АСИНХРОННЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ КАСКАД

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводах, в которых требуется глубокое регулирование скорости как вниз, так и вверх от номинальной без датчика скорости на валу электродвигателя с обеспечением больших пусковых моментов и высокой перегрузочной способности.

Известен асинхронный вентильный каскад [1], содержащий асинхронный двигатель с фазным ротором, диодный трехфазный мост, подсоединенный выводами переменного тока к кольцам ротора, а выводами постоянного тока через последовательно включенный дроссель к соответствующим выводам постоянного тока мостового тиристорного инвертора. Тиристорный инвертор связан с сетью переменного тока через согласующий трансформатор, а тиристоры инвертора управляются системой импульсно-фазового управления.

Недостатками такого каскада являются низкий коэффициент мощности электропривода по причине использования тиристорного инвертора, невозможность увеличения скорости выше номинальной и чувствительность к изменениям сетевого напряжения вследствие прямого подключения обмотки статора к питающей сети.

Известен асинхронный вентильный каскад [2], содержащий асинхронный двигатель с фазным ротором, подключенный статорной обмоткой к питающей сети, диодный трехфазный мост, подключенный выводами переменного тока к кольцам ротора упомянутого асинхронного двигателя с фазным ротором, мостовой тиристорный инвертор, объединенный общими катодами с общими анодами диодного трехфазного моста, дроссель, подключенный одним концом к общим катодам диодного трехфазного моста, ключ, включенный в проводящем направлении между свободным концом упомянутого дросселя и общей точкой диодного трехфазного моста и мостового тиристорного инвертора, систему импульсно-фазового управления мостовым тиристорным инвертором, соединенную выходами с соответствующими управляющими входами мостового тиристорного инвертора, систему управления упомянутым ключом по принципу широтно-импульсной модуляции, связанную выходом с управляющим входом ключа, дополнительно введены отсекающий диод, сглаживающий дроссель, конденсатор и токоограничивающие реакторы по числу фаз питающей сети взамен согласующего трансформатора, причем упомянутый мостовой тиристорный инвертор выводами переменного тока подключен к питающей сети через токоограничивающие реакторы, отсекающий диод подключен анодом к общей точке упомянутых дросселя и ключа, катодом соединен со сглаживающим дросселем, свободный конец которого подключен к общим анодам мостового тиристорного инвертора, а между общей точкой отсекающего диода и сглаживающего дросселя и общей точкой диодного трехфазного моста и мостового тиристорного инвертора включен конденсатор.

В указанном каскаде отсутствует согласующий трансформатор и обеспечивается высокий коэффициент мощности тиристорного инвертора за счет применения ключа в цепи выпрямленного тока ротора, работающего по принципу широтно-импульсной модуляции. Недостатками данного каскада являются чувствительность к изменениям сетевого напряжения, невозможность увеличения скорости выше номинальной и потребление реактивной мощности по цепи статора по причине прямого подключения обмотки статора к питающей сети. Указанные недостатки возможно устранить посредством сочетания принципов каскадного и частотного управления асинхронным двигателем с фазным ротором.

Наиболее близким к предлагаемому является электропривод [3], содержащий асинхронные двигатели с фазным ротором, обмотки статоров которых соединены параллельно и подключены к автономному инвертору напряжения, по числу двигателей диодно-тиристорные преобразователи, вход каждого из которых связан с обмоткой ротора соответствующего двигателя, а выходы преобразователей соединены со звеном постоянного тока автономного инвертора напряжения.

Особенностью данного электропривода является групповое питание статоров асинхронных двигателей от автономного инвертора напряжения со звеном постоянного тока и раздельное подключение роторов каждого электродвигателя к своему трехфазному диодному мосту и тиристорному ключу, управляемому по принципу широтно-импульной модуляции. В результате коммутации тиристорного ключа в цепи выпрямленного тока ротора каждого двигателя устанавливается индивидуальная частота вращения каждого двигателя, а рекуперация энергии скольжения осуществляется непосредственно в звено постоянного тока автономного инвертора напряжения без дополнительных устройств рекуперации.

Недостатки данного привода обусловлены групповым питанием обмоток статора асинхронных двигателей от одного инвертора напряжения. К ним относится отсутствие возможности регулирования магнитного потока отдельного двигателя в функции нагрузки для повышения КПД, сложность обеспечения работы отдельного двигателя на скорости, близкой к синхронной, и невозможность увеличения скорости вращения отдельного двигателя выше синхронной.

Цель изобретения - улучшение энергетических показателей и расширение диапазона регулирования скорости электропривода на основе асинхронного вентильного каскада.

