способ регулирования скорости трехфазного двигателя переменного тока

Формула изобретения

Способ регулирования скорости трехфазного двигателя переменного тока, подключенного через трехфазные тиристорные мосты к двум системам трехфазного питающего напряжения с фазовым сдвигом в 30 эл. град., при котором изменяют частоту напряжения, подаваемого на фазные обмотки двигателя, путем подачи импульсов управляющего напряжения на тиристорные мосты, отличающийся тем, что импульсы управляющего напряжения подают сначала на тиристорные мосты, присоединенные к первой системе трехфазного питающего напряжения, затем через интервал времени t_инт1 = Т₁/12, где Т₁ - период напряжения сети, импульсы управляющего напряжения подают на тиристорные мосты, присоединенные ко второй системе трехфазного питающего напряжения, после чего цикл подачи импульсов управляющего напряжения на тиристорные мосты повторяют, причем на каждом интервале времени t_инт1 импульсы управляющего напряжения подают одновременно на все три тиристора анодной группы вентилей моста, соединенного с одной фазной обмоткой двигателя, и три тиристора катодной группы вентилей другого моста, соединенного с другой фазной обмоткой двигателя, затем через интервал времени t_инт2 = Т₁ n/12, где n - целое число в интервале от 1 до 20, прекращают подачу импульсов управляющего напряжения на тиристоры одной из групп вентилей моста, присоединенного к одной из фазных обмоток двигателя, и одновременно с этим подают импульсы управляющего напряжения на тиристоры аналогичной группы вентилей другого моста, присоединенного к другой фазной обмотке двигателя, после чего цикл подачи импульсов на тиристоры анодных и катодных групп вентилей мостов повторяют.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах механизмов, к которым предъявляются требования регулирования скорости в широком диапазоне, включая частоты вращения выше номинальной.

Известен способ регулирования скорости трехфазного двигателя переменного тока, подключенного через трехфазные мосты к двум системам трехфазного питающего напряжения с фазовым сдвигом в 30 электрических градусов, при котором изменяют частоту напряжения, подаваемого на фазные обмотки двигателя путем подачи импульсов управляющего напряжения на тиристорные мосты. При этом импульсы управляющего напряжения на тиристорные мосты, подключенные к указанным системам питающего напряжения подают одновременно, осуществляя совместное или раздельное управление выпрямительными и инверторными мостами (cм. , например, Вейнгер А.М. Регулируемый синхронный электропривод. - М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 17-18 и Жемеров Г.Г. Тиристорные преобразователи частоты с непосредственной связью. - М.: Энергия, 1977, с.17).

Недостатком известного способа является невозможность работы двигателя и регулирования его скорости при частоте вращения > 0,5_н, где _н номинальная частота вращения двигателя, при осуществлении совместного или раздельного управления выпрямительными и инверторными мостами. При совместном управлении - из-за возникновения бросков уравнительного тока при скачкообразном переводе вентилей мостов из выпрямительного режима в инверторный и обратно вследствие неполной их управляемости, в результате чего для предотвращения резких изменений уравнительного тока углы управления вентилями изменяют относительно медленно, что и приводит к ограничению диапазона регулирования скорости. При раздельном управлении - из-за необходимости создания бестоковой паузы, длительность которой должна быть не меньше времени спадания до нуля тока вентилей, проводивших ток в момент прекращения подачи импульсов управляющего напряжения на работающую группу вентилей, с учетом времени восстановления запирающих свойств вентилей. Максимальная частота питающего двигатель напряжения, реализуемая при данном способе регулирования, примерно в два раза меньше частоты питающей сети.

Наиболее близким аналогом к заявляемому способу является способ регулирования скорости трехфазного двигателя переменного тока, подключенного через трехфазные тиристорные мосты к двум системам трехфазного питающего напряжения с фазовым сдвигом в 30 электрических градусов, при котором изменяют частоту напряжения, подаваемого на фазные обмотки двигателя путем подачи импульсов управляющего напряжения на тиристорные мосты. Причем подачу импульсов управляющего напряжения на группы тиристорных мостов осуществляют со сдвигом в 30 электрических градусов и формируют две системы трехфазного выходного напряжения для двух трехфазных обмоток двигателя переменного тока. При этом импульсы управляющего напряжения на тиристорные мосты, подключенные к одной трехфазной обмотке двигателя подают одновременно, осуществляя совместное или раздельное управление выпрямительными и инверторными мостами (cм., например, Тиристорные преобразователи частоты в электроприводе /А.Я.Бернштейн, Ю.М.Гусяцкий, А.В.Кудрявцев, Р.С.Сарбатов; Под ред. Р.С.Сарбатова. - М.: Энергия, 1980, с. 274-276).

Недостатком данного способа является невозможность работы двигателя и регулирования его скорости при частоте вращения > 0,5_н, при осуществлении совместного или раздельного управления выпрямительными и инверторными мостами, а подача импульсов управляющего напряжения на группы тиристорных мостов со сдвигом в 30 электрических градусов формирует две потенциально несвязанные системы трехфазного выходного напряжения, что применяют в основе регулирования скорости только специальных двигателей переменного тока, содержащих две трехфазные обмотки статора. Осуществление совместного или раздельного управления тиристорными мостами при питании каждой трехфазной обмотки двигателя не позволяет получить частоту питающего двигатель напряжения f₂>0,5f₁, где f₁ - частота напряжения питающей сети.

В основу изобретения поставлена задача разработать такой способ регулирования скорости трехфазного двигателя переменного тока, который обеспечил бы расширение диапазона регулирования скорости за счет создания дополнительных частот вращения магнитного поля двигателя в интервале 0,5₁ 2₁, где ₁ частота вращения магнитного поля при прямом подключении к сети с частотой f₁ = 50 Гц.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе регулирования скорости трехфазного двигателя переменного тока, подключенного через трехфазные тиристорные мосты к двум системам трехфазного питающего напряжения с фазовым сдвигом в 30 электрических градусов, при котором изменяют частоту напряжения, подаваемого на фазные обмотки двигателя путем подачи импульсов управляющего напряжения на тиристорные мосты, согласно изобретению импульсы управляющего напряжения подают сначала на тиристорные мосты, присоединенные к первой системе трехфазного питающего напряжения, затем через интервал времени t_ИНТ1 = T₁/12, где T₁ - период напряжения сети, импульсы управляющего напряжения подают на тиристорные мосты, присоединенные к второй системе трехфазного питающего напряжения, после чего цикл подачи импульсов управляющего напряжения на тиристорные мосты повторяют, причем на каждом интервале времени t_ИНТ1 импульсы управляющего напряжения подают одновременно на все три тиристора анодной группы вентилей моста, соединенного с одной обмоткой двигателя и три тиристора катодной группы вентилей другого моста, соединенного с другой фазной обмоткой двигателя, затем через интервал времени t_ИНТ2 = T₁n/12, где n - целое число в интервале от 1 до 20, прекращают подачу импульсов управляющего напряжения на тиристоры одной из групп вентилей моста, присоединенного к одной из фазных обмоток двигателя и одновременно с этим подают импульсы управляющего напряжения на тиристоры аналогичной группы вентилей другого моста, присоединенного к другой фазной обмотке двигателя, после чего цикл подачи импульсов на тиристоры анодных и катодных групп вентилей мостов повторяют.

Указанные отличия заявляемого способа регулирования скорости трехфазного двигателя переменного тока позволяют получить дополнительные частоты вращения магнитного поля двигателя в интервале 0,5₁ 2₁ за счет сокращения длительности подключенного состояния заданных комбинаций фазных обмоток двигателя при поочередном подключении их к двум системам трехфазного питающего напряжения с фазовым сдвигом в 30 электрических градусов.

Это приводит к существенному расширению диапазона регулирования скорости двигателя. Кроме того, заявляемый способ регулирования скорости позволяет упростить систему управления тиристорами за счет подачи импульсов управляющего напряжения одновременно на все три тиристора анодной и три тиристора катодной групп вентилей; уменьшить установленную мощность оборудования преобразователя за счет сокращения количества тиристорных мостов и возможности отказаться от применения дросселей; обеспечить равномерную загрузку тиристоров по току и снизить в два раза количество одновременно включаемых в работу тиристоров.

В процессе проведения патентно-информационных исследований выявлено, что отличительные признаки заявляемого способа, характеризующие новую последовательность выполнения действий и условия их осуществления " в известных технических решениях не обнаружены.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявляемый способ регулирования скорости трехфазного двигателя переменного тока не следует явным образом из известного уровня техники, а следовательно, соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 приведена структурная схема устройства для реализации способа регулирования скорости трехфазного двигателя переменного тока;

на фиг. 2 приведены временные диаграммы напряжений, поясняющие процесс формирования питающего напряжения различной частоты, например 25 Гц, 50 Гц, 66,6 Гц, 75 Гц.

Устройство для реализации заявленного способа регулирования скорости трехфазного двигателя переменного тока содержит две системы трехфазного питающего напряжения с фазовым сдвигом 30 электрических градусов, а именно, систему 1 (фиг. 1) с соединением вторичных обмоток трансформатора по схеме "звезда" и систему 2 с соединением других вторичных фазных обмоток по схеме "треугольник" и присоединенные к ним соответственно трехфазные тиристорные мосты 3, 4, 5 и 6, 7, 8, катодные и анодные группы вентилей каждого из которых, соответственно 9 и 10, 11 и 12, 13 и 14, а также 15 и 16, 17 и 18, 19 и 20 соединены друг с другом. Кроме того, анодная группа вентилей 10 и катодная группа вентилей 15 соответственно тиристорных мостов 3 и 6 присоединены к фазе "a" трехфазной обмотки 21 двигателя переменного тока, аналогично анодная группа 12 и катодная группа 17 тиристорных мостов 4 и 7 присоединены к фазе "b", а анодная группа 14 с катодной группой 19 тиристорных мостов 5 и 8 присоединены к фазе "c" трехфазной обмотки 21.

Для реализации заявляемого способа устройство снабжено блоком управления 22 (фиг. 1), состоящий из стандартных функциональных узлов: блока задания управляющих напряжений 23, двух систем импульсно-фазового управления 24 и 25, формирователя задания частоты вращения 26, циклического реверсивного синхронного счетчика 27 с модулем счета K_с=6, дешифратора 28 и двух блоков управляемых ключей 29 и 30 с шестью ключами в каждом блоке соответственно 31, 32, 33, 34, 35, 36 и 37, 38, 39, 40, 41 и 42. При этом один из выходов блока задания управляющих напряжений 23 присоединен к входам двух систем импульсно-фазового управления 24 и 25, выходы которых соединены соответственно с входами ключей 31-36 блока управляемых ключей 29 и входами ключей 37 - 42 блока управляемых ключей 30. Другой выход блока задания управляющих напряжений 23 присоединен к входу формирователя частоты вращения 26, выход которого присоединен к входу циклического реверсивного синхронного счетчика 27, а три выхода последнего присоединены к трем адресным входам дешифратора 28. Каждый из шести выходов дешифратора 28 присоединен к управляющим входам двух ключей: по одному из каждого блока управляемых ключей 29 и 30. В частности, первый выход дешифратора 28 присоединен к управляющим входам ключей 31 и 37, второй выход - к управляющим входам ключей 32 и 38, третий выход - к управляющим входам ключей 33 и 39, четвертый выход - к управляющим входам ключей 34 и 40, пятый выход - к управляющим входам ключей 35 и 41 и шестой выход - к управляющим входам ключей 36 и 42 соответственно блоков управляемых ключей 29 и 30. Выходы ключей 31, 32, 33, 34, 35 и 36 блока управляемых ключей 29 присоединены к управляющим электродам всех трех тиристоров соответствующих групп вентилей 9, 10, 11, 12, 13 и 14 тиристорных трехфазных мостов 3, 4 и 5. Аналогично выходы ключей 37, 38, 39, 40, 41 и 42 блока управляемых ключей 30 присоединены к управляющим электродам всех трех тиристоров соответствующих групп вентилей 15, 16, 17, 18, 19 и 20 тиристорных трехфазных мостов 6, 7 и 8.

Способ регулирования скорости трехфазного двигателя переменного тока осуществляется следующим образом.

