Устройство для частотного управления асинхронным двигателем с фазным ротором

., . ,.:к;Рзбиблиотек ,.1., -,с. Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 25,01,77 (21) 2446342/24-07с присоединением заявки Но -(51)М. Кл.2 Н 02 Р 7/42 Государственный комитет СССР по дедам изобретений н открытий(72) Авторы изобретения В.А.Барков и Г.В,Булыгин Ленинградский политехнический институт им. М.И.Калинина(54) УСТРОИСТВО ДЛЯ ЧАСТОТНОГО УПРАВЛЕНИЯАСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С ФАЗНЫМРОТОРОМ Изобретение относится к электротехнике и может быть использованов автоматизированных электроприводах,применяемых в станкостроении, приборостроении, в химической промышленности и .т.д.Известные устройства для частотного управления двигателем делятсяна две группы системы с пропорционально-частотным и раэностно-частотным методами регулирования скорости.К первой группе относятся широкораспространенные электроприводы сасинхронными двигателями (1,Регулирование скорости осуществляется изменением напряжения и частоты питания статорной обмотки по-.средством управляемого выпрямителяи статического преобразователя, Роторная обмотка при этом закорочена. 20Возможные пределы регулированияскорости определяются диапазономизменения частоты преобразователя.Снижение скорости двигателя осуществляется посредством уменьшения выходной частоты преобразователя и выходного напряжения управляемого выпря-.мителя за счет увеличения угла регулирования (зажигания), При этом содной стороны возрастает содержание 30 высших гармоник в питающей сети, чтовредно отражается на работе остальных потребителей, с другой - возрастают пульсации выпрямленного напряжения, Для обеспечения нормальнойработы статического преобразователячастоты, на выходе выпрямителя включается громоздкий силовой Фильтр,приводящий к увеличению габаритовустройства, возникновению колебанийи снижению быстродействия всей систе"ьы. Кроме того, увеличение угларегулирования вызывает значительноеснижение коэФФициента мощности, чтотакже влечет за собой увеличениегабаритов всего оборудования,Оптимальный режим работы электропривода при пропорционально-частотном управлении возможен только впределах частоты от номинальной доприблизительно (зависит от типа имощности цвигателя) половины ее номинального значения, При дальнейшемснижении частоты начинает сказыватьсявлияние активного сопротивлениястаторной обмотки, что приводит к резкому ухудшению всех эксплуатационных характеристик,Ряд указанных недостатков устраняется в устройстве с разностно 743152малых скоростей влечет появление технедостатков, которые присущи устройствам с пропорционально-частотнымуправлением двигателя,Цель изобретения - расширение диапазона регулирования скорости, повышение энергетических показателейи быстродействия.Указанная цель достигается тем,что в устройство для частотного управления асинхронным двигателем с фазным 10ротором, содержащее тиристорный преобразователь, вход которого подключенк трехфазной сети, а выход - к обмоткам ротора асинхронного двигателя,тахометр, установленный на валу асинхронного двигателя, подключенный кпервому входу блока сравнения, ко второму входу которого подключен задатчик скорости, введены реверсивныйи нереверсивный выключатели, синхронизирующий блок, формирователь алгоритмов управления, преобразователианалог-код и код-аналог, переключательограничитель, суммирующий усилительи реверсор,причем первые входы синхронизирующего блока и нереверсивноговыключателя и выход реверсивноговыключателя соединены с обмоткой статора асинхронного двигателя, первыйвход реверсивного выключателя подключен к сети и ко второму входу синхронизирующего блока, выход которогосоединен с одним из входов формирователя алгоритмов управления, четыредругих