УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к регулируемым электроприводам переменного тока, и может использоваться для снижения потерь энергии при питании асинхронного электродвигателя с фазным ротором от преобразователя частоты.
Известно устройство для управления электроприводом переменного тока, содержащее выпрямитель, соединенный через сглаживающий реактор с инвертором на полностью управляемых вентилях, имеющим дополнительные отсекающие диоды по числу управляемых вентилей, включенные последовательно с управляемыми вентилями и дополнительные демпфирующие конденсаторы по числу управляемых вентилей, подключенные к точкам соединения отсекающих диодов и управляемых вентилей, фильтрующую конденсаторную батарею, подключенную к выходам инвертора, релейный регулятор тока, датчик скорости, датчики фазных токов статора, датчик тока в выпрямленной цепи, систему управления выпрямителем [1].
Недостатками данного устройства являются необходимость установки датчика скорости на валу двигателя, что снижает надежность устройства; увеличение потерь энергии при росте скольжения, вследствие роста нагрузки на валу двигателя, выделяемых только на сопротивлениях обмотки ротора.
Наиболее близким к изобретению по технической сути и достигаемому результату является устройство для управления асинхронным двигателем с фазным ротором, содержащее выпрямитель, соединенный через сглаживающий реактор с инвертором на полностью управляемых вентилях, имеющим отсекающие диоды по числу управляемых вентилей, включенные последовательно с управляемыми вентилями и демпфирующие конденсаторы по числу управляемых вентилей, подключенные к точкам соединения отсекающих диодов и управляемых вентилей, фильтрующую конденсаторную батарею, подключенную к выходам инвертора, три отрицательных фазных входа релейного регулятора напряжения подключены к трем выходам блока датчиков фазных напряжений статора, три положительных фазных входа релейного регулятора напряжения подключены к трем фазным выходам блока формирования мгновенных значений фазных напряжений, частотный вход которого соединен с первым частотным выходом блока задания сигналов управления, амплитудный вход блока формирования мгновенных значений фазных напряжений соединен с выходом первого сумматора, один вход которого соединен со вторым амплитудным выходом блока задания сигналов управления, третий выход которого соединен с положительным входом узла сравнения частот тока ротора, выход которого соединен со входом блока коррекции напряжения, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора, два фазных вывода ротора через датчики тока соединены в общую точку, к которой также напрямую подключен третий фазный вывод ротора, выходы двух датчиков тока соединены с входами сумматора фазных токов ротора, а также соединены с фазными входами блока вычисления частоты тока ротора, выход сумматора фазных токов ротора соединен с третьим входом блока вычисления частоты тока ротора, выход которого соединен со вторым входом узла сравнения частот тока ротора.
Недостатками данного устройства являются: повышенная частота коммутации вентилей инвертора и дополнительные потери энергии в них, при превышении выше требуемого уровня тока и напряжении на входе инвертора; увеличение потерь энергии при увеличении скольжения, происходящем при росте нагрузки на валу двигателя, а также в пусковом режиме, в котором скольжение больше, чем в статическим режимом.
Целью полезной модели является повышение энергоэффективности в пусковом режиме и при увеличении скольжения вследствие роста момента на валу двигателя.
На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства для управления асинхронным двигателем с фазным ротором.
