Способ регулирования момента индукторной электрической машины

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в тяговых электродвигателях, в электрических машинах, предназначенных для работы в широком диапазоне изменения частоты вращения, в устройствах, в которых необходим большой пусковой момент. Техническим результатом является повышение гибкости управления индукторной электрической машины и обеспечение увеличения его вращающегося момента. Способ регулирования момента индукторной электрической машины заключается в формировании однополярного тока в фазной обмотке путем подачи на обмотку импульсов напряжения с помощью полупроводникового преобразователя частоты таким образом, чтобы фазный ток в процессе управления не уменьшался до нуля. Наличие постоянной составляющей тока в данной обмотке вызывает увеличение момента индукторной электрической машины. 4 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а точнее к способам управления индукторными электрическими машинами, имеющими зубчатый безобмоточный ротор и зубчатый статор, на котором расположены одна или несколько фазных обмоток, каждая из которых запитывается однополярными импульсами тока от полупроводникового преобразователя частоты. Предлагаемый способ регулирования может найти место в тяговых электродвигателях, в электрических машинах, предназначенных для работы в широким диапазоне изменения частоты вращения, в устройствах, в которых необходим большой пусковой момент.

Известен способ управления электрической машиной (см. патент США 4707650 от 17.11.87). В данном источнике заявляется микропроцессорная система управления, формирующая сигналы управления ключами преобразователя частоты.

Система управления позволяет регулировать интервалы включения и выключения ключей в зависимости от скорости вращения электрической машины и ее режима работы (двигательный или генераторный режим). При работе двигателя на высоких частотах в системе управления реализован способ регулирования вращающего момента за счет изменения угла опережения включения ключей. В этом случае двигатель работает в режиме постоянства мощности. При увеличении частоты вращения свыше критической, угол опережения достигает максимального значения и вращающий момент двигателя резко уменьшается.

Недостатком данного способа регулирования вращающего момента при работе на частотах вращения выше критической является резкое уменьшение выходной мощности электрической машины.

Известен также способ увеличения вращающего момента двигателя (см. патент России 2034393, кл. 6 Н 02 К 19/06 от 14.12.92). Увеличение вращающего момента двигателя происходит за счет подмагничивания магнитной системы электрической машины с помощью постоянных магнитов, размещенных в пазах полюсов статора. Намагниченность каждого магнита направлена согласно намагниченности полюса. Магнитный поток в зубцовой зоне такого двигателя определяется магнитным потоком фазных обмоток, питаемых однополярными импульсами тока, и потоком постоянных магнитов. Учитывая квадратичную зависимость вращающего момента от индукции магнитного поля, вращающий момент при возбуждении полюса будет значительно выше тормозного момента от постоянного магнита при обесточенной катушке. Регулирование вращающего момента в таком двигателе осуществляется изменением угла опережения и интервалов включения и выключения ключей.

Недостатком данного способа увеличения вращающего момента двигателя является усложнение конструкции двигателя за счет установки постоянных магнитов, невозможность регулирования степени подмагничивания. Кроме того, установка магнитов невозможна в двигателях, в которых катушки размещены на каждом зубце статора.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение гибкости управления индукторным двигателем и обеспечение возможности дополнительного увеличения вращающего момента двигателя при работе с максимальной частотой вращения.

Способ регулирования момента индукторной электрической машины, заключающийся в том, что формируют однополярный ток в фазной обмотке электрической машины с помощью полупроводникового преобразователя частоты путем подачи на обмотку одного или нескольких импульсов напряжения, в конце зоны подачи напряжения прикладывают один или несколько импульсов напряжения обратной полярности, в котором, согласно данного заявления, изменяют параметры импульсов напряжения, подаваемых на обмотку таким образом, чтобы минимальное значение фазного тока находилось в диапазоне 0,05I_max<I<0,45I, где I_max - максимальное значение фазного тока, I_min - минимальное значение фазного тока.

В дальнейшем изобретение поясняется со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показаны: - фиг.1 - схема силовых цепей одной фазы преобразователя частоты; - фиг.2 - механическая характеристика; - фиг.3 - фазный ток и фазное напряжение для первого варианта; - фиг.4 - фазный ток и фазное напряжение для второго варианта.

Для формирования фазных токов в обмотках индукторного двигателя с помощью преобразователя частоты подают сигналы управления на включение ключей Т1 и Т2 (см. фиг.1), к обмотке двигателя ОД в момент времени t₁ прикладывается напряжение источника питания U и в ней начинает нарастать ток i (см. фиг. 3). В конце зоны подачи положительного напряжения (момент времени t₂) закрываются ключи Т1 и Т2, к фазной обмотке двигателя через обратные диоды Д1 и Д2 прикладывается отрицательное напряжение источника питания и в ней начинает быстро спадать ток до нуля (момент времени t₃).