входа которого соединены счетырьмя выходами преобразователя 35аналог-код, вход последнего связанс выходом тахометра и первым входомблока сравнения, выход которого подключен к первому входу суммирующего усилителя, вторым входом соединен Оного через преобразователь код-аналог с четвертым выходом Формирователя алгоритмов управления, третийвыход которого соединен со вторымвходом нереверсивного выключателя, 45второй и первый выходы соединены стретьим и вторым входами реверсивного выключателя, а пятый выходформирователя алгоритмов управлениясвязан со входом реверсора и первымвходом переключателя-ограничителя,второй и третий входы которого соединены с первым и вторым выходамисуммирующего усилителя, а выходыпереключателя-ограничителя и реверсора соединены с первым и вторым входами тиристорного преобразователя,На Фиг,1 представлена блок-схемаустройства для управления асинхронным двигателем с Фазным ротором; наФиг,2,3 и 4 - диаграммы работы устройства.Устройство. содержит синхронизирующий блок 1, который соединенпо входу с нереверсивным 2 и реверсивным 3 выключателями, а выходом 65 с формирователем 4 алгоритмов управ"ления, основные четыре входа которого соединены через блок-преобразователь 5 аналог-код с тахометром б,установленном на валу асинхронногодвигателя 7 с фазным ротором. Блок8 сравнения первым входом связан стахометром б, а выходом через суммирующий усилитель 9, переключательограничитель 10 связан с преобразователем 11 частоты, Задатчик 12 скорости соединен со вторым входом блока8 сравнения, Преобразователь 13 коданалог входом соединен с выходом формирователя 4 алгоритмов управления,а выходом с суммирующим усилителем9, Реверсор 14 входом подключен кформирователю 4, переключателю-ограничителю 10, а выходом - к входупреобразователя .11 частоты. Выключатель 3 предназначен для подключениястатора двигателя 7 к трехфазнойсети переменного тока с прямым илиобратным чередованием фаз на егостаторных обмотках, а выключатель 2для закорачивания статорной цепи.Выходной сигнал синхронизирующегоблока 1 при разности фаз напряженийна его входах вэл.рад. через Формирователь 4 алгоритмов управленияосуществляет формирование сигналана включение реверсивного выключателя 3 при переходе из асинхронногорежима работы двигателя 7 в синхронный режим двойного питания. Измерение выходного параметра устройствапроизводится тахометром б. Блок 8сравнения выявляет разницу мЕждусигналами выхода эадатчика 12 скорости и тахометра б, которая далее корректируется в суммирующем усилителе9 преобразователем код-аналог 13 иусиливается в три раза. Суммирующийусилитель 9 имеет два выхода - прямой и инверсный, которые коммутируются переключателем-ограничителем 10на первый вход преобразователя 11частоты. Переключатель-ограничитель10 предназначен для обеспечениязнака связи по выходному параметруотрицательным независимо от способарегулирования скорости двигателя 7и ограничения амплитуды напряженияна первом входе блока 11Управление переключателем -ограничителем 10,как и реверсором 14, предназначенным для изменения чередования Фазнапряжения на выходе преобразователя 11 частоты, осуществляется выходным напряжением Формирователя4 алгоритмов управления, пятым еговыходом,Принцип работы устройства поясняется диаграммой (Фиг,2), где представлены регулировочные характеристики асинхронного двигателя с фаэным ротором, По оси ординат отложено относительное значение скорости,йращения ротора СО, /Ю а по осиабсцисс - относительная частотапитающего роторные обмотки напряжения Г, / Г , где Ю ,- скоростьвращения ротора; (Оо - синхроннаяскорость вращения ротора при номинальных значениях питающего напряжения; й - частота напряжения,подводимого к роторным обмоткам;йн - номинальное значение частотыпитающего напряжения10Первая прямая, проходящая черезначало координат, отражает регули,роночную характеристику двигателяпри пропорЦионально-частотном способе регулирования скорости, втораяпри разностно-частотном способеи прямой последовательности чередования фаз на обмотках статора,третья - при раэностно-частотномспособе, но с обратным чередованиемфаз на статорных обмотках В устройстве используются только те скоростные зоны регулировочных характеристик,.