close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY9153

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 9153
(13) C1
(19)
(46) 2007.04.30
(12)
7
(51) F 25B 49/02
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
КОМПРЕССОРА ХОЛОДИЛЬНИКА
(21) Номер заявки: a 20041035
(22) 2004.11.15
(43) 2006.06.30
(71) Заявитель: Закрытое акционерное
общество "Атлант" (BY)
(72) Авторы: Шафранский Валентин
Иванович; Занько Александр Фомич; Коптур Иван Иванович (BY)
(73) Патентообладатель: Закрытое акционерное общество "Атлант" (BY)
(56) WO 98/15790 A1.
RU 2141720 C1, 1999.
JP 02228289 A, 1990.
BY 9153 C1 2007.04.30
(57)
Устройство для управления трехфазным синхронным двигателем компрессора холодильника, содержащее соединенный с сетью переменного тока через контакт датчика температуры выпрямитель, к выходу которого подключены конденсатор и инвертор
напряжения, питающий трехфазный синхронный двигатель и управляемый блоком управления с широтно-импульсной модуляцией, задатчик частоты вращения двигателя, выход
которого подключен к одному из входов блока управления, и источник питания цепей
управления, отличающееся тем, что содержит датчик тока, включенный в одну из фаз
синхронного двигателя, и датчик напряжения, включенный между двумя другими его фазами, выходами соединенные с соответствующими входами блока управления, выполненного с возможностью по произведению сигналов упомянутых датчиков управлять
длительностью сигналов широтно-импульсной модуляции, влияющей на выходное напряжение инвертора, частота которого задается задатчиком частоты вращения двигателя.
BY 9153 C1 2007.04.30
Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано в бытовых
холодильниках.
Известно устройство для управления работой компрессора холодильника. Оно содержит источник переменного тока, выпрямитель, на выходе которого получают постоянный
ток, преобразуемый с помощью инвертора в трехфазный переменный ток, служащий для
питания двигателя компрессора. Инвертор управляется блоком управления [1] - аналог.
Основной недостаток устройства - неэкономичная работа двигателя, так как в нем не поддерживается минимальное значение тока статора, в результате чего увеличиваются электрические потери.
Известно также устройство для регулирования частоты вращения синхронного двигателя компрессора. Оно содержит датчик температуры релейного типа, включенный последовательно в цепь питания выпрямителя, к выходу которого подключен конденсатор в
качестве фильтра и инвертор напряжения преобразующий постоянный ток выпрямителя в
трехфазный переменный ток, служащий для питания трехфазного синхронного магнитоэлектрического двигателя (с постоянным магнитом). Инвертор управляется блоком управления, имеющим генератор сигналов широтно-импульсной модуляции, с помощью
которых формируется выходное напряжение инвертора, по форме близкое к синусоиде. В
рабочем режиме разрешающие сигналы на открытие ключей инвертора формируются по
сигналам, снимаемым с обмотки статора таким образом, чтобы поддерживать определенное значение угла между осями магнитного потока ротора и магнитодвижущей силы статора, то есть, как и в вентильном двигателе, имеющем датчик положения ротора. При
таком управлении частота вращения двигателя определяется выходным напряжением инвертора, напряжение регулируется путем фазового управления выпрямителем. Поэтому
задатчик частоты вращения через блок управления регулирует угол открывания выпрямителя [2] - прототип. Основной недостаток этого устройства - неэкономическая работа двигателя, что объясняется следующим образом.
Момент, создаваемый двигателем [3]:
(1)
M = cФFsinθ,
где с - коэффициент;
Ф - магнитный поток ротора;
F - магнитодвижущая сила (МДС) статора;
θ - угол между осями Ф и F.
Как видно из (1), оптимальное значение угла θ равно 90°, следовательно, при заданном
моменте и магнитном потоке ротора МДС статора и создающий ее ток статора минимальны. В этом случае минимальны и электрические потери, пропорциональные квадрату этого тока.
В прототипе и аналоге отсутствует датчик положения ротора, поэтому значение угла θ
определяется косвенно через напряжение обмотки статора, которое согласно [4]:
& = −(E& + E& + E& ) + &IR .
U
0
a
s
(2)
где Е0 - электродвижущая сила (ЭДС), индуктированная магнитным потоком Ф;
Еа - ЭДС, индуктированная магнитным потоком реакции якоря, зависящим от тока
статора I;
Es - ЭДС, индуктированная магнитным потоком рассеяния, зависящим также от тока I;
R - активное сопротивление обмотки статора.
Истинное значение угла θ можно было бы определить через ЭДС Е0, но даже в случае
использования специальной измерительной обмотки, не подключенной к инвертору, ее
нельзя выделить из ЭДС обмотки статора, которая равна сумме ЭДС в скобках уравнения (2):
E& = E& 0 + E& a + E& s .
2
(3)
BY 9153 C1 2007.04.30
Как видно из векторной диаграммы [4] ЭДС статора Е, определяемая уравнением (3),
отличается не только по величине от ЭДС Е0, характеризующей магнитный поток ротора
и его положение в пространстве, но и сдвинута относительно ЭДС Е0 на некоторый угол
θе0. Все ЭДС в (3) пропорциональны частоте инвертора f, следовательно, и частоте вращения двигателя:
f
n=
(4)
p
где р - число пар полюсов,
а ЭДС Еа и Es пропорциональны еще и току статора, поэтому угол θе между ЭДС Е0 и Е
изменяется в зависимости от нагрузки, частоты и от степени возбужденности двигателя
ε = E0/U. Последнее обстоятельство объясняется тем, что в этом случае изменяется по величие и знаку угол ψ между векторами тока статора &I и ЭДС возбуждения E& 0 , поэтому
изменяется положение векторов E& , E& и &IR относительно E& .
a
s
0
Таким образом, при использовании сигналов ЭДС или напряжения обмотки статора
невозможно измерить истинное значение угла θ, поэтому невозможно получить оптимальное значение угла θ, равное 90°, в (1), что приводит к увеличению МДС статора F,
следовательно, тока статора I и электрических потерь в нем ∆Р = 3 I2R.
Техническая задача, решаемая изобретением, - уменьшение потерь и увеличение коэффициента полезного действия (КПД) двигателя компрессора холодильника.
Поставленная задача решается тем, что устройство для управления трехфазным синхронным двигателем компрессора холодильника, содержащее соединенный с сетью переменного тока через контакт датчика температуры выпрямитель, к выходу которого
подключены конденсатор и инвертор напряжения, питающий трехфазный синхронный
двигатель и управляемый блоком управления с широтно-импульсной модуляцией, задатчик частоты вращения двигателя, выход которого подключен к одному из входов блока
управления, и источник питания цепей управления, содержит датчик тока, включенный в
одну из фаз синхронного двигателя, и датчик напряжения, включенный между двумя другими его фазами. Выход каждого из этих датчиков соединен с соответствующим входом
блока управления, который по произведению их сигналов создает регулирующее воздействие на длительность сигналов широтно-импульсной модуляции, влияющую на выходное напряжение инвертора, частота которого задается задатчиком частоты вращения.
При таком конструктивном выполнении устройства для управления трехфазным синхронным двигателем коэффициент мощности двигателя cosϕ стремится к единице, поэтому, как видно из выражения для активной мощности:
Р = 3UIcosϕ,
где I, U - фазные значения соответственно тока и напряжения,
ток двигателя:
P
I=
3U
будет минимальный. Следовательно, будут минимальны и электрические потери двигателя.
На приведенной функциональной схеме устройства для управления трехфазным синхронным двигателем компрессора холодильника выпрямитель 1 соединен с сетью переменного тока 2 через контакт 3 датчика температуры 4. На выпрямленное напряжение
выпрямителя 1 подключены фильтр в виде конденсатора 5 и инвертор напряжения 6, выполненный по известной трехфазной мостовой схеме, в которой ключами являются транзисторы. На выходное напряжение инвертора 6 включен трехфазный синхронный двигатель 7.
Одна из фаз двигателя 7 соединена с инвертором 6 через датчик тока 8. На зажимы двух
других фаз двигателя 7 включен датчик напряжения 9. Цепи управления транзисторов (не
3
BY 9153 C1 2007.04.30
показаны) инвертора 6 соединены с выходом блока управления 10, один из входов которого подключен к выходу датчика частоты 11, другой вход - к выходу датчика напряжения 9
и третий - к выходу датчика тока 8. Задатчик частоты 11 и блок управления 10 запитаны
от источника питания 12, к которому могут быть подключены и датчики 8 и 9, если это
требуется по их конструкции.
Устройство работает следующим образом после замыкания контакта 3 датчика температуры 4. По сигналу задатчика частоты 11 блок управления 10 формирует разрешающие
сигналы на открытие транзисторов инвертора 6, длительность которых
τ=
T
1
=
,
2 2f
1
- период выходного напряжения инвертора 6,
f
f - частота инвертора 6.
Эти сигналы по определенному алгоритму подаются на управляющие цепи транзисторов инвертора 6, благодаря чему он преобразует постоянное напряжение в переменное
трехфазное частоты f. Генератор сигналов широтно-импульсной модуляции (ШИМ) блока
управления 10 имеет частоту fm значительно большую частоты инвертора f, поэтому внутри разрешающего сигнала длительностью τ действует несколько сигналов ШИМ с разной
1
. Соотношение длительности сигналов ШИМ выбрано так, чтобы
длительностью t i ≤
fш
получить выходное напряжение инвертора 6, близкое к синусоиде.
В двигателе 7, подключаемом к инвертору 6, создается вращающее магнитное поле,
частота вращения которого:
f
n0 = ,
p
где р - число пар полюсов двигателя.
Это магнитное поле увлекает за собой ротор двигателя 7, поэтому его частота вращения:
f
n = n0 = .
p
В общем случае ток двигателя 7 сдвинут относительно его напряжения на некоторый
угол ϕ, поэтому если начало отсчета времени принять в тот момент, когда напряжение в
фазе с датчиком тока 8 изменяется по закону:
где T =
u = Umsinωt,
где Um - амплитуда напряжения,
ω = 2πf - угловая частота,
t - время,
то ток в этой фазе будет изменятся по закону:
i = Imsin(ωt-ϕ),
где Im - амплитуда тока.
Выходной сигнал датчика тока 8:
U8 = KIImsin(ωt-ϕ),
где K - коэффициент преобразования датчика тока 8.
Напряжения в двух других фазах сдвинуты относительно напряжения фазы с датчиком тока 8 соответственно на 120 и 240 градусов, поэтому входное напряжение датчика
напряжения 9 изменяется по закону:
4
BY 9153 C1 2007.04.30
U вх = U m [sin (ωt − 120 ) − sin (ωt − 240 )] = − 3U m cos ωt
Выходное напряжение датчика напряжения 9
U 9 = − 3U m K U cos ωt ,
где KU - коэффициент преобразования датчика напряжения 9.
Выходные сигналы датчика тока 8 и датчика напряжения 9 в блоке управления 10 преобразуются по следующему алгоритму.
1) Находится произведение мгновенных значений выходных сигналов датчика тока 8
и датчика напряжения 9
3
П M = U8 U 9 = −
U m I m K U K I [sin (2ωt − ϕ) − sin ϕ] .
2
2) Из произведения ПM выделяется постоянная составляющая
A=
3
U m I m K U K I sin ϕ .
2
3) Находится произведение амплитудных значений выходных сигналов датчика тока 8
и датчика напряжения 9
П A = 3U m I m K U K I .
4) Находится частное от деления
Д=
А
0,5 3U m I m K U K I sin ϕ
=−
= 0,5 sin ϕ .
ПМ
3U m I m K U K I
5) Сигнал Д является регулирующим воздействием на длительность сигналов ШИМ,
от которой зависит выходное напряжение инвертора. При Д больше 0, когда угол ϕ меньше 0 и двигатель потребляет реактивный ток
Iр = Isinϕ (I - полный ток),
длительность сигналов ШИМ и выходное напряжение инвертора уменьшается. При
сигнале Д, равном нулю, когда угол ϕ равен 0 и реактивный ток Ip равен нулю, регулирующее действие сигнала Д прекращается. При Д меньше 0, когда угол ϕ меньше 0, двигатель отдает реактивный ток, поэтому сигнал Д действует на увеличение длительности
сигналов ШИМ и выходного напряжения инвертора, поэтому и в этом случае реактивный
ток двигателя Ip равен нулю. Так как реактивный ток двигателя равен нулю, то его полный
ток
I = Ia2 + I 2p = Ia ,
P
- активный ток,
3U
имеет минимальное значение. Следовательно, минимальны и электрические потери.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении примененные датчик тока,
включенный в одну из фаз синхронного двигателя и датчик напряжения, включенный между двумя другими его фазами, выходные сигналы которых преобразованы блоком управления по определенному алгоритму, позволяют регулировать выходное напряжение
инвертора так, что двигатель потребляет минимальный ток без реактивной составляющей.
Благодаря этому электрические потери двигателя уменьшаются, а его КПД увеличивается.
где Ia =
5
BY 9153 C1 2007.04.30
Источники информации:
1. JP 3007087 В2 (Мицубоси дэнси КК) 2000.
2. WO 98/15790 (DANFOSS. A/S), 1998.
3. Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств. - М.: Высшая
школа. - 1988. - С. 218.
3. Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств. - М. Высшая
школа. - 1988. - С. 106-107.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
99 Кб
Теги
by9153, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа