Способ управления многофазным электродвигателем

О Й-Н"-С:.АН. И Е ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 2511.77 (21) 254 б 7 б 4/24-07с присоединением заявки Ио -(51)м. Кл. Н 02 Р 7/42 ГосударственныИ комитет СССР по делам изобретеииИ и открытиИДата опубликования описания 30. 05. 80(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОФАЗНяМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ Изобретение относится к способам управления электродвигателем перемен. ного тока, в частности, регулирования его скорости.5 Известен способ регулирования скорости вращения асинхронного двигателя изменением числа его полюсов путем подключения к питающей сети различных обмоток, имеющих различные 1 О числа полюсов, или отдельных частей одной обмотки, образующих различные числа полюсов 1. Недостатки такого регулирования - изменение скорости только в кратное число раз относительно угловой частоты питания; невозможность получения частоты вращения выше угловой частоты питания; невозможность применения для синхронных двигателей и трудность использо О вания для асинхронных двигателей с фаэным ротором; трудность получения больше четырех ступеней скорости; плохое использование меди двигателя, особенно при большом числе скоростей;25 трудность выполнения нескольких обмоток с различными числами полюсов, обеспечивающих синусоидальную намагни. чивающую силу постоянной амплитудые 30 Наиболее близок к предлагаемомУ по технической сущности является способ частотного регулирования, при котором на фазные обмотки статора двигателя подают симметричное многофазное напряжение регулируемой частоты, чем достигается регулирование частоты вращения магнитного полн и широкий диапазон плавного и сравнительно экономичного регулирования скорости при хорошем использовании двигателя (2Недостаток способа - сложность его реализации из-эа необходимости применения сложных преобразователей частоты сети в синусоидальное многофазное напряжение регулируемой частоты.Известен способ регулирования скорости путем изменения напряжения питания, что достигается, например, изменением угла открывания тиристоров коммутатораспо данной программе (3 .Этот способ незкономичен и практически реализует небольшой диапазон регулирования скорости.Цель настоящего изобретения - расширение диапазона регулирования скорости и повышение экономичности.Поставленная цель достигается тем, что в известном способе програм 736329-ф -2 Составитель В. Т вРедактор М, Ликович Техред О.Андрейко Корректор М. шар аказ 2284 11 е ЦНИИП 3035 илиал ППП фПатент", г. Ужгород, ул, Проектная, 4 раж 783 Подпи Государственного комитет елам изобретений и откры сква, Ж, Раушская наб СССР д, 4/5много управления многофаэным электродвигателем, например двухполюсным, питающимсяот многофазного источника синусоидального напряжения, путем переключения напряжений на обмотках двигателя, Формируют переменное напряжение двух уровней, отличающихся по амплитуде ндвое, подают на каждую ,Фазную обмотку один из двух уровней противоположных полярностей, переключают указанные уровни и полярности с частотой, кратной частоте питания например, в 12 раэ, и одинаковой для различных скоростей вращения, а в интервалах между переключениями указанные уровни и полярности определяют для каждой скорости и для каждой фазыпрограммами, например, изображенными на фиг. 14 и 15 для частот вращения соответственно н полтора и два раза больших частоты питания.Благодаря таким переключениям для реализации предлагаемого способа не требуется получения синусоидального напряжения питания регулируемой частоты и, следовательно, не требуется применения выпрямителей, инверторов и Фильтров, а достаточен простой коммутатор. Не требуется также совместного регулирования частоты и напряжения, следовательно, нет необходимости управлять углом отпирания ключей.