способ повышения коэффициента полезного действия при эксплуатации трехфазных асинхронных электродвигателей электроприводов с изменяющейся нагрузкой

Формула изобретения

Способ повышения коэффициента полезного действия при эксплуатации трехфазных асинхронных электродвигателей электроприводов с изменяющейся нагрузкой, заключающийся в том, что при моментах нагрузки, меньших номинального, уменьшают напряжение, подводимое к статору, отличающийся тем, что при моментах нагрузки, меньших номинального, уменьшение напряжения, подводимое к статору, осуществляют в соответствии с регулировочной характеристикой электродвигателя, определяемой по частоте вращения электродвигателя, каждая точка которой соответствует максимально возможному коэффициенту полезного действия, и записывают эту характеристику в цифровом виде в оперативное запоминающее устройство, измеряют напряжение, подводимое к статору электродвигателя в цифровом виде и записывают его в первый регистр общего назначения микропроцессора, измеряют частоту вращения электродвигателя в цифровом виде и записывают ее в оперативное запоминающее устройство, определяют по регулировочной характеристике, записанной в оперативное запоминающее устройство, требуемое напряжение в цифровом виде и записывают его во второй регистр общего назначения микропроцессора, выполняют по программе операцию вычисления разности кодов, записанных в первый и второй регистры общего назначения микропроцессора, осуществляют преобразование полученной разности и устанавливают требуемое новое значение напряжения, подводимое к статору электродвигателя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к эксплуатации трехфазных асинхронных электродвигателей электроприводов с изменяющейся нагрузкой, а также для электродвигателей, длительное время работающих с нагрузкой, ниже номинальной, и может быть использовано для снижения расхода электроэнергии путем повышения коэффициента полезного действия асинхронных электродвигателей при уменьшении нагрузки относительно номинальной.

Известен способ эксплуатации трехфазных асинхронных электродвигателей, заключающийся в том, что обмотку статора электродвигателя с помощью системы управления путем нажатия кнопки «Пуск» подключают к сети, нагружают электродвигатель механизмом, осуществляя рабочий режим, и при окончании работы механизма, отключают обмотку статора от сети, нажимая кнопку «Стоп» [1].

Недостатком известного способа является его ограниченные функциональные возможности, так как при уменьшении нагрузки ниже номинальной, коэффициент полезного действия электродвигателя снижается при неизменном напряжении, подаваемом на обмотку статора. Поэтому необходимо совершенствовать систему управления режимами работы асинхронных электродвигателей с изменяющейся нагрузкой.

Известен способ повышения коэффициента полезного действия при эксплуатации трехфазных асинхронных электродвигателей, заключающийся в том, что при моментах нагрузки, меньших номинального момента, уменьшив напряжение, можно снизить потери в электродвигателе, то есть повысить коэффициент полезного действия электродвигателя при таких режимах [2].

Однако известный способ, принятый за прототип, имеет ограниченные функциональные возможности, так как при изменяющихся нагрузочных режимах работы электродвигателя нагрузка может уменьшаться на разную величину и возникает необходимость в определении величины и установки уменьшенного напряжения, подводимого к статору. Для этого необходимо количественно определить зависимость величины уменьшаемого напряжения для любой величины нагрузки и в соответствии с этой зависимостью определять и устанавливать напряжение необходимой величины. Эта зависимость и есть регулировочная характеристика по частоте вращения электродвигателя. Использование ее обеспечивает определение величины требуемого напряжения, установка которого обеспечит повышение коэффициента полезного действия электродвигателя.

Кроме того, в известном способе не указываются методы, которые необходимо осуществить для установки нового уменьшенного по величине напряжения, которые могут состоять в вычислении разности между напряжением, подаваемым в данный момент времени на обмотку статора, и требуемым напряжением, определяемым по регулировочной характеристике электродвигателя при снижении нагрузки на определенную величину, а также в преобразовании этой разности указанных выше напряжений для осуществления установки нового уменьшенного напряжения для повышения коэффициента полезного действия электродвигателя.

Задачей изобретения является повышение коэффициента полезного действия при эксплуатации трехфазных асинхронных электродвигателей электроприводов с изменяющейся нагрузкой путем уменьшения напряжения с уменьшением нагрузки.

