Частотно-регулируемый электропривод

Частотно-регулируемый электропривод

Реферат

 

Изобретение относится к электротехнике. Цель - повышение коэффициента полезного действия. Частотно-регулируемый электропривод содержит асинхронный двигатель с тахогенератором на валу. Цепи статора асинхронного двигателя подключены к выходам усилителей мощности, выход тахогенератора подключен к первому входу блока сравнения, второй вход которого соединен с блоком задания. Выход блока сравнения через преобразователь аналог-частота подключен к формирователям фазных гармонических функций. Электропривод имеет множительные блоки, число которых равно произведению числа фаз питающей сети и числа фаз асинхронного двигателя, а каждый из усилителей мощности выполнен в виде преобразователей частоты по числу фаз питающей сети на ключах переменного тока с двухсторонней проводимостью, с двумя информационными и одним энергетическим входом, предназначенным для подключения к соответствующей фазе питающей сети, выходы преобразователей подключены к выходам сумматора, выходные зажимы которого образуют выход усилителя мощности, а одни из информационных входов преобразователей соединены с выходами множительных блоков, одни из входов которых объединены и подключены к выходу соответствующего формирователя фазных гармонических функций, а другие входы соединены с энергетическими входами своих инверторов, другие информационные входы всех инверторов объединены и подключены к выходу генератора напряжения постоянной амплитуды и частоты, причем последний выполнен в виде генератора прямоугольного напряжения. 6 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электроприводам переменного тока, и может найти применение в механизмах, работающих с малой частотой вращения, в тех случаях, когда требуется высокий коэффициент полезного действия и обмен энергией между электродвигателем и питающей сетью. Целью изобретения является повышение коэффициента полезного действия при обеспечении путей обмена энергией между двигателем и питающей сетью. На фиг. 1 представлена структурная схема частотно-регулируемого электропривода; на фиг. 2 - структурная схема усилителя мощности; на фиг.3 - функциональная схема фазосдвигающего узла с регулируемыми углами задержки и опережения; на фиг. 4, 5 - временные диаграммы, поясняющие работу частотно-регулируемого электропривода; на фиг.6 - временные диаграммы, поясняющие работу фазосдвигающего узла с регулируемыми углами задержки и опережения. Частотно-регулируемый электропривод (фиг.1) содержит асинхронный двигатель 1 с тахогенератором 2 на валу, цепи статора асинхронного двигателя подключены к выходам усилителей мощности 3, 4. Выход тахогенератора подключен к первому входу блока сравнения 5, второй вход которого соединен с блоком задания 6. Выход блока сравнения 5 через преобразователь аналог-частота 7 подключен к входам "n" формирователей фазных гармонических функций 8. Электропривод снабжен множительными блоками 9-14, где "m" число фаз питающей сети, "n" - число фаз асинхронного двигателя (для определенности принято m = 3 и n = 2) и генератор 15 напряжения постоянной амплитуды и частоты. Каждый из "n" усилителей мощности 3, 4 выполнен в виде "m" преобразователей частоты 16-18 и 19-21 на ключах переменного тока с двухсторонней проводимостью. Преобразователи частоты энергетическими входами подключены к соответствующим фазам питающей сети. Выходы преобразователей частоты 16-18 подключены к входу сумматора 22, а выход преобразователей частоты 19-21 - к выходам сумматора 23. Выходные зажимы сумматоров 22, 23 образуют выходы усилителей мощности 3, 4. Каждый преобразователь частоты содержит силовую ячейку 24 (фиг.2), выполненную на ключах 25-28 с двухсторонней проводимостью, управляющие цепи которых соединены с фазосдвигающими узлами 29 через узлы развязки 30. Входы фазосдвигающих узлов 29 образуют информационные и тактовые входы преобразователей частоты. Информационные входы преобразователей частоты соединены с выходами соответствующих множительных блоков 9-14, вторые входы которых подключены соответственно к энергетическим входам преобразователей частоты. Тактовые входы преобразователей частоты объединены и подключены к выходу генератора напряжения 15 постоянной амплитуды и частоты, причем последний выполнен в виде генератора прямоугольного напряжения. Выход силовой ячейки 24 образует соответствующий выход преобразователя частоты 16. Сумматор 22 содержит трансформаторы 31-33, вторичные обмотки которых соединены последовательно и образуют выход сумматора, который является выходом усилителя мощности. Фазосдвигающий узел 29 с регулируемыми узлами задержки и опережения выполнен по двухканальной схеме (фиг.3), каждый канал которой включает последовательно соединенные генератор пилообразного напряжения 34(35), компаратор 36(37), двухвходовый логический элемент 38(39) ИСKЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого образует выход фазосдвигающего узла с регулируемыми углами задержки и опережения, а один из входов логического элемента 38(39) ИСKЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ объединен с входом генератора пилообразного напряжения 34(35) и образуют тактовый вход фазосдвигающего узла 29. Второй вход соответственно элемента 38(39) ИСKЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединен с выходом компаратора 36(37). Один вход компаратора 36(37) соединен с выходом генератора пилообразного напряжения 34(35), вторые входы компараторов 36, 37 объединены и образуют информационный вход преобразователя частоты. На фиг.4, 5, 6 обозначено: 40 - напряжение ошибки на выходе блока сравнения 5, 41, 42 - напряжения на выходе формирователя фазных гармонических функций 8, 43, 44, 45 - трехфазная система переменного напряжения питающей сети, 46, 47, 48 - напряжения на выходе множительных блоков 9-11 соответственно, 49, 50 - линейно нарастающее и линейно падающее напряжения на выходах соответствующих генераторов пилообразного напряжения 34, 35, 51 - выходное напряжение генератора 15 постоянной амплитуды и частоты, 52, 53, 54 - напряжение повышенной частоты на выходе инверторов 16-18, 55 - напряжение на выходе усилителя мощности 3. На фиг.6 дополнительно обозначено: 56, 57 - диаграммы, поясняющие алгоритм работы фазосдвигающего узла 29, 58, 59 - выходные напряжения фазосдвигающего узла 29 для фазы А, 60 - диаграмма коммутационной функции инверторной ячейки 24, 61 - напряжение, действующее на первичной обмотке трансформатора 31. Электропривод работает следующим образом. Рассмотрим алгоритм работы для одной фазы асинхронного двигателя, т.