Вентильный электродвигатель

(59 4 Н 02 К 2 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ АВТОРСКОМУ Св ЕЛЬСТВУ ого ин 888)примеве / е элекИИэлек 3 ф ОСДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕт ССС ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ.(71) Криворожский ордена ТрудовКрасного Знамени горно-рудныйстйтут,нение на электроподвижном состаПод ред. Б.Н.Тихменева.- И.: Трпорт, 1976, с. 49 - 53Весколлекторные регулируемытрические двигатели: Труды ВНтремащ, Л., 1983, с. 139-148,(54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ(57) Изобретение относится к вентильным электродвигателям (ВД) и можетбыть использовано в системах электропривода различных производственныхмеханизмов при питании от источникасоизмеримой мощности. Цель изобре-.тения - уменьшение пульсаций вращающего момента двигателя и искаженияпитающего ванряжения. ВД со звеномпостоянного тока содержит синхроннуюмашину 1 с независимым возбуждением,подключенную к питающей сети 2 черездва параллельно соединенных выпрямительно-инверторных агрегата с индиви1259428 15 20 дуальными вводными реакторами 3, 4. Каждый агрегат содержит соответственно первый и второй выпрямители 5, 8, первый и второй инверторы 6, 9, первый и второй сглаживающие дроссели 7, 10. Управление первым и вторым выпрямителями осуществляется от независимых систем регулирования с контуром, регулирования скорости, содержащим датчик скорости 11 на валу двигателя, .регулятор скорости 12, и с контуром регулирования тока, содержащим регу" ляторы 13, 14 .тока первого и второго выпрямителей, первые входы которых связаны с выходом регулятора скорости, а вторые входы - соответственно с выходами датчиков 15, 16. Выходы . регуляторов 13, 14 соединены с выходами систем 17, 1 импульсно-фазового управления выпрямителями, Управление инверторами осуществляется от первой и второй систем 19, 20 импульсно-фазового управления инверторами. ВД дополнительно снабжен блоком 23 выделения электромагнитного момента, подключенным первым и вторым входомИзобретение относится к электротехнике, в частности к вентильным электродвигателям повышенной мощности, питаемым от преобразователей ча. стоты со звеном постоянного тока, и может быть использовано в системах электропривода различньпс производственных механизмов при питании от источника соизмеримой мощности,Цель изобретения - уменьшениепульсаций вращающего момента двигателя и уменьшение искажений питающего напряжения.На фиг,1 представлена блок-схемавентильного электродвигателя, нафиг.2 - схема блока выделения элек 1 тромагнитиого момента; на фиг,3 -схема блока определения амплитуды изменения момента; на фиг.4 - линейные диаграммы формирования момента; нафиг.5 ". схема датчика составляющих . тока; на фиг.6 - Функциональная схема блока формирования углов опережения, на фиг,7 - векторная диаграмма,к датчикам 24, 25 мгновенных значений напряжения инверторов, третьимвходом - к вьпсоду датчика 11, четвер"гым входом - к выходу датчика полноготока статора синхронной машины, пятыми шестым - к выходам датчиков 15., 16,Выход блока 23 соединен с входомблока 26 выделения амплитуды колебаний электромагнитного момента, выходкоторого соединен с входом блока 27нелинейности с зоной нечувствительно"сти вьпсод которого соединен с однимиз входом системы 19. Первый выходдатчика 28 полного тока двигателя соединен с входом датчика 29 статического тока, второй вход - с входомдатчика 30 динамического тока двигателя, а третий - с одним иэ входовблока 23. Вход блока 31 формированияугла управления инверторами связан свыходом датчика 29, а два выхода - свходами систем 19, 20. При ограниченной мощности сети мощность двигателяможет быть увеличена примерно вдвоебез каких-либо дополнительных устройств, 7 ил. 1Вентильный электродвигатель со звеном постоянного тока состоит изсинхронной машины 1 с независимымвозбуждением, подключенной к питающейсети 2 через два параллельно соединенных выпрямительно-инверторных агрегата с индивидуальными вводными реакторами 3 и 4. Первый выпрямительноинверторный агрегат содержит первыйвыпрямитель 5, первый инвертор 6,перкьпь сглаживающий дроссель 7. Второй выпрямительно-инверторный агрегат содержит второй выпрямитель 8, второй инвертор 9 и второй сглаживающий дродрос сель . 