Scientific journal

Modern high technologies

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

В настоящее время одной из наиболее актуальных задач в области частотно-регулируемого электропривода (ЭП) переменного тока является снижение амплитуды и (или) повышение частоты пульсаций электромагнитного момента, развиваемого двигателем, особенно в диапазоне частот выходного напряжения инвертора, близких к нулю. К числу наиболее эффективных путей решения этой проблемы относятся увеличение числа фаз и сжато-симметрич­ное (при определенных числах фаз) исполнение системы электро­привода [1-11 и др.].

В подавляющем большинстве случаев многофазные (с числом фаз m_s>4) электродвигатели (ЭД) для частотно-управляемых приводов изготавливаются путем замены в стандартном 3-фазном двигателе статорной обмотки на обмотку с соответствующим чис­лом фаз. В этом случае число фаз и вариант исполнения (симметричное или сжато-симметричное) статорной обмотки ЭД и системы ЭП в целом выбирается исходя не только из требований, предъявляемых к технико-экономическим показателям привода, но и из числа пазов статора двигателя. Очевидно, что при этом число пазов статора ЭД в большинстве случаев является ограничительным фактором при выборе числа фаз и варианта исполнения системы ЭП, поскольку каждому числу пазов статора двигателя строго соответствует определенное множество чисел фаз и вариантов исполнения статорной обмотки.

В связи с этим довольно часто встречается ситуация [4, 5], когда проектировщику приходится останавливать свой выбор на некотором четном числе m_s.ч фаз ЭП (как правило, m_s.ч кратно 3) и симметричном исполнении статорной обмотки ЭД, несмотря на то, что в этом случае система привода по своим технико-экономическим показателям (и в первую очередь по диапазону регулирования скорос­ти вращения ротора электродвигателя) будет уступать аналогичным ЭП с нечетными значениями числа фаз (m_s.н), в том числе и ближайшими к m_s.ч, т.е. m_s.ч=m_s.н±1.

В тех случаях, когда при выбранном значении m_s=m_s.ч и симметричном исполнении статорной обмотки ЭД не обеспечивается желаемым диапазоном регулирования скорости вращения ротора двигателя, появляется необходимость разработки способов управления вентильными элементами инвертора, использование которых позволило бы при минимальных потерях мощности в преобразователе частоты и минимальной сложности системы управления вентилями инвертора понизить амплитуду и (или) увеличить частоту пульсаций электромагнитного момента, развиваемого частотно-управляемым электродвигателем переменного тока с симметричной обмоткой на статоре.

В данной работе описан один из таких способов управления вентильными элементами автономного инвертора (АИ) напряжения или тока в четнофазной (т.е. имеющей четное число фаз) системе «АИ - ЭД переменного тока с симметричной статорной обмоткой» с числом фаз

m_s=2(e+1)[2(k+1)+1],             (1)

Таблица 1

Значения числа фаз m_s=2(e+1)[2(k+1)+1]

Использующиеся в настоящее время многофазные симметричные статорные обмотки ЭД и соответствующие способы управления венти­льными элементами инвертора в четнофазных системах «АИ - ЭД пе­ременного тока» можно охарактеризовать с помощью соответствующих векторных диаграмм. В качестве примера на рис. 1 показаны векторные диаграммы фаз­ных обмоток статора ЭД на двойном полюсном делении (рис. 1,а) и фазных напряжений (токов) АИ (рис. 1, б) в 6-фазной симметричной системе «АИ - ЭД переменного тока».

На рис. 1 использованы следующие обозначения: - вектор i-ой фазы статорной обмотки ЭД; , - соответственно, векторы напряжения и тока i-й фазы АИ. Значения угловых смещений меж­ду векторами и (угол α), а также между векторами и и векторами и (угол β) равны

,                                          (2)

где .

Приведенные векторные диаграммы справедливы при любых типах статорной обмотки ЭД (полношаговой, с укороченным шагом, однослойной, многослойной и т.д.) и алгоритмах управления вентильными элементами преобразователя частоты
(180-градусном управлении, 150-градусном управлении, широтно-импульсной модуляции и т.д.). При 180-градусном управлении вентилями АИ приведенной выше векторной диаграмме (рис. 1,б) соответствуют следующие временные диаграммы фазных токов (напряжений) инвертора, представленные на рис. 2: на рис. 2,а - в 1-й фазе АИ; на рис. 2,б - во 2-й фазе; на рис. 2,в - в 3-й фазе и т.д.