Система управления коммутатором должна лишь переключать ключи по определенной программе в одни и те же моменты времени, не зависящие от скорости вращения. Все зто обуславливаетупрощение как силовой схемы, так ксистемы упранления, Периодическоеподключение обмоток двигателя к источнику неизменной частоты обуславливаетпостоянство коэффициента моцности вовсем диапазоне регулиронания. В тоже время сохраняются преимуществачастотного способа - воэможность главного регулкрования скорости в широкомдиапазоне при хорошем использовании двигателя,На фиг, 1 изображена функционаг.,ьная схема управления двигателем; на фиг. 2 - трехфазная система токов нерегулируемого двигателя; на фиг, 3 пространственное распределение чисел витков Фазных обмоток двигателя; на фиг. 4 - врацающееся магнитное поле нерегулируемого двигателя; на фкг, 5- получение удвоенной частоты вращения магнитного поля; на Фиг. б - получение учетверенной частоты вращения магнитного поля; на Фиг. 7 - получение половинной частоты вращения магнитного поля; на Фиг, 8 - получение полуторакратной частоты вращения магнитного поля; на Фиг. 9 - получение частоты вращения магнитного поля втрое меньшей, чем угловая частота питающей сети на фкг. 10 - получение частоты вращения магнитного поля, равной 2/3 чгловой частоты питающей сети; на фиг, 11 - Фазные напряжения при полонинной и полуторакратной частоте вращения магнитного поля; на Фиг, 12временные графики намагничивающих силтрех фаз и их сумма прк половиннойчастоте вращения при уменьшеннойточности регулирования; на фиг. 13вращение магнитного поля машины с половинной скоростью при уменьшеннойточности регулирования; на фиг, 14 и1.5 - программы переключения уровнейфазного напряжения соответственно длячастот вращения в полтора и дна разабольших частоты питания.На Функциональной схеме фиг. 1 показан пример переключателя, состоящего из шести вторичных Фазных обмотоктрансформатора и двенадцати полностьюуправляемых ключей. Первичная трехфазная обмотка трансформатора, подключенная к питающей сети трехфазногосинусоидального напряжения, на фиг. 1не показана, Вторичные обмотки трансформатора, по две идентичные обмоткина каждую фазу, выполнены с отводами.Выводы и отводы обмоток подключенычерез полностью управляемые ключик клеммам питания А, В, С, О управляемого двигателя, Две вторичные обмотки каждой фазы имеют противоположнуюполярность (точки на фиг, 1).фазные токи угловой частоты питания щ трех фаз нерегулируемого двигателя изображены на фиг, 2 различными линиями; штрихпунктирной для фазы А линией тире - дне точки дляФазы В и пунктирной для Фазы С, Такими же линиями на Фиг. 3 изображеныпространственные распределения чиселвитков ж трех фаз обмоток питания двигателя, Каждая Фаза двигателя представляет собой простую равномерно распределенную двухполюсную обмотку, которая при достаточно большом числепазов имеет трапецеидальное распределение чксел вктков в Функции отпространственной координаты х,Ротор управляемого двигателя может быть короткоэамкнутым если днигатель асинхронный, и может возбуждаться постоянным током или быть безобмоточным, если двигатель синхронный,Рассмотрим регулирование скорости(частоты) вращения магнитного полядвигателя или, что то же самое приравномерном воздушном зазоре, намагничивающей силы (НС), считая, чтодвигатель работает при постояннойнагрузке, При изложении полагаем,что ключи пронумерованы слева направо (Фкг. 1),На Фкг. 4 изображена бегущая (врацаюцаяся) волна НС нерегулируемогодвигателя, когда к его зажимам А, В,С, О постоянно подключено по однойобмотке трансформатора одинаковойполярности, т. е, когда постояннозамкнуты ключи 1-ый, 5-ый к 9-ый, а.остальнье ключи постоянно разомкнуты. НС трех фаз имеют такие же трапецеидальные распределения, что и числа фазных обмоток, и изображены на фиг. 4 такими же линиями. Кривые сумм 40 полярности, так что по этим обмоткамтекут токи соответственно -21, и 65 НС трех фаз изображены сплошными линиями, Как и в любом неуправляемом 5двигателе, вслна НС в этом случаевращается вдоль расточки статора -пространственной координаты х - сугловой скоростью, равной угловойчастоте питающего напряжения; на 10фиг. 4 показан поворст волны НС напространственный угол - радиан за2 йинтервал 0 ю с 2 -у3На фиг. 5 показано получение удвоенной скорости вращения волны НС. 15В момент о 1 = 0 замкнуты ключи 1-ый,5-ый и 9-ый на (фиг. 4) и кривая НСимеет то же положение. Так как приэтом фазные обмотки двигателя подключены к идентичным отнодам обмоток трансформатора, имеющих одинаковую полярность, то фазные токи текутв условно положительном направлении -обозначим их мгновенные