Способ изменения фактического числа оборотов многофазного асинхронного двигателя
Использование: для управления числом оборотов и вращающим моментом многофазного асинхронного двигателя. Сущность: в способе изменения фактического числа оборотов многофазного асинхронного двигателя изменение частоты тока статора до значения, соответствующего заданному числу оборотов осуществляют ступенчато с предварительно рассчитанной для каждой ступени скоростью. Измеряют ток статора, сравнивают его эффективное значение с предварительно рассчитанным заданным для каждой ступени значением. По результатам сравнения прекращают изменение частоты тока статора, поддерживая ее постоянной до момента достижения эффективным током значения меньше заданного. Повторяют указанные операции до тех пор, пока частота тока не будет соответствовать заданному числу оборотов. Направление изменения скорости противоположно изменению числа оборотов двигателя. В результате в переходных режимах работы имеется в распоряжении максимально полезный диапазон числа оборотов двигателя. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области управления числом оборотов и вращающим моментом многофазного асинхронного двигателя.
Управление числом оборотов и вращающим моментом многофазного асинхронного двигателя является само по себе достаточно известным и может осуществляться, например, с помощью инвертора. Из заявки [1] известно сравнение тока статора двигателя с задающей величиной тока для того, чтобы на основании этого вывести ток статора, который должен подаваться от инвестора двигателя, и его частоту. Таким образом число оборотов двигателя может доводиться до требуемой величины и удерживаться на ней, при этом вращающий момент двигателя может управляться в соответствии с задающей величиной тока. В этом уровне техники речь идет о типичном регулировании ограничения тока для непрерывного режима работы двигателя, целью которого является оптимальным образом управлять мощностью двигателя при непрерывном режиме работы (то есть при постоянных в основном условиях). Недостатком этого известного способа является то, что для оптимального управления двигателем при переходном режиме работы, то есть сравнительно быстро изменяющихся условиях (динамическое управление желательными изменениями числа оборотов при определенных обстоятельствах при изменяющейся нагрузке), никакие мероприятия не предусматриваются. Из авт. свид. [2] известен способ изменения фактического числа оборотов многофазного асинхронного двигателя, при котором частоту тока статора изменяют до значения, соответствующего заданному числу оборотов. Недостатком этого известного способа является то, что он пригоден только для непрерывного режима работы двигателя, а в переходном режиме управление изменением фактического числа оборотов не предусмотрено. В основу изобретения положена задача создать способ, при котором в переходном режиме работы постоянно имеется в распоряжении максимально полезный диапазон числа оборотов двигателя. В изобретении исходят из знания того, что статические характеристики многофазного двигателя, в основном, достаточным образом определяются в том случае, когда приводится характеристика вращающий момент/число оборотов двигателя, которая в свою очередь определяется магнитным насыщением железа в двигателе, и динамические характеристики двигателя определяются соответственно электрической и механической постоянными времени, следствием чего является то, что преобразование электрической энергии в кинетическую энергию (или наоборот при генераторном режиме работы) происходит за определяемое двигателем конечное время. Взаимодействие этих статической и динамической характеристик двигателя обеспечивает то, что характеристики двигателя в достаточной степени определяются в том случае, когда приводится параметр рабочее напряжение/рабочая частота вместе с вращающим моментом. Отсюда в свою очередь следует то, что для определенного многофазного асинхронного двигателя при постоянной характеристике напряжение статора частота возможно управление током статора его частотой, а именно, таким образом, что ток статора сохраняет предварительно рассчитанную величину тока в том случае, когда изменяются или подлежат изменению эксплутационные условия (нагрузка, число оборотов и т.д.). При этом указанная предварительно рассчитанная величина тока статора в принципе может свободно выбираться. Однако для того, чтобы получить наилучшую возможную эффективную мощность двигателя, предварительно рассчитанная величина тока статора должна выбираться в пределах диапазона, в котором вращающий момент двигателя приблизительно пропорционален току статора. Следовательно, рекомендуется выбирать заданную величину тока, определяющую ток статора, таким образом, чтобы достигался вращающий момент между нулем и опрокидывающим моментом двигателя. Поэтому следует выбирать заданную величину тока между нулем и тем (зависящим от намагничивания) эффективным значением тока статора, при котором достигается опрокидывающий момент. На основе этих знаний для достижения указанного вначале измерения числа оборотов многофазного асинхронного двигателя в способе согласно изобретению поставленная задача решается тем, что изменение частоты осуществляют ступенчато, на каждой ступени частоту тока статора изменяют с предварительно рассчитанной для данной ступени скоростью, одновременно измеряют ток статора, сравнивают его эффективное значение с предварительно рассчитанным для данной ступени заданным значением, если эффективное значение тока статора превышает заданное значение, то изменение частоты тока статора прекращают, поддерживая ее постоянной до тех пор, пока эффективное значение тока не станет меньше заданного значения, повторяют