10.Управление первым и вторым выпрямителями осуществляется от независимых систем регулирования с подчиненными контурами тока и скорости, Контур регулирования скорости включает датчик 11 скорости на валу двигателя и регулятор 12 скорости. Заданная скорость соответствует напряжению от независимого источника, поступающему3 1259вход регулятора скоросна второй В вентильный электродвигатель со звеном постоянного тока введены также блок 23 выделения электромагнитного момента вентильного двигателя, подключенный первым и вторым входами к датчикам 24 и 25 мгновенных значений напряжения инверторов, третьим входом - к выходу датчика 11 скорости, четвертым входом - к выходу датчика полного тока статора синхронного двигателя, пятым и шестым - к выходам блоков 1 и 16. Выход блока 23 соединен с входом блока 26 выделения амп 40 литуды колебаний электромагнитного момента, выход которого соединен с входом блока 27 нелинейности с зоной нечувствительности, выход которого соединен с одним из входов системы 19. Первый выход датчика 28 полного тока двигателя соединен с входом датчика 29 статического тока, второй выход - с входом датчика Зщ динамического тока двигателя, а третий - с одним из входов блока 23 выделения электромагнитного момента.Вход блока 31 формирования угла управления инверторами связан с выходом датчика 29 статического тока, а два выхода - с входами систем 19 и .2 Щ управления инверторами. ТИ еВ контур регулирования тока входят регуляторы 13 и 14 тока первого и второго выпрямителей, первые входы которых связаны с выходом регулятора скорости, а вторые входы - соответственно. с выходами датчиков 15 и 16 тока второго и первого выпрямителей, Выходы регуляторов 13 и 14 тока сое" 10 динены с выходами систем 17 и 18 импульсно-Фазового управления выпрямителями.Управление инверторами осуществляется от первой 19 и второй 2 Щ систем 15 импульсно-фазового управления инверторами. Системы импульсно-Фазового управления синхронизированы напряжением статора с помощью блока 21 синхронизации инверторов, датчика 22 по" 20 ложения ротора. Синхронизация осуществляется известным способом: на малой скорости - с помощью датчика положения,: а на скорости, достаточной для естественной коммутации, - с по мощью напряжения на зажимах синхронной машины. 428 4Сигналы с входов от датчиков 24 и ,25 напряжения, а также блоков 15 и16 поступают на множительные блока 32 и 33, выполняемые ка аналоговых множительных микросхемах. Выходы этих множительных блоков - сигнал, пропорциональный соответствующему значению электромагнитной мощности, подводи мой к первому и второму инверторам, питающим двигатель, Сигнал от датчика полного тока статора двигателя с входа сумматора 34 поступает на квадра" тор 35, с помощью которого определяются полные активные потери мощности в статорных цепях двигателя, Коэффициент усиления квадратора берется таким, чтобы учитывались потери в трех фазах, а также потери в стали двигателя. На вход квадратора 35 не подается сумма токов 1 и 1 , так какЦ 1полный ток статора двигателя формируется в виде геометрической, а не арифметической суммя составляющих выходных токов первого и второго инверторов.Выходные сигналы блоков 32, ЗЗ и 35 поступают на сумматор 34 и данее на делительный блок 36. Вторым входом делительного блока является сигнал о с датчика скорости двигателя. Таким образом, на выходе блока 23 получается зависимость развиваемого синхронной машиной 1 электромагнитного момента.Линейные диаграмм, поясняющие процесс формирования электромагнитного момента двигателя И е дляЭЕср случая равенства значений выпрямленных токов первого и второго инверторов, представлены на фиг,4. На диаграммах обозначены также угол опережения управления инверторами .13 среде нее значение электромагнитного момента Ие , амплитуда колебаний элеке сртромагнитного момента, блок фазы статора двигателя, угол коммутации вентилей инвертора уЕБлоки 24 и 25 представляют собой датчики мгновенных значений напряжения, например реостатные датчики. Известными техническими средствами может быть осуществлена и гальваническая развязка их от блока 23, если такая необходимость возникает.Блок выделения амплитуды колебаний электромагнитного момента состоит из фильтра, выделяющего среднее значение электромагнитного момента М , сумЭс 915 12594 матора, на котором определяется разность между текущим значением электромагнитного момента М и его средэним значением.Фильтр блока 26 содержит пассивный КС- или ЬС-Фильтр 37 с выходным усилителем, обеспечивающим результирующий коэффициент. передачи 1, О, и сумматор 38, Выход блока 26 (вход сумматора 38) связан с блоком 27, представляющим собой нелинейность с зоной нечувствительности. Указанная нелинейность является типовой.Величина зоны нечувствительности блока 27 выбирается равной допустимому значению амплитуды колебаний электромагнитного момента, Указанное значение не может быть равно нулю, поскольку в схеме вентильного электродвигателя со звейом постоянного тока невозможно в принципе получить электромагнитный момент без пульсаций при конечном числе Фаз статора двигателя. Максимум пульсаций электромагнитного момента и, следовательно, зо на нечувствительности должны получиться меньше максимума пульсаций момента вентильного двигателя при шестифазном инверторе и несколько выше значения, которое характерно.для двенадцатифазного инвертора (примерно в 1,8-2,3 раза меньше пульсаций при шестифаэном инверторе) .Датчнк полного тока двигателя представляет собой известную схему измерителя тека (Фиг,5). Ток статора35 двигателя контролируется с помощью трансформаторов 39 тока, соединенных в звезду. Обмотки трансформаторов нагружены на выпрямитель 40 с выходным4 О резистором 4 и конденсатором 42. Нагрузкой измерителя являются резисторы 43 и 44, конденсатор 45 и резис" торы 46, Сопротивления конденсатора и резисторов таковы, что ток нагрузки45 невелик по сравнению с выпрямительным током выпрямителя 40. С резистора 43 снимается сигнал, пропорциональный полному току двигателя, сигнал дополнительно усиливается и Формируется с помощью усилителя, С резистора 445 О снимается сигнал, пропорциональный статической составляющей полного тока.Датчик статического тока реализуется на резисторе 44 и усилителе.С резистора 46 снимается сигнал, пропорциональный динамической составляющей полного тока. Датчик динамической 28 бсоставляющей реализуется с помощью конденсатора 45, резистора 46 и усилителя 47, Выход датчика 30 динамического тока соединен с третьим входом регулятора тока первого выпрямителя. Выходы усилителей 48 и 49 являются выходами соответственно датчика ста" тического и датчика полного токов. Выход датчика статического тока через блок 31 Формирования углов опережения инверторов связан с входами систем 19 и 20 импульсно-Фазового управления.Блок 31 (Фиг,6) включает сумматоры 50 и 5 1, масштабные блоки 52 и 53, нелинейные блоки 54 и 55, масштабный блок 56, сумматор 57, нелинейный блок 58. С помощью блоков 54, 55 и 58 реализуется зависимость1 с= ахссоз (1 -- )ФКгде 1, - значение статического токадвигателя;1 - амплитуда сверхпереходнойсоставляющей тока двухфазноного короткого замыканиясинхронного двигателя в номинальном режиме,Р - угол опережения управлении, равный углу коммутации инверторов или выпрямленном токе инерторов 1 111Т= . (это минимальное значение ц 2угла опережения управления, при котором возможна работа вентильного двигателя).