Рис. 1. Векторные диаграммы фазных обмоток статора ЭД и фазных напряжений (токов) АИ
в 6-фазной симметричной системе «АИ - ЭД переменного тока» при классических способах управления инвертором: а - векторная диаграмма фазных обмоток статора ЭД на двойном полюсном делении; б - векторная диаграмма напряжений (токов) АИ; α=β=π/2

Рис. 2. Временные диаграммы фазных напряжений (токов) АИ в 6-фазной симметричной системе «АИ - ЭД переменного тока» при классических способах управления инвертором

На рис. 2 использованы следующие обозначения: x_i(t) - фазный ток i-ой фазы АИ в том случае, если АИ является инвертором тока (АИТ); x_i(t) - фазное напряжение i-ой фазы АИ в том случае, если АИ - инвертор напряжения (АИН);
  X- значение тока или напряжения (в зависимости от типа инвертора) на входе АИ; ω₀ - угловая часто­та основной гармоники фазного напряжения (тока) АИ; t - время.

Таким образом, при применяющихся сейчас способах управления вентильными элементами АИ в четнофазных системах «АИ - ЭД переменного тока с симметричной обмоткой статора» фазовые смещения между фазными напряжениями соседних фаз инвертора равны углам сдвига (на двойном полюсном делении) между фазными обмотками ЭД, т.е. α=β, а коэффициент сжатия [1] статорной обмотки ЭД (K_W) и системы выходных напряжений (токов) АИ (K_I) равны единице (K_W=K_I=1). Ниже в данной работе эти способы управления в дальнейшем будут именоваться «классическими».

В отличии от классических способов при предлагаемом способе управления равенство α=β нарушается, т.е. α≠β В этом случае α=2π/m, а система фазных напряжений АИ деформируется следующим образом. В ней выделяется четное число N=2(e+1) симметричных q_s - фазных подсистем, где q_s- нечётные числа, q_s=2(k+1)+1. Отсюда m_s=N·q_s. Причем

,                                          (3)

где ν - номер симметричной подсистемы, .

Между напряжениями (в случае АИН) или токами (в случае АИТ) первых фаз всех подсистем устанавливается фазовое смещение γ=π/m_s.

Для иллюстрации этого способа на рис. 3 приведены векторные диаграммы фазных обмоток статора ЭД на двойном полюсном делении (рис. 3,а) и фазных напряжений (токов) АИ (рис. 3, б) в 6-фазной системе «АИ - ЭД переменного тока». Здесь - вектор напряжения i- ой фазы АИ, если АИ является инвертором напряжения; - вектор тока i- ой фазы АИ, если АИ - инвертор тока.

Как видно из диаграмм, представленных на рис. 3, при данном способе управления инвертором коэффициент сжатия статорной обмотки ЭД K_W=1, а система фазных напряжений (токов) АИ является сжато-симметричной с коэффициентом сжатия K_I=2. Именно поэтому предлагаемый способ управления вентильными элементами автономного инвертора (АИ) напряжения или тока в четнофазной системе «АИ - ЭД переменного тока с симметричной статорной обмоткой» получил название «фазо-асимметричного управления».

При 180-градусном управлении вентильными элементами АИ и расщеплении статорной обмотки ЭД на две симметричные 3-фазные подсистемы обмоток [1] векторной диаграмме, приведенной на рис. 3,б, соответствуют временные диаграммы фазных напряжений (токов) АИ, представленные на рис. 4,а - 4,е. При этом на рис. 4,а показана временная диаграмма фазного напряжения (тока) АИ в 1-й фазе инвертора, на рис. 4,б - во 2-й фазе, на рис. 4,в - в 3-й фазе и т.д.

При переходе от классического способа управления инвертором к описанному выше не требуется вносить какие-либо изменения в силовую часть АИ или варьировать частоту работы вентильных элементов преобразователя частоты. Необходимо лишь соответствующим образом изменить алгоритм переключения вентилей АИ, т.е. моменты отпирания и запирания названных элементов. Очевидно, что при этом не произойдет увеличения потерь мощности в инверторе.

