма, показывающая пусковые токи двигателя i1 и i2 с использованием предшествующего уровня техники. Можно заметить, что постоянная составляющая тока сохраняется в течение существенного промежутка времени. В то же время на фиг.5, на которой представлена осциллограмма, показывающая пусковые токи двигателя i1 и i2 при использовании способа согласно изобретению, постоянная составляющая тока быстро устраняется путем увеличения подаваемого на двигатель напряжения. Это приводит к резкому увеличению тока двигателя, который после достижения двигателем номинальной частоты вращения быстро уменьшается до номинальной рабочей величины.

При обнаружении постоянной составляющей тока двигателя в режиме останова подаваемое на двигатель напряжение, наоборот, быстро уменьшается, что позволяет избежать режима работы в диапазоне углов включения, при которых возникает постоянная составляющая тока.

Выше описан предпочтительный вариант осуществления способа управления током трехфазного электродвигателя согласно предлагаемому изобретению. Специалисту в соответствующей области техники будет понятно, что, не выходя за рамки настоящего изобретения, определенного прилагаемой формулой, могут иметь место различные варианты осуществления.

В качестве предпочтительного вида полупроводника, используемого в контроллере, служащем для осуществления способа в соответствии с изобретением, были описаны тиристоры с внутренней коммутацией. Дополнительным преимуществом является возможность использования других видов полупроводников, таких как запираемые тиристоры GTO.

1. Способ управления током трехфазного электродвигателя с помощью трехфазного контроллера, в котором напряжения (U1, U2) двух из трех фаз регулируют путем управления углами включения (а) полупроводников, установленных в указанных фазах (L1, L2), содержащий следующие шаги: определение возможности возникновения постоянной составляющей в подаваемом на электродвигатель токе; и регулирование углов включения для выхода из диапазона углов включения, в котором возникает указанная постоянная составляющая.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что включает дополнительный этап определения диапазона углов включения, в котором возможно возникновение постоянной составляющей в подаваемом на электродвигатель токе, предшествующий этапу регулировки углов включения, для выхода из указанного диапазона углов включения.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что диапазон углов включения лежит между 45° и 90°.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что включает дополнительный этап поиска постоянной составляющей в рабочем режиме и, в случае ее обнаружения, последующую регулировку углов включения для выхода из диапазона углов включения, в котором возникает указанная постоянная составляющая.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что включает дополнительный этап определения диапазона углов включения, в котором возможно возникновение постоянной составляющей в подаваемом на электродвигатель токе, предшествующий этапу поиска постоянной составляющей, при этом поиск постоянной составляющей ограничивают указанным диапазоном углов включения.

6. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что на этапе поиска постоянной составляющей производят сравнение длительности периода (Т0), включающего в себя последовательные интервалы непроводимости и проводимости полупроводников, с заранее заданным значением.

7. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что на этапе поиска постоянной составляющей производят сравнение периодов времени (T1, T2), включающих в себя последовательные интервалы непроводимости и проводимости полупроводников.

8. Способ по п.4 или 5, отличающийся тем, что на этапе поиска постоянной составляющей производят сравнение периодов времени (Т3, Т4), включающих в себя два последовательных интервала проводимости полупроводников.