Устройство для регулирования числа оборотов асинхронного двигателя

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК ПАТЕНТУ Союз Советских Социалистических Республик(51)М. Кл.з Н 02 Р 7/42 Государственный комитет СССР но делам изобретений и открытий(53) УДК 621. 313.3(088. 8) Дата опубликования описания 07.10.81 ИностранецХорст .Вольф(72) Автор изобретения Иностранная фирма 1(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧИСЛА ОБОРОТОВ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ Изобретение относится к электро-технике и может быть использовано в частотно-регулируемых электроприводах на базе асинхронного двигателя.Известно устройство для регулирования числа оборотов асинхронного двигателя, содержащее блок измерения тока, выход которого через блок сравнения соединен с блоком эадайия частоты скольжения. Выход последнего через сумматор частоты, куда подсоединен выход тахогенератора, подключен к блоку регулирований частоты преобразователя, к которому подключен асинхронный двигатель (1), 15 Недостатком известного устройства является то, что в результате быстро" го изменения нагрузки, частота преобразователя изменяется практически безынерционно,а ток - нет, что может привести к уменьшению перегрузочной способности двигателя и его опрокидывания в переходном режиме.Известно также устройство для ре- гулирования числа оборотов асинхронного двигателя с короткоэамкнутым ротором и тахогенератором на валу, содержащее инвертор тока, к выходу которого подключен асинхронный двига-ЗО 2Фтель, а вход через катушку индуктйв- .ности соединен с регулируемым выпрямителем, управляющая цепь которогосоединена с блоком регулирования тока асинхронного двигателя, блок из"мерения напряжения на зажимах асинхронного двигателя, сумматор частот,к одному входу которого подключенвыход тахогенератора, к другому -блок задания частоты скольжения, авыход сумматора частот соединен с управляющим входом инвертора тока, причем к первому входу блока заданиячастоты скольжения подсоединен выход тахогенератора 2).Недостатком известного устройства является то, что в результатевнезапного изменения момента нагрузки быстро изменяется ток, и.появляются импульсы перенапряжения наинверторе, что снижает его надежность,Цель изобретения - повышение надежности устройства.Эта цель достигается тем, что вуказанном устройстве к второму входу блока задания частоты скольжения подсоединен выход блока измерения напряжения на зажимах асинхронного двигателя.Кроме того, блок задания частоты скольжения выполнен в виде пропорционального регулятора.На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.Устройство содержит асинхронный двигатель 1. В этом предпочтительном варианте выполнения имеется в виду трехфазный двигатель, работающий как в режиме двигателя, так и в режиме генератора, Он может иметь преимущественно короткоэамкнутый ротор. Его роторный вал 2 связан с нагрузкой 3 и тахогенератором 4. Тахогенератор 4 Формирует либо постоянное напряжение, пропорциональное скорости вращения ротора двигателя 1, либо вырабатывает трехфазный ток, который затем выпрямляется.Сеть 5 трехфазного тока через двухпозиционный переключатель б подключена к регулируемому выпрямителю 7, управляющие входы которого соединены с блоком 8 регулирования тока. Выход тахогенератора 4 с помощью провода 9 подсоединен к сумматору 10 и к блоку 11 задания частоты скольжения, выход которого соединен с входом управления регулятором 12 тока возбуждения. К блоку 11 подключен блок 13 йзмерения напряжения на зажимах асинхронного двигателя. В токо- подводы 14, 15, 16 к регулятору 12 и сумматору 10 могут быть промежуточно включены не изображенные регулируемые сопротивления для установления желаемых констант С, С, С 9 так, что к точке блока 11 через токоподвод 14 прикладывается сигнал СО (ОВ - напряжение на зажимах статора) и через токоподвод 1 б сигнал СО, а к сумматору 10 через токоподвод 15 прикладывается сигнал СЭОЬ(О выходное напряжение тахогенератора 4, пропорциональное скорости вращения ротора) . С 2 и С могут при известных условиях быть равной величины. Регулятор 12 может иметь операционный усилитель 17 с П-характеристикой, образованной резистором 18, который с помощью провода 19 связывает вход и выход усилителя.