УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ СИНХРОННОГО ГИСТЕРЕЗИСНОГО ДВИГАТЕЛЯ
SYNCHRONOUS HYSTERESIS MOTOR ELECTRIC POWER SUPPLY DEVICE

Заявляемое техническое решение относится к электротехнике, а именно к электроприводам с синхронными гистерезисными двигателями (СГД).
При скачкообразном изменении напряжения питания СГД ротор двигателя начинает качаться с частотой собственных колебаний, в результате чего появляется модуляция мгновенной скорости вращения ротора. Причиной этих колебаний является возникновение угла рассогласования между вектором результирующего магнитного поля в воздушном зазоре двигателя и вектором намагниченности ротора вследствие инерционности ротора СГД.
При колебании ротора происходит изменение момента и потребляемой СГД активной мощности, что, в свою очередь, приводит к появлению низкочастотной составляющей в цепи питания СГД и соответственно в цепи питания инвертора, вырабатывающего напряжение питания СГД.
Известно устройство, используемое в способе уменьшения колебаний ротора СГД, при скачкообразном изменении напряжения питания СГД путем сдвига на фиксированную величину фазы напряжения питания, описанное в авторском свидетельстве СССР №674181 «Способ перевозбуждения синхронных гистерезисных электродвигателей» (кл. МПК H02P 7/44, дата приоритета 25.11.1971) [1]. В данном способе перевозбуждение синхронных гистерезисных электродвигателей с инерционным характером нагрузки путем кратковременного увеличения амплитуды напряжения питания в синхронном режиме и скачкообразного ее снижения до рабочего значения в режиме перевозбуждения одновременно с изменением амплитуды изменяют и фазу напряжения питания, причем при увеличении амплитуды фазу изменяют в сторону отставания, а при ее уменьшении - в сторону опережения.
Также известно «Устройство для питания синхронного гистерезисного гироскопического двигателя с перевозбуждением», изложенное в авторском свидетельстве СССР №2100899 (кл. МПК H02P 7/44, дата приоритета 26.08.1984) [2]. В этом устройстве для обеспечения устойчивого и однозначного режима перевозбуждения СГД введен синхронизатор, который служит для привязки внешней команды управления режимом перевозбуждения к тактовой частоте задающего генератора.
В вышеупомянутых устройствах [1 и 2] для обеспечения устойчивой работы инвертора после включения режима перевозбуждения фаза выходного напряжения инвертора изменяется на фиксированную величину и потом остается неизменной, в результате чего процесс успокоения синхронных качаний ротора СГД имеет большую длительность и может вызвать частичное стирание эффекта перевозбуждения. К недостаткам этих устройств можно также отнести отсутствие успокоения синхронных качаний ротора СГД при возмущениях по цепи питания инвертора, при переключениях в силовой части инвертора, например при отключении избыточных компенсирующих конденсаторов, при изменении параметров нагрузки СГД.
Известно устройство для успокоения колебаний ротора СГД, при котором выделяют низкочастотную составляющую мгновенной частоты вращения ротора и подают ее на вход регулятора напряжения питания СГД, описанное в авторском свидетельстве СССР №420070 «Электропривод» (класс МПК H02P 7/46, дата приоритета 02.07.1971) [3]. Это устройство содержит один или несколько синхронных электродвигателей и автономный инвертор с регулятором напряжения, причем цепь управления регулятором напряжения подключена через фильтр низких частот к датчику тока во входной цепи инвертора.
Также известно устройство для питания синхронного гистерезисного электродвигателя по авторскому свидетельству СССР «Способ стабилизации мгновенной частоты вращения ротора гистерезисного электродвигателя» №1164850 (класс МПК H02P 7/36, дата приоритета 18.10.1982) [4]. В данном случае контролируют изменение мгновенной частоты вращения ротора, выделяют ее низкочастотную составляющую, определяемую собственной частотой качания ротора, измеряют режим питания электродвигателя и контролируют фазу низкочастотной составляющей мгновенной частоты вращения ротора, устанавливают факт превышения нестабильности частоты вращения заданного уровня, по достижению низкочастотной составляющей мгновенной частоты вращения ротора заданного значения увеличивают среднее значение полупериода напряжения питания, по времени совпадающего с заданным значением фазы низкочастотной составляющей мгновенной частоты вращения, повторяют указанные операции с частотой, кратной частоте низкочастотной составляющей мгновенной частоты вращения ротора.
Недостатком устройств [3 и 4] можно считать то, что узел успокоения колебаний ротора СГД изменяет режим питания двигателя путем формирования по цепям статора двигателя импульсов напряжения большой амплитуды, что вызывает относительно большие затраты потребляемой энергии от источника питания и создает серьезные электромагнитные помехи. Кроме того, в изобретении [4] есть порог по величине качаний ротора, ниже которого они не успокаиваются.
Также известно «Устройство для регулирования гистерезисного двигателя» по авторскому свидетельству №1527699 (кл. МПК H02P 7/36, дата приоритета 21.06.1988) [5]. Данное устройство содержит регулятор напряжения, вход которого предназначен для подключения к источнику напряжения питания постоянным током, а выход через инвертор и датчик тока предназначен для подключения к гистерезисному двигателю, выход датчика тока подключен к входу фильтра, управляющий вход инвертора через регулятор фазы и фазовращатель подключен к задающему генератору, усилитель переменного тока, коммутатор, блок задержки и D-триггер, при этом последовательно соединенные усилитель переменного тока и коммутатор включены в цепь между выходом фильтра и управляющим входом регулятора напряжения, вход D-триггера и блока задержки являются входами внешних команд, выход D-триггера соединен с управляющими входами регуляторов фазы и напряжения, а вход синхронизации D-триггера соединен с задающим генератором, выход блока задержки соединен с управляющим входом коммутатора. В этом устройстве выделяют низкочастотную составляющую мгновенной скорости вращения ротора и подают ее на вход регулятора напряжения питания СГД, чтобы скомпенсировать изменение мгновенной скорости вращения ротора. Кроме того, при работе в режиме перевозбуждения одновременно со снижением напряжения питания СГД изменяется на фиксированную величину фаза этого напряжения.