Рис. 3. Векторные диаграммы фазных обмоток статора ЭД и фазных напряжений (токов) АИ
в 6-фазной системе «АИ-ЭД переменного тока» при предлагаемом способе управления инвертором: а - векторная диаграмма фазных обмоток статора ЭД на двойном полюсном делении; б - векторная диаграмма фазных напряжений (токов) АИ; α=π/3; γ=π/6.

Рис. 4. Временные диаграммы фазных напряжений (токов) АИ в 6-фазной симметричной системе «АИ - ЭД переменного тока» при предлагаемом способе управления инвертором.

Результаты проведенных исследований [2-5 и др.] показали, что использование описанного способа управления АИ при всех значениях числа фаз системы «AИ - ЭД переменного тока», удовлетворяющих равенству (1), приводит к повышению частоты и к снижению размаха пульсаций электромагнитного момента, развиваемого ЭД. В результате повышается равномерность скорости вращения ротора ЭД и появля­ется возможность для расширения диапазона регулирования названной скорости вниз от ее номинального значения. Подробное изложение результатов этих исследований будет опубликовано в последующих работах авторов данной статьи.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Бражников А.В. Многофазный инверторный электропривод с различным исполнением ротора асинхронного двигателя // Диссертация канд. техн. наук, защищена 26.06.1985 г., № ГР 01830052658. - Красноярск, 1985. - 210 с.

2. Бражников А.В., Кочетков В.П. Многофазный частотно-регулируемый электропривод по системе АИН-АД // Сборник материалов VI Международной научно-технической конференции «ЕЛМА ‘90». - Варна (Болгария), 1990. - С. 44.

3. Бражников А.В., Кочетков В.П. Многофазный частотно-регулируемый электропривод по системе АИН-АД // Депонированная рукопись. - София (Болгария): ЦИНТИ Болгарии. - № ЕЛ-22-164/20.12.1990 ФНТД, рукопись № 12, 1990. - 10 с.

4. Бражников А.В. Повышение равномерности вращения ротора четнофазного частотно-управляемого электродвигателя // Сборник научных трудов «Повышение эффективности работы горного оборудования при освоении месторождений полезных ископаемых». - Красноярск: Издательство ГАЦМиЗ, 1995. -
С. 39-56.

5. Кочетков В.П., Бражников А.В., Дубровский И.Л. Теория электропривода. - Красноярск: Издательство КрПИ, 1991. - 140 с.

6. Brazhnikov A.V., Dovzhenko N.N., and Izmaylov. Prospects for Use of Multiphase Electric Drives in Field of Mining Machines // Proceedings of 3rd International Symposium on Mine Mechanization and Automation "MMA´ 95". - Golden, CO, U.S.A., 1995, vol. 1, pp. 13-13 - 13-23.

7. Brazhnikov A.V., and others. Improvement of Technical-and-Economic Characteristics of Drilling Rigs Owing to the Use of Multiphase Electric Drives // Proceedings of ISDT 16th Annual Technical Conference. - Las Vegas, NV, U.S.A., 1996. - 8 p.

8. Brazhnikov A.V., and Dovzhenko N.N. Advantages of Multiphase Electric Drives - Application in Drilling Rigs // Proceedings of 4th International Symposium on Mine Mechanization and Automation "MMA´ 97". - Brisbane, Queensland, Australia, 1997, vol. 1, pp. B4-37 - B4-42.

9. Klingshirn E. A. High Phase Order Induction Motors // IEEE Trans. Power Appar. and Syst., 1983, vol. 102, № 1, pp. 47-59.

10. Toliyat H. A., Shi R., and Xu H. Multi-phase Induction Motor Drive System and Method // U.S.A. Patent № US 6,426,605 B1. - Date of Patent: Jul. 30, 2002.

11. Ward E.E., and Hären H. Preliminary Investigation of Inventor-fed 5-phase Induction Motor // Proc. Inst. Elec. Eng., Jun. 1969,
vol. 116, № 6, pp. 980-984.