где частота роторного напряжения изменяется в диапазоне от 0,5до 1,5 й , т.е. 1,В, ПС, СА, АВ, 25В К.Работа двигателя в каждой из указанных эон кодируется по уровню сигнала тахометра 6, преобразователем5 аналог-код и представлена двоичными переменными н табл.1. При переходах из одной скоростной эоны в другую необходимо изменять состояние выключателей 2 и 3 в статорной цепи двигателя, реверсора 14 35 в роторной цепи, скачкообразно изменять частоту и напряжение преобразователя частоты, а также производить переключения переключателя-ограничителя 10, 40 Зависимость относительной частоты питания обмоток ротора (1/Г) на выходе преобразователя 11 частоты от напряжения 1 или О, , поступающих с. Взаимосвязь между состояниямипереключателей н зависимости от переменных А, В, С, Р (табл,1) при работе н каждой из скоростных эон, а 45также последонательность измененияих состояния при переходах из однойскоростной зоны днигателя в другуюпредставлена в табл,2,В левых столбцах указанной таблицы для каждой из функций К-Р отражено изменение состояний этих двухфункций при.регулировании скоростив направлении от -2,5(дондо +2(56)о(Иа в правых - от +2,5 (ИоМь 55до - 2,5 О)о/Ж,Р - функция, управляющая реверсором 14 и переключателем-ограничителем 10, При Р= 1 ко нходу пре образонателя 11 частоты подключается прямой выход суммирующего усилителя 9, а на выходе преобраэователеля 11 частоты устанавливается прямое чередование фаз,Р, РЭ - функции, управляЮщиепрямым и обратным чередованием фаэтрехфазного напряжения сети наобмотках статора двигателя. При Р == Рз = 0 обмотка статора отключаетсяот сети,Р - функция, управляющая закорачиванием обмотки статора и при Р1 обмотка закорочена.Р, Рэ, Р, в ,функции переменныхРРР и временной задержки,обусловленной временем нключения ивыключения выключателей 2 и 3,Р, Р, Р - двоичные переменные,преобразуемые преобразователем 13код-аналог в напряжение У, пропорциональное номеру набора и смещенноесоответствующим образом относительнонулевого значения этого напряжения/Ръ - РЭРЭ фгде Е - двоичная переменная на выходе синхронизирующего блока.2. 2( ) Э. Р. еЭ 3( )3 3 Э(1Р = Р. Р ( Ь )Р Р, Р, (Ж);К - промежуточная переменная в-(п+М-г(л+О -Чяа)Э. 3 ЧПриведенные выше функции Р. - Р+двоичных переменных А , В, С, Р, Ереализуются формирователем 5 алгоритмов управления,На фиг. представлены следующиезависимости:П 1 - напряжение на выходе блокаВ сравнения;2 - напряжение на выходе преоб"раэоватепя 13 код-аналог 1ц, П,-соответственно напряжение71на прямом выходе суммирующего усилителя 9 и на инверсном.выхода переключателя-ограничителя110 представлены на фиг.4, где= П,а = ОРаботу устройства поясним для случая регулирования скорости двигателя7 в диапазоне от нуля до -2,5(д/Юо(фиг,2), Задатчиком 12 скорости устанавливается напряжение на первом входе блока 8 сравнения, равное нулю,При неподнйжном двигателе 7 с выходатахометра б получаем напряжение, так Оже равное нулю, Значение переменныхна выходе блока 5 в рассматринаемыймомент времени согласно табл.1 следующие: А = В = 1, С = 0 = О. В соответствии с табл,2 выходные переменные формирователя 4 алгоритмов преобретают значения Р = Г = О;Р 6= 1, При такой комбинации напряжение на выходе преобразовать)я 13код-аналог имеет значение О (фиг,З), ЪНа прямом выходе суммирующего усилителя 9 имеем согласно равенствуР= - Ш 1 +-2 О) = , где 21)2 -амплитуда внутреннего источникасмещения суммирующего усилителя 9.