значения+1 д, +1 В и 1 . В следующий моментшФ = ток фазы В проходит черезнуль (1 =0), все ключи фазы А разомкнуты (1 А: 0), а в фазе С замкнут10-ый ключ, подающий на фазную обмотку удвоенное напряжение положительной полярности, так что ток фазы Сравен +21 соответственно НС фазы Св этот моментизображена на фиг. 5сдвоенной пунктирной линией. В следующий момент азу = в ,- замкнуты ключи- Х4-ый, 5-ый, 9-ый и по обмоткам дви- З 5гателя текут токи -21 Д, +1 В и +1соответственно НС фазы А, созданнаяее током условно отрицательной полярности, изображена на фиг. 5 сдвоенной штрих-пунктирной линией, а НСостальных двух фаз - одинарными линиями. В следующий момент Юй(на фиг. 5 не показан) замкнуты ключи б-й и 12-ый, и в фазных обмоткахфаэ В и С текут токи +218 и -2 ъо ит. д, Как видно из фиг. 5, волна результирующей НС, изображенная сплошной линией, вращается вдвое быстрее,чем на фиг. 4 т, е. поворачиваетсяна такой же пространственный уголрадиан за вдвое меньшее время0 ю-- углоная частота ее вращения вдвое больше угловой частотысети,Фиг. б поясняет получение учетверенной скорости вращения волны НС, 55В момент в 1 = 0 замкнуты те же ключи 1-ый, 5-ый, 9-ый, как и на фиг. 4,волна НС имеет то же положение. Вследующий момент Ш 1 = в , изображенФный на фиг. б, замкнуты ключи 4-ый и10-ый, поданая на фаэные обмотки фазА и С удвоенные напряжения соответственно отрицательной и положительной+21 с . В следующий момент огттс (на фиг. б не показан) замкнут только 12-ый ключ и течет ток -21 С только в фазе С и т. д. Как видно из фиг. б, при таких переключениях волна результирующей НС вращается вчетверо быстрее, чем на фиг, 4 - поворачивается на такой же пространственный2 Йугол - радиан за вчетверо меньшее время.Фиг. 7 поясняет получение половинной скорости вращения магнитного поля машины. В период Осс(:( " - замкЭ нуты только 1-ый и 9-ый ключи и текут только токи +1 А и +1 С. ДалееГв момент а= - замкнут только 10-ый ключ и течет ток +21 С. Далее в момент ж 1 =замыканйем соответ 2ствующих ключей задаются фазные токи -1 А, +1 В и +1, далее в момент щф - токи -1 Д и +21 В и т. д. Как видйо из фиг. 7, волна НС вращается вдвое медленнее, чем на фиг. 4, т. е. частота вращения вдвое меньше частоты сети.Фиг, 8 поясняет получение частоты вращения магнитного поля, в 1,5 раза превышающей частоту сети, Переключениями соответствующих ключей задают в момент ы = О фазные токи +1 д и +1 В В момент ш 1 -+1 Д и +Хсзр в момент а 1 = -"- - +1 и +1 в мо 3 с В мент ю = - +21 и т. д. За нремя 0оз + волна НС поворачивается в пространстве на Т радиан, т. е. угловая частота ее вращения в 1,5 раза больше частоты сети.Для расширения возможностей регулирования скорости вращения перемещение волны НС может производиться и неравномерно. Например, на фиг, 9 показано, как путем вышеописанных переключений задается остановка волны НС в интервале фю 1 в, далее опять равномерное ее движение в интервале. -2щ(ь и т. д. Обладая достаточной инерционностью, ротор при этом будет вращаться равномерно со скоростью, определяемой средней частотой вращения волны НС. Эта средняя частота втрое меньше частоты питания фиг. 9. Аналогичным образом показано получение средней частоты вращения поля, эавной 2/3 частоты питания (фиг. 10). Таким образом, показана возможность получения практически любой час. тоты вращения магнитного поля как в сторону увеличения, Так и в сторону уменьшения относительно частоты питания, причем в широком диапазоне (рас" смотренные примеры охватывают диапазон 1 ; 12). Эта возможность достигается переключением в каждой фазе всего двух значений напряжений или токов противоположной полярности, хотя, конечно, может быть использовано и большее число таких значений - при этом увеличивается число ключей и отводоввторичных обмоток трансформатора(фиг, 1),Как видно из приведенных примеров,регулирование осуществляется переключением ачпервитков Фазных обмоток через равноотстоящие промежутки времени, не зависящие от достигаемой частоты вращения магнитного поля. Этипереключения осуществляются в рассмотренных примерах путем изменения напряжений, подаваемых на фазные обмотки, между двумя значениями противоположной полярности (нсего 4 значения).