Сущность изобретения заключается в том, что способ повышения коэффициента полезного действия при эксплуатации трехфазных асинхронных электродвигателей электроприводов с изменяющейся нагрузкой, заключающийся в том, что при моментах нагрузки, меньших номинального, уменьшают напряжение, подводимое к статору, согласно изобретению при моментах нагрузки, меньших номинального, уменьшение напряжения, подводимое к статору, осуществляют в соответствии с регулировочной характеристикой электродвигателя, определяемой по частоте вращения электродвигателя, каждая точка которой соответствует максимально возможному коэффициенту полезного действия, и записывают эту характеристику в цифровом виде в оперативное запоминающее устройство, измеряют напряжение, подводимое к статору электродвигателя в цифровом виде и записывают его в первый регистр общего назначения микропроцессора, измеряют частоту вращения электродвигателя в цифровом виде и записывают ее в оперативное запоминающее устройство, определяют по регулировочной характеристике, записанной в оперативное запоминающее устройство, требуемое напряжение в цифровом виде и записывают его во второй регистр общего назначения микропроцессора, выполняют по программе операцию вычисления разности кодов, записанных в первый и второй регистры общего назначения микропроцессора, осуществляют преобразование полученный разности и устанавливают требуемое новое значение напряжения, подводимое к статору электродвигателя.

Осуществление уменьшения (при моментах нагрузки, меньших номинального) напряжения, подводимого к статору в соответствии с регулировочной характеристикой электродвигателя, определяемой по частоте вращения электродвигателя, каждая точка которой соответствует максимально возможному коэффициенту полезного действия, и записывание этой характеристики в цифровом виде в оперативное запоминающее устройство, измерение напряжения, подводимого к статору электродвигателя в цифровом виде и записывание его в первый регистр общего назначения микропроцессора, измерение частоты вращения электродвигателя в цифровом виде и записывание ее в оперативное запоминающее устройство, определение по регулировочной характеристике, записанной в оперативное запоминающее устройство, требуемого напряжения в цифровом виде и записывание его во второй регистр общего назначения микропроцессора, выполнение по программе операцию вычисления разности кодов, записанных в первый и второй регистры общего назначения микропроцессора, осуществление преобразования полученной разности и установка требуемого нового значения напряжения, подводимого к статору электродвигателя, позволяет повысить КПД.

На фиг.1 изображена зависимость частоты вращения асинхронного электродвигателя от момента на его валу, на фиг.2 - зависимость напряжения, прикладываемого к обмотке статора электродвигателя, от его частоты вращения, при величине которого происходят минимальные потери в электродвигателе.

Способ повышения коэффициента полезного действия при эксплуатации трехфазных асинхронных электродвигателей электроприводов с изменяющейся нагрузкой осуществляется следующим образом.

Частота вращения электродвигателя зависит от нагрузки и определяется характеристикой, изображенной на фиг.1, то есть зависимостью частоты вращения от момента на валу электродвигателя. При номинальном моменте М_н частота вращения электродвигателя равна номинальной _н, а при холостом ходе момент равен М_хх , частота вращения при этом равна частоте холостого хода _хх. По мере снижения нагрузки частота вращения электродвигателя увеличивается практически по прямой линии. Поэтому нагрузку можно измерять как измерением момента на валу электродвигателя, так и измерением его частоты вращения. Наиболее простым способом в условиях эксплуатации электродвигателей осуществляется измерение нагрузки электродвигателя по его частоте вращения.

При изменяющейся нагрузке на валу электродвигателя возникает необходимость в изменении величины напряжения, подаваемого на обмотку статора, в соответствии с кривой (фиг.2), определяемой экспериментально и представляющей собой зависимость напряжения от частоты вращения электродвигателя. На фиг.2 номинальному напряжению U_н соответствует номинальная частота вращения электродвигателя, а напряжению холостого хода U_xx - частота вращения электродвигателя, работающего на холостом ходу. Необходимость в изменении напряжения, подаваемого на обмотку статора, объясняется тем, что при снижении этого напряжения с уменьшением нагрузки уменьшаются потери в самом электродвигателе, и таким образом повышается его коэффициент полезного действия. Эффективность использования электродвигателей при этом возрастает, так как при этом снижается расход электрической энергии по сравнению с тем режимом работы электродвигателя, при котором нагрузка изменяется, а напряжение, подаваемое на обмотку статора, остается на том же уровне.