к. для другой фазы диаграммы будут аналогичны, но со сдвигом на 90^o. С выхода тахогенератора 2 на выход узла сравнения 5 подается напряжение обратной связи, на второй вход узла сравнения 5 подается напряжение задания. На выходе узла сравнения действует напряжение ошибки 40 (фиг.4), равное разноcти входных напряжений, которое подается на вход преобразователя 7 напряжение-частота. Напряжение с выхода преобразователя 7 напряжение-частота поступает на вход формирователя 8 фазных гармонических функций, на выходах которого действуют синусоидальные напряжения 41, 42. Синусоидальное напряжение 41 подается на входы множительных блоков 9-11, на другие входы которых подаются переменные напряжения 43, 44, 45 питающей среды. На выходе множительных блоков действуют напряжения 46, 47, 48, равные произведению входных напряжений. Напряжения 46, 47, 48 подаются на управляющие входы усилителя мощности 3, к тактовому входу которого приложено напряжение 51 (см. фиг.5) с выхода генератора 15 напряжения постоянной амплитуды и частоты. Рассмотрим алгоритм работы усилителя мощности для фазы А питающей сети, т. к. для фаз В, С все диаграммы будут аналогичны, но со сдвигом на 120 и 240^о соответственно. Напряжение 43 фазы А (питающей сети) поступает на энергетический вход ячейки 24, алгоритм включения ключей 25-28 которой определяется величиной управляющего напряжения 46 для фазосдвигающего узла 29 (фиг.5) и в сумме представляет собой коммутационную функцию 60 (фиг.6). На тактовый вход фазосдвигающего узла с регулируемыми углами задержки и опережения (фиг.3) подается напряжение 51 (фиг.6), моменты смены полярности которого являются тактирующими для генераторов пилообразного напряжения 34, 35, причем один генератор формирует линейно падающее напряжение 49, а другой линейно нарастающее напряжение 50. Напряжение 49, 50 подаются на входы компараторов 36, 37 соответственно, на другие входы которых подается управляющее напряжение 46. Результатом сравнения является напряжение 56, 57, которое с выхода компараторов 36, 37 подается на вход двухвходового элемента 38, 39 ИСKЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, на второй вход которого подается напряжение 51. Сформированные напряжения 58, 59 с выхода фазосдвигающего узла 29 через узел развязки 30 поступают на управляющие входы ключей 25-28 ячейки 24. Условимся, что уровень логического нуля выходных напряжений 58, 59 фазосдвигающего узла 29 соответствует отрицательной полуволне выходного напряжения узла развязки 30, а уровень логической единицы соответствует положительной полуволне выходного напряжения этого узла развязки. Состояние ключей 25-28 ячейки 24 определяется упомянутыми выходными напряжениями узла развязки 30, в частности отрицательные полуволны (уровень логического нуля напряжения 58) соответствует замкнутому состоянию ключа 26, а положительные полуволны (уровень логической единицы напряжения 58) - замкнутому состоянию ключа 25, напряжения 59 - ключей 27, 28 соответственно. При непрерывном изменении управляющего напряжения 43 (фиг.4) в напряжение повышенной частоты 61 и его модуляцию можно представить через суммарную коммутационную функцию 60 для ячейки 24 фазы А, которая представляет собой геометрическую сумму выходных напряжений узла развязки 30. Напряжение 61, которое подается на первичную обмотку трансформатора 31, можно представить как произведение входного синусоидального напряжения на коммутационную функцию 60, т.е. можно записать напряжения 52, 53, 54 как произведение исходного - фазного напряжения с периодом колебаний 7 (1) на коммутационную функцию (2) где КРФ_m - коммутационная функция определенной фазы, которую можно представить в виде КРФ_m = 1/2[fa(t - ₁) - f_a ( t - ₂ ) ] f_a ( t ), (3) f_a(t) - коммутационная функция, называемая "прямоугольный синус" с полупериодом "а" повышенной частоты. Значения ₁ и ₂ изменяются по закону напряжения управления, определенному для каждой фазы. В первом приближении процесс модуляции высокочастотного напряжения (2) можно представить как произведение высокочастотного напряжения на модуляционную функцию, которую можно записать как произведение исходного m-фазного напряжения (1) на напряжение низкочастотной модуляции U_m = sin , (4) т.е. напряжения 52, 53, 54 (фиг.5), представляются в виде (5) Поскольку вторичные обмотки высокочастотных трансформаторов 31-33 соединены последовательно, то на выходе усилителя мощности 3 действует напряжение 55, которое подключено к обмотке асинхронного двигателя. Это напряжение можно записать следующим образом U₅₅ = f_a ( t ) U_m sin [ sin² + sin² ( + + 1 / 3 T ) + sin² ( + 2 / 3 T ) ] . (6) Поскольку каждое из слагаемых в квадратных скобках может быть представлено как сумма постоянной составляющей и гармонического колебания удвоенной частоты sin² + sin²( + 1/3 T) + sin²( + 2/3 T)= 1/2 - 1/2 cos2 + 1/2- - + 1/2 - (7) то (6) можно представить в виде U₅₅ = 1,5f_a(t)U_m sin . (8) Таким образом, за счет создания модулированного сигнала медленно изменяющейся частоты возможно получение очень низких частот вращения, при этом в напряжении на обмотках двигателя отсутствуют пульсации с частотой питающей сети. Повышение коэффициента полезного действия получено за счет построения усилителей мощности, работающих в ключевом режиме, и обеспечения путей обмена энергией между нагрузкой и сетью.

