СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ВИБРАЦИИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ВИБРАЦИИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ


RU (11) 2234184 (13) C1

(51) 7 H02P5/175, H02P7/29, H02P7/42, H02M7/48 

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

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

(21) Заявка: 2002132081/09 
(22) Дата подачи заявки: 2002.11.29 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2002.11.29 
(45) Опубликовано: 2004.08.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: MOHAMAD KUDUER и др. A composing pulse with modulation method to reduce the harmonics in voltage investors. Япония (англ.). Реферат. Силовая преобразовательная техника, Вып. С-В, ТОМА, 1983. RU 2025032 C1, 15.12.1994. RU 2022441 С1, 30.10.1994. RU 2161854 С2, 10.01.2001. SU 1492434 A1, 07.07.1989. US 4629959 А, 16.12.1986. DE 3901034 C1, 19.07.1990. ЕР 0127187 А2, 05.12.1984. WO 97/35378, 25.09.1997. 
(72) Автор(ы): Деревянченко А.Е. (RU); Яхинсон М.Б. (RU); Яцук В.Г. (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Деревянченко Александр Егорович (RU); Яхинсон Марк Борисович (RU); Яцук Владимир Григорьевич (RU) 
Адрес для переписки: 143500, Московская обл., г. Истра-2, ул. Панфилова, 10, НИИЭМ, Патентная служба 

(54) СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ВИБРАЦИИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ 

Изобретение относится к силовой полупроводниковой технике и может быть использовано для регулирования скорости асинхронных и синхронных двигателей с помощью инверторов напряжения или тока. Техническим результатом является снижение вибрационного ускорения электродвигателя. В способе снижения вибрации электродвигателя, управляемого выходным напряжением 3n-фазного напряжения инвертора, на входы инвертора подают управляющие сигналы трапецеидальной формы с положительными и отрицательными полуволнами. На восходящий линейный участок трапеции приходится 30 полуволны, на участок постоянного напряжения - 120 и на нисходящий линейный участок - 30. Широтно-импульсную модуляцию осуществляют на восходящих и нисходящих линейных участках. В результате среднее значение разности потенциалов между фазами на выходе инвертора изменяется по закону трапеции с 60-ными восходящей частью линейного напряжения, частью постоянного напряжения и нисходящей частью линейного напряжения, что обеспечивает снижение высших гармонических составляющих в напряжении питания электродвигателя, подключение на выходе инвертора фильтра низкой частоты без опасных резонансных увеличений силового тока и уменьшение трудозатрат при предварительных расчетах вибрационных характеристик электродвигателя. 5 ил., 2 табл.




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Область техники

Предлагаемое изобретение относится к силовой полупроводниковой технике, в частности инверторам тока или напряжения, предназначенным для регулирования скорости асинхронных и синхронных двигателей.

Уровень техники

Управление двигателями осуществляется двухполупериодным напряжением питания. Наиболее просто реализовать напряжение питания в виде прямоугольных двуполярных импульсов. Наиболее сложно - в виде синусоиды. Правильную синусоидальную форму обеспечить фактически невозможно, поэтому практически используют форму напряжения питания, приближенную к синусоиде. Устройство, формирующее напряжение питания двигателей, называется инвертором. Инверторы обычно реализуются на полупроводниковых приборах, например транзисторах. Транзисторы используются в режиме скачкообразного изменения их сопротивления, поэтому выходное напряжение инвертора имеет крутые фронты. При разложении в ряд Фурье выходного напряжения с вертикальными фронтами будет иметь место полный натуральный ряд нечетных высших гармонических составляющих, кроме основной, или тот же ряд, за исключением гармоник, кратных трем [1]. Амплитуды составляющих ряда Фурье обратно пропорциональны порядку (номеру) гармонических составляющих. Его сумма обратно пропорциональна количеству гармонических составляющих.

Если фронты выходного напряжения будут реализованы в виде линейной функции, то количество гармонических составляющих, входящих в разложение Фурье линейной функции и оказывающих существенное влияние на выходное напряжение, будет значительно меньше, т.к. величина этой суммы ряда будет обратно пропорциональна квадрату порядка (номера) гармонических составляющих.