Коэффициент усиления масштабного блока 52 ранен К = в в в . АналогичноКспомощью блоков 5 1 53 и 55 реализуется зависимость1 ср = ахссоз (1 --- ).2 2 ТКаФФициент усиления блока 5 Э бе 1рется равным К4 21,Уголчисленно равен углу комму 2тации одного отдельно взятого инвертора в случае, если его токовая нагрузка равна половине суммарной, Очевидно, чтоУсловие, обеспечивающее нормальноеиспользование электродвигателя, заключается в том, чтобы коэффициентмощности двигателя оставался примернопостоянным. В условиях равенства 1,1,=7 1259Х справедливым должно быть равенство1,1 совД,+ Е совф(1+.1 )хх сов фили 5сов р, + сов р 2 сов.р .В соответствии с фиг.б и. приведенным равенством очевидна реализациязависимости , = агссов (2 сов р- сов ф ) с помощью блоков 56-58, 10Коэффициент усиления блока 56 берется равным двум.На. Фиг.7 представлена векторнаядиаграмма, иллюстрирующая два возможных режима вентильного двигателя. В 15первом режиме управления первым ивторым инверторами углы опереженияуправления равны друг другу, т, е,ф . При втором - первый инвертор имее угол опережения управления ф а 20второй, При этом ф ) 5 "и Выполняется условие, обеспечивающее неизменность (постоянство) коэффициентамощности двигателя при вариациях ри. в зависимости от тока двигателя. 25Выполнение блока 31 осуществляется с помощью стандартных аппаратурныхсредств, в том числе и нелинейностей,реализующих тригонометричеекую зависимость. 30Устройство работает следующим образом,В етатическом режиме при малом,.статическом моменте сигналы с выходовблоков 27 и 30 отсутствуют. На входырегуляторов 13 и 14 тока поступаютрваные по величине сигналы, в результате чего выпрямленные токи выпрямителей 5 и 8 равны друг другу (регуляторы токо вентильного двигателя какщевило ПИ-регуляторы). Углы управления выпрямителями при этом отличают.ся друг от друга, так как Р,фд .Таким образом, первый выпрямитель,имеет угол. управления в,еС, . Углыааеражеиня управления ри Д с це- .лью повваиения.устойчивости инвертирования берутся с некоторым запасом от-.носительно расчетных. Превышение указанных углов находится в тех же пределах, которые характерны для венти-.лькых электродвигателей с одиночным.ннвертором.1С увеличением нагрузки на валудвигателя увеличивается ток.1= 55ЕХ,1 + Ц , изменяются при этом энайфчения углов опережения управленияф 3, углов коммутации ,4288Процесс Формирования кривых момен та вентильного электродвигателя представлен на фиг,4, Кривые М (С) и М (С), 1, н Еопределяют долю электромагнитного момента двигателя, развиваемого от тока инверторов. При этом процессы Формирования электромагнитного момента можно рассматривать независимо друг от друга для одного и второго инверторов. Так как выпрямленный ток 1 составляет только половину суммарного ХДЕ Т,1 + 1 , углыиневелики. Такв обычных схемах вентильных электровигателей= Д -ф- В да ом4 устройстве Р с в в , Значение М1 6 Фср вследствие независимой работы инверторов близко к 0,5 М ,р . Предельное значение амплитуды переменной составляющей момента 1дм - 1, вопр К -0,5 К,вхпв где К - коэффициент пропорциональности, зависящий только от конструктив. - ных характеристик двигателяДля первого инвертора имеем,ьМ, = 1,1 .впф,К, г 0,5 К,в 1 п .Если углй опережения управления одинаковы и равны, амплитуда переменной составляющей электромагнитного момента примерно равна Значенияи р при д неге 4ходятся в пределах7бф3Поэтому анализируемые значенияравны соответственно ь М,с =. 0,707 К,ьм 2 = 025 КФ, ь М 1 = 09433 ККак видно иэ линейных диаграмм,Фазовые положения нелинейных искажений кривой электромагнитного моментане совпадают. Поэтому в качестве расчетных следует взять большие значениядля одного и второго случаев, ь МК, 0,707, ьМ, = К 0433,Таким образом очевидно снижениеамплитуды переменной составляющегомомента примерно вдвое. Реальное снижение указанного параметра иэ-за влияния процесса коммутации еще более значительно,9 1259428 10Ривые злектромаг- тока исчезают практически гармоникии тока двигате и 7-го порядков. Укаэанное значеы также на фиг,4. ние разности имеет место при значениывает, что наРяду ях углов опережения управления инверРезультирующие книтного момента М,ля 1 б представленАнализ кривых показсо снижением амплитуды переменной составляющей момента растет частота пульсаций его примерно вдвое, При этом улучшается кривая тока фазы статора двигателя. - снижается содержание гармоник тока, следовательно увеличи вается коэффициент полезного действия двигателя.