Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для питания синхронного гистерезисного двигателя с фазовым перевозбуждением

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электроприводам с синхронными гистерезисными двигателями (СГД).

Высокие энергетические характеристики СГД могут быть получены лишь при использовании режима перевозбуждения, заключающегося в том, что дополнительно увеличивается намагниченность материала приводного диска ротора в синхронном режиме работы СГД, а затем напряжение питания СГД снижается с номинального значения до величины, при которой СГД работает с необходимым запасом по мощности опрокидывания (выхода из синхронизма).

В настоящее время известно несколько способов перевозбуждения СГД:

- временное увеличение напряжения питания СГД с последующим его снижением до номинального уровня или ниже (Делекторский Б.А., Тарасов В.Н., «Управляемый гистерезисный привод», М., Энергоатомиздат, 1983 г.) [1];

- временное увеличение напряжения питания СГД с манипулированием фазой этого напряжения («Способ перевозбуждения синхронных гистерезисных двигателей», авторское свидетельство СССР на изобретение №674181, кл. МПК Н02Р 7/44, дата приоритета 29.11.1971 г.) [2];

- временное отключение СГД от источника переменного электропитания и подключение его к источнику постоянного напряжения («Способ перевозбуждения гистерезисного электродвигателя», авторское свидетельство СССР на изобретение №577632, кл. МПК Н02Р 1/30, дата приоритета 02.07.1971 г.) [3];

- наложение на напряжение питания СГД импульсов напряжения в определенной фазе («Устройство для импульсного перевозбуждения гистерезисного электродвигателя», авторское свидетельство СССР на изобретение №455429, кл. МПК Н02K 19/08, Н02Р 7/36, дата приоритета 31.03.1972 г.) [4].

Перечисленные способы имеют следующие недостатки:

- повышение питающего напряжения или наложение импульсов на питающее напряжение возможно не во всех источниках электропитания СГД;

- наложение на питающее напряжение импульсов напряжения требует повышенного качества электрической изоляции обмоток статора СГД, а фронты импульсов напряжения вызывают деградацию изоляции;

- нарушение симметрии напряжения питания СГД (появление импульсов в напряжении питания СГД, отключение одной или нескольких фаз, быстрое изменение фазы напряжения питания СГД вызывает ударное воздействие на ротор, что отрицательно сказывается на ресурсе СГД, особенно учитывая, что роторы СГД в сверхскоростных приводах работают на пределе механической прочности).

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство, приведенное в патенте РФ на изобретение №2375813 «Способ двухзонного амплитудно-фазового перевозбуждения синхронно-гистерезисных электродвигателей» (кл. МПК Н02Р 21/05, Н02Р 6/00, дата приоритета 02.04.2008 г.) [5].

В данном устройстве для питания СГД, содержащем выпрямитель, блок управляемой вольт-добавки, инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией, задающий генератор, делитель частоты, регулятор фазы, распределитель импульсов, режим перевозбуждения создается кратковременным (в течение 3-5 периодов выходного напряжения инвертора) повышением, а затем понижением напряжения подаваемого на СГД. Одновременно с повышением и понижением этого напряжения изменяется фаза выходного напряжения инвертора.

При повышении выходного напряжения инвертора регулятором фазы поворачивают фазу этого напряжения на угол 15-20 гр. эл. против направления вращения ротора СГД, а при понижении напряжения поворачивают фазу напряжения на тот же угол по направлению вращения ротора СГД. Поворот вектора выходного напряжения инвертора при перевозбуждении позволяет уменьшить колебания ротора СГД и дополнительно увеличить уровень намагниченности материала приводного диска ротора СГД. Повышение выходного напряжения инвертора на время перевозбуждения достигается включением блока управляемой вольт-добавки последовательно с выходным напряжением выпрямителя.

К недостаткам этого устройства для питания СГД с амплитудно-фазовым перевозбуждением можно отнести увеличенное число силовых элементов, входящих в состав блока управляемой вольт-добавки, увеличенную установленную мощность инвертора, увеличенный уровень электромагнитных помех, создаваемых при включении и выключении блока вольт-добавки. Кроме того, регулятор фазы инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией имеет достаточно сложную схему.

Задачами заявляемого устройства для питания синхронного гистерезисного двигателя с фазовым перевозбуждением являются упрощение конструкции устройства, уменьшение установленной мощности устройства, уменьшение уровня электромагнитных помех.