Если выходное напряжение инвертора содержит n гармоник, то в питаемом двигателе создается n2 крутящих и вибрационных моментов, в том числе: один -основной полезный, (n-1) - двигательных моментов и (n2-n)-вибрационных моментов [2]. Вибрационные моменты не зависят от момента нагрузки и могут быть значительными по величине: (15-20)% от основного момента. Среди (n2-n) вибрационных моментов наибольшими являются моменты, образованные током высших гармонических составляющих и ЭДС основной гармоники.

Виброускорение, создаваемое вибрационными моментами, зависит от моментов инерции статора и ротора двигателя и наряду с повышенным износом подшипников обмотки создает структурный шум, легко распространяемый по металлу и воде. Поэтому в отдельных случаях возникает проблема убрать этот шум.

Известен метод устранения высших гармонических составляющих напряжения прямоугольной формы, основанный на введении “просечек” через углы коммутации 1, 1, 2,… m на интервале m<

Количество вводимых углов m равно количеству исключаемых гармоник. Нахождение углов производится путем решения уравнения



Для исключения m гармоник необходимо составить m трансцедентных уравнений с m+1 неизвестными и решить эту систему (как правило, машинным способом и методом итераций), задав предварительно погрешность при минимизации функции.

Например, если система управления должна выдать 8 пар просечек в силовом напряжении с большой точностью - до 4-го знака после запятой (а для частоты 50 Гц 1 - это 55,5 мкс, то есть четвертый знак требует интервала 55,5 10-4 мкс), то в систему управления надо ввести тактовый генератор с очень высокой частотой, около 180 МГц. Практически это неосуществимо, так как сигнал с такой частотой “течет” мимо провода по емкостным связям, что порождает межканальную помеху и сбой в работе системы управления, а значит отказ инвертора.

Этот недостаток предлагают устранить японские ученые [4]. Они предлагают ввести комбинированный способ подавления гармонических составляющих, взятый авторами за прототип:

a) произвести исключение методом введения “просечек” нескольких пар больших гармоник (например, 5, 7, 11, 13);

b) оставшиеся высшие гармоники подавить методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ): на имеющуюся кривую сигнала наложить модулирующие импульсы треугольной формы, которые в сочетании с регулирующим постоянным напряжением позволят сузить или расширить длительность импульсов ШИМ.

Таким образом, можно обеспечить форму выходного напряжения, значительно приближенную к синусоиде.

В статье [4] приводится рисунок спектра выходного напряжения и трактуются достоинства предложенного способа: достаточно глубокое подавление гармонических составляющих (вплоть до 39) и возможность регулирования выходного напряжения.

Недостатками этого метода, по мнению авторов настоящего изобретения, являются:

1) недостаточное подавление высших гармоник, так как уровень 39 составляет около 20% основного сигнала, а на этой частоте сталь двигателя “шумит”, поэтому возникает необходимость в фильтре низкой частоты (ФНЧ);

2) изменение гармонического состава в процессе регулирования на выходе инвертора: появляются гармоники, кратные 3-м, например 21-я - до 20%;

3) ФНЧ принципиально не применим, так как при резонансе, например, на 23-й гармонике при средней добротности 8 26% превратятся в 200%, а резонансные токи могут вызвать срабатывание максимальной токовой защиты.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является снижение вибрационного ускорения электродвигателя, управляемого 3n-фазным инвертором, допускающим подключение фильтра низкой частоты (ФНЧ) без опасных резонансных увеличений силового тока, а также уменьшение трудозатрат при предварительных расчетах вибрационных характеристик.

В основу предлагаемого способа положена форма напряжения питания электродвигателей в виде двухполупериодной волны, близкой к синусоиде -трапеция, и использование метода двуполярной широтно-импульсной модуляции (ДШИМ) для управления быстродействующими полупроводниками инвертора.