указанные операции до тех пор, пока частота тока статора не будет соответствовать заданному числу оборотов двигателя, при этом направление изменения скорости частоты тока статора противоположно направлению изменения числа оборотов двигателя. В способе согласно изобретению скорость изменения частоты тока статора может быть установлена такой величины, при которой изменение числа оборотов двигателя до заданного значения осуществляется непрерывно. В способе согласно изобретению скорость изменения частоты тока статора может быть установлена такой величины, при которой изменение числа оборотов двигателя до заданного значения осуществляют по гирляндообразной кривой. При этом изменение числа оборотов может быть как ускорением, так и затормаживанием. Если многофазный ток статора двигателя подается инвертором, электрическая энергия поступает от сети переменного напряжения и через выпрямитель получается в виде постоянного тока, двигатель может ускоряться или затормаживаться поступившей электрической энергией. В любом случае двигатель тормозится, когда инвертор, при исчезновении напряжения в сети переменного напряжения получает электрическую энергию от многофазного тока статора двигателя, преобразует ее в постоянный ток и замыкает на аккумулятор энергии и/или нагрузочное сопротивление. Является возможным и, в основном, эквивалентным измерение эффективного значения тока статора на стороне переменного тока инвертора непосредственно или на стороне постоянного тока инвертора косвенно (например, в виде падения напряжения на измерительном сопротивлении). С помощью способа согласно изобретению изменение числа оборотов осуществляется, в основном, при сохранении постоянным вращающего момента при величине, соответствующей заданной величине тока. Проще говоря, в способе согласно изобретению поток энергии в ротор управляется частотой при пропорциональной частоте напряжения статора. Тем самым предупреждается то, что двигатель при большом проскальзывании, уменьшенном коэффициенте полезного действия и высокой мощности потерь в роторе работает в диапазоне, где ток непропорционален вращающему моменту. Изменение числа оборотов может оптимизироваться в той степени, что оно осуществляется по выбору, например, с максимально доступным током статора и вращающим моментом (опрокидывающий момент) или, например, с максимально или оптимально совместимым с нагрузкой вращающим моментом. Если при максимально допустимом вращающим моменте происходит ускорение или замедление, то двигатель проявляет свои наилучшие возможные характеристики, задаваемые физическими пределами, в отношении динамики и коэффициента полезного действия, то есть он имеет минимальные электрическую и механическую постоянные времени. Другими словами, скорость изменения числа оборотов по времени является тогда максимальной. В случае ускорения мгновенная величина напряжения статора является зависимой от мгновенной частоты инвертора, тогда как фактические напряжение статора является зависимым от схемы двигателя (схема звезды или схема треугольника или четырехугольника), и максимальная величина возможного напряжения статора определяется постоянным напряжением, зависящим от сетевого напряжения. Тем самым автоматически постоянно на двигатель подается максимальная при используемом сетевом напряжении приводящая мощность. Если изменение напряжения статора по частоте из-за недостаточного сетевого напряжения отличается от имеющегося параметра рабочее напряжение/рабочая частота двигателя, то возникает так называемое ослабление поля. Это может быть установлено с помощью так называемого отклонения и с преимуществом (в смысле информации об имеющихся эксплутационных условиях) просигнализировано. В одном варианте осуществления способа скорость изменения частоты может быть выбрана такой малой, что результирующее изменение числа оборотов по времени проходит в основном непрерывно, так как эффективное значение тока статора не является заметно большим по сравнению с заданной величиной тока и тем самым частота поддерживается постоянной лишь в течение незаметно малого времени. Для этой цели скорость изменения частоты выбирается, например, такой, что результирующее изменение частоты не превышает приблизительно от 3 до 5% от мгновенной частоты, то есть приблизительно половину величины проскальзывания двигателя. Пригодная скорость изменения частоты соотносится с соответствующей электрической постоянной времени используемого двигателя, а эта постоянная в свою очередь соотносится с системой двигателей в виде относительной величины. Надлежащая скорость изменения частоты составляет, например, 0,1 Гц/мкс для применения к приводу высокоскоростных шпинделей. Во втором варианте осуществления способа скорость изменения частоты может выбираться настолько большой, что характеристика результирующего изменения числа оборотов по времени в основном проходит гирляндообразно, так как эффективное значение тока статора при любом изменении частоты заметно больше, чем задающая величина тока и тем самым частота в течение заметного промежутка времени поддерживается постоянной. Этот промежуток времени, в течение которого двигатель повышает свое число оборотов за счет преобразования электрической энергии в механическую энергию, является зависимым только от определенных характеристик привода, а именно от индуктивной электрической величины, от коэффициента полезного действия двигателя, от момента инерции двигателя, от момента инерции нагрузки и от создаваемого нагрузкой момента нагрузки. Следовательно, названный промежуток времени является следствием непосредственно предшествующего изменения частоты и находится в фиксированном соотношении с ним, так что форма отдельного элемента фестона позволяет описать названные