К недостаткам этого устройства можно отнести то, что фаза напряжения питания СГД изменяется на фиксированную величину и только при уменьшении напряжения питания СГД, что увеличивает время успокоения колебаний ротора двигателя.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению и потому принятому за прототип является «Устройство для питания синхронного гистерезисного двигателя» по заявке на изобретение RU 2013139210 А (кл. МПК H02P 7/36, дата приоритета 22.08.2013) [6].
В данном устройстве для питания СГД, состоящем из инвертора, датчика тока, включенном в цепь выходного тока инвертора, задающего генератора и блока выделения низкочастотной составляющей мгновенной частоты вращения ротора СГД, вход которого соединен с выходом датчика тока, а его выход с входом управления частотой задающего генератора.
При изменении активной мощности, потребляемой СГД, фаза выходного напряжения инвертора изменяется таким образом, чтобы скомпенсировать изменение мгновенной частоты вращения ротора СГД и стабилизировать активную мощность, потребляемую СГД. Для успокоения колебаний ротора двигателя используется только изменение фазы напряжения питания СГД, то есть демпфирование колебаний ротора двигателя происходит без изменения величины этого напряжения.
При использовании данного устройства для питания группы из нескольких сотен, тысяч СГД в некоторых режимах работы СГД наблюдались незатухающие колебания активной мощности при неизменной величине напряжения питания СГД. Частота этих колебаний была в 2-3 раза выше частоты синхронных качаний ротора СГД. Эти колебания вызываются рядом причин: нелинейная зависимость емкости варикапа от управляющего напряжения, которое изменяет частоту задающего генератора, нелинейная зависимость потребляемой активной мощности СГД от угла отставания вектора намагниченности ротора СГД от вектора результирующего магнитного поля в зазоре между статором и ротором СГД, неоптимальная величина коэффициента усиления в цепи регулирования фазы выходного напряжения инвертора, так как электрические параметры СГД очень сильно зависят от величины намагниченности приводного диска ротора СГД.
Задачей заявляемого технического решения является предотвращение возникновения незатухающих колебаний активной мощности, потребляемой СГД, во всех режимах работы СГД.
Указанная задача решается за счет того, что в известном устройстве для питания СГД, состоящем из инвертора, датчика тока, включенного в цепь нагрузки инвертора, задающего генератора и блока выделения низкочастотной составляющей мгновенной частоты вращения ротора СГД, вход которого соединен с выходом датчика тока, а его выход с входом управления частотой задающего генератора, согласно заявляемому техническому решению выход блока выделения низкочастотной составляющей мгновенной частоты вращения ротора СГД кроме того соединен с входом управления величиной выходного напряжения инвертора.
Заявляемое техническое решение поясняется фиг. 1, на которой представлена структурная схема заявляемого устройства для электропитания синхронного гистерезисного двигателя, реализующая стабилизацию мгновенной частоты вращения за счет регулирования фазы и величины напряжения питания СГД.
Заявляемое устройство для электропитания синхронного гистерезисного электродвигателя содержит инвертор (1) с подключенным к нему через датчик тока (2) синхронным гистерезисным электродвигателем (3). Выходной сигнал датчика тока (2) подается на вход блока выделения низкочастотной составляющей мгновенной частоты вращения ротора СГД (4), а его выход подключен к входу управления выходным напряжением инвертора (1) и к входу управления частотой задающего генератора (5), выход которого через делитель частоты и фазорасщепитель (6) соединен с управляющими входами инвертора (1).
Заявляемое устройство работает следующим образом. В случае скачкообразного изменения напряжения питания синхронного гистерезисного электродвигателя (3) или при изменении нагрузки на синхронный гистерезисный электродвигатель (3) его ротор начинает качаться с частотой собственных колебаний, что может привести к размагничиванию ротора. В цепи питания синхронного гистерезисного электродвигателя (3) при этом возникает переменная составляющая потребляемой активной мощности, совпадающая по фазе с низкочастотной составляющей мгновенной частоты вращения ротора. Блок выделения низкочастотной составляющей мгновенной частоты вращения ротора (4) выделяет эту составляющую и изменяет величину выходного напряжения инвертора (1), частоту задающего генератора (5) и фазу импульсов на выходе делителя частоты и фазорасщепителя (6), подключенного к выходу задающего генератора (5). В результате этого величина и фаза выходного напряжения инвертора (1) изменяются таким образом, чтобы скомпенсировать изменение мгновенной частоты вращения ротора синхронного гистерезисного электродвигателя (3) путем регулирования величины и фазы его напряжения питания.
Как показали результаты применения предлагаемого технического решения, успокоение качаний ротора СГД происходит быстрее, предотвращаются колебания выходной активной мощности инвертора на частотах выше собственной частоты колебаний ротора СГД, поэтому не происходит размагничивание ротора СГД. Качания ротора СГД успокаиваются во всех режимах работы СГД, в том числе до и после перевозбуждения, при возмущениях по цепи питания инвертора, при изменении параметров нагрузки СГД. В современных инверторах используется широтно-импульсная модуляция и регулирование выходного напряжения инвертора осуществляется не изменением напряжения питания, а путем изменения коэффициента модуляции широтно-импульсной модуляции
Применение заявляемого устройства для электропитания синхронного гистерезисного двигателя не вызывает дополнительных потерь энергии в источнике питания инвертора, не создает электромагнитных помех.