Устройство управления асинхронным двигателем с фазным ротором содержит питающий выпрямитель 1, анодный выход которого подключен к катодному входу инвертора 2 через первую обмотку реактора 3, один вывод второй обмотки реактора 3 подключен к анодному входу инвертора 2, выходы инвертора 2 подключены к статору электродвигателя с фазным ротором 4. Инвертор выполнен по мостовой схеме на полностью управляемых вентилях - IGBT-транзисторах 5. В анодную и катодную группы инвертора последовательно с управляемыми вентилями включены дополнительные отсекающие диоды 6 и 7 по числу управляемых вентилей, и дополнительные буферные блоки конденсаторов 8 и 9, подключенные к точкам соединения отсекающих диодов и управляемых вентилей между каждым диодным и IGBT-транзисторным полумостом. К выходам инвертора подключена фильтрующая конденсаторная батарея 10. На выводах ПЧ установлен блок датчиков фазных напряжений статора 11, выходы которого соединены с отрицательными фазными входами релейного регулятора напряжения 12, имеющего узлы сравнения фазных напряжений 13, 14, 15 и релейный блок 16 формирования импульсов на IGBT-транзисторы, положительные фазные входы релейного регулятора напряжения 12 соединены с фазными выходами блока 17 формирования мгновенных значений фазных напряжений, частотный вход которого соединен с первым частотным выходом блока 18 задания сигналов управления, амплитудный вход блока формирования мгновенных значений фазных напряжений 17 соединен с выходом первого сумматора 19, один вход которого соединен со вторым амплитудным выходом блока задания сигналов управления 18, третий выход которого соединен с положительным входом узла сравнения частот тока ротора 20, выход которого соединен со входом блока коррекции напряжения 21, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора 19, два фазных вывода ротора через датчики тока 22, 23 соединены в общую точку, к которой также напрямую подключен третий фазный вывод ротора двигателя 4, выходы двух датчиков тока соединены с входами сумматора 24 фазных токов ротора, а также соединены с фазными входами блока 25 вычисления частоты тока ротора, выход сумматора фазных токов ротора 24 соединен с третьим входом блока вычисления частоты тока ротора 25, выход которого соединен со вторым входом узла сравнения частот тока ротора 20. Выводы обмотки ротора двигателя 4 подключены к входу диодного мостового выпрямителя 26, катодный выход которого подключен ко второму выводу второй обмотки реактора 3, а анодный выход выпрямителя 26 подключен к катодному выводу запираемого вентиля 27, анодный вывод которого подключен к катодному выходу выпрямителя 1. К катодному выводу запираемого вентиля 27 подключен также катод диода 28, анод которого подключен к анодному выходу выпрямителя 1. К управляющему выводу запираемого вентиля 27 подключен выход релейного регулятора 29, вход которого подключен к выходу узла сравнения 30, положительный вход которого соединен с выходом пропорционального блока 31, вход которого соединен с выходом узла сравнения 19. Выходы датчиков напряжений 11 подключены также к входу блока определения действующего значения напряжения статора 32, выход которого подключен к отрицательному входу узла сравнения 30.
Устройство работает следующим образом. Инвертор тока 2 питает статорные обмотки асинхронного двигателя 4, вырабатывая релейно-модулируемые пульсации силового тока, длительность которых определяется управляющими пульсациями, поступающими с выхода релейного блока 16, осуществляющего регулирование напряжения по синусоидальной огибающей с отклонением от нее на величину зоны нечувствительности релейного блока 16.
1a
1b
1c
1
1
На положительные входы сумматоров 13, 14, 15 релейного регулятора напряжения 12 поступают с выхода блока 17 сигналы задания на напряжение каждой из фаз u*, u*, u* в виде синусоидального сигнала требуемой амплитуды U* и частоты ω*
1а
1в
1c
С выхода блока 11 на отрицательные входы сумматоров 13, 14, 15 релейного регулятора напряжения 12 поступают сигналы обратной связи по напряжению фаз u, u, u. В результате сравнения этих сигналов на выходах блоков 13, 14, 15 получаем разницу между заданным и действительным значениями напряжения в фазах статора:
1
1
Полученные сигналы поступают на входы релейного блока 16, имеющего гистерезис, и включающего вентиль инвертора, если рассогласование на входе релейного регулятора превышает зону гистерезиса, и выключающего вентиль инвертора, если рассогласование на его входе не превышает зону гистерезиса. Блок 16 формирует сигналы управления вентильными ключами, например IGBT-транзисторами, инвертора 2. При нарушении верхней границы Δ напряжения U* включается соответствующий вентиль одной группы инвертора 2 и формируется отрицательный импульс тока, который разряжает в соответствующей фазе конденсатор 10, понижая напряжение на нем и в фазе статора двигателя. В случае нарушения нижней границы Δ напряжения U* включается соответствующий вентиль другой группы инвертора 2 и формируется положительный импульс тока, конденсатор соответствующей фазы 10 заряжается, повышая напряжение соответствующей фазы статора двигателя.
