ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД


RU (11) 2014722 (13) C1

(51) 5 H02P7/42 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 20.11.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 4619344/07 
(22) Дата подачи заявки: 1988.12.14 
(45) Опубликовано: 1994.06.15 
(71) Заявитель(и): Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики при Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники 
(72) Автор(ы): Миллер А.В.; Михальченко Г.Я.; Однокопылов Г.И. 
(73) Патентообладатель(и): Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики при Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники 

(54) ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД 

Изобретение относится к электотехнике. Цель изобретения - упрощение, расширение диапазона регулирования при повышении надежности и КПД. Частотно-регулируемый электропривод содержит асинхронный двигатель с тахогенератором на валу и обмотками, выполненными в виде гальванически развязанных секций, блок сравнения, преобразователь аналог-частота, формирователь фазных гармонических функций, множительные блоки, усилители мощности, каждый из которых содержит преобразователи частоты на ключах переменного тока, и генератор напряжения постоянной амплитуды и частоты. Частотно-регулируемый электропривод обеспечивает регулирование скорости вращения электродвигателя в широких пределах путем создания пульсирующего поля с изменением углового положения, что позволяет при сохранении высокой частоты питания создать низкие частоты вращения. 5 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к электротехнике, в частности к электроприводам переменного тока, и может найти применение в механизмах, где требуется широкий диапазон регулирования частоты вращения.

Цель изобретения - упрощение, расширение диапазона регулирования при повышении надежности и КПД.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого электропривода; на фиг. 2 - функциональная схема фазосдвигающего узла; на фиг. 3-5 - временные диаграммы.

Частотно-регулируемый электропривод содержит асинхронный двигатель 1, каждая фаза статорной обмотки которого в пределах полюсного деления разделена на m гальванически развязанных секций, тахогенератора 2 на валу асинхронного двигателя. Выход тахогенератора подключен к первому входу блока 3 сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока 4 задания, выход блока 3 сравнения через преобразователь 5 аналог-частота подключен к формирователю 6 фазных гармонических функций, выходы которого подключены к одному из входов множительных блоков 7-9 и 10-12, объединенных в n групп по m входов, где m - число фаз питающей сети, n - число фаз асинхронного двигателя (для определенности принято m=3 и n=2).

Каждый из n усилителей 13 и 14 мощности выполнен в виде преобразователей 15-17 и 18-20 частоты на ключах 21-24 переменного тока с двухсторонней проводимостью, управляющие цепи которых через узлы 25 развязки соединены с выходами фазосдвигающих узлов 26, входы которых образуют информационные входы усилителя мощности. Выходы усилителей 13 и 14 мощности образованы выходами преобразователей 15-17 и 18-20 частоты и подключены к соответствующим изолированным секциям обмоток двигателя. Одни из информационных входов (управляющих входов) усилителей 13 и 14 мощности соединены с выходами соответствующих множительных блоков 7-9 и 10-12. Другие входы множительных блоков 7-9 и 10-12 соединены с энергетическими входами соответствующих преобразователей 15-17 и 18-20 частоты, которые соединены по схеме "звезда" и подключены к фазам питающей сети: А-15,18, В-16,19, С-17,20. Другие информационные входы (тактовые входы) усилителей 13 и 14 мощности объединены и подключены к выходу генератора 27 напряжения постоянной амплитуды и частоты.

Фазосдвигающий узел 26 с регулируемыми углами задержки и опережения выполнен по двухканальной схеме (фиг. 2), каждый канал которой включает последовательно соединенные генераторы 28 и 29 пилообразного напряжения, компараторы 30 и 31, двухвходовые элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 32 и 33, выходы которых образуют выходы фазосдвигающего узла с регулируемыми углами задержки и опережения, а одни из входов элементов 32 и 33 объединены с входами генераторов 28 и 29 и образуют тактовые входы фазосдвигающего узла, другие входы элементов 32 и 33 соединены с выходами компараторов 30 и 31. Одни входы компараторов 30 и 31 соединены с выходами генераторов 28 и 29, другие входы компараторов 30 и 31 объединены и образуют управляющий вход фазосдвигающего узла.