На фиг.2 показана механическая характеристика индукторного двигателя. В диапазоне частот вращения 0-₁ двигатель может работать с постоянным моментом (кривая 1), в диапазоне частот вращения ₁-_кр - двигатель работает в режиме постоянства мощности (кривая 2), при частоте вращения свыше _кр - выходная мощность машины резко уменьшается (кривая 3). При уменьшении напряжения питания этот эффект усугубляется, происходит еще большее снижение выходной мощности двигателя (кривая 4). Устранить снижение выходной мощности можно введением специального режима подмагничивания. На фиг.2 (кривая 5) показана механическая характеристика двигателя при частоте вращения свыше _кр, полученная с помощью режима подмагничивания.

Режим подмагничивания можно создать за счет: - увеличения длительности положительных импульсов напряжения, подаваемых на обмотку; - введения нулевой паузы в зоне действия отрицательного импульса напряжения; - уменьшения амплитуды отрицательных импульсов напряжения, либо увеличения амплитуды положительных импульсов напряжения, подаваемых на обмотку.

Следует отметить, что при работе в режиме подмагничивания угол опережения подачи первого положительного импульса напряжения должен быть не менее 70 электрических градусов, причем, чем больше степень подмагничивания, тем больше угол опережения. Для двигательного режима угол опережения отсчитывается от положения, при котором зубец статора расположен против паза ротора, для генераторного режима угол отсчитывается от положения, при котором зубец статора расположен против зубца ротора.

Для создания режима подмагничивания с помощью первого варианта, в момент времени t₄ к обмотке двигателя ОД прикладывается напряжение источника питания U, и в ней начинает нарастать ток i (фиг.3). В конце зоны подачи напряжения (момент времени t₅) закрываются ключи Т1, Т2, причем момент времени t₅ выбирается таким образом, чтобы интервал времени (t₅-t₄) был больше интервала времени (t₂-t₁). К фазной обмотке двигателя через обратные диоды Д1 и Д2 прикладывается отрицательное напряжение источника питания и в ней начинает быстро спадать ток. В момент времени t₆, к обмотке вновь прикладывается положительный импульс напряжения, несмотря на то, что фазный ток двигателя не снизился до нуля. Дальнейшая подача положительных импульсов напряжения увеличенной длительности будет вызывать еще большее увеличение минимального фазного тока, а следовательно, и вращающего момента двигателя. При достижении необходимого вращающего момента, регулируя длительность положительного импульса напряжения (t₅-t₄), стабилизируют, например, частоту вращения двигателя.

Для создания режима подмагничивания с помощью второго варианта, в момент времени t₁ к обмотке двигателя ОД прикладывается напряжение источника питания U, и в ней начинает нарастать ток i (фиг.4). В конце зоны подачи напряжения (момент времени t₂) закрываются ключи Т1, Т2, к фазной обмотке двигателя через обратные диоды Д1 и Д2 прикладывается отрицательное напряжение источника питания и в ней начинает быстро спадать ток. В момент времени t₃ (при ненулевом фазном токе), формируется импульс на дополнительное включение ключа T2, уменьшение тока замедляется, так как обмотка оказывается закороченной через T2 и Д1. В момент времени t₄, к обмотке вновь прикладывается положительный импульс напряжения, несмотря на то, что фазный ток двигателя не снизился до нуля. Дальнейшая подача отрицательных импульсов напряжения со специально введенной нулевой паузой в напряжении (t₄-t₃) будет вызывать еще большее увеличение минимального фазного тока, а следовательно, и вращающего момента двигателя. Введение нулевой паузы может быть осуществлено в любой момент времени в зоне действия отрицательного импульса напряжения (t₄-t₂). Для уменьшения коммутационных потерь в преобразователе частоты дополнительное включение ключа желательно осуществлять в конце зоны действия отрицательного импульса напряжения. В этом случае происходит коммутация минимального фазного тока.

Для создания режима подмагничивания с помощью третьего варианта, амплитуда положительных импульсов должна быть больше амплитуды отрицательных импульсов напряжения. При подаче на обмотку положительного импульса напряжения в ней начинает нарастать ток. После подачи отрицательного импульса напряжения меньшей амплитуды, фазный ток не успевает уменьшиться до нуля. Изменяя соотношение амплитуд положительных и отрицательных импульсов напряжения, регулируется степень подмагничивания двигателя.

Описанные варианты создания режима подмагничивания справедливы также и для генераторного режима. При этом, изменяя степень подмагничивания, регулируют выходную электрическую мощность в генераторном режиме.

Технический эффект настоящего изобретения состоит в расширении диапазона регулирования вращающего момента при работе на высоких частотах вращения за счет более гибкого управления ключами преобразователя частоты и создании режима подмагничивания, при котором фазный ток индукторной машины не уменьшается до нуля.

Формула изобретения

Способ регулирования момента индукторной электрической машины, заключающийся в том, что формируют однополярный ток в фазной обмотке электрической машины с помощью полупроводникового преобразователя частоты путем подачи на обмотку одного или нескольких импульсов напряжения, в конце зоны подачи напряжения прикладывают один или несколько импульсов напряжения обратной полярности, отличающийся тем, что изменяют параметры импульсов напряжения, подаваемых на обмотку, таким образом, чтобы минимальное значение фазного тока находилось в диапазоне 0,05I_max<I<0,45I, где I_max - максимальное значение фазного тока, I_min - минимальное значение фазного тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4