На пятом выходе формирователя 4алгоритмов образуется логическийноль, и ко нходу преобразователя11 частоты посредством переключателя-ограничителя 10 подключается инвертирующий выход суммирующегоусилителя 9, а с помощью реверсора14 устанавливается обратное чередование фаз на выходе преобразователя11 частоты. При этом выходная частота преобразователя 11 частотыЕ/ГН. В момент времени, когдана выходе синхронизирующего блока 1появится логическая единица, функция Р приобретает также единичное , 40значение. Обмотка статора выключателем 3 присоединяется к сети собратным чередованием фаз, Послевключения выключателч 3 асинхронныйдвигатель Работает в синхронном Режиме двойного питания (участок АСФиг.2)При увеличении задания задатчиком 12 скорости двигатель увеличивает скорость и при достижениизначения - 0,5 бд /Ю, преобразователь аналог-код изменяет состояниевыходов на следующие А = 1, В = С= Э = 0 (табл,1),Формирователь 4 алгоритмов управления Формирует следующую последовательность состояния выходов (табл.2):Р принимает значение логического О, что приводит к отключению обмотки статора двигателя 7 выключателем 3 от сети;60через промежуток времени Д Функция Р также принимает значение логического О, что свидетельствует об отключении ныключателя 3;при Г = Г= 0 Функция Р) = 1, 65 Это приводит к изменению порядка следования Фаэ напряжения роторной цепи и подключению инверсного выхода усилителя 9 ко нходу преобразователя 11 частоты, Функция Г- вызывает увеличение напряжения на выходе ре версора 14 до значения И, Однако благодаря использованию йнверсного выхода усилителя 9, указанные переключения не изменяют предшествующего переключению напряжения на входе преобразователя 11 частоты (фиг.З и 4). В момент времени, когда функция Г = О, Функция Рч = 1, что влечет эа собой включение выключателя 2 и закорачивание обмотки статора. При этом двигатель работает как асинхронный при питании со стороны ротора и короткозамкнутой статорной обмотки. При увеличении напряжения задатчика 12 скорости и достижения роторомскорости - 1,5 Ю, / Ю 0, преобразователь аналог-код изменяет состояние выходов н соответствии с табл.1на следующие значения: А = В = С л= Р = О. Формирователь алгоритмовФормирует следующую последовательность переключений:Р= О, а через промежуток времениЬ и Г)= О, что вызывает отключениевыключателя 2;Р = О, напряжение на выходе преобразователя код-аналог изменяется довеличины 1, а, ледовательно, изменяется скачком в три раза частотана выходе преобразователя 11 частоты 11 (Фиг.3 и 4) .Р принимает единичное значениеи выключатель 3 подключает статордвигателя к сети с обратным чередованием фаз сразу после появления навыходе синхронизирующего блока логической 1,Дальнейшее увеличение напряжениязадатчика скорости вызывает увеличение скорости вращения вала двигателя до -2,5 Ю/М. Уменьшение скорости до О каждый раз при переходе изодной скоростной эоны в другую будет происходить в соответствии стабл,2 по правым столбцам значенийдвоичных функций с Р - Г и соответствующих командах на переключение преобразователем 5 аналог-код.Необходимо отметить, что координаты точек стыка различных режимов(точки А, В и т,д.) могут варьироваться н зависимости от мощности итипа двигателя, величины нагрузкина валу двигателя и коэффициентаусиления контура обратной связи поскорости,Таким образом, данное устройстворасширяет диапазон регулированияскорости, причем максимальный диапазон варьирования питающей частотыпри регулировании скорости н широких12 743152 Таблица 1 0 САА В ВК 0 0 00 00 0 00 00 0 00 00 0 00 00 0 00 00 00 00 01 01 0 00 1 1 0 0 11 10 10 11 00 10 0 0 1 01 0 1 00 1 00 00 00 00 00 00 00 0 00 0 1 0 1 01 00 01 00 1 0 0 10 10 01 0 00 00 11 00 00 00 О 00 01 0 00 00 11 00 11 00 11 00 11 00 00 0 10 00 0 00 00 00 10 10 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00. 