С. Увеличением статического момента на валу увеличиваются расчетные значения углов Ри ф иу следова тельно, уменьшаетсяпостепенно приближаясь к ф , Оледовательно, эффективность описанного процесса снижения переменной составляющей ам"плитуды электромагнитного момента по степенно снижается. С целью предотвращения указанного явления введен до полнительный сигнал с нелинейногоблока 27 в схему 19 импульсно"фазового управления первого инвертора. При 25 этом угол , дополнительно увеличивается до своего предельного значения, равного примерно 7 /3, Процесс улучшения кривой электромагнитного момента двигателя носит описанный ранее характер с той лишь разницей, что несколько снижается коэффициент мощности двигателя (в результате увеличения значений , и Д ). Следствиемэтого является рост суммарного тока35Т, . Однако в области номинальныхЕнагрузок двигателя указанное явлениене снижает положительных свойств устройства, заключающихся в улучшениизлектромеханических характеристикдвигателя, Дальнейшее увеличение угла ,не происходит (выше значения Рв -). ввиду наличия в системах3,19 и 20 ограничения по углу опереже ния управления (блок ограничения угла в системах импульсно-фазового управления является типовым). Работа вентильного двигателя происходит при разных значениях углов управления первого и второго выпрямителей, Эта приводит к полной или частичной взаимной компенсации отдельных высших гармонических тока, генерируемых преобразователями в сеть. Так, например, если разность углов управления выпрямителей И= с, - с( близка к 11/6, то из кривой сетевого Г, П торами Р = - ,- й = -- . ЭффективЭф 6ность улучшения качественных показателей потребляемого из сети тока несколько снижается со снижением Скоро.сти вращения вентильного двигателя, т, е, с ростом абсолютных значений углов управления сС, и сВ динамических режимах, например, при увеличении момента на валу двигателя от датчика динамического тока подается сигнал на увеличение задания регулятора. тока первого выпрямителя (выпряМителя с большим значением угла опережения управления). Второй выпрямитель загружается толькостатической составляющей выпрямленного тока, чем обеспечивается повышенная устойчивость инвертирования первого и второго инверторов. Процесс регулирования происходит в таком порядке; появляется сигнал на выходе датчика 30,увеличивается задание регулятора 1 З,уменьшается в результатеугол управления выпрямителем, растет ток через выпрямитель 5 иинвертор 6. Ток через инвертор 9 остается без изменений.При отрицательном сигнале с выхода датчика 30 наблюдается обратный процесс снижения нагрузки первого инвертора.При увеличении задающего напряжения растет входной сигнал на входе регуляторов 13 и 14, уменьшаются углы управления вьптрямителей 5 и 8, растет общий ток двигателя. Практически одновременно начинает увеличиваться входной сигнал регулятора 13 за счет дополнительного сигнала от датчика 30. Инвертор 6 будет брать еще большую нагрузку, а инвертор 9 постепенно начинает разгружаться до статического тока.Процесс регулирования при уменьшении напряжения задания происходит в указанном порядке.Таким образом осуществляется функционирование вентильного двигателя, обеспечивающего минимизацию переменной составляющей электромагнитного момента, а также улучшение качественных показателей. электроэнергии на входе вентильных преобразователей.