характеристики привода. Эти характеристики привода имеют известную аналогию с прочностью на скручивание вала: поэтому они могут быть обозначены как "прочность на скручивание привода". Относящийся сюда анализ измерения частоты по времени, следовательно параметров (электрическая и механическая постоянные), характеризующих форму и размер элемента гирляндообразной характеристики, может, например, осуществляться с помощью соответственно запрограммированного микрокомпьютера, выводящего на основании этого величину "прочности на скручивание привода" и при определенных обстоятельствах индуцирующего ее. При осуществлении способа согласно изобретению необязательно измерять число оборотов двигателя или его проскальзывание. В частности, не требуется датчик числа оборотов. Поэтому соответственно простым является требующееся для осуществления способа согласно изобретению устройство. Проскальзывание само собой устанавливается, в основном, на постоянную величину, определяемую заданной величиной тока. Тем самым также устанавливается постоянная мощность потерь, что предпочтительным образом поддерживает постоянными термические и кинетические условия эксплуатации в том случае, когда заданную величину току выбирают равной рабочему току. При торможении перед осуществлением следующего изменения частоты может устанавливаться, что частота тока статора меньше, чем предварительно определенная предельная величина, и инвертором можно затем управлять таким образом, чтобы он подводил к статору двигателя постоянный ток для того, чтобы остановить ротор или в виде векторно управляемого постоянного тока использовать этот процесс для того, чтобы приводить ротор или перемещаемый ротором предмет, с помощью датчиков положения в определенное положение или осуществлять очень медленные вращательные движения (область самых малых чисел оборотов). При этом интенсивность постоянного тока сначала во время предварительно определенного промежутка времени может быть, в основном, равной эффективному значению номинального тока двигателя и вслед за тем уменьшаться до части названной интенсивности. Также эти процессы могут осуществляться, например, с помощью соответствующим образом запрограмированного микрокомпьютера. Для осуществления описанных выше функций управление, включенное перед инвертором, содержит микрокомпьютер, соответствующим образом запрограмированный помимо прочего для того, чтобы подать инвертору в надлежащий момент времени надлежащие сигналы для зажигания переключаемых полупроводниковых элементов, например, типа IGBT ("isdated gate bipolar transistor" -изолированный вентильный биполярный транзистор). В это управление, соответственно его микрокомпьютер, вводят, например, вручную, среди прочего заданную величину тока и скорость изменения частоты, а также имеющуюся характеристику рабочее напряжение / рабочая частота и ток статора для максимального вращающего момента используемого многофазного асинхронного двигателя. На стороне постоянного тока инвертора предусмотрено, например, измерительное сопротивление при последовательном включении между выпрямителем и инвертором для измерения тока статора в виде величины падения напряжения на этом измерительном сопротивлении, причем эта величина подводится к управлению или его микрокомпьютеру. Тот факт, что способ согласно изобретению исходит из постоянного характеристического параметра рабочее напряжение / рабочая частота многофазного асинхронного двигателя при выдаче номинального вращающего момента в постоянном режиме работы для управления двигателем частотой тока статора, имеет своим последствием также то, что с помощью простых средств является возможным существенно расширить диапазон частот, используемый с данным многофазным асинхронным двигателем. А именно, если режим работы инвертора переключают между питанием двигателя в соответствии с его параметром рабочее напряжение / рабочая частота для схемы звезды и питанием двигателя в соответствии с его параметром рабочее напряжение / рабочая частота для схемы треугольника (при трехфазном двигателе) или четырехугольника (при четырехфазном двигателе), и одновременно понижают вводимый в управление параметр рабочее напряжение / рабочая частота на коэффициент


















































Формула изобретения
1. Способ изменения фактического числа оборотов многофазного асинхронного двигателя, в котором частоту тока статора изменяют до значения, соответствующего заданному числу оборотов, отличающийся тем, что указанное изменение частоты осуществляют ступенчато, на каждой ступени частоту тока статора изменяют с предварительно рассчитанной для данной ступени скоростью, одновременно измеряют ток статора, сравнивают его эффективное значение с предварительно рассчитанным для данной ступени заданным значением, если эффективное значение тока статора превышает заданное значение, то изменение частоты тока статора прекращают, поддерживая ее постоянной до тех пор, пока эффективное значение тока не станет меньше заданного значения, повторяют указанные операции до тех пор, пока частота тока статора не будет соответствовать заданному числу оборотов двигателя, при этом направление изменения скорости частоты тока статора противоположно направлению изменения числа оборотов двигателя. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость изменения частоты тока статора устанавливают такой величины, при которой изменение числа оборотов двигателя до заданного значения осуществляется непрерывно. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость изменения частоты тока статора устанавливают такой величины, при которой изменение числа оборотов двигателя до заданного значения осуществляют по гирляндообразной кривой.РИСУНКИ
Рисунок 1