00 00 00 01 00 01 00 11 01 10 10 01 10 01 00 11 00 11 01 00 10 10 01 00 00 00 1 1 00 00 00 00 ОО 00 00 00 11 0 0 00 пределах (от 0 до 2,5 синхронной)составляет всего 1:3 (25 - 75 Гц),В связи с этим параметры двигателяостаются практически постоянными,что позволяет также иметь постоянными параметры и структуру цепейкоррекции. По этой же причине напряжение на двигателе изменяется незначительно, поэтому угол зажиганияуправляющего выпрямителя регулируется вблизи нулевого значения в маломдиапазоне, что приводит к уменьшениюпульсаций выпрямленного напряжения,повышению коэффициента мощности, снижению габаритов силового фильтра илиполное его устранение, а, следовательно, к повышению быстродействия всего устройства, Быстродействие также повышается за счет высокой перегрузочной способности двигателя, достигаемая в данном устройстве во всемдиапазоне. 5В данном устройстве исключаетсяпроблема плавного перехода.черезсинхронную скорость, возникающую вустройствах с раэностно-частотнымметодом управления, поскольку двигатель используется в той области частот, где роль активного сопротивления обмоток не оказывает влияния,он имеет во всем диапазоне скоростейи нагрузок оптимальные рабочие характеристики, 13 743152Формула изобретения Устройство для частотного управления асинхронным двигателем с фазным ротором, содержащее тяристорный преобразователь, вход которого под ключен к трехфазной сети, а выход к обмоткам ротора асинхронного двигателя, тахометр, установленный на валу двигателя, подключенный к первому входу блока сравнения, ко второ му входу которого подключен задатчик скорости, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения диапазона регулирования, скорости повышения энергетических показателей и быстродействия, в устройство введены реверсивный и нереверсивный выключатели, синхронизирующий блок, формирователь алгоритмов управления, преобразователи аналог-код и каданалог, переключатель-ограничитель, суммирующий усилитель и реверсор, причем первые входы синхроннзирующего блока и нереверсивного выключателя и выход реверсивного выключателя соединены с обмоткой статора асин хронного двигателя, первый вход реверсивного выключателя подключен к сети и ко второму входу синхронизирующего блока, выход которого соединен с одним из входов формировате ля алгоритмов управления, четыредругих входа которого соединены счетырьмя выходами преобразователяаналог"код, вход последнего связанс выходом тахометра и первым входомблока сравнения, выход которого подключен к первому входу суммирующегоусилителя, вторым входом соединенногочерез преобразователь код-аналог счетвертым выходом формирователяалгоритмов управления, третий выходкоторого соединен со вторым входомнереверсивного выключателя, второйи первый выходы соединены с третьими вторым входами реверсивного выключателя, а пятый выход формирователяалгоритмов управления связан совходом реверсора и первым входомпереключателя-ограничителя, второйи третий входы которого соединеныс первым и вторым выходами суммирующего усилителя, а выходы переключателя-ограничителя и реверсора соединены с первым и вторым входами тирис"торного преобразователя.Источники информация,принятые во внимание при экспертизе1, Булгаков А.А., Частотное управление асинхронными электродвигателями, М Наука, 1966.2, Патент США 93611032,кл.318-187,1973.743152 Составитель В,Т Техред Р, Олиян орректор С,Шекмар ктор П.Макаре Подпи сн ое Заказ 3629/19 ого к ний и Раушс п 3035кт илиал ППППатент , г. Ужгород, ул 1 1 Тира И Государствен делам изобрет Москва, Ж3омитета СССоткрытийкая наб., д