На фиг. 3 и 4 обозначено: 34 - напряжение ошибки на выходе узла 3 сравнения; 35 и 36 - напряжения на выходах формирователя 6; 37-39 - трехфазная система переменного напряжения питающей сети; 40-42 - напряжение на выходах множительных блоков 7-9 соответственно; 43 и 44 - линейно падающее и линейно нарастающее напряжение на выходах соответствующих генераторов 28 и 29; 45 - выходное напряжение генератора 27; 46-48 - выходное напряжение преобразователей 15-17 соответственно.

На фиг. 5 обозначено: 37 - напряжение на входе блока 7; 43 и 44 - линейно падающее и линейно нарастающее напряжения на выходе соответствующих 28 и 29; 45 - выходное напряжение генератора 27; 49 и 50 - диаграммы, поясняющие алгоритм работы фазосдвигающего узла 26; 51 и 52 - выходные напряжения фазосдвигающего узла 26 для фазы А; 53 - суммарная коммутационная функция для ключей 21-24; 46 - выходное напряжение преобразователя 15.

Работает электропривод следующим образом.

Рассмотрим алгоритм работы устройства для одной фазы асинхронного двигателя, так как для другой фазы диаграммы будут аналогичны, но со сдвигом на 90о.

С выхода тахогенератора 2 на первый вход узла 3 сравнения подается напряжение обратной связи, на второй вход узла 3 сравнения подается задающее напряжение с выхода блока 4 задания. На выходе узла 3 сравнения действует напряжение 34 ошибки, которое представляет собой разность входных напряжений узла сравнения. Это напряжение подается на вход преобразователя 5 напряжение-частота. Напряжение с выхода преобразователя 5 поступает на вход формирователя 6, на выходах которого действуют синусоидальные напряжения 35 и 36. Синусоидальное напряжение 35 подается на входы множительных блоков 7-9, на другие входы которых подаются переменные напряжения, синфазные с напряжениями 37-39 питающей сети. На выходе множительных блоков 7-9 действуют напряжения 40-42, равные произведению входных напряжений. Напряжение 40 является результатом перемножения напряжения 35 и напряжения 37 фазы А питающей сети; напряжение 41 - напряжения 35 и напряжения 38 фазы В питающей сети, напряжения 42 - напряжения 35 и напряжения 39 фазы С питающей сети. Напряжения 40-42 подаются на управляющие входы усилителя 13 мощности, к тактовым входам которого приложено напряжение 45 с выхода генератора 27.

Рассмотрим алгоритм работы усилителя мощности 13 для фазы А питающей сети, так как для фаз В и С все диаграммы будут аналогичны, но со сдвигом на 120 и 240о соответственно.

Напряжение 37 фазы А питающей сети поступает на силовой вход преобразователя 15 частоты, алгоритм включения ключей 21-24 которого определяется величиной и знаком управляющего напряжения 40 (для фазосдвигающего узла 26) и в сумме представляет собой коммутационную функцию 53.

На тактовый вход фазосдвигающего узла 26 подается напряжение 45, моменты смены уровня которого являются тактирующими для генераторов 28 и 29, причем первый из них формирует линейно падающее напряжение 43, а второй - линейно нарастающее напряжение 44. Напряжения 43 и 44 подаются на входы компараторов 30 и 31 соответственно, на другие входы которых подается управляющее напряжение 40. Результатом сравнения являются напряжения 49 и 50, которые с выхода компараторов 30 и 31 подаются на один из входов двухвходовых элементов 32 и 33 соответственно, на другие входы которых подается напряжение 45. На выходе элементов 32 и 33 формируются напряжения 51 и 52, которые с выхода фазосдвигающего узла 26 с регулируемыми углами задержки и опережения (см. фиг. 1) через узлы 25 развязки поступают на управляющие входы ключей 21-24 преобразователя 15 частоты.