При подаче в момент времени t₁ (фиг. 2) с выхода блока управляющих напряжений 23 (фиг. 1) заданных уровней напряжений на входы систем импульсно-фазового управления 24 и 25 и формирователя задания частоты вращения 26, на выходах каждого из этих блоков появится последовательность импульсов управляющего напряжения. Причем на выходах систем импульсно-фазового управления 24 и 25 импульсы управляющего напряжения U_И1 и U_И2 (фиг. 2) следуют с интервалом времени, равным одной шестой части периода напряжения сети c заданными одинаковыми углами запаздывания, например ₁ = 30^o и ₂ = 30^o (фиг. 2), относительно углов естественного включения тиристоров в мостовых схемах, присоединенных к системе 1 трехфазного питающего напряжения с линейными напряжениями U_Л1 (фиг.2) и к системе 2 трехфазного питающего напряжения с линейными напряжениями U_Л2 (фиг.2). При этом последовательности импульсов управляющих напряжений U_И1 и U_И2 следуют относительно друг друга с интервалом времени где T₁ - период напряжения сети. Вследствие этого, в моменты времени t₂, t₄, t₆, . .. t₂₈, t₃₀... (фиг.2) импульсы управляющего напряжения подают на входы ключей 31-36 (фиг. 1), выходы которых присоединены соответственно к группам вентилей 9-14 трехфазных тиристорных мостов 3, 4 и 5, а в моменты времени t₃, t₅, t₇,..., t₂₇, t₂₉,...(фиг.2) импульсы управляющего напряжения подают на входы ключей 37-42, выходы которых присоединены соответственно к группам вентилей 15-20 трехфазных тиристорных мостов 6, 7 и 8.

При подаче в момент времени t₁ с выхода блока задания управляющих напряжений 23 (фиг. 1) на вход формирователя задания частоты вращения 26 уровня напряжения, соответствующего заданию частоты вращения двигателя 0,5 _н на выходе последнего в моменты времени t₂, t₆, t₁₀,..., t₂₆, t₃₀,... (фиг.2) появятся импульсы управляющего напряжения с интервалом следования где n = 4, что соответствует заданной частоте вращения двигателя = 0,5_н. При этом подача импульсов управляющего напряжения на вход циклического реверсивного синхронного счетчика 27 (фиг. 1) с модулем счета K_с = 6 будет приводить к установке и сохранению до очередного импульса на трех его выходах определенных состояний в двоичном формате, а именно в момент времени t₂ устанавливается состояние <001>, в момент времени t₆ -состояние <010>, в момент времени t₁₀ - состояние <011>, в момент времени t₁₄ - состояние <100>, в момент времени t₁₈ - состояние <101>, в момент времени t₂₂ - состояние <111>. С момента времени t₂₆ начинается новый цикл установки состояния на трех выходах циклического реверсивного синхронного счетчика 27. На каждом из шести интервалов t₂-t₆, t₆-t₁₀, t₁₀-t₁₄, t₁₄-t₁₈, t₁₈-t₂₂, t₂₂-t₂₆ образующих цикл реверсивного синхронного счетчика 27, состояния устанавливаемые на его трех выходах подаются на адресные входы дешифратора 28. При этом с учетом описанных выше соединений шести выходов дешифратора 28 с управляющими входами ключей 31-36 и 37-42 соответственно блоков управляемых ключей 29 и 30, на интервале времени t₂-t₆ на выходах дешифратора 28 устанавливается логическое состояние <100001>, что соответствует установке на первом и шестом его выходах, присоединенных к управляющим входам соответственно ключей 31, 37 и 36, 42, уровней напряжения открывания указанных ключей. На этом интервале импульсы управляющего напряжения подают в момент времени t₂ одновременно на три тиристора катодной группы вентилей 9 и три тиристора анодной группы вентилей 14 соответственно тиристорных мостов 3 и 5, присоединенных к системе 1 трехфазного питающего напряжения. Импульсы управляющего напряжения при этом подают через открытые на указанном интервале времени ключи 31 и 36. В момент времени t₃ импульсы управляющего напряжения подают одновременно на три тиристора катодной группы вентилей 15 и три тиристора анодной группы вентилей 20, соответственно тиристорных мостов 6 и 8, присоединенных к системе 2 трехфазного питающего напряжения. Импульсы управляющего напряжения при этом подают через открытые на указанном интервале времени ключи 37 и 42. Таким образом на интервале времени t₂-t₆ в каждом из моментов времени t₂, t₃, t₄, t₅ импульсы управляющего напряжения подают на тиристоры катодной группы вентилей моста, соединенного с фазной обмоткой "a", и тиристоры анодной группы вентилей моста, соединенного с фазной обмоткой "c" трехфазной обмотки 21 двигателя переменного тока. Подача импульсов управляющего напряжения на все три тиристора каждой из групп вентилей приведет к тому, что в этих группах вентилей в открытое состояние перейдут один тиристор катодной группы вентилей, у которого в момент подачи импульса управляющего напряжения наибольший положительный потенциал на аноде и один тиристор анодной группы вентилей, у которого в момент подачи импульса управляющего напряжения наибольший отрицательный потенциал на катоде. Таким образом, на интервале времени t₂-t₆ на фазные обмотки "a" и "c" (фиг. 1) будут приложены напряжения U_A1 и U_C1 (фиг.2). На интервале t₆-t₁₀ с момента времени t₆ состояние <010>, подаваемое на три адресных входа дешифратора 28 приведет к установке на его шести выходах логического состояния <100100>. При этом в указанный момент времени напряжения на управляющих входах ключей 31,37 (фиг. 1) станут равными нулю, что приведет к прекращению подачи импульсов управляющего напряжения на тиристоры катодной группы 9 вентилей моста 3, соединенного с фазной обмоткой "a" трехфазной обмотки 21 двигателя переменного тока. Одновременно с этим в тот же момент времени на управляющих входах ключей 33 и 39 (фиг. 1) установятся напряжения, приводящие эти ключи в открытое состояние, тогда на интервале t₆-t₁₀ открытом состоянии будут ключи 33, 36 и 39, 42 соответственно блоков управляемых ключей 29 и 30. Описанный выше для интервала времени t₂-t₆ порядок подачи импульсов управляющего напряжения повторяют и в интервале времени t₆-t₁₀ для анодных и катодных групп вентилей 11 и 14, 17 и 20 соответственно трехфазных тиристорных мостов 4, 5 и 7, 8 присоединенных к фазам "b" и "c" трехфазной обмотки 21 (фиг. 1). При этом к ним будут приложены напряжения U_B1 и U_C1 (фиг.2). Аналогичным образом на интервалах t₁₀-t₁₄, t₁₄-t₁₈, t₁₈-t₂₂, t₂₂-t₂₆ состояния, возникающие в моменты времени t₁₀, t₁₄, t₁₈, t₂₂ на выходе циклического реверсивного счетчика 27, приводят к установке на шести выходах дешифратора 28 логических состояний, соответственно <100010>, <010010>, <011000>, <001001>, которые обеспечивают открытие следующих комбинаций ключей: 32, 33, 38 и 39; 32, 35, 38 и 41; 34, 35, 40 и 41; 31, 34, 37 и 40 в соответствующих интервалах времени. При этом напряжения на обмотках "a", "b", "c" трехфазной обмотки 21 будут изменятся в соответствии с графиками U_A1, U_B1, U_C1 (фиг. 2). С момента времени t₂₆ описанный выше цикл подачи импульсов управляющего напряжения на тиристоры мостов 3-8 повторяют. Таким образом при длительности где n=4, подключенного состояния заданных комбинаций фазных обмоток "a", "b" и "c" трехфазной обмотки 21 при поочередном подключении их к двум системам трехфазного питающего напряжения с фазовым сдвигом в 30 электрических градусов достигается формирование трехфазного питающего двигатель напряжения с частотой f=25 Гц, что соответствует частоте вращения магнитного поля двигателя = 0,5₁.