Сущность изобретения заключается в том, что асинхронный вентильный каскад, содержащий асинхронный двигатель с фазным ротором, статорная обмотка которого подключена через датчики фазных токов статора к выходу инвертора, а роторная обмотка подключена через датчики фазных токов ротора к входу трехфазного диодного выпрямителя, дроссель, подключенный одним концом к общим катодам трехфазного диодного выпрямителя ротора, датчик выпрямленного тока, подключенный одним концом к общим анодам трехфазного диодного выпрямителя ротора, полупроводниковый ключ, включенный в проводящем направлении между свободным концом дросселя и свободным концом датчика выпрямленного тока ротора, отсекающий диод подключен анодом к общей точке упомянутых дросселя и полупроводникового ключа, катодом соединен с выводом «+» звена постоянного тока инвертора статора, общая точка упомянутых дросселя и датчика выпрямленного тока ротора соединена с выводом «-» звена постоянного тока инвертора статора, трехфазный диодный выпрямитель статора, обеспечивающий звено постоянного тока, вход которого подключен к питающей сети, а выход подключен ко входу инвертора статора, причем между выводами «+» и «-» звена постоянного тока включен конденсатор, введены релейный регулятор выпрямленного тока ротора, выход которого подключен к управляющему входу полупроводникового ключа, первый вход подключен к выходу блока формирования задания выпрямленного тока ротора, второй вход подключен к выходу датчика выпрямленного тока ротора, выход блока формирования задания выпрямленного тока ротора подключен к выходу регулятора скорости, блок релейных регуляторов фазных токов статора, выход которого подключен к управляющему входу инвертора статора, первый вход подключен к блоку формирования гармонических сигналов заданий на фазные токи статора, второй вход подключен к выходу датчиков фазных токов статора, первый вход блока формирования гармонических сигналов заданий на фазные токи статора подключен к выходу блока ограничения минимального значения, а второй вход - к выходу сумматора, вход блока ограничения минимального значения подключен к выходу блока формирования задания амплитуды тока статора, выход блока формирования задания амплитуды тока статора подключен к выходу регулятора скорости, первый вход сумматора подключен в выходу блока умножения на коэффициент , где p_n - число пар полюсов электродвигателя, второй вход сумматора подключен к блоку умножения, на первый вход блока умножения подается задание на частоту тока ротора, второй вход блока умножения подключен к выходу блока выделения знака, вход блока выделения знака подключен к выходу регулятора скорости, вход блока умножения на коэффициент подключен к выходу блока вычисления скорости вращения ротора, первый вход блока вычисления скорости вращения ротора подключен к выходу сумматора, а второй вход подключен к выходу блока вычисления частоты тока ротора, вход блока вычисления частоты тока ротора подключен к выходу датчиков фазных токов ротора, регулятор скорости, на первый вход которого подается задание на скорость вращения ротора, а второй вход подключен к выходу блока вычисления скорости вращения ротора.

Асинхронный вентильный каскад по схеме на фиг.1 содержит асинхронный двигатель с фазным ротором 1, статорная обмотка которого подключена через три датчика фазных токов статора 8 к выходу инвертора 3, а роторная обмотка подключена через два датчика фазных токов ротора 9 к входу трехфазного диодного выпрямителя 4, дроссель 5, подключенный одним концом к общим катодам трехфазного диодного выпрямителя ротора 4, датчик выпрямленного тока 10, подключенный одним концом к общим анодам трехфазного диодного выпрямителя ротора 4, полупроводниковый ключ 6, включенный в проводящем направлении между свободным концом дросселя 5 и свободным концом датчика выпрямленного тока ротора 10, отсекающий диод 7 подключен анодом к общей точке дросселя 5 и полупроводникового ключа 6, катодом соединен с выводом «+» звена постоянного тока инвертора статора 3, общая точка дросселя 5 и датчика выпрямленного тока ротора 10 соединена с выводом «-» звена постоянного тока инвертора статора 3, трехфазный диодный выпрямитель статора 2, обеспечивающий звено постоянного тока, вход которого подключен к питающей сети, а выход подключен ко входу инвертора статора 3, причем между выводами «+» и «-» звена постоянного тока включен конденсатор 24, релейный регулятор выпрямленного тока ротора 12, выход которого подключен к управляющему входу полупроводникового ключа 6, первый вход подключен к выходу блока формирования задания выпрямленного тока ротора 16, второй вход подключен к выходу датчика выпрямленного тока ротора 10, выход блока формирования задания выпрямленного тока ротора 16 подключен к выходу регулятора скорости 22, блок релейных регуляторов фазных токов статора 11, выход которого подключен к управляющему входу инвертора статора 3, первый вход подключен к блоку формирования гармонических сигналов заданий на фазные токи статора 13, второй вход подключен к выходу датчиков фазных токов статора 8, первый вход блока формирования гармонических сигналов заданий на фазные токи статора 13 подключен к выходу блока ограничения минимального значения 14, а второй вход - к выходу сумматора 23, вход блока ограничения минимального значения 14 подключен к выходу блока формирования задания амплитуды тока статора 15, выход блока формирования задания амплитуды тока статора 15 подключен к выходу регулятора скорости 22, первый вход сумматора 23 подключен в выходу блока умножения 20 на коэффициент , где p_n - число пар полюсов электродвигателя, второй вход сумматора 23 подключен к блоку умножения 17, на первый вход блока умножения 17 подается задание на частоту тока ротора, второй вход блока умножения 17 подключен к выходу блока выделения знака 18, вход блока выделения знака 18 подключен к выходу регулятора скорости 22, вход блока умножения 20 на коэффициент подключен к выходу блока вычисления скорости вращения ротора 21, первый вход блока вычисления скорости вращения ротора 21 подключен к выходу сумматора 23, а второй вход подключен к выходу блока вычисления частоты тока ротора 19, вход блока вычисления частоты тока ротора 19 подключен к выходу двух датчиков фазных токов ротора 9, регулятор скорости 22, на первый вход которого подается задание на скорость вращения ротора, а второй вход подключен к выходу блока вычисления скорости вращения ротора 21.

Устройство по схеме на фиг.1 работает следующим образом. Инвертор 3 выполнен по мостовой схеме автономного инвертора напряжения и управляется с помощью релейных регуляторов фазных токов статора, поддерживая в обмотке статора трехфазный ток с заданной частотой и амплитудой. Гармонические сигналы задания на фазные токи статора , , формируются в блоке 13 по формуле:

где - задание на амплитуду тока статора, - задание на частоту тока статора, t - время.

Выпрямленный ток роторной цепи также регулируется с помощью релейного регулятора 12. Состояние Q_d выхода релейного регулятора определяет состояние ключа 6 и равно:

где I_2d - выпрямленный ток ротора, - задание на выпрямленный ток ротора, h - модуль гистерезиса, который принимается равным 5..10% от номинального значения выпрямленного тока ротора.

Задание на частоту тока статора определяется по формуле с помощью блоков 17, 18, 20, 23:

где ω - скорость вращения ротора, - задание на частоту тока ротора, М^* - задание на электромагнитный момент двигателя.

Задание на частоту тока ротора поддерживается постоянным на уровне 5..10 Гц, чтобы выпрямленной ЭДС в роторной цепи было достаточно для обеспечения протекания заданного выпрямленного тока ротора на всех скоростях вращения ротора. Умножение задания на знак момента sign(M*) позволяет создавать как двигательный, так и тормозной электромагнитный момент, задавая либо положительное, либо отрицательное скольжение асинхронного двигателя.

Электромагнитный момент асинхронного двигателя в каскадной схеме равен [4]:

где I_d - выпрямленный ток ротора, I_m - амплитуда тока намагничивания, L_m - взаимная индуктивность, L_s2 - индуктивность рассеяния обмотки ротора.

Пренебрегая индуктивностью рассеяния ротора L_s2, электромагнитный момент можно записать как:

Через произведение векторов тока статора и намагничивающего тока электромагнитный момент можно записать как:

где α - угол между векторами и .

В электроприводе осуществляется поддержание угла α на уровне 45 градусов, что соответствует минимизации тока статора, т.е. имеет место минимум активных потерь в статорной обмотке. Исходя из этого, а также учитывая пренебрежение индуктивностью L_s2, формирование заданий на амплитуду тока статора и на выпрямленный ток ротора осуществляется в блоках 15, 16 по формулам:

В области малых нагрузок ток статора ограничивается в блоке ограничения минимального значения 14 на уровне 20% для того, чтобы в режимах холостого хода не происходило полного размагничивания магнитопровода двигателя, а также исходя из интересов динамики, так как намагничивание с нулевого состояния требует дополнительного времени.

Частота тока ротора f₂ вычисляется в блоке 19 по формуле:

где - амплитуда тока ротора, i_2A - мгновенное значение тока ротора фазы А, i_2B - мгновенное значение тока ротора фазы В.

Текущая скорость вращения ротора вычисляется в блоке 21 по формуле:

По сравнению с известным решением предлагаемое позволяет осуществлять регулирование магнитного потока асинхронного двигателя в функции нагрузки на валу путем поддержания оптимального угла между вектором тока статора и тока намагничивания на уровне 45 градусов. Это значительно повышает КПД электропривода при нагрузке на валу ниже номинальной. Благодаря поддержанию постоянной частоты тока ротора предложенный электропривод позволяет развивать требуемый электромагнитный момент во всем диапазоне частот вращения ротора, включая нулевую.

Источники информации

1. Г.Б.Онищенко и др. (под ред. Г.Б.Онищенко). Автоматизированный электропривод промышленных установок. - М.: РАСХН, 2001. - 520 с.

2. Патент RU №2314636 С1, кл. Н02Р 23/06 от 17.10.2006.

3. Авторское свидетельство SU №844401, кл. B60L 11/08 от 19.04.79.

4. Онищенко Г.Б., Локтева И.Л. Асинхронные вентильные каскады и двигатели двойного питания. - М.: Энергия, 1979. - 199 с.