Условимся, что уровень логического нуля выходных напряжений 51 и 52 фазосдвигающего узла 26 соответствует отрицательной полуволне выходного напряжения узла 25 развязки, а уровень логической единицы соответствует положительной полуволне выходного напряжения узла 25 развязки. Состояние ключей 21-24 преобразователя 15 частоты определяется упомянутыми выходными напряжениями узла 25 развязки, в частности: отрицательная полуволна (уровень логического нуля напряжения 51) соответствует замкнутому состоянию ключа 22, а положительная полуволна (уровень логической единицы напряжения 51) - замкнутому состоянию ключа 21; напряжения 52 - ключей 23 и 24. При непрерывном изменении управляющего напряжения 40 процесс преобразования переменного напряжения 37 фазы А питающей сети в напряжение 46 повышенной частоты и его модуляцию можно представить через суммарную коммутационную функцию 53 для преобразователя 15 частоты. Напряжение 53 представляет собой геометрическую сумму выходных разнополярных напряжений узла 25 развязки.

Напряжение 46 повышенной частоты приложено к одной из изолированных секций обмотки электродвигателя и его можно представить как произведение напряжения 37 фазы А питающей сети на коммутационную функцию 53.

Таким образом, на выходе усилителя 13 мощности формируются напряжения 46-48, которые можно записать как произведение исходного m-фазного напряжения питающей сети

UA=Um sin 

UB=Um sin( - ) (1)

UC=Um sin( + ), где Um - амплитуда;

- период колебаний напряжения питающей сети,

на коммутационную функцию

U46 = Um sin КРФа

U47 = Um sin (- ) КРФb (2)

U48 = Um sin (+ ) КРФс, где КРФm - коммутационная функция определенной фазы, которую можно записать в виде

КРФm = [fa(t+ 1)-fa(t-2) fa(t) , (3) где fa(t) - коммутационная функция, называемая "прямоугольный синус" с полупериодом а повышенной частоты;

1 и 2 - фазовые сдвиги, изменяющиеся по закону напряжения управления, определенному для каждой фазы питающей сети

U40 = sin sin 

U41 = sin sin ( - ) (4)

U42 = sin sin (+ ), где sin - напряжение низкочастотной модуляции.

При первом приближении процесс модуляции трехфазного сетевого напряжения по закону коммутационной функции (3) можно представить в виде произведения питающего напряжения (1), напряжения повышенной частоты fa(t) и управляющего сигнала (4), т.е. напряжения 46-48 на выходе преобразователей 15-17 частоты представляются в виде

Uxa= Umfa(t)sinsin2

Uxb= Umfa(t)sinsin2(-)

Uxc= Umfa(t)sinsin2(+)

(5)

Напряжения на выходе преобразователей частоты 18-20 можно записать в виде

Uxa= Umfa(t)cossin2

Uxb= Umfa(t)cossin2(-)

Uxc= Umfa(t)cossin2(+) (6)

Напряжения (5) и (6) приложены к mxn изолированным секциям обмоток электрической машины и создают в каждой из них пульсирующее магнитное поле, направленное вдоль оси своей катушки

Bya= Bmfa(t+)sinsin2

Byb= Bmfa(t+)sinsin2(-)

Byc= Bmfa(t+)sinsin2(+)

Bxa= Bmfa(t+)cossin2

Bxb= Bmfa(t+)cossin2(-) (7)

Bxc= Bmfa(t+)cossin2(+) где - фазовый сдвиг между вектором магнитной индукции и приложенным напряжением.

По отношению к прототипу, где суммирование напряжений с целью исключения пульсаций с частотой питающей сети производится в трансформаторе, в предлагаемом электроприводе за счет выполнения обмоток электродвигателя в виде изолированных секций и подключения их через преобразователи частоты к разным фазам питающей сети осуществляется суммирование магнитных потоков от отдельных секций в магнитном поле электрической машины.

