Устройство для питания синхронного гистерезисного двигателя с амплитудно-фазовым перевозбуждением
DEVICE FOR POWERING SYNCHRONOUS HYSTERESIS MOTOR WITH AMPLITUDE-PHASE OVER-EXCITATION

Заявляемое 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, №674181, 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 №577632, 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 №455429, МПК Н02К 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 №2375813 «Способ двухзонного амплитудно-фазового перевозбуждения синхронно-гистерезисных электродвигателей» (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 изобретения являются упрощение устройства, уменьшение установленной мощности устройства, уменьшение уровня электромагнитных помех.
Указанные задачи решаются за счет того, что в заявляемом устройстве для питания СГД с амплитудно-фазовым перевозбуждением, включающем инвертор, задающий генератор, делитель частоты с распределителем импульсов, СГД подключается к инвертору через фильтрокомпенсирующее устройство на основе LC-фильтра, а импульс управления перевозбуждением подается на вход управления выходным напряжением инвертора и на вход узла управления частотой задающего генератора. На другой вход узла управления частотой задающего генератора подается напряжение питания синхронного гистерезисного двигателя, 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.
Выходное напряжение инвертора с использованием широтно-импульсной модуляции имеет высокий уровень высших гармоник, которые разогревают СГД и уменьшают вращающий момент. Для уменьшения уровня высших гармоник до допускаемой величины СГД подключают к инвертору через фильтрокомпенсирующее устройство на основе LC-фильтра. Кроме того, фильтрокомпенсирующее устройство предназначено для увеличения Cosφ нагрузки до значений, близких к единице.
Заявляемое изобретение поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема заявляемого устройства для питания СГД с амплитудно-фазовым перевозбуждением.
Заявляемое устройство для питания СГД с амплитудно-фазовым перевозбуждением содержит инвертор (1) с подключенным к нему через фильтрокомпенсирующее устройство на основе LC-фильтра (2) СГД (3). Импульс управления перевозбуждением подается на вход управления выходным напряжением инвертора (1) и на вход узла управления частотой задающего генератора (4), на другой вход которого подается напряжение питания СГД (3), выход этого узла соединен с входом управления частотой задающего генератора (5), выход которого через делитель частоты с распределителем импульсов (6) соединен с входом управления силовыми ключами инвертора (1).
Заявляемое устройство для питания СГД с амплитудно-фазовым перевозбуждением работает следующим образом. При подаче импульса управления перевозбуждением на вход управления выходным напряжением инвертора (1) его выходное напряжение вместе с напряжением питания СГД (3) начнет увеличиваться до максимальной величины. При достижении напряжением питания СГД (3) уровня нижнего порога срабатывания узла управления частотой задающего генератора (4) частота задающего генератора (5) уменьшится на заданную величину, что приведет к изменению фазы выходного напряжения инвертора (1) таким образом, что угол отставания магнитного поля ротора от магнитного поля статора (θ) СГД (3) начнет уменьшаться. В результате этого будет происходить уменьшение мощности, потребляемой СГД (3), коэффициент передачи фильтрокомпенсирующего устройства (2) начнет возрастать, напряжение на обмотках статора СГД (3) будет увеличиваться, что приведет к дополнительному намагничиванию материала приводного диска ротора СГД (3). Когда напряжение питания СГД (3) достигнет уровня верхнего порога срабатывания узла управления частотой задающего генератора (4), частота задающего генератора (5) увеличится до исходного значения, а величина угла θ начнет увеличиваться до значения, при котором электромагнитный момент СГД (3) станет равным моменту сопротивления на его валу.
Для уменьшения колебаний ротора СГД (3) скорость изменения фазы и увеличения напряжения питания СГД (3) выбирают такой, чтобы повышение напряжения до максимального значения происходило за время, равное нескольким сотням периодов напряжения питания СГД (3), но на порядок меньше периода собственных колебаний ротора СГД (3).
Известно [1], что для уменьшения колебаний ротора СГД (3) целесообразно после повышения напряжения питания СГД (3) последующее снижение этого напряжения осуществлять плавно, поэтому время снижения напряжения выбирается на порядок больше периода собственных колебаний ротора СГД (3).
Длительность нарастания и максимальная величина напряжения питания СГД (3) при амплитудно-фазовом перевозбуждении определяются длительностью импульса перевозбуждения, подаваемого на вход управления частотой задающего генератора (5), крутизной характеристики управления частотой этого генератора и параметрами LC-фильтра фильтрокомпенсирующего устройства (2). Уменьшать величину угла θ до нуля не рекомендуется, так как СГД перейдет в генераторный режим работы и произойдет конденсаторное самовозбуждение СГД.
Заявляемое устройство для питания СГД с амплитудно-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.
Источники информации
1. Делекторский Б.А., Тарасов В.Н. Управляемый гистерезисный привод. М., Энергоатомиздат, 1983, стр. 78-79.
2. Авторское свидетельство СССР №674181, МПК Н02Р 7/44, дата приоритета 29.11.1971 г.
3. Авторское свидетельство СССР №577632, МПК Н02Р 1/30, дата приоритета 02.07.1971 г.
4. Авторское свидетельство СССР №455429, Н02К 19/08, Н02Р 7/36, дата приоритета 31.03.1972 г.
5. Патент РФ №23758813, МПК Н02Р 21/05, Н02Р 6/00, дата приоритета 02.04.2008 г.