Снижение переменной составляющей электромагнитного момента двигателяпримерно вдвое исключает его вибрацию, вибрацию отдельных его частейи в особенности токонесущих. Двигатель становится менее чувствительнымпри работе на скоростях, где появляются его резонансные частоты. Благодаря режиму работы инверторов, близкому к 12-фазному, существенно улуч шается форма кривой.его тока, Коэффициент полезного действия двигателя Овозрастает примерно на 0,2-0,37. засчет снижения удельного веса гармонических и потерь от них, Различныезначения углов управления выпрямителями приводит к тому, что вдвое примерно снижается амплитуда коммутационных искажений в кривой сетевого напряжения, так как коммутации вентилейвыпрямителей осуществляются независимо друг от друга, т. е, и в сети получается режим выпрямлеиия, близкийк 12-фазному. В этих условиях использование предлагаемого устройства приводит к улучшению качества напряжения. Если мощность сети ограничена, 25то при одних и тех же планируемых качественных показателях питающего напряжения с использованием предлагаемого устройства мощность двигателя,может быть увеличена примерно вдвое ЗОбез использования дополнительных устройств,Формула изобретенияВентильный электродвигатель, содержащий синхронную машину с независимым возбуждением, два параллельно соединенных между собой выпрямитель- но-инверторных агрегата образующих преобразователь частоты со звеном постоянного тока, системы импульсно- фазового управления первым и вторым выпрямителями, первым и вторым инверторами, регуляторы тока выпрямителей, первый и второй датчики тока Выпря 45 мителей, выходы которых соединены с ;вторыми входами регуляторов тока первого и второго выпрямителей соответственно, регулятор скорости двигателя, подключенный к первым входам,ре 1259428 12гуляторов тока, выпрямителей, датчикскорости, связанный с входом регулятора скорости двигателя, датчик положения ротора, блок синхронизации инверторов, связанный входами со статорными обмотками двигателя и датчиком положения ротора двигателя, а вьгходами - с первыми входами системимпульсно-фазового управления первыми вторым инверторами, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью уменьшения пульсаций вращающего момента иискажения питающего напряжения, онснабжен датчиками мгновенных значенийнапряжений первого и второго инверторов, датчиками статического и динамического токов двигателя, блоком выделения электромагнитного моментадвигателя, блоком выделения амплитудыпеременной составляющей электромагнитного момента, блоком нелинейностис зоной нечувствительности, блокомформирования углов опережения инверторов, причем датчики мгновенных значений напряжений первого и второгоинверторов связаны соответственно спервым и вторым входами блока выделения электромагнитного момента, выходыдатчиков тока выпрямителей связаныс пятым и шестым его входами, выходы. датчиков тока двигателя - с четвертым его входом, выход датчика скорости связан с третьим входом блока выделения электромагнитного моментадвигателя, выход которого через последовательно связанные блок выделенияамплитуды переменной составляющей оэлектромагнитного момента и блок нелинейности с зоной нечувствительности связан с вторым входом системы им"пульсно-фазового управления первыминвертором, выход датчика статическо"го тока двигателя связан с входом.,блока формирования углов опереженияинверторов, выходы которого связаныс вторыми входами систем. импульснофазового управления инверторами, выход датчика динамического тока двигателя связан с третьим входом регулятора тока первого выпрямителя,1259428 РЮШУ ИИВ 1 ИЧВСНОГО ЮРАГ Богем ГЮЮЯУЯфБФУР У ЮЮУЫР ЛРЮИРГР ЛГРЖ 7ФЬг г Рт тель А.Санта Л.Сердокова Соста Техре Редакгор А.Шишкина орректор М.Максимишинец каз 5135 5 Тираж 631 ИИПИ Государственного ко по делам изобретений и от 35, Москва, Ж, Раушск исное мит.ета ССС крыт ий я наб., д изводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектн