Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,899

PHASE-ASYMMETRICAL CONTROL OVER AC ELECTRIC MOTOR HAVING EVEN PHASE NUMBER

Brazhnikov A.V. Babin V.A. Gilev A.V. Belozyorov I.R.
The description of a non-traditional control over AC electric motor having even phase number more than five is presented. The use of this control mode allows increasing the motor speed changes range down from its nominal value.

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 ms>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 ms.ч фаз ЭП (как правило, ms.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 (ms.н), в том числе и ближайшими к ms.ч, т.е. ms.ч=ms.н±1.

В тех случаях, когда при выбранном значении ms=ms.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

ms=2(e+1)[2(k+1)+1],             (1)

при использовании которого появляется возможность расширить диапазон регулирования частоты вращения ротора ЭД вниз от номинального значения. Здесь e,k=0,1,2,3... Значение числа фаз ЭП, на которые распространяется предлагаемый способ управления инвертором, приведены в табл. 1 для , .

Таблица 1

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

e

k

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0

6

10

14

18

22

26

30

34

38

42

46

1

12

20

28

36

44

52

60

68

76

84

92

2

18

30

42

54

66

78

90

102

114

126

138

3

24

40

56

72

88

104

120

136

152

168

184

4

30

50

70

90

110

130

150

170

190

210

230

5

36

60

84

108

132

156

180

204

228

252

276

6

42

70

98

126

154

182

210

238

266

294

322

Упомянутый способ управления вентильными элементами АИ, подробное изложение которого представлено ниже, был назван авторами данной статьи «фазо-асимметричным управлением».

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: xi(t) - фазный ток i-ой фазы АИ в том случае, если АИ является инвертором тока (АИТ); xi(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 (KW) и системы выходных напряжений (токов) АИ (KI) равны единице (KW=KI=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 qs - фазных подсистем, где qs- нечётные числа, qs=2(k+1)+1. Отсюда ms=N·qs. 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/ms.

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 KW=1, а система фазных напряжений (токов) АИ является сжато-симметричной с коэффициентом сжатия KI=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.