Способ эксплуатации в синхронном режиме частотно-регулируемых асинхронных двигателей с фазным ротором

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в частотно-регулируемых электроприводах.

При использовании автоматизированных электроприводов с частотным управлением двигателями переменного тока без дополнительных датчиков скорости возникают проблемы поддержания скорости и защиты двигателя и преобразователя при нагрузках выше номинальных. Сложности управления асинхронными двигателями характерны для многодвигательных приводов, когда два и более двигателей питаются от одного преобразователя.

Для оценки новизны заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным устройством признаков.

Известно устройство регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя по патенту РФ №2635663, содержащее цепь трехфазного электродвигателя с мостовой схемой силовых ключей, блок управления силовыми ключами, резистор и источник питания, отличающееся тем, что в схему устройства встроен маломощный электромотор постоянного тока, на котором жестко закреплен постоянный магнит, а вокруг электромотора радиально размещены сдвоенные датчики Холла, расположенные на равном расстоянии друг от друга, причем в каждой паре датчики установлены один над другим с разворотом на 180° относительно друг друга и электрически связаны с силовыми ключами, а электромотор постоянного тока связан через резистор с источником питания.

Известно устройство управления асинхронным двигателем по патенту РФ №2599529, содержащее асинхронный двигатель и преобразователь частоты и напряжения, управляющие входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго сумматоров, первый вход первого сумматора соединен с источником сигнала задания, а второй вход - с выходом первого статического нелинейного преобразователя, первый вход второго сумматора соединен с функциональным преобразователем, вход которого соединен с источником сигнала задания, а второй вход - с выходом статического преобразователя, а также датчики тока статорной обмотки двигателя, выходы которых соединены с первым и вторым входами функционального преобразователя тока, отличающегося тем, что первый выход функционального преобразователя тока, соответствующий положительной обратной связи по току статора, соединен с входом апериодического звена первого порядка, выход которого соединен с входом статического преобразователя и с входом первого статического нелинейного преобразователя.

Динамическое звено, корректирующее положительную обратную связь по току статора асинхронного двигателя, обеспечивает технический результат полезной модели, так как увеличивает амплитуду напряжения на статоре двигателя до таких значений, которые при больших нагрузках (до полуторакратного номинального момента электродвигателя) обеспечивает погрешность в поддержании скорости вращения асинхронного электродвигателя не выше 2-3%, при сохранении устойчивости системы электропривода с положительной обратной связью.

Решаемая изобретение техническая проблема заключается в следующем. Частотно-регулируемые асинхронные двигатели с фазным ротором широко использовались за рубежом в электромашинных каскадах в течение многих лет, начиная с 20-х годов прошлого столетия [1], [2]; источником напряжения переменной частоты для питания обмотки ротора со стороны контактных колец были коллекторные генераторы переменного тока с электромашинным приводом. В 90-х годах прошлого столетия структура этих каскадов подверглась значительному упрощению: коллекторные генераторы с таким приводом были заменены статическими преобразователями частоты с автономными инверторами напряжения. Путем изменения таким преобразователем амплитуды и частоты напряжения на контактных кольцах осуществляется регулирование скорости вращения двигателя (скольжения S) в эксплуатационных режимах. Соответственно, расширилась и область применения каскадных схем. Они используются для привода размольных агрегатов ("мельниц") в горнорудной промышленности, для привода многочисленного ряда турбомеханизмов (вентиляторов главного проветривания, насосов, компрессоров и т.д.), в строительной промышленности (при производстве цемента, силикатного кирпича, асфальтобетона, извести, гипса). Их использование перспективно для привода размольных агрегатов и в различных отраслях химической промышленности: при производстве сырья для лакокрасочных материалов и ряда других изделий.

Все эти механизмы отличаются непрерывным циклом производства, высокой энергоемкостью и работают, в основном, с номинальной скоростью, поэтому существенное значение имеют их энергетические характеристики. Поэтому среди ряда проблем, выдвигаемых практикой при эксплуатации таких двигателей, является проблема обеспечения их конкурентоспособности: повышения их КПД, коэффициента мощности.

Задачей изобретения является создание способа эксплуатации в синхронном режиме частотно-регулируемого асинхронного двигателя с фазным ротором, обеспечивающего повышение коэффициента мощности, отсутствие реактивных токов в обмотках ротора и статора и, следовательно, повышение КПД двигателя.

Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для решения указанной заявителем технической проблемы и получения обеспечиваемого полезной моделью технического результата.

Согласно изобретению способ эксплуатации в синхронном режиме частотно-регулируемого асинхронного двигателя с фазным ротором, снабженного системой управления и регулирования, характеризуется тем, что при скольжении, близком к номинальному, в момент прохождения тока статора одной из фаз через нуль его система управления и регулирования включает обе фазы двухфазной обмотки ротора на напряжение источника постоянного тока.

Кроме того, заявленное техническое решение характеризуется наличием ряда дополнительных факультативных признаков, а именно:

- момент времени при прохождении тока одной из фаз через нуль определяется скольжением S, близким к номинальному и равным S=1/(8⋅γ) (при γ=1; 2; 3; …), а частота напряжения ω_Р обмотки ротора для обеих фаз определяется при этом скольжении углом α_Р=ω_Р⋅t=π⋅k/4 (при k=1; 5; 9; …);

- значения токов в фазах обмотки ротора в синхронном режиме устанавливают равными действующему (эффективному) значению токов в этих обмотках в асинхронном режиме.

Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение непосредственного технического результата, который заключается в том, что установление значения токов в фазах обмотки ротора в синхронном режиме равными действующему (эффективному) значению токов в этих обмотках в асинхронном режиме исключает при смене режима температурные деформации обмотки ротора и кратковременное появление его вибраций, что в конечном счете приводит к повышению коэффициента мощности, отсутствию реактивных токов в обмотках ротора и статора и, следовательно, повышению КПД двигателя.

Заявленный способ реализуют следующим образом.

Рассмотрим с этой целью режимы работы двухфазной обмотки ротора при номинальном скольжении S, например, при 0<S≤0,02.

Примем, что начало отсчета фазовых углов совпадает с фазой А обмотки ротора. Тогда токи в обеих фазах имеют вид [3] - [5]:

Здесь I_АМП,Р - амплитуда тока в обмотке ротора; ω_Р - частота этого тока;

t - время.

Сдвиг во времени на фазовый угол π/2 осуществляет преобразователь частоты в цепи ротора.

В номинальном режиме (при скольжении 0<S≤0,02) действующие (эффективные) значения токов в обмотках обеих фаз равны: I_ЭФФ=I_ЭФФ,А=I_ЭФФ,В=(100/√2)≈70,7%; здесь за 100% принято: I_АМП=100%.

Рассмотрим теперь режим работы такой обмотки ротора при номинальных скольжениях (0<S≤0,02). В определенный момент времени t мгновенные значения токов в фазах A (i_A) и В (i_B) одинаковы: i_A=i_B. Этот момент времени t соответствует в (1) углу:

В этих режимах мгновенные значения токов в двух фазах таковы:

i_А,Р=i_B,Р=I_АМП,_Р⋅0,707=70,7%.

Современные системы управления и регулирования обладают возможностью зафиксировать этот угол: α=ω_P⋅t=π⋅k/4.

Отметим особенность токов двухфазной системы: в синхронном режиме (S=0, ω_Р=0) с учетом (2) длительные значения токов i_A,P и i_B,_P равны действующему (эффективному) значению токов в этих фазах (А, В) в асинхронном режиме. Поэтому в синхронном режиме (S=0, ω_Р=0) перегревы обмоток обеих фаз (А, В), обусловленные этими значениями токов i_A,P и i_B,_P, одинаковы и практически равны перегревам в асинхронном режиме.

Это исключает при смене режима эксплуатации частотно-регулируемого асинхронного двигателя температурные деформации обмотки ротора и кратковременное появление его вибраций.

Следует отметить, что обмотка ротора асинхронных двигателей с фазным ротором- обычно трехфазная, однако с целью уменьшения числа контактных колец, упрощения конструкции щеточного аппарата, повышения надежности работы двигателей и конкурентоспособности для частотно-регулируемых электроприводов может быть выполнена и двухфазной; в отличие от конструкции трехфазной двухслойной шестизонной обмотки статора, двухфазная четырехзонная обмотка ротора имеет обмоточный коэффициент (при одинаковом сокращении шага) несколько меньший (примерно в 1,06-1,07 раза). Соответственно, длина активной стали статора и ротора определяется для рассматриваемой конструкции машины обмоточным коэффициентом ее ротора [6].

Помимо проблемы обеспечения синхронного режима работы машины путем подачи в фазы обмотки ротора постоянных токов одинаковой амплитуды согласно (2) имеет место еще проблема обеспечения этого синхронного режима параллельно с сетью. При этом предполагается, что в момент подачи в фазы обмотки ротора токов согласно (2) амплитуды переходных токов (включая их апериодические составляющие) в трех фазах обмотки статора должны быть минимальными ("проблема синхронизации с сетью"). Для решения этой проблемы запишем выражения для МДС обмоток статора и ротора.

Для обмотки статора МДС:

Аналогично, для обмотки ротора МДС:

Здесь ω_СТ - круговая частота тока статора; τ - полюсное деление; х - координата вдоль окружности статора (по диаметру D_CP, среднему между диаметром ротора и статора).

Из соотношения (3) получаем линейную скорость V_CT вращения МДС и поля реакции статора (относительно статора): V_CT=dx/dt=ω_CT⋅τ/π=(ω_CT/p)⋅D_CP/2.

Аналогично, линейная скорость V_P вращения МДС и поля ротора (относительно ротора):

V_P,OTH=dx/dt=(ω_P/p)⋅D_CP/2.

Линейная скорость вращения ротора относительно статора равна:

V_BP=ω_ВР⋅D_CP/2=(ω_CT/p)⋅(1-S)⋅D_CP/2.

Следовательно, абсолютная скорость вращения МДС и поля ротора (относительно статора):

МДС и поля ротора и статора в зазоре в эксплуатационных режимах (асинхронных, синхронных) взаимно неподвижны в воздушном зазоре [5], так что V_P,АБС=V_CT. Из этого равенства после ряда преобразований получаем расчетное уравнение:

Согласно уравнению (2) было получено, что угол α_Р должен быть равен: α_Р=ω_P⋅t=π⋅k/4 (при k=1; 5; 9; …). Из (6) следует, что условие (2) оказывается справедливым при определенных углах α_CT=ω_CT⋅t и скольжениях S или же угловых скоростях вращения ротора ω_ВР=(1-S) ω_CT/p.

Определим необходимый для решения проблемы синхронизации угол α_CT=ω_CT⋅t с учетом (2) и (6).

Для этого запишем выражения для токов в трех фазах (А, В, С) обмотки статора:

В (7) предполагается, что начало отсчета фазовых углов совпадает с фазой А обмотки статора. Отметим, что для фазы А при угле α_CT=ω_CT⋅t=2⋅π⋅γ (при γ=1; 2; 3; …) апериодическая составляющая переходного тока равна нулю [3], так что переходный ток минимален и равен его периодической составляющей. То же имеет место для фаз В и С трехфазной обмотки статора, работающей параллельно с трехфазной сетью.

Поэтому для решения проблемы синхронизации включение обмотки ротора на напряжение источника постоянного тока согласно (2) целесообразно выполнять при угле:

Определим, при каких скольжениях включение согласно (2) и синхронизация согласно (8) имеет место. Из (6) получаем, что при выполнении обоих условий (2) и (8) скольжение S должно удовлетворять соотношению:

Пример. При 10≤γ≤15 имеем ряд скольжений, близких к номинальному (0<S≤0,02) и представляющих практический интерес: S=0,0125; S=0,0114; S=0,0104; S=0,0096; S=0,0089; S=0,0083.

Таким образом, выполняются оба условия (2) и (8) эксплуатации в синхронном режиме частотно-регулируемых асинхронных двигателей с фазным ротором.

Процесс синхронизации с сетью может быть сформулирован с учетом (2), (8), (9) в виде следующего алгоритма (последовательности операций):

- в номинальном асинхронном режиме скольжение S изменяется на несколько процентов в сторону увеличения (или уменьшения) согласно (9) путем изменения частоты преобразователя в цепи ротора;

- при достижении скольжения S согласно (9) в момент прохождения тока фазы А через нуль согласно (8) обе фазы обмотки ротора включаются на постоянное напряжение согласно (2).

Заявленный способ обеспечивает повышение коэффициента мощности частотно-регулируемого асинхронного двигателя с фазным ротором, отсутствие реактивных токов в обмотках ротора и статора и, следовательно, повышение КПД двигателя.

Литература

1. Walker Miles. The Control of the Speed and P.F. of Induction Motors. London: Pittman. 1924.

2. Дрейфус Л. Коллекторные каскады. М.: - ОНТИ, 1934.

3. Демирчян К.С., Нейман Л.Р., Коровкин Н.В., Чечурин В.Л. Теоретические основы электротехники (в трех томах), М. - С. - Петербург: Издательство Питер, 2004.

4. Boguslawsky I.; Korovkin N.; Hayakawa M. Large A.C. Machines. Theory and Investigation Methods of Currents and Losses in Stator and Rotor Meshes incl. Operation with Nonlinear Loads: Springer. 2016. - 549 p.

5. Под ред. Копылова И.П. Проектирование электрических машин. М.: Энергия. 1980.

6. Слежановский О.В., Дацковский Л.Х., Кузнецов И.С.и др. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями. М., Энергоатомиздат, 1983

7. Онищенко Г.Б., Хватов СВ. Электроприводы по системам вентильного каскада и двигателя двойного питания. Энциклопедия машиностроения. Том IV-2. Электропривод. Гидро и виброприборы. Кн.1. Электропривод., М., Машиностроение, 2012.