Снижение вибрационного ускорения электродвигателя, управляемого выходным напряжением с 3n-фазного инвертора, заключается в формировании напряжения питания трапецеидальной формы с наложением широтно-импульсной модуляции для снижения уровня высших гармонических составляющих. Это достигается тем, что на входы инвертора (а именно на базы быстродействующих транзисторов инвертора) подают управляющие сигналы трапецеидальной формы с положительными и отрицательными полуволнами, причем на восходящий линейный участок приходится 30 полуволны, на постоянный участок - 120 и на нисходящий линейный участок - 30 . Кроме того, широтно-импульсная модуляция применяется только на 30 -ных восходящих и нисходящих линейных участках. Эти меры приводят к тому, что среднее значение разности потенциалов между фазами на выходе инвертора изменяется по закону трапеции с 60 -ной восходящей частью линейного напряжения, 60 -ной частью постоянного напряжения и 60 -ной нисходящей частью линейного напряжения.

Таким образом достигается желаемая цель:

1) Высшие гармонические составляющие убывают обратно пропорционально квадрату номера (порядка), т.е.

V51/25; V71/49... Vi 1/(i)2.

2) Низкие уровни гармонических составляющих позволяют применить фильтр низкой частоты (ФНЧ) без увеличения токов до недопустимых значений по шуму уровней или аварийных значений.

3) Расчет гармонических составляющих упрощается: нет необходимости в решении большой системы трансцендентных уравнений на ЭВМ и в применении метода итераций. Для расчетов достаточно использовать калькулятор, имеющий в арсенале операции сложения, вычитания, нахождения значений тригонометрических функций (cos ).

Перечень фигур графического изображения

Фиг.1 - структурная схема управления электродвигателя 3-х фазным инвертором.

Фиг.2 - эпюры напряжений в средних точках инвертора и линейных напряжений на выходе инвертора.

Фиг.3 - график напряжения питания электродвигателя с выхода инвертора.

Фиг.4 - график напряжения питания электродвигателя после ФНЧ.

Фиг.5 - функциональная схема управления электродвигателя.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

На фиг.1 показана упрощенная структурная схема трехфазного инвертора, где 1-6 - ключи, а точки А, В, С являются точками среднего потенциала по каждой фазе, с которых снимается линейное напряжение для питания двигателя D.

На фиг.2 показана гладкая составляющая фазного и линейного напряжения. Смещение фазы в точках А, В, С составляет 120 . Как видно из эпюры на фиг.2, разность гладких составляющих трапеций фазных напряжений 30 -120 -30 дает трапецию линейных напряжений 60 -60 -60 . Таким образом, линейное напряжение имеет форму, максимально приближенную к синусоиде, но имеющую линейные восходящий и нисходящий участки. Двухполярная широтно-импульсная модуляция применяется только на 30-градусных восходящих и нисходящих участках напряжения управления ключами инвертора. Эти участки разбиваются на m интервалов в зависимости от диапазона регулирования частоты (скорости двигателя). Так, для диапазона (21-3) Гц достаточно интервалов i по 3 .

На фиг.3 показано наложение широтно-импульсной модуляции на линейные участки напряжения управления ключами инвертора.

Для осуществления предложенного метода вводятся промежуточные углы пр, которые рассчитываются по формуле:

пр=1,5 (1+аср/А) - для интервала в 3 ,

пр=1 (1+аср/А) - для интервала в 2 ,

пр=0,5 (1+аср/А) - для интервала в 1 ,

где ср - текущее среднее значение высоты трапеции в заданном интервале на возрастающем или снижающемся участках;

А - амплитуда трапеции.

На фиг.4 показан синусоидальный вид напряжения питания электродвигателя после сглаживания фильтром низкой частоты выходного напряжения с инвертора.

На фиг.5 представлена функциональная схема устройства, реализующего заявляемый метод. Здесь цифровые обозначения соответствуют следующим функциональным узлам:

1 - регулятор постоянного напряжения;

2 - входной фильтр автономного инвертора;

3 - инвертор;

4 - фильтр низкой частоты;

5 - двигатель нагрузки;

6 - тактовый генератор;

7 - постоянное запоминающее устройство;

8 - усилитель импульсов управления.