Яа Фиг. 11 приведены временные,циаграммы изменения Фазных напряжений дляполучения половинной частоты вращения(на Фиг. 11 вверху, над градуировкойоси времени) и для получения полуторакратной частоты вращения (на фиг. 11внизу). Фаэные напряжения нерегулируемого днигателя (условно положительные и равные единице) изображены такими же линиями, как и на фиг. 2, а точечными линиями изображены изменениянапряжений в моменты коммутации. Нафазные обмотки двигателя подаются несинусоидальные напряжения, составленные из временных отрезкон питающегосинусоидального напряжения (Фиг. 11),Амплитуда и полярность синусоидального напряжения на каждом иэ этих Отрезков различны в различных фазах, т. е.на трехфазную обмотку двигателя подается несимметричная система нелинейных напряжений.В рассмотренных примерах (Фиг. 410) прослежено изменение Фазных гоков двигателя через равноотстоящиеинтервалы времени ый = -1-. Кри эгомбпредполагалось, что эа каждый такойинтервал Фазный ток достигает расчетного указанного значения, т. е: переходный процесс протекает достаточно быстро. Рассмотрим ограничения,наклацываемые временем переходногопроцесса на реалйзацию предлагаемогоспособа.Как известно, длительность изменения токов при переходном процессе ннагруженной электрической машине определяется, в основном, реактивностями рассеяния. Если с, и г - индуктивность и активное сопротивление навходных зажимах, то постоянная времени переходного процесса Т = , ХоэффиГциент мощности машиныыА. Тсоя = соя(аге 1 ц - ) = соя(аге 1 З 2 Г - )=Т где Т - период частоты питания, должен быть. достаточно высок, чтобы свободная составляющая тока переходного процесса практически исчезла на заданный интервал между двумя переключениями, Так как эта свободная составляющая тока затухает до 5% от своего первоначального значения эа время 3 Г, то для регулирования с точностью не хуже 5 Ъ необходимо, чтобы ин 5 (О 15 20 25 3 О 35 тервал между двумя переключениями составлял ЗС. В рассмотренных примерахэтот интервал был выбран равнымЪ,ьр), т. е. для установки токов сточносгтью до 5 необходимо, чтобыЗЧ; - в, поэтому соямашины можетбыть очень высок (й 0,97) .Для регулирования предлагаемымспособоммашины с меньшим соя необходимо уменьшить точность регулирования или ввести, большее, чем двачисло значений токов (напряжений),участвующих в переключениях. Напримердля Г: 0,1 Т (созе = 0,846) нафиг. 12 и 13 представлены диаграммыНС, по которым можно оценить уменьшение точности регулирования для скорости вращения поля, равной половине частоты питания. На фиг. 12 представлены расположенные друг под другом нременные диаграммы Фазных НСФаз А, В, С и их сумма - результирующая кривая НС. Диаграммы построеныдля той же точки воздушного зазорамашины, в которой относительные значения чисел витков фаз равны % = 1,1ы = х = -- точка х : -" - наи С 2 2Фиг. 3), интервал между переключениями равен о; = в . Сплошные линииХизображают НС при переключениях, остальными линиями намечены установившиеся значения НС. Из фиг. 12 видно,что хотя фазные токи, экспоненциальноизменяющиеся между переключениями, несинусоидальны, результирующая НС обмотки питания (полонинной частоты)приближается к синусоиде. На Фиг, 13 показаны перемещения волны НС в пространстве через каждяе - радиан за период 2 К частотыХ6питания при фазных токах (фиг. 12). Кэ сопоставления Фиг. 13 и фиг. 7 можно оценить влияние уменьшения соя ,цвигателя н различных его режимах на точность регулиронания.Необходимые для реализации предлагаемого способа изменения ампервиткон Фазных обмоток могут быть осуществлены не только переключениями напряжений, подаваемых на днигатель, но и переключениями чисел витков в каждой фазе самого двигателя и ренерсированием фазных токов, В этом случае необходимость н дополнительном трансформаторе отпадает, а переключатель состоит только из ключевых приборов; при этом обмотки двигателя должны быть соответственно секциониронаны. Таким образом, функциональная схема Фиг, 1 пригодна как для регулирования двигателя обычного исполнения, так и для регулирования двигателя с секциониронанными обмотками, В последнем случае А В, С, О обозначают клеммы питания двигателя, а обмотки на Фиг, 1 - обмотки днигателя.