Суммарное магнитное поле, создаваемое изолированными секциями каждой из m-обмоток электродвигателя 1, можно представить в форме (8)

By= Bmfa(t+)sinsin2+sin2(-)+sin2(+)

Bx= Bmfa(t+)cossin2+sin2(-)+sin2(+)

(8) Поскольку каждое из слагаемых в квадратных скобках может быть представлено как сумма постоянной составляющей и гармонического колебания удвоенной частоты

i+i c+ - (9) то (8) можно представить в виде (10)

Bу = 1,5 Bmfa(t+ ) sin (10)

Bx = 1,5 Bmfa(t+ ) cos .

Результирующая индукция по модулю равна

B = = 1,5Bmfa(t+) (11) и составляет угол с осью Х:

tg = = tg (12)

Таким образом, вектор результирующей магнитной индукции, пульсирующий по величине от -1,5 до +1,5 В с частотой fa(t), вращается с угловой скоростью . Такой прием формирования вращающегося магнитного поля позволяет получать очень низкие частоты вращения электродвигателя с обеспечением требуемой перегрузочной способности двигателя, при этом отсутствуют пульсации вращающегося момента с частотой питающей сети.

Как следует из описания работы электропривода в предложенном устройстве по сравнению с прототипом достигаются следующие положительные свойства: повышение КПД (на 2-3%) за счет исключения дополнительного преобразования электрической энергии, осуществляемого в прототипе трансформаторами; повышение надежности электропривода за счет исключения трансформаторов и, следовательно, устранения одностороннего насыщения их сердечников, что в прототипе может привести к резкому возрастанию потребляемого тока и выходу из строя ключей переменного тока; улучшение массогабаритных показателей электропривода за счет уменьшения массы усилителей мощности в 1,5 раза.

Изобретение в равной степени может быть отнесено к электроприводу с любым, более двух, числом фаз. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД, содержащий n-фазный асинхронный двигатель с тахогенератором на валу, выход тахогенератора подключен к первому входу блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока задания, выход блока сравнения через преобразователь аналог-частота подключен к формирователю фазных гармонических функций, выходы которого подключены к первым входам множительных блоков, усилители мощности, каждый из которых выполнен в виде m преобразователей частоты, составленных из управляемых ключей переменного тока с двусторонней проводимостью, управляющие цепи которых через узлы развязки соединены с выходами фазосдвигающих узлов, входы которых образуют информационные входы усилителя мощности, выходы которого образованы выходами преобразователей частоты, одни из информационных входов усилителей мощности соединены с выходами множительных блоков, вторые входы которых соединены с энергетическими входами усилителей мощности и предназначены для подключения к соответствующим фазам питающей сети, другие информационные входы усилителей мощности объединены и подключены к выходу генератора напряжения постоянной амплитуды и частоты, отличающийся тем, что, с целью упрощения, расширения диапазона регулирования при повышении надежности и коэффициента полезного действия, каждая фаза обмотки асинхронного двигателя в пределах полюсного деления разделена на m гальванически развязанных секций, каждая из которых подключена к выводам одного из m преобразователей частоты, соответствующего данной фазной обмотке усилителя мощности, где m - число фаз сети.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Электроника и электротехника




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+автомобильная -сигнализация".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "датчик" будут найдены слова "датчик", "датчики" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("датчик!").


Металлоискатели и металлодетекторы | Электронные устройства охраны и сигнализации | Электронные устройства систем связи | Приемные и передающие антенны | Электротехнические и радиотехнические контрольно-измерительные приборы и способы электроизмерений | Электронные устройства пуска, управления и защиты электродвигателей постоянного и переменного тока | Электродвигатели постоянного и переменного тока | Магниты и электромагниты | Кабельно-проводниковые и сверхпроводниковые изделия


Рейтинг@Mail.ru