Выход регулятора 12 подсоединен к входу 20 сумматора 10, выход которого через преобразователь "напряжение-частота" 21 и распределитель 22 импульсов соединен с инвертором 23 тока, Устройство содержит блок 24 задания частоты скольжения и дроссель 25 (В .цепи питания инвертора.Устройство работает следующим образом.Усилитель 17 Формирует на выходе сигнал постоянного напряжения, пропорциональный отклонению регулируемой величины, т.е. разнице С О-СО Она определяет частоту скольжения ротора, которая подводится к второму входу сумматора 10 для сложения с проходящим по токоподводу 15 сигналомСО постоянного напряжения, Регулятор 12 выполнен таким образом, чточастота скольжения ротора постоянноменьше разницы частот между критической и синхрониэирующей точками характеристики момента вращения - частотастатора двигателя 1 так, что двигатель1 при допустимых нагрузках не превышает предельное скольжение. Токвозбуждения, регулируемый посредствомрегулятора 12, при постоянной скорости вращения ротора, те. при О 4=сопз, устанавливается на неизменноезначение. В очень широком диапазонескоростей вращения ток возбуждения 15 остается неизменным неэависимо отнагрузки.Нацряжение на зажимах двигателя 1образуется в соответствии с токомстатора и частотой скольжения рото О ра. С помощью регулятора 12 путемвоздействия на частоту скольженияротора при данной скорости вращенияоно удерживается приблизительно постоянным. Регулирование происходиттаким образом, что при каждой скорости вращения, устанавливаемойзаданной величиной, при номинальномкрутящем моменте имеет место приблизительно оптимальная частота скольжения ротора для оптимального использования двигателя 1. Разница С,О 5- С 2 О 4, прикладываемая к блоку 11,способствует при этом тому, чтобынапряжение на зажимах двигателя 1изменялось пропорционально скоростивращения ротора.Выход сумматора 10 подключен кпреобразователю 21, выход которогопосылает импульсы управления постоянной амплитуды, частота которых про О порциональна входному напряжению преобразователя 21, Эти импульсы управления через распределитель 22 прикладывается к ключам статическогоинвертора 23, образующего шестиимпульсный, полностью управляеьий мосттрехфазного тока, для получения трехфазного тока статора асинхронного двигателя 1.Для пуска двигателя 1 необходимо,чтобы регулятор 12 к началу пуска задавал скольжение ротора, что достигается с помощью включаемого лишь накороткое время для пуска блока 24.Поясним подробнее регулированиетока возбуждения, под которым понимается чистый реактивный ток двигателя.Вектор 1= 14 Д (1 - ток статора,4 - ток ротора, 1 - ток возбуждения), Для безукоризненной работы 60 асинхронного двигателя необходимоточно так же как и при шунтовой машине постоянного тока, - чтобывсегда имелось достаточно энергиивозбуждения. Но в шунтовой машине 65 постоянного тока относительно просто, поскольку имеются раздельныезажимки якоря и контура возбуждения,добиваться постоянного возбуждениянезависимо от нагрузки, Асинхронныйдвигатель, напротив, имеет общиезажимки для всех токов, т.е. и длятоков ротора (ток ротора являетсяпропорциональным моменту вращениятока нагрузки), и для тока возбуждения, так что ток возбуждения асинхронного двигателя при постоянной скорости вращения ротора не может независимо от тока ротора восприниматьвоздействие или соответственно поддерживаться постоянным. Однако этодостигается с помощью регулятора 12.