При подаче в момент времени t₁ с выхода блока управляющих напряжений 23 на вход формирователя задания частоты вращения 26 уровня напряжения, соответствующего заданию частоты вращения двигателя, например = 0,75_н, на выходе последнего появятся импульсы управляющего напряжения с интервалом следования где n принимает чередующиеся значения n = 2, 2, 4, 2, 2, 4. . . и т.д. При этом указанные импульсы появятся на входе циклического реверсивного счетчика 27 в моменты времени t₂, t₄, t₁₀, t₁₂, t₁₄, t₁₈ и затем этот цикл будет повторятся. В эти же моменты времени на трех выходах циклического реверсивного счетчика 27 последовательно будут появляться состояния <001>, <010>, <011>, <100>, <101>, <111> с дальнейшим повторением этого цикла, а подача их на адресные входы дешифратора 28 приведет к последовательной установке на его шести выходах логических состояний <100001>, <100100>, <100010>, <010010>, <011000>, <001001> с последующим повторением этого цикла. Это приведет к последовательному открытию тех же комбинаций ключей, как и при n=4, а именно в момент времени t₂ будут открыты ключи 31 и 36, 37 и 42, в момент времени t₄ - 33 и 36, 39 и 42, в момент времени t₁₀ - 32 и 33, 38 и 39, в момент времени t₁₂ - 32 и 35, 38 и 41, в момент времени t₁₄ - 34 и 35, 40 и 41 и в момент времени t₁₈-31 и 34, 37 и 40 соответственно блока управления ключами 29 и 30. Затем этот цикл повторяют, что позволяет обеспечить в описанной для скорости = 0,5_н последовательности, такой цикл подачи импульсов управляющего напряжения на тиристоры мостов 3 - 8, при котором напряжения на обмотках "a", "b" и "c" трехфазной обмотки 21 будут изменяться в соответствие с графиком U_A2, U_B2, U_C2 (фиг. 2). При этом достигается формирование питающего двигатель напряжения с частотой 37,5 Гц, что соответствует частоте вращения магнитного поля двигателя = 0,75₁.

При подаче в момент времени t₁ с выхода блока управляющих напряжений 23 (фиг. 1) на вход формирователя задания частоты вращения 26 уровней напряжении соответствующих, например, заданию частот вращения _н, 1,33_н, 1,5_н, на выходе последнего появятся импульсы управляющего напряжения с интервалом следования где n= 2 для задания частоты вращения = _н; n принимает значения с чередованием n = 1,2, 1,2, 1, 2... для задания частоты вращения 1,33 _н и n принимает значения с чередованием n= 1, 1, 2, 1, 1, 2, 1, 1, 2... для задания частоты вращения 1,5 _н При этом порядок формирования и подачи импульсов управляющего напряжения на тиристоры мостов 3-5 и 6-8 осуществляют аналогично вышеописанному для частот вращения двигателя 0,5 _н и 0,75 _н что позволяет создать на обмотках "a", "b" и "c" трехфазной обмотки 21 (фиг. 1) следующие трехфазные напряжения: U_A3, U_B3, U_C3 с частотой 50 Гц; U_A4, U_B4, U_C4 с частотой 66,6 Гц и U_A5, U_B5, U_C5 с частотой 75 Гц. При этом указанным частотам питающих напряжений соответствуют частоты вращения магнитного поля двигателя = ₁; = 1,33₁ и = 1,5₁. При задании значения n= 1 можно создать частоту вращения = 2₁. При n>20 ток в обмотках "a", "b" и "c" трехфазной обмотки 21 становится выше допустимых значений в связи с ухудшением условии самовентиляции двигателя на низких частотах вращения.

Таким образом, заявляемый способ регулирования скорости трехфазного двигателя переменного тока обеспечивает получение ряда ступеней частот вращения двигателя в интервале 0,5_н 2_н путем создания дополнительных частот вращения магнитного поля двигателя в интервале 0,5₁ 2₁ за счет сокращения длительности подключенного состояния заданных комбинаций фазных обмоток "a", "b" и "c" трехфазной обмотки 21 двигателя переменного тока при поочередном подключении их к двум системам трехфазного питающего напряжения с фазовым сдвигом в 30 электрических градусов, что позволяет значительно расширить диапазон регулирования скорости.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявляемый способ регулирования скорости трехфазного двигателя переменного тока работоспособен и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе, что подтверждается примером осуществления способа.

Соответственно заявляемое решение может найти применение в высокоскоростных электроприводах компрессоров для газо-, воздуходувок металлургических и энергетических агрегатов для регулирования скорости в широком диапазоне и для повышения производительности подъемно-транспортных машин и других механизмов, а следовательно, соответствует условию патентоспособности - "промышленная применимость".