Формула изобретения

ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД, содержащий асинхронный двигатель с тахогенератором на валу, цепи статора асинхронного двигателя подключены к выводам усилителей мощности с энергетическим и информационными входами, выход тахогенератора подключен к первому входу блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока задания, выход блока сравнения через преобразователь аналог-частота подключен к формирователю фазных гармонических функций, выходы которого подключены к одному из входов множительных блоков, и генератор напряжения постоянной амплитуды и частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента полезного действия при обеспечении путей обмена энергией между двигателем и питающей сетью, число множительных блоков равно произведению числа фаз питающей сети и числа фаз асинхронного двигателя, а каждый из усилителей мощности выполнен в виде преобразователей частоты по числу фаз питающей сети, каждый из которых составлен из ключей переменного тока с двухсторонней проводимостью, узла развязки фазосдвигающего узла, входы которых образуют информационные входы соответствующего преобразователя частоты, и сумматора, а генератор напряжения выполнен в виде генератора прямоугольного напряжения, при этом управляющие цепи преобразователей частоты через узлы развязки соединены с выходами фазосдвигающих узлов, энергетические входы преобразователей частоты предназначены для подключения к соответствующим фазам питающей сети, выходы преобразователей частоты подключены к входам сумматора, выходные зажимы которого образуют выход усилителя мощности, один из информационных входов преобразователей частоты соединены с выходами множительных блоков, другие входы которых соединены с энергетическими входами преобразователей частоты, другие информационные входы преобразователей частоты объединены и подключены к выходу генератора напряжения постоянной амплитуды и частоты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 10-2002

Извещение опубликовано: 10.04.2002