Предпосылкой при этом является то обстоятельство, что при каждом изменении нагрузки на протяжении короткоговремени, например от 0,1 до 0,2 с,сохраняется приблизительно постоянныйток статора за счет сглаживания 20тока катушкой индуктивности дросселя 25. Происходящее в асинхронномдвигателе разделение тока статора наток возбуждения и ток ротора (токнагрузки ) осуществляется с помощьюрегулятора 12 путем изменения частоты скольжения ротора, Постоянный токвозбуждения и тем самым постояннаяЭДС 1 векторная электродвижущая сила)достигается путем изменения тока ротора, Ток ротора со своей сторонычерез сопротивление В = В, (1 э/а)ротора и тем самым посредством частоты М скольжения ротора испытываетвоздействие таким образом, что токвозбуждения всегда и независимо отнагрузки сохраняет свое оптимальноезначение (К- общее эквивалентноеактивное сойротивление ротора;частота тока статора, д Г - частота скольжения ротора; К - собственное сопротивление ротора).Регулирование тока возбуждения имеет, во-первых, цель, создать благоприятный динамический режим асинхронного двигателя, приблизительносоответствующий режиму шунтовой машины постоянного тока. во-вторых,это регулирование тока возбужденияимеет цель при данной скорости вращения поддерживать приблизительнопостоянным напряжение на зажимах ипри внезапном изменении нагрузки.Напряжение на зажимах изменяетсясоответственно устанавливаемой скорости вращения ротора, а именно,приблизительно пропорционально скорости вращения ротора, Благодарярегулятору 12 удается при постояннойскорости независимо от тока ротораподдерживать ток возбуждения приблизительно постоянным. Это объясняется 60следующим образом. Предполагается,что асинхронный двигатель 1 с постоянной скоростью вращения приводит,в действие постоянную нагрузку Еслизатем наступает внезапное уменьшение у нагрузки, например происходит сбрасывание нагрузки, то благодаря катушке индуктивности (дросселя 25 ) токстатора еще коротное время, напримерцелесообразно 0,05-0,2 с, остаетсяприблизительно постоянным. Скоростьвращения ротора за это короткое время может повыситься такжелишь относительно незначительно. Регулятор12 при этом работает безынерционнотаким образом, что напряжение на зажимах, несмотря на сбрасывание нагрузки и незначительное повышение скорости вращения, остается всегда пропорциональным скорости вращения. Этого он достигает благодаря тому, чтовыходное напряжение тахогенератора 4изменяется пропорционально незначительному повышению скорости вращенияи соответственно безынерционно увеличивается внутреннее сопротивлениедвигателя 1. Увеличение внутреннегосопротивления достигается благодаряуменьшению частоты скольжения ротора.Одновременно, однако с определеннойзадержкой, через регулятор тока снижается ток статора и тем сажм моментвращения двигателя 1 настолько, чтоснова достигается установленная заданная скорость вращения. Без регулятора 12 вследствие произошедшего изменения нагрузки напряжение на статоресразу же сильно бы возросло, что,например может легко привести к разрушению ключей инвертора 23. Однакорегулятор 12 поддерживает напряжениена статоре, несмотря на внезапнуюперемену нагрузки приблизительно постоянным. С уменьшением нагрузки роторсразу же начинает повышать скоростьсвоего вращения с последующим уменьшением частоты сколожения ротора,то вследствие этого внутреннее сопротивление двигателя 1 сильно увеличивается и соответственно резко начинает повышаться напряжение на статоре. Это повышение напряжения на статоре происходит намного быстрее,чемповышение скорости вращения роторатак что на входе регулятора 12 появляется также отклонение регулируемойвеличины, что с помощью регулятора 12,сумматора 10, преобразователя 21,распределителя 22 частота управленияинвертора 23 практически безынерционно повышается таким образом, что частота скольжения ротора вследствиеповышения частоты статора становитсянесколько больше. Но с увеличениемчастоты скольжения уменьшается внутреннее сопротивление двигателя, вследствие чего напряжение на статоревновь снижается. Иэ-за этого вновьуменьшается отклонение регулируемойвеличины, так что частота скольжениястановится меньше, напряжение настаторе затем снова возрастает. Этипроцессы происходят так быстро,чтонапряжение на статоре даже при вне 87174660 запйой крайней перемене нагрузкипостоянно и без появления пиковнапряжения регулируется на приблизительно постоянное значение. темсамым ток возбуждения также регулируется на приблизительно постоянноезначение независимо от нагрузки;так что можно говорить также о регулировании тока возбуждения, хотясам ток возбуждения не измеряется.