Указанные задачи решаются за счет того, что в заявляемом устройстве для питания СГД с фазовым перевозбуждением, включающем выпрямитель, задающий генератор, делитель частоты с распределителем импульсов, инвертор, СГД, согласно заявляемому техническому решению инвертор выполняется по схеме инвертора тока, к выходу которого подключаются синхронный гистерезисный двигатель и компенсирующий конденсатор, а импульс управления перевозбуждением подается на вход управления током выпрямителя и на вход узла управления частотой задающего генератора. На другой вход узла управления частотой задающего генератора подается напряжение питания СГД, выход этого узла соединен с входом управления частотой задающего генератора, выход которого через делитель частоты с распределителем импульсов соединен с входом управления силовыми ключами инвертора тока.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема заявляемого устройства для питания СГД с фазовым перевозбуждением.

Заявляемое устройство для питания СГД с фазовым перевозбуждением содержит выпрямитель (1), инвертор тока (2) с подключенными к нему компенсирующим конденсатором (3) и СГД (4). Импульс управления перевозбуждением подается на вход управления током выпрямителя (1) и на вход узла (5) управления частотой задающего генератора (6), на другой вход которого подается напряжение питания СГД (4). Выход этого узла соединен с входом управления частотой задающего генератора (6), выход которого через делитель частоты с распределителем импульсов (7) соединен с входом управления силовыми ключами инвертора тока (2).

Заявляемое устройство для питания СГД с фазовым перевозбуждением работает следующим образом. При подаче импульса управления перевозбуждением на вход управления током выпрямителя (1) стабилизируется величина тока, потребляемого инвертором тока (2) от выпрямителя (1) на время длительности импульса перевозбуждения. Одновременно с этим выходное напряжение узла управления частотой задающего генератора (5) уменьшает частоту задающего генератора (6) на заданную величину. В результате этого фаза выходного напряжения инвертора тока (2) начнет изменяться таким образом, что угол отставания магнитного поля ротора от магнитного поля статора (θ) СГД (4) начнет уменьшаться. При этом будет происходить уменьшение мощности, потребляемой СГД (4), а напряжение на обмотках статора СГД (4) будет увеличиваться, так как выходной ток инвертора тока (2) остается неизменным. Когда напряжение питания СГД (4) достигнет уровня порога срабатывания узла (5) управления частотой задающего генератора его выходное напряжение изменится, частота задающего генератора (6) увеличится до исходного значения, а величина угла θ начнет увеличиваться до значения, при котором электромагнитный момент СГД (4) станет равным моменту сопротивления на его валу. После окончания импульса управления перевозбуждением выходной ток выпрямителя (1) начнет уменьшаться до тех пор, пока выходное напряжение инвертора тока (2) не станет равно заданной величине.

Известно [1], что для уменьшения колебаний ротора СГД (4) целесообразно после повышения напряжения питания СГД (4) последующее снижение этого напряжения осуществлять плавно, поэтому время снижения напряжения выбирается на порядок больше периода собственных колебаний ротора СГД (4).

Длительность нарастания и максимальная величина напряжения питания СГД (4) при фазовом перевозбуждении определяются длительностью импульса перевозбуждения, подаваемого на вход узла (5) управления частотой задающего генератора, крутизной характеристики управления частотой этого генератора и величиной выходного тока инвертора тока (2) до подачи импульса управления перевозбуждением. Уменьшать величину угла θ до нуля не рекомендуется, так как СГД перейдет в генераторный режим работы и произойдет конденсаторное самовозбуждение СГД.

Компенсирующий конденсатор (3) предназначен для увеличения Cosφ нагрузки до значений, близких к единице.

Заявляемое устройство для питания СГД с фазовым перевозбуждением имеет следующие преимущества по сравнению с аналогами и прототипом:

- более простую схему;

- позволяет уменьшить установленную мощность инвертора;

- не вызывает дополнительных потерь энергии от источника питания;

- создает меньший уровень электромагнитных помех при перевозбуждении, чем существующие устройства.

Кроме того, применение инвертора тока для питания СГД позволяет применять силовые ключи в инверторе тока с меньшей на порядок оптимальной частотой коммутации, что является важным при количестве СГД равном нескольким тысячам, когда потребляемый ими ток имеет величину 500-1000А.

Источники информации

1. Делекторский Б.А., Тарасов В.Н. Управляемый гистерезисный привод, Москва, Энергоатомиздат, 1983 г., стр. 78-79.

2. Авторское свидетельство СССР на изобретение №674181, кл. МПК Н02Р 7/44, дата приоритета 29.11.1971 г.

3. Авторское свидетельство СССР на изобретение №577632, кл. МПК Н02Р 1/30, дата приоритета 02.07.1971 г.

4. Авторское свидетельство СССР на изобретение №455429, кл Н02К 19/08, Н02Р 7/36, дата приоритета 31.03.1972 г.

5. Патент РФ на изобретение №23758813, кл. МПК Н02Р 21/05, Н02Р 6/00, дата приоритета 02.04.2008 г.