Асинхронный трехфазный электродвигатель, приводящий в движение механизм с изменяющейся нагрузкой, снабжен аналого-цифровым преобразователем напряжения, подаваемым на обмотку статора, цифровым датчиком частоты вращения электродвигателя. Выходные сигналы аналого-цифрового преобразователя напряжения и цифрового датчика частоты вращения подаются посредством интерфейса на вход микропроцессорной системы регулирования, связанной с интерфейсом и содержащей микропроцессор с внутренней памятью в виде регистров общего назначения, генератор тактовой частоты и таймер, соединенные с микропроцессором, буфер адреса, шину адреса, буфер данных, шину данных, шину управления, оперативное и запоминающие устройства, выполненные трехканальными, сравнивающий элемент, реверсивный цифроаналоговый преобразователь, фазочувствительный усилитель мощности, выполненный на двух транзисторах, микропривод с микроэлектродвигателем постоянного тока, две обмотки которого включены по дифференциальной схеме, редуктор, трехфазный автотрансформатор с движковым регулятором, соединенный с выходным валом редуктора.

По сигналу от микропроцессора код, отображающий величину напряжения, подводимого к статору, записывается посредством интерфейса, шины данных и буфера данных в первый регистр общего назначения микропроцессора, а код, отображающий величину частоты вращения электродвигателя посредством интерфейса, шины данных записывается в оперативное запоминающее устройство. В оперативном запоминающем устройстве по записанной ранее зависимости требуемого напряжения в виде кода, подводимого к статору, от частоты вращения электродвигателя в виде кода определяется величина напряжения, которое необходимо приложить к обмотке статора для обеспечения минимальных потерь в электродвигателе для измеренной частоты вращения. Отсчитанное требуемое напряжение записывается во второй регистр общего назначения микропроцессора.

По программе, записанной в постоянном запоминающем устройстве, сигнал, записанный во второй регистр общего назначения микропроцессора, вычитается из сигнала, записанного в первый регистр. Результат вычитания записывается в третий регистр общего назначения микропроцессора.

Если нагрузка уменьшилась, сигнал, записанный во втором регистре становится меньше сигнала, записанного в первом регистре, то в третий регистр записывается положительная разность этих сигналов. Далее содержимое третьего регистра посредством буфера данных, шины данных и интерфейса подается на реверсивный цифроаналоговый преобразователь, на выходе которого формируется аналоговый сигнал положительной полярности, который подается на вход фазочувствительного усилителя. Первый транзистор усилителя открывается, по первой обмотке микроэлектродвигателя протекает ток, он приходит во вращение и посредством редуктора поворачивает движок регулятора автотрансформатора в сторону уменьшения напряжения, подводимого к статору электродвигателя. При уменьшении напряжения уменьшается содержимое первого регистра до тех пор, пока сигнал, записанный в первый регистр не станет равным сигналу, записанному во втором регистре, при этом в третьем регистре сигнал становится равным нулю. Микроэлектродвигатель прекращает вращение, к статору при этом подводится напряжение, величина которого соответствует минимальным потерям в электродвигателе.

Если нагрузка увеличилась, сигнал, записанный во втором регистре, становится больше сигнала, записанного в первый регистр, то в третий регистр записывается отрицательная разность этих сигналов. Далее содержимое третьего регистра посредством буфера данных, шины данных и интерфейса подается на реверсивный цифроаналоговый преобразователь, на выходе которого формируется аналоговый сигнал отрицательной полярности, который подается на вход фазочувствительного усилителя. Второй транзистор усилителя открывается, по второй обмотке микроэлектродвигателя протекает ток, он приходит во вращение в противоположную сторону, чем в случае, когда нагрузка снижалась, и посредством редуктора поворачивает движок регулятора автотрансформатора в сторону увеличения напряжения, подводимого к статору электродвигателя. При увеличении напряжения увеличивается содержимое первого регистра до тех пор, пока сигнал, записанный в первый регистр, не станет равным сигналу, записанному во втором регистре, при этом в третьем регистре сигнал становится равным нулю. Микроэлектродвигатель прекращает вращение, на обмотку статора при этом подается напряжение, величина которого соответствует минимальным потерям в электродвигателе при новом значении нагрузки.

Использование предлагаемого способа эксплуатации трехфазных асинхронных электродвигателей электроприводов с изменяющейся нагрузкой позволяет повысить их эффективность за счет снижения расхода электроэнергии в условиях эксплуатации.

Источники информации

1. Ильинский Н.Ф., Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода: учеб. для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - С.184 185, рис.7.7.

2. Ильинский Н.Ф., Козаченко В.Ф. Общий курс электропривода: учеб. для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - С.195.