(Внутреннее сопротивление двигателя1 изменяется в среднем временномзначении в соответствии с изменением 1тока статора, наступающим вследствиеизменения нагрузки, Таким образом,несмотря на внезапное сбрасываниенагрузки, уменьшается номинальное повышение напряжения иа статоре двигателя 1 и вместе с тем, ток возбуждения независимо от нагрузки поддерживается близким к постоянному. В результате достигается тот эффект, 20что при любых изменениях нагрузки,даже при самых быстрых, напряжениена статоре и ток возбуждения при данной скорости вращения остаются приблизительно постоянными и ие могут 25наступить опасные перенапряжения.Регулирование скорости вращения значительно инерционн 6 е, чем регулирование тока возбуждения, и согласноописанноу начальному процессу дотех пор уменьшает ток статора, покаток статора вновь не будет соответствовать уменьшенной или недостающейнагрузке асинхронного двигателя.С другой стороны, если наступаетвнезапное повышение нагрузки, напри"мер внезапное начало нагрузки, тосразу же повышается частота скольжения ротора, чем сильно уменьшаетсявнутреннее сопротивление двигателя 1и уменьшается напряжение на статоре 40и т.д., так что регулятор 12 практически безынерционно регулирует такжеприблизительно постоянное напряжениена статоре и тем саьым приблизительно постоянный ток возбуждения, 45Блок повышает ток 8 статора дотех,пор, пока он не достигнет величины, необходимой для более высокогомомента вращения.Преимуществом регулирования тока 50возбуждения двигателя 1 являетсятакжето, что частота скольженияротора при постоянном моменте дви.гателя 1 независимо от скорости вращения ротора приблизительно постояннаизменяется, таким образом,лица в зависимости от момента вращения Это дает значительные преимущества также и для запуска и стабилизации регулирования при динамических процессах. Таким образом,достигается тот эффект, что приданном номинальном токе и соответственно при данной номинальной нагрузке имеет место частота скольжения ротора, наиболее благоприятная 65 для р а боты а си ихронно го дви гат ел я . Это легко достигается надлежащим согласованием констант С С и С, причем С и Смогут быть равны по величине.Регулятор 12 в данном примере выполнения является многоусиливающим П-регулятором, при этом имеет место лишь очень незначительный диапазон пропорциональности этого регулятора, так что в стационарных рабочих режимах отклонение регулируемой величины практически равно нулю и тем саум практически С ОфСМ . Разумеется, величину регулируемого тока возбуждения целесообразно настраивать на номинальное возбуждение, заданное изготовлением асинхронного . двигателя, Вместо П-регуляторов могут быть предусмотрены также другие подходящие регуляторы, предпочтительно ПИ-регуляторы.Хотя скорость вращения двигателя 1 может предпочтительно регулироваться, ио предлагаемое устройство обладает преимуществом и в том случае, если заданное значение скорости вращения не изменяется и частота статора отклоняется от частоты сети, До тех пор пока благодаря выпрямителю 7 напряжение тахогенератора 4 растет пропорционально скорости вращения ротора и напряжение на статоре при этом может повышаться пропорционально скорости вращения ротора, максимально отдаваемая мощность асинхронного двигателя 1 возрастает пропорционально скорости. вращения ротора и снова понижается с уменьшением скорости вращения ротора пропорционально к ней. Кроме того, устройство позволяет дополнительно к этому диапазону регулирования скоростей вра" щения предусмотреть еще и другой, более высокий диапазон регулирования скоростей вращения асинхронного двигателя, в котором максимально отдаваемая мощность машины остается постоянной, Это достигается благодаря тому, что в токопроводе 16 промежутОчно подключен предпочтительно регулируемый, не показанный на чертеже ограничитель напряжения, который, начиная с заранее определенной скорости вращения ротора, препятствует повышению напряжения в токопроводе 16, если скорость вращения ротора возрастает и далее, т.