Интервалы по i градусов делятся системой управления на такты шириной, разрешаемой периодом (частотой) тактового генератора 6, управляющего счетчиками постоянного запоминающего устройства 7, которое циклически опрашивается тактовым генератором основной частоты и выдает на вход усилителя импульсов управления 8 транзисторами инвертора 3 импульсы в требуемом порядке и форме. Фильтр низкой частоты 4 служит для сглаживания импульсов широтно-импульсной модуляции до синусоидальной формы. Как правило, в качестве ФНЧ применяется индуктивно-емкостной Г-образный фильтр.

Практическая реализация функциональной схемы фиг.5 осуществляется на реальных покупных изделиях: силовых модулях транзисторов фирмы Semikron и микропроцессорных и обычных микросхемах серии 564 отечественного производства.

Потенциал в точках А, В, С (фиг.1) - зеркальное отображение импульсов, посылаемых на ключи каналов инвертора 3 (фиг.5). Очередность включения ключей в ходе ШИМ следует через 180 , при этом, чтобы не было сквозной проводимости, в системе управления должна быть предусмотрена задержка начал или окончаний импульсов, которая на графике фиг.3 не показана из-за малости. Кроме того, в реальных схемах предусмотрена защита посредством специального устройства - драйвера, блокирующего одновременность проводимости каналов, сдвинутых на 180 .

Для подтверждения технического результата были проведены испытания электродвигателя мощностью 12,5 кВт, управляемого известным инвертором напряжения типа И-ПТКТ-63-220-20.

В таблице 1 приведена зависимость превышения виброускорений над нормативными значениями в децибелах в зависимости от уровня гармонических составляющих без подавления предложенным способом.



В таблице 2 приведены результаты измерения виброускорений того же двигателя мощностью 12,5 кВт, в котором реализован предлагаемый закон формирования выходного напряжения, а на выходе силовой схемы установлен ФНЧ для подавления гармоник более высокого порядка, в том числе и ШИМ.



Вывод:

Использование предложенного способа снижения вибрационного ускорения позволяет снизить его значение на большинстве гармоник до нормативных, а на отдельных гармониках (в данном примере это 11-я и 17-я) позволяет опустить ниже нормативных.

Таким образом, предлагаемый способ снижения вибрации электродвигателя, управляемого 3n-фазным инвертором, позволяет снизить вибрационное ускорение устранением высших гармонических составляющих в напряжении питания электродвигателя. При этом обеспечивается возможность подключения на выходе инвертора фильтра низкой частоты без опасных резонансных увеличений силового тока, а также уменьшаются трудозатраты при предварительных расчетах вибрационных характеристик.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бедфорд, Р Хофт. Теория автономных инверторов. М.: Энергия, 1969.

2. Largiader Hans. Gesichtspunkte fur die Bemessung umrichtergespeister Asynchronmotoren fur die Traktion. “Brown Bower Mitt." 1970, 57,4, 152-167 (нем).

3. Hasmukh S Patel und Richard G Hoft/ Generalited Techniques of Harmonic Elimination and Voltage Control in Thyristor - Inverters. Part I - Harmonic Elimination IEEE Trans. on Appl. 1973, №3, 310-317. (РЖЭ 1973, 8И583 и 4И491, ред. А.И.Толкачев).

4. Mohamad Kuduer, Isobe Ehoji, Shinohara Uochiduki, Mazusujima Toshiharu. A composing pulse with modulation method to reduce the harmonics in voltage inverters. Япония (англ.). Реферат “силовая преобразовательная техника” Вып. С-В Том А, 1983. База данных ВИНИТИ РГ 45.37.31 0084375. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Способ снижения вибрации электродвигателя, управляемого выходным напряжением с 3n-фазного инвертора, заключающийся в исключении высших гармонических составляющих в выходном напряжении 3n-фазного инвертора методом широтно-импульсной модуляции, отличающийся тем, что на входы 3n-фазного инвертора подают управляющие сигналы трапецеидальной формы с положительными и отрицательными полуволнами, причем на восходящий линейный участок трапеции приходится 30 полуволны, на участок постоянного напряжения - 120 и на нисходящий линейный участок - 30, кроме того, широтно-импульсная модуляция применяется только на восходящих и нисходящих линейных участках.




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