1зад
1
1зад
1
1зад
Сигналы требуемой амплитуды U* и частоты ω* формирует блок задания сигналов управления 18 в соответствии с запрограммированным в этом блоке законом частотного управления , рассчитанным на номинальную нагрузку. Блок задания 18 формирует также величину сигнала задания  - тангенса угла между векторами тока статора и потокосцепления ротора. Сигнал задания частоты поступают на один вход блока формирования мгновенных значений фазных напряжений 17, на другой вход которого поступает сигнал с выхода сумматора 19, на входы которого поступают сигналы - со второго выхода блока 18 задания U* и сигнал коррекции напряжения AU, и на выходе сумматора 19 формируется сигнал  U* = U*+ΔU.
2
В блоке 25 на основании сигналов с датчиков тока определяется частота тока ротора ω и рассчитывается величина  - тангенса угла между векторами тока статора и потокосцепления ротора по формуле
На выходе узла сравнения 20 определяется разность  между заданным и рассчитанным значениями тангенса угла между векторами тока статора и потокосцепления ротора.
Величина сигнала коррекции напряжения ΔU определяется в блоке коррекции 21. Блок 21 плавно изменяет сигнал на выходе при наличии рассогласования  и оставляет сигнал на выходе неизменным, когда сигнал рассогласования становится равным нулю. Поддержание постоянства  позволяет поддерживать на постоянном уровне частоту тока ротора и, следовательно, разницу между частотой вращения поля статора и частотой вращения ротора. Поэтому при изменении нагрузки на валу при постоянстве частоты вращения поля статора поддерживается постоянство частоты вращения ротора.
Выпрямитель 1 является нерегулируемым. Управляемый вентиль 27 работает в импульсном режиме, поддерживая за цикл переключений необходимый уровень входного тока и напряжения на входе инвертора, достаточных для формирования требуемого напряжения на выходе инвертора, подаваемого на обмотки статора двигателя. Запираемый вентиль 27 получает сигнал управления от релейного регулятора 29, на вход которого поступает с выхода узла сравнения 30 сигнал рассогласования действующих заданного и измеренного напряжений статора.
1
Сигнал задания амплитуды фазного напряжения статора U* с выхода сумматора 19 поступает также на пропорциональный блок 31, формирующий сигнал задания действующего значения напряжения статора , с выхода блока 31 сигнал поступает на положительный вход узла сравнения 30. Сигнал измеренного действующего напряжения статора вырабатывается блоком 32, на вход которого поступают сигналы с датчиков напряжения 11.
Сигнал на включение вентиля 27 формируется релейным регулятором напряжения 32. Если сигнал рассогласования заданного и измеренного напряжений статора на входе регулятора 32 превышает зону нечувствительности релейного регулятора, а на выключение вентиля 27 - если сигнал рассогласования не превышает зону нечувствительности релейного регулятора 32.
При работе электропривода энергия скольжения двигателя передается из цепи ротора в цепь обмотки статора, при этом ток ротора равен току статора. Управляемый вентиль 27 работает в импульсном режиме, при его включенном состоянии напряжение питающего выпрямителя 1 складывается с выпрямленным напряжением, поступающим в звено постоянного тока через выпрямитель 26 от обмотки ротора. При выключенном состоянии управляемого вентиля 27 через обмотки двигателя и звено постоянного тока, а именно через обмотки реактора 3 и диод 28, продолжает протекать ток, создаваемый суммой эдс наведенной в обмотках статора, эдс в обмотках вращающегося ротора и эдс, индуктируемой обмотками реактора 3. При росте нагрузки на валу двигателя и в пусковом режиме скольжение увеличивается, в результате чего возрастает эдс ротора, и ротор подпитывает обмотку статора энергией скольжения.
Устройства для управления асинхронным двигателем осуществляет регулирование напряжения и частоты на выходе инвертора и рекуперацию энергии скольжения через звено постоянного тока в цепь обмотки статора. Преимущество предлагаемого устройства заключается в улучшении энергетических показателей электропривода.
Источники информации.
1. Патент на полезную модель РФ №112554. Н02 27/06. Устройство для управления асинхронным электроприводом. Мещеряков В.Н., Башлыков A.M., Безденежных Д.В. Опубл. 10.01.2012. Бюл. №1.
2. Патент на полезную модель РФ №132282. Н02 27/05. Устройство для управления асинхронным двигателем с фазным ротором. Мещеряков В.Н., Синюкова Т.В., Мещерякова О.В. Опубл. 10.09.2013. Бюл. №25.