В практической реализации режим работы ключей фиг. 1 задается прог 73 б 32920 формула изобретения 25 30 35 50 55 раммой. Две такие программы представ лены на прилагаемых фиг. 14 и 15 соответственно для частот чращения в 1,5 и в 2 раза больших частоты питания. Каждая программа представляет собой три ступенчатые диаграммы, расположенные на фиг. 14, 15 друг под другом соответственно для трех фаз, где высота ступенек означает уровень мгновенного значения фазного напряжения питания.Рассмотрим преимущества реализации предлагаемого способа по сравнению с реализацией частотного регулирования с помощью преобразователя частоты, обеспечивающего регулирование частоты в обе стороны относительно частоты напряжения сети. Такой преобразователь содержит регулируемый выпрямитель и инвертор на ключевых приборах, а также емкости для обеспечения двигателя необходимой рЕактивной мощностью. управление частотой осуществляется регулированием моментов включения ключей инвертора, а управление напряжением - регулированием напряжения выпрямителя или широтно-импульсным регулированием инвертора. Для получения удовлетворительной формы кривой выходного напряжения на выходе инвертора необходим сложный фильтр, масса которого составляет примерно треть массы преобразователя или бесфильтровой транзисторный инвертор с числом фаз (ключей) 24 и более. Выпрямитель должен содержать фильтр для исключения резких коммутационных напряжений на входе инвертора.Для реализации предлагаемого способа требуется преобразователь, содержащий лишь трансформатор и ключевые приборы, т. е. значительно проще, а при секционированных обмотках двигателя - только ключевые приборы. Так как нет промежуточного звена постоянного тока, реактивная мощность поступает из сети и каких-либо дополнительных источников реактивной мощности не требуется. Необходимое число ключевых приборов для реализации предлагаемого способа не превышает этого числа в преобразователях частоты. Таким образом, силовая схема реализации предлагаемого способа значительно проще.Схема управления для реализации предлагаемого способа тем более проще, так как не требуется ни регулирования напряжения, ни регулирования углов включения ключевых приборов, ни их взаимного согласования. Все регулирование по предлагаемому способу заключается только В изменении порядка переключения ключей в одни и те же моменты времени, т. е. в изменении программы переключений. Поэтому схема управления ключами не должна содержать ни источников опорного сигнала, задающих углы открывания ключей, ни источников линейно изменяющегося сигнала, имитирующего течение времени, ни датчиков, задающих изменение напряжения в функции от изменения скорости. Схема управления для реализации предлагаемого способа представляет собой лишь программное устройство, синхронизированное с питающей сетью и удобное для контроля с помощью ЭЦВМ,Двигатель, регулируемый предлагаемым способом, работает при любой скорости с неизменным соя , определяемым только частотой сети и нагрузкой двигателя. Способ управления многофазным электродвигателем, например, двухполюсным, питающимся От многофазного ис-. точника синусоидального напряжения, путем переключения напряжений на обмотках электродвигателя, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения диапазона регулирования и повышения экономичности, формируют переменное напряжение двух уровней отношение амплитуд которых равно двум, подают на каждую фазу обмотки электродвигателя напряжение одного из двух уровней одной из двух полярностей с последующим переключением напряжения на другой уровень и другую полярность, причем переключение напряжения с одного уровня одной полярности на другой уровень другой полярности производят с частотой, кратной частоте пи"тания, одинаковой для различных скоростей вращения, причем указанные уровни и полярности напряжения в каждой фазе определяют в соответствии с программами, превышающих в полтораи два раза частоту питания,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Голован А. Т. Основы злектропривода. Госэнергоиздат, 1959, с. 187.2. Саидлер А. С. Сарбатов Р, С.Автоматическое частотное управлениеасинхронными двигателями, Энергия,1974, с. 12-20.3. Шубенко В. А. Браславский И, Я,Асинхронный тиристорный электропривод,Энергия, 1972, с. 8.