е. в этом верхнем диапазоне скорости вращения напряжение в токопроводе 16 поддер- . живается постоянным. Благодаря такому токоограничителю в токопроводе 16 в этом верхнем диапазоне скорости вращения асинхронный двигатель сохраняет режим, приблизительно соответствующий режиму шунтовой машины постоянного тока в диапазоне регулирования скорости вращения, который характеризует, так называемый, диапазон ослабления поля, бпагодаря чему в другом диапазоне регулирования скорости вращения, к которому напряжение в токоподводе 16 изменяется пропорционально выходному напряжению тахогенератора 4, двигатель поддерживает режим, приблизительно соответствующий режиму шунтовой машины постоянного тока, в так называемом,.диапазоне регулирования якоряеСумматор 10 суммирует подводиьие к нему сигналы, Если сигнал, поданный к нему от регулятора 12,является отрицательным, что имеет место в режиме генератора из-за перемены напряжения на зажимах двигателя 1, то это 15 соответствует сложению отрицательного сигнала с принятым положительным, поданным к сумматору 10 от тахогенератора 4 через токопровод 15. Отрицательное сложение может быть также 20 обозначено как вычитание, так что под суммированием в этом случае следует понимать также как принцип действия вычитания. Таким образом, вместо того, чтобы производить отрицательное сложение, можно также предусмотреть, чтобы выход регулятора 12 при переходе от режима двигателя к режиму генератора не менял своей полярности, причем в этом случае сумматор 10 при этом переходе следует переключать с ЗО суммирования на вычитание, или вьщсто этого в токопровод, проходящий от регулятора 12 к сумматору 10, при режиме генератора можно дополнительно включить инвертор, лишь в режиме 35 генератора инвертирующий выходной сигнал регулятора 10.Таким образом, за счет регулирования скольжения при изменении напряжения на зажимах двигателя исклю О чается перенапряжение на плечах инвертора и повышается. его надежность.Формула изобретения1. Устройство для регулированиячисла оборотов асинхронного двигате-,ля с короткозамкнутым ротором и тахогенератором на валу, содержащееинвертор тока, к выходу которогоподключен асинхронный двигатель, авход через катушку индуктивностисоединен с регулируемым выпрямителем,управляющая цепь которого соединенас блоком регулирования тока асинхронного двигателя, блок измерения напряжения на зажимах асинхронного двигателя, сумматор частот, к одномувходу которого подключен выход тахогенератора, к другому - блок заданиячастоты скольжения, а выход сумматора частот соединен с управляющимвходом инвертора тока, причем к первому входу блока задания частотыскольжения подсоединен выход тахогенератора, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что, с целью повышения надежности устройства, к второму входублока задания частоты скольженияподсоединен выход блока измерениянапряжения на зажимах асинхронногодвигателя,2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что блок заданиячастоты скольжения выполнен ввиде пропорционального регулятораИсточники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Патент ФРГ Р 1463344, "кл. 21 С 59/10, 1972.2. Патент ФРГ Р 2234681,кл. Н 02 Р 5/36, 1972.671146Составитель В. Тарасов Редактор Г. Петрова Техред М.Рейвес Корректор Н. Швыдкая Заказ 8512/32 Тираж 733 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035,Москва, Ж,Раушская наб., д. 4/5филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная, 4