Частотный электропривод на базе двухфазного асинхронного электродвигателя тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Белоусов Алексей Сергеевич

• Белоусов Алексей Сергеевич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Белоусов Алексей Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ РАЗВИТИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА БАЗЕ ДВУХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

1.1 Этапы развития двухфазного асинхронного двигателя

1.2 Преобразователи частоты, адаптированные для работы с двухфазным асинхронным двигателем

1.3 Выводы

2. ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА БАЗЕ ДВУХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

2.1 Математическое описание двухфазного асинхронного двигателя

2.2 Математическое описание двухфазного асинхронного двигателя с учетом потерь в магнитопроводе

2.3 Математическое описание двухфазного асинхронного двигателя при неортогональности обмоток статора

2.4 Моделирование прямого пуска двухфазного асинхронного двигателя

2.5 Выводы

3 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА БАЗЕ ДВУХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

3.1 Разработка скалярных систем управления на основе синусоидальной широтно-импульсной модуляции

3.2 Пространственно-векторная широтно-импульсная модуляция электропривода на базе двухфазного асинхронного двигателя

3.3 Прерывистая пространственно-векторная модуляция трехстоечного инвертора

3.4 Система векторного управления двухфазным электроприводом

3.6 Выводы

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА БАЗЕ ДВУХФАЗНОГО ДВИГАТЕЛЯ

4.1 Описание объекта исследования и экспериментальной установки

4.2 Эксперимент прямого пуска двигателя

4.3 Эксперимент с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией

4.4 Эксперимент с релейным регулятором тока

4.5 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Патент на изобретение

159

148

146

139

145

137

134

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Математическая модель двухфазного асинхронного двигателя

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Имитационная модель двухфазного двигателя в MATLAB

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Имитационная модель двухфазного двигателя с

пространственно-векторной двухстоечного инвертора в MATLAB Simulink

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Имитационная модель двухфазного двигателя с

пространственно-векторной трехстоечного инвертора в MATLAB Simulink

ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Имитационная модель двухфазного двигателя с пространственно-векторной четырехстоечного инвертора в MATLAB Simulink 167 ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. Алгоритм управления трехстоечным инвертором для

двухфазного двигателя на основе релейных регуляторов тока

ПРИЛОЖЕНИЕ И. Экспериментальные исследования электропривода на базе

двухфазного асинхронного двигателя

ПРИЛОЖЕНИЕ К. Акт об использовании результатов диссертационной работы

161

Simulink

162

173

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Частотный электропривод на базе двухфазного асинхронного электродвигателя»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Одним из способов повышения энергоэффективности оборудования, выполняющего сложные технологические операции, является применение регулируемых электроприводов. Электроприводы на базе двухфазного асинхронного двигателя находят применение на сверлильных и намоточных станках, широко используются в бытовой технике, где также применяются и другие системы электропривода. Перспективной областью применения двухфазных частотно-регулируемых асинхронных электроприводов являются промышленные и мобильные роботы, а также мехатронные системы. Следует отметить, что большое количество применяемых в настоящее время электроприводов переменного тока средней и малой мощности, все еще являются нерегулируемыми, и они выполняются в основном на базе однофазных конденсаторных двигателей. На механизмах, где регулирование скорости является неотъемлемой задачей, часто применяются двигатели постоянного тока, имеющие ненадежный щеточно-коллекторный узел. Переход к использованию частотно регулируемых электроприводов на базе двухфазного асинхронного двигателя требует разработки специализированных преобразователей частоты и систем управления. Известны схемы силовой части тири-сторных преобразователей, в том числе непосредственных преобразователей частоты, а также преобразователей частоты со звеном постоянного тока и транзисторным инвертором напряжения. В этом случае возможны три варианта конструкции инвертора: с двумя, тремя и четырьмя стойками. Перспективным для управления двухфазным двигателем является применение широко используемого в трехфазных электроприводах трехстоечного инвертора, выпускаемого промышленностью в виде скомпонованного модуля, который при его работе в двухфазном электроприводе должен иметь специализированный алгоритм управления. Именно создание эффективного алгоритма управления преобразователем является важнейшей задачей при разработке частотно-регулируемого электропривода на базе двухфазного двигателя с векторным управлением. При построении системы векторного

управления двухфазным электроприводом не требуются координатные преобразования, выполняемые в системах векторного управления трехфазным асинхронным двигателем, что упрощает алгоритм управления.

Степень разработанности темы исследования. Проблемам разработки преобразователя частоты и системы управления для двухфазного электропривода посвящены труды российских ученых Е.В. Качалиной, В.Я. Беспалова, М.И. Стальной, А.В. Аристова, а также многих зарубежных, таких как D. Jang, M. Popescu, L.C. Tomaselli, B. Dobrucky, M. Prazenica, S. Ziaeinejad, Y. Kumsuwan и др. Российские ученые отмечали сферу применения регулируемых двухфазных приводов в тяговых механизмах, в первую очередь электротранспорте, основным направлением для них стали разработки тиристорных непосредственных преобразователей частоты. Зарубежные научные сообщества видят сферу применения двухфазных двигателей в области замены нерегулируемых однофазных двигателей и посвящают свои работы различным алгоритмам систем управления преобразователей частоты: широтно-импульсной модуляции, прямому управлению моментом. Системы управления на основе релейных регуляторов тока для двухфазных электроприводов ранее не исследовались.

Объектом исследования является система электропривода малой мощности с двухфазным асинхронным двигателем, применяющаяся в станкостроительной промышленности и бытовых механизмах.

Предметом исследования является система векторного управления электропривода на основе релейных регуляторов токов статора двухфазного асинхронного двигателя.

Цель диссертационной работы. Создание энергоэффективной системы управления маломощным электроприводом на базе двухфазного асинхронного двигателя с низкой частотой коммутации ключей инвертора и малыми гармоническими искажениями, вносимыми преобразователем в электрическую сеть.

Идея работы заключается в создании регулируемых частотных электроприводов на базе двухфазных асинхронных двигателей, применяемых в маломощных бытовых и промышленных механизмах, с векторным и скалярным управлением,

позволяющим осуществлять регулирование скорости двигателя в широком диапазоне, при малых гармонических искажениях и сниженной частоте коммутаций за счет применения релейных регуляторов токов статора.

Задачи работы:

1. Провести анализ применения двухфазных асинхронных двигателей и регулируемых электроприводов на их основе, выявить основные требования, предъявляемые к ним, их недостатки и особенности известных систем управления для данного типа двигателей.

2. Разработать систему управления электроприводом с двухфазным асинхронным двигателем, позволяющую снизить частоту коммутаций и улучшить гармонический состав токов статора во всем диапазоне регулирования по сравнению с известными системами управления.

3. Разработать способ управления двухфазным электроприводом переменного тока за счет регулирования частоты и амплитуды тока в двух обмотках с помощью трехфазного инвертора.

4. Разработать преобразователь частоты для двухфазного электропривода, выполненный на основе известной конструкции трехфазного инвертора, предназначенный для питания регулируемым напряжением двухфазного асинхронного двигателя, а также однофазного двигателя, с обеспечением широкого диапазона регулирования скорости двигателей.

5. Разработать векторную систему управления двухфазным электроприводом, не требующую координатных преобразований из трехфазной системы в двухфазную и наоборот, и позволяющую с максимальной эффективностью использовать активную мощность однофазного или несимметричного двухфазного двигателя.

Методы исследования

Для решения поставленных задач применялись теории электрических цепей, автоматического управления, методы спектрального анализа. Для исследований было использовано компьютерное моделирование в специализированных про-

граммных оболочках MATLAB/Simulink и EMBED SolidThinking. Оценка адекватности компьютерных моделей выполнялась постановкой экспериментальных опытов.

Научная новизна работы:

1. Разработана система электропривода с двухфазным асинхронным двигателем и векторным частотно-токовым управлением, обеспечивающим регулирование момента и скорости двигателя, отличающаяся непосредственным управлением мгновенными значениями тока статора двигателя и отсутствием блоков координатных преобразований переменных двигателя из трехфазной системы координат в неподвижную ортогональную систему координат и наоборот.

2. Разработан алгоритм управления преобразователем частоты с трехстоеч-ным инвертором напряжения, питающим двухфазный асинхронный двигатель, на основе релейных регуляторов тока, отличающийся сохранением синусоидальной формы токов статора на низких скоростях и снижением числа коммутаций силовых транзисторов за счет поддержания протекания токов двух фаз статора по наиболее оптимальному пути в цепи инвертора и обмотках двигателя в зависимости от текущих мгновенных значений.

3. Разработан электропривод на базе асинхронного двигателя с основной и вспомогательной однофазными обмотками, позволяющий осуществлять регулирование скорости, отличающийся отсутствием фазосмещающего конденсатора и применением преобразователя частоты с нерегулируемым выпрямителем и трехстоеч-ным инвертором, к двум стойкам которого подключаются начала основной и вспомогательной обмоток двигателя, а к третьей - концы обмоток двигателя, соединенные в общую точку.

Теоретическая значимость работы:

- представлено исследование математического описания двухфазного асинхронного двигателя, а также влияния допущений, связанных с нессиметрично-стью, неортогональностью обмоток статора и учетом потерь в стали магнитопро-вода, в котором итоговые математические уравнения двухфазного двигателя выводятся из исходных уравнений, характерных для всех двигателей переменного тока,

что позволяет выводить новые уравнения двухфазного двигателя, связанные с учетом не учитывавшихся ранее допущений;

- выполнено сравнение результатов моделирования известных ранее алгоритмов управления электроприводом с двухфазным асинхронным двигателем на основе синусоидальной широтно-импульсной модуляции, пространственно-векторной модуляции для двух-, трех- и четырехстоечных инверторов, прерывистой пространственно-векторной модуляции;

- разработан алгоритм коммутации ключей трехстоечного инвертора в составе преобразователя частоты двухфазного электропривода на основе релейных регуляторов токов, позволяющий поддерживать синусоидальную форму токов статора двигателя в области низких частот и имеющий меньшую частоту коммутации транзисторов инвертора по сравнению с прочими системами управления, что доказано в ходе математического моделирования и проведения экспериментов.

Практическая значимость работы:

- разработана система векторного управления двухфазным асинхронным двигателем с релейными регуляторами тока, в которой доля высокогармонических составляющих в спектре токов статора на 6,3 % ниже, чем в системе с синусоидальной широтно-импульсной модуляцией;

- разработан преобразователь частоты с энергоэффективной системой управления, обеспечивающий расширенный диапазон регулирования скорости двигателя от 10% до 100 % от номинального значения, заменяющий систему конденсаторного управления однофазным двигателем с двумя обмотками, применяемым на вертикально-сверлильном станке.

Достоверность результатов и выводов подтверждается путем проведения экспериментальных исследований, доказывающих возможность широкого регулирования скорости двигателя под нагрузкой при сохранении синусоидальной формы токов статора и малой доли гармонических искажений, и совпадением результатов этих исследований с теоретическими прогнозами.

Положения, выносимые на защиту:

- структурные схемы двухфазного асинхронного двигателя и основные

закономерности, характеризующие его работу с учетом допущений, имеющие наглядный и удобный вид для выполнения структурных преобразований, результаты их анализа, имитационные модели и результаты компьютерного моделирования систем электропривода с релейно-контакторным, векторным и скалярным частотным управлением;

- основные закономерности, зависимости и графики, характеризующие работу скалярных и векторных систем асинхронного электропривода с преобразователями частоты, реализующими алгоритмы коммутации двух-, трех-, четырех-стоечного инверторов напряжения на основе синусоидальной ШИМ, пространственно-векторной ШИМ, релейных регуляторов токов в результате аналитических исследований и компьютерного моделирования;

- способ управления двухфазным электроприводом переменного тока с помощью трехфазного мостового инвертора, защищенный патентом на изобретение;

- разработанный алгоритм управления трехстоечным инвертором двухфазного электропривода на основе релейных регуляторов токов, эффективность которого была доказана в результате компьютерного моделирования и экспериментальных исследований;

- результаты экспериментальных исследований пуска и работы под нагрузкой однофазного двигателя, подключенного напрямую к сети, а также пуска и регулирования под нагрузкой двухфазного двигателя, подключенного к преобразователю частоты, реализующему алгоритмы синусоидальной ШИМ и релейного регулирования токов, в виде электромеханических, рабочих характеристик двигателя и графиков синусоид токов статора.

Реализация результатов работы. Диссертация выполнена в ФГБОУ ВО «Липецкий государственный технический университет» (ЛГТУ). Результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены в АО «РИФ», г. Воронеж.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее результаты представлялись и обсуждались на XII Международной научно-практической конференции «Современные сложные системы управления» (Липецк, 2017);

XXVII Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии» ИСТ-2021 (Нижний Новгород, 2021); 1st International Conference on Control Systems, Mathematical Modelling, Automation and Energy Efficiency (SUMMA) (Russia, Lipetsk, 2019); 2nd International Conference on Control Systems, Mathematical Modelling, Automation and Energy Efficiency (SUMMA) (Russia, Lipetsk, 2020); 20th International Ural Conference on AC Electric Drives (ACED) (Russia, Ekaterinburg, 2021); 3rd International Conference on Control Systems, Mathematical Modelling, Automation and Energy Efficiency (SUMMA) (Russia, Lipetsk, 2021).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 19 печатных работ, из которых 4 - в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 4 статьи в электронном издании IEEE, рецензируемом наукометрической базой Scopus, 5 тезисов докладов на конференциях, 1 патент на изобретение.

Структура и объем данных. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка, включающего 101 наименование, и 9 приложений. Общий объем работы - 173 страницы. Основная часть изложена на 158 страницах текста, содержит 95 рисунков, 95 формул, 13 таблиц.

1 АНАЛИЗ РАЗВИТИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА БАЗЕ ДВУХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

1.1 Этапы развития двухфазного асинхронного двигателя

В настоящее время не вызывает сомнения тенденция замены нерегулируемых электрических приводов регулируемыми, охватывающая не только крупные промышленные механизмы, но и отдельные узлы устройств малой мощности, и даже бытовые электроприборы. Этому способствуют два основных условия современности: необходимость экономии энергоресурсов за счет снижения их потребления путем повышения энергоэффективности электроприемников и стремительное развитие рынка изделий на основе полупроводниковых материалов и микропроцессорной техники. Даже небольшое снижение темпов производства полупроводников и микроэлектронных компонентов значительно повышает их цену, что лишь подчеркивает всеобщий спрос на них, обусловленный необходимостью их применения во всех новых сферах промышленности и домашнего хозяйства. Вместе с тем спрос на полупроводники и микропроцессоры является отчасти лишь отражением спроса на регулирование потребляемой мощности электрических устройств с минимальными потерями.

Почти во всех крупных промышленных установках уже завершена замена на регулируемые электроприводы, во многих случаях ведется их постоянная модернизация с целью применения наиболее современных систем управления, всё более снижающих возникающие потери. Однако, еще существуют отрасли, где применение регулируемых приводов охватило лишь недостаточно малую часть устройств, требующих подобной замены. Это область тяговых механизмов, где еще господствуют двигатели постоянного тока, а также сфера маломощных промышленных и бытовых электроприборов, где применяются нерегулируемые однофазные двигатели.

Строго говоря, однофазные асинхронные двигатели (в иностранной литературе single-phase induction motors - SPIM) не являются однофазными в чистом виде,

а имеют вторую обмотку статора, которая повернута относительно первой на 90° и в которой фаза питающего напряжения смещена относительно первой на 90 электрических градусов. Ротор у них, как правило, короткозамкнутый. Если смещение фазы второй обмотки обеспечивается подключением к первой через фазосмещаю-щий конденсатор, то такой двигатель называют конденсаторным. Без второй обмотки в двигателе не возникает вращающее поле, создающее пусковой момент, следовательно, пуск машины не будет возможен. Однако после запуска и выхода на скорость, близкую к номинальной, вторую обмотку однофазного двигателя можно отключить для снижения потребляемой мощности. В этом случае говорят о пусковой обмотке (start winding) и пусковом конденсаторе. Но в других случаях, наоборот, важно поддерживать высокую мощность двигателя, для чего вторая обмотка не отключается, а остается постоянно включенной через рабочий конденсатор. В этом случае первую обмотку называют основной (main winding), вторую -вспомогательной (auxiliary winding), а для обеспечения большего пускового момента в момент пуска параллельно рабочему конденсатору подключается пусковой [1, 2]. Такие двигатели остаются нерегулируемыми, для обеспечения рабочих процессов они могут работать в повторно-кратковременных режимах, а в отдельных случаях они имеют различные релейные схемы, обеспечивающие их реверс.

Если же вспомогательная обмотка подключается к своему отдельному источнику питания, а не через источник питания основной обмотки, то такой двигатель называют двухфазным. Таким образом, если обеспечить регулирование однофазного двигателя путем раздельного подключения его обмоток через преобразователь частоты (ПЧ), то необходимо говорить уже о частотном асинхронном электроприводе на базе двухфазного двигателя (в иностранной литературе two-phase induction motor - TPIM).

Заметим, что если двухфазный асинхронный двигатель будет иметь столько же пазов статора для распределенной обмотки, сколько и аналогичный по мощности трехфазный двигатель, то на одну его фазу будет приходиться в полтара раза больше пазов. Число пазов одной фазы напрямую связано с числом пар полюсов. Таким образом получается, что при сохранении полезной мощности у двухфазного

асинхронного двигателя скорость вращения поля меньше, а пусковой момент больше, чем у аналогичного трехфазного двигателя.

Первый двухфазный асинхронный двигатель (ДАД) был изобретен на год раньше трехфазного. В 1888 году была опубликована статья Г. Феррариса с предположением о небольшом кпд асинхронных машин на примере двухфазного двигателя, а Н. Тесла получил патент [3] на изобретение многофазного, в первую очередь, двухфазного двигателя. Год спустя Доливо-Добровольский изобрел трехфазный асинхронный двигатель (ТАД), имевший неоспоримые конструктивные и функциональные преимущества перед двухфазными машинами, что не дало им широкого распространения. Преимущества заключались в применении распределенных обмоток статора и беличьего колеса в отличии от сосредоточенных обмоток двухфазного двигателя Н. Теслы, что улучшало пусковые характеристики и устраняло зависимость пускового момента от начального положения ротора. Кроме того, ДАД требовали четырехпроводные электрические сети. И хотя в последующем двухфазные двигатели стали выпускаться с той же конструкцией, что и трехфазные, более-менее широкое распространение они получили лишь в США и Японии.

Маломощные ДАД подходили для бытовых однофазных сетей [4, 5], но в мощных устройствах, требующих подключения к трехфазной сети, были необходимы дополнительные преобразователи числа фаз. Для получения двухфазного напряжения от трехфазного источника была разработана схема Скотта подключения однофазных трансформаторов. В Японии она применяется для питания контактной сети железных дорог. В США двухфазные двигатели и двухфазные электрические сети производились компанией «Westinghouse Electric», но уже в начале XX века оказались вытеснены трехфазными. Небольшие ДАД массово использовались в сервомеханизмах до середины XX века [6], но затем были заменены на легкие в управлении двигатели постоянного тока (ДПТ).

К новым разработкам ДАД и их систем управления (СУ) не приступали до конца XX века. Во-многом это связано с тем, что для питания двухфазных электроприводов от трехфазной сети и их регулирования требовалась довольно сложная и

быстродействующая СУ. При этом до резкого скачка в производстве ПЧ в регулируемых электроприводах в основном использовались ДПТ, а в нерегулируемых -ТАД с короткозамкнутым ротором. Подкупала простота СУ ДПТ, заменять их на асинхронные двигатели с питанием от ПЧ начали всего пару десятилетий назад, а на многих агрегатах, требующих широкого регулирования скорости, они используются до сих пор. Потому идея о внедрении ДАД долгое время выглядела нецелесообразной, и исследования СУ для них не проводились.

Тем не менее периодически выходили патенты, в которых описывались принципиально новые структуры двухфазного двигателя. Примером может служить патент [7], вышедший в 1978 году. Ротор представляет собой плоский диск, по обеим сторонам которого расположены полюса статора с обмотками. С каждой стороны расположено 12 полюсов статора, принадлежащих двум фазам. На обмотки подается импульсное постоянное напряжение с переменным знаком, напряжения двух фаз смещены на угол, равный четверти одного периода серии из двух импульсов. Каждая фаза регулируется отдельным импульсным генератором, управляемым реле времени, питание всей системы служит источник постоянного тока. Таким образом, уже в этом патенте было предугадано последующее управление приводом с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) - последовательности импульсов постоянного напряжения, которая за счет изменения зазоров между ними формирует синусоидальный ток статора.

Довольно активное применение в шаговых и сервоприводах двухфазных двигателей с постоянными магнитами в роторе в начале 1990-х гг. побудило к публикации патента [8], направленного на создание бездатчикового управления скоростью вентильных двигателей постоянного тока. Данный способ управления основан на расчете скорости через противоэдс, которая в свою очередь рассчитывается через токи и напряжения обмоток статора.

Примерно в то же время развитие компьютерной техники определило необходимость массового выпуска маломощных вентиляторов систем охлаждения, для облегчения конструкции которых в двигателе используется полый ротор. Для дан-

ных микромашин наиболее удобным оказалось применение ДАД, где вместо ко-роткозамкнутого ротора применяется алюминиевый цилиндр, вращающийся в воздушном зазоре между внутренним и внешним статорами. Электродвигатели с полым ротором и крайне малым моментом инерции рассчитаны на небольшие мощности и применяются для автоматического регулирования в компенсационных и мостовых схемах. Одна из обмоток вместе с конденсатором подключается к сети, а на вторую обмотку подается управляющее напряжение [9].

Больших успехов в теоретическом описании ДАД добился коллектив румынских, финских и британских ученых во главе с М. Попеску. Ими были выведены математические уравнения, описывающие симметричные и несимметричные однофазные и двухфазные двигатели в различных режимах работы [10 - 12], подготовлено математическое описание векторных СУ ДАД относительно нескольких систем отсчета, проведены серии математического моделирования нескольких двухфазных электроприводов [13], определено влияние отклонения угла между двумя фазами от 90 градусов [14, 15]. Заложенный М. Попеску математический аппарат был использован практически во всех последующих работах, посвященных ДАД, и применяется в данной работе.

1.2 Преобразователи частоты, адаптированные для работы с двухфазным

асинхронным двигателем

После того, как стало возможным использовать системы микропроцессорного управления, в 1980-х гг. были опубликованы единичные работы, посвященные возможности создания преобразователей частоты для ДАД [16 - 18]. В 1990-х гг. было опубликовано еще несколько статей, посвященных способам управления ДАД с помощью инвертора ПЧ, чему посвящены патент Ф.Е. Уиллса [19] и статья Д.Г. Холмса [20]. Привод Уиллса позволяет работать в двух режимах: регулируемом - с питанием от инвертора, и нерегулируемом - с питанием от сети однофазного тока и подключением второй обмотки через конденсатор (рисунок 1.1). ПЧ

подключается к однофазной сети и состоит из нерегулируемого мостового диодного выпрямителя, конденсаторного фильтра и регулируемого трехфазного инвертора напряжения, аналогичного инверторам трехфазных приводов. При питании от инвертора начала двух обмоток подключаются к первой и третьей стойкам а и с с двумя ЮВТ-транзисторами и обратными диодами, а их концы замыкаются между собой и подключаются ко второй стойке Ь. СУ разомкнутая, с синусоидальной ШИМ с опорным треугольным сигналом. Управляющие сигналы на стойках а и с комплементарны, средняя стойка управляется через отдельный регулятор. При этом задатчик направления вращения может быть сделан в двух разных вариантах: до и после регулятора тока. Также в патенте приводится схема СУ для двухстоеч-ного инвертора, при которой общая точка обмоток подключается к средней точке звена постоянного тока, образованной двумя конденсаторами. В этом патенте определено направление дальнейшего развития двухфазных приводов в качестве замены однофазных нерегулируемых двигателей, применяемых в вентиляторах, насосных станциях, бытовых электроприборах [21, 22]. В статье [23] было высказано предположение об использовании регулируемых ДАД в электрическом транспорте, что открыло им путь в этой новой области в качестве замены тяговых ДПТ.

Рисунок 1.1 - Схема ПЧ с трехстоечным инвертором для АД, патент 1993 г.

Для системы, описанной в [19, 20], велись разработки в нескольких странах мира. В Корее упор был сделан на двухстоечную конструкцию инвертора, как наиболее простую и дешевую [24, 25]. Преимущество предлагаемой в этих работах СУ заключается в том, что углы коммутации выходных напряжений ШИМ фиксируются во всем диапазоне частот. Однако, в этом случае крутящий момент ДАД содержит компонент двухчастотного импульсного крутящего момента, который вызывает вибрацию и шум в приводном узле [26]. В качестве альтернативы предлагаются традиционный трехстоечный инвертор с шестью силовыми транзисторами и четырехстоечный инвертор с восемью транзисторами (рисунок 1.2), управляемые с помощью пространственно-векторной ШИМ [27, 28].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Белоусов Алексей Сергеевич, 2022 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Виноградов Н. В., Виноградов Ю. Н. Как самому рассчитать и сделать электродвигатель. Изд. 3-е, перераб. и доп. М.: Энергия, 1974. 168 с.

2. Иванов-Смоленский А. В. Электрические машины: учебник для вузов. М.: Энергия, 1980. 928 с.

3. Electric magnetic motor: пат. US381968 США. № 252132 / Tesla N., Peck Ch. F.; заявл. 12.10.1887; опубл. 01.05.1888. 9 с.

4. Глазенко Т. А., Хрисанов В. И. Полупроводниковые системы импульсного асинхронного электропривода малой мощности. Ленинград: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1983. 176 с.

5. Хрущев В. В. Электрические микромашины автоматических устройств. Ленинград: Энергия, 1976. 374 с.

6. Two phase step motor: пат. US2808556 США. № 452949 / Thomas A. G.; заявл. 30.08.1954; опубл. 01.10.1957. 7 с.

7. Two-phase asynchronous motor: пат. US4095150 США. № 704466 / Senckel K.; заявл. 12.07.1976; опубл. 13.06.1978. 7 с.

8. Two-phase brushless DC motor controller: пат. US5134349 США. № 706167 / Kruse D. L.; заявл. 28.05.1991; опубл. 28.07.1992. 12 с.

9. Collins E. R., Puttgen H. B., Sayle W. E. Single-phase induction motor adjustable speed drive: Direct phase angle control of the auxiliary winding supply // Conference Record of the 1988 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, 1988. P. 246252. doi: 10.1109/IAS.1988.25070.

10. Popescu M. [et al.]. Development of an inverter fed two-phase variable speed induction motor drive // Conference Records of PEMC, 1998. Vol. 98. P. 4-132.

11. Popescu M., Navrapescu V. Modelling in stationary frame reference of single and two-phase induction machines including the effect of iron loss and magnetising flux saturation // Proc. ICEM 2000, 2000. P. 407-411.

12. Craciunas G. Field oriented control of a two phase induction motor // International Symposium on System Theory, XI Edition, Craiova, 2003. P. 28-31.

13. Popescu M., Ionel D. M., Dorell D. G. Vector control of unsymmetrical two-phase induction machines // IEMDC 2001. IEEE Electric Machines and Drives Conference (Cat. No. 01EX485). IEEE International, 2001. P. 95-101. doi: 10.1109/IEMDC.2001.939280.

14. Popescu M. [et al.]. Modeling and analysis of a two-phase induction machine with nonorthogonal stator windings // IEEE International Electric Machines and Drives Conference. IEMDC'99. Proceedings (Cat. No. 99EX272). IEEE, 1999. P. 389-391. doi: 10.1109/IEMDC.1999.769123.

15. Popescu M. [et al.]. Analysis of the electrical shift angle influence over a variable speed two-phase induction drive // 8th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'99), Lausanne, Switzerland, 1999. P. 1-8.

16. Rojat G., Mertz J. L., Foggia A. Theoretical and experimental analysis of a two-phase inverter-fed induction motor // IEEE Transactions on Industry Applications, 1979. Vol. 15. № 6. P. 601-606. doi: 10.1109/TIA.1979.4503717.

17. Mhango M. C., Creighton G. K. Novel two-phase inverter-fed induction motor // IEE Proceedings B (Electric Power Applications). IET Digital Library, 1984. Vol. 131. № 3. P. 99-104. doi: 10.1049/ip-b.1984.0015.

18. Alexa D. Static frequency converter for supplying an asynchronous two-phase motor // IEE Proceedings - Electric Power Applications. IET, 1987. Vol. 134. № 1. P. 57-60.

19. AC motor drive system with a two phase power supply: пат. US5218283 США. № 901783 / Wills F. E., Schnetzka H. R.; заявл. 22.06.1992; опубл. 08.06.1993. 33 с.

20. Holmes D. G., Kotsopoulos A. Variable speed control of single and two phase induction motors using a three phase voltage source inverter // Conference Record of the 1993 IEEE Industry Applications Conference Twenty-Eighth IAS Annual Meeting. IEEE, 1993. P. 613-620. doi: 10.1109/IAS.1993.298887.

21. Ba-Thunya A. S. [et al.]. Single phase induction motor drives — a literature survey // IEMDC 2001. IEEE International Electric Machines and Drives Conference (Cat. No. 01EX485). IEEE, 2001. P. 911-916. doi: 10.1109/IEMDC.2001.939428.

22. Abdel-Rahim N., Shaltout A. Operation of single-phase induction motor as

two-phase motor // IEEE 2002 28th Annual Conference of the Industrial Electronics Society. IECON 02. IEEE, 2002. Vol. 2. P. 967-972. doi: 10.1109/IEC0N.2002.1185403.

23. Гусевский Ю. И., Панасенко Н. В., Гаращенко А. П. Перспективы применения двухфазных асинхронных электродвигателей в автоматизированных системах электрического транспорта // Тезисы докладов II междунар. конф. «Состояние и перспективы развития электроподвижного состава». Новочеркасск, 1997. С. 41-42.

24. Jang D. H., Won J. S. Voltage, frequency, and phase-difference angle control of PWM inverters-fed two-phase induction motors // IEEE Transactions on Power Electronics, 1994. Vol. 9. № 4. P. 377-383. doi: 10.1109/63.318895.

25. Jang D., Yoon D. Y. Space-vector PWM technique for two-phase inverter-fed two-phase induction motors // IEEE Transactions on Industry Applications, 2003. Vol. 39. № 2. P. 542-549. doi: 10.1109/TIA.2003.809448.

26. Young C. M., Liu C. C., Liu C. H. New inverter-driven design and control method for two-phase induction motor drives // IEE Proceedings - Electric Power Applications, 1996. Vol. 143. № 6. P. 458-466. doi: 10.1049/ip-epa:19960526.

27. Jang D. H. PWM methods for two-phase inverters // IEEE industry Applications magazine, 2007. Vol. 13. № 2. P. 50-61. doi: 10.1109/MIA.2007.322258.

28. Jang D. H. Problems incurred in a vector-controlled single-phase induction motor, and a proposal for a vector-controlled two-phase induction motor as a replacement // IEEE Transactions on Power Electronics, 2013. Vol. 28. № 1. P. 526-536. doi: 10.1109/TPEL.2012.2199772.

29. Converter for rotational speed variable operation of a capacitor motor and method for controlling a capacitor motor: пат. W02004/008623A1. / Lungeanu F.; патентообладатель Danfoss drives A/C.; заявл. 13.07.2002; опубл. 22.01.2004. 41 с.

30. Umrichter zum drehzahlvariablen Betreiben eines Kondensatormotors und Verfahren zum Steuern eines Kondensatormotors: пат. DE10231773B4 Германия. / Lungeanu F.; патентообладатель Danfoss drives A/C.; заявл. 13.07.2002; опубл. 24.02.2005. 17 с.

31. de Rossiter Correa M. B. [et al.]. A three-leg voltage source inverter for two-phase AC motor drive systems // 2001 IEEE 32nd Annual Power Electronics Specialists

Conference (IEEE Cat. No. 01CH37230). IEEE, 2001. Vol. 3. P. 1458-1463. doi: 10.1109/PESC.2001.954325.

32. Tomaselli L. C. [et al.]. Application of the vector modulation in the symmetrical two-phase induction machine drive // Power Electronics Specialists Conference, 2005. P. 1253-1258. doi: 10.1109/PESC.2005.1581790.

33. Martins D. C. [et al.]. Drive for a symmetrical two-phase induction machine using vector modulation // IEEJ Transactions on Industry Applications, 2006. Vol. 126. № 7. P. 835-840. doi: 10.1541/ieejias.126.835.

34. Шаповал В. П., Чернышев А. А. Тяговый электропривод с двухфазными асинхронным двигателем и преобразователем, с промежуточным звеном напряжения, модулированного по синусоиде // Вюник Кременчуцького нащонального ушверситету iменi Михайла Остроградського, 2006. № 6-2. С. 10-11.

35. Омельченко А. В. Двухфазный тяговый асинхронный электропривод рудничных контактных электровозов // Електромехашчш I енергозберiгаючi системи, 2013. № 2. С. 24-36.

36. Однофазный мостовой низкочастотный преобразователь частоты, ведомый однофазной сетью: пат. RU23311530 Российская федерация. № 2007112367/09 / Радченко М. В., Радченко Т. Б., Стальная М. И. и др.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Позунова» (АлтГТУ); заявл. 03.04.2007; опубл. 10.08.2008. 17 с.

37. Полупроводниковое устройство регулирования скорости однофазного двухобмоточного асинхронного двигателя: пат. RU24208570 Российская федерация. № 2010123977/07 / Стальная М. И., Черемисин П. С., Скорняков А. А. и др.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Позунова» (АлтГТУ); заявл. 11.06.2010; опубл. 10.06.2011. 16 с.

38. Полупроводниковый редуктор, ведомый сетью, для регулирования скорости однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя: пат. RU24397740 Российская федерация. № 2010130583/07 / Стальная М. И., Орлов О. А., Таланов И. Е., Скорняков А. А.; заявитель и патентообладатель ГОУ

ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Позунова» (АлтГТУ); заявл. 20.07.2010; опубл. 10.01.2012. 14 с.

39. Устройство для управления двухфазным асинхронным двигателем в режиме прерывистого движения: пат. RU978820 Российская федерация. № 2010114642/07 / Аристов А. В.; патентообладатель ГОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет».; заявл. 12.04.2010; опубл. 20.09.2010. 8 с.

40. Устройство для управления двухфазным асинхронным двигателем в режиме пульсирующего движения: пат. RU25875450 Российская федерация. - № 2015103137/07 / Аристов А. В., Аристова Л. И.; патентообладатель ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет».; заявл. 30.01.2015; опубл. 20.06.2016. 10 с.

41. Беспалов В. Я., Качалина Е. В. Сравнительные характеристики асинхронных двигателей с трехфазными и двухфазными обмотками для частотно-регулируемого электропривода // Электричество, 2010. № 7. С. 45-48.

42. Качалина Е. В. Частотно-регулируемые асинхронные двигатели для экскаваторов: дис. ... канд. техн. наук: 05.09.01 / Качалина Елена Викторовна; [Место защиты: НИУ «Московский энергетический институт»], 2010. 169 с.

43. Dobrucky B., Prazenica M., Benova M. Converter topology design for two-phase low-cost industrial and transport application // Paper in: Monograph on Computer Systems Aided Science, No. N, Publishing Office TU Radom (PL), 2009.

44. Prazenica M. Design of 2-Phase Switched Power Supply with Matrix Converters // Master Thesis, FEE University of Zilina (SK), 2009.

45. Dobrucky B. [et al.]. Two-phase power electronic drive with split - Singlephase induction motor // IECON 2010-36th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society. IEEE, 2010. P. 1683-1688. doi: 10.1109/IEC0N.2010.5675430.

46. Prazenica M. Design, modelling and simulation of two-phase two-stage electronic system with orthogonal output for supplying of two-phase ASM // Advances in Electrical and Electronic Engineering, 2011. Vol. 9. № 1. P. 56-64. doi: 10.15598/aeee.v9i1.41.

47. Dobrucky B. Possibilities of 2-phase electronic converters for electric vehicle drives // Logistyka, 2011. № 3.

48. Laskody T. [et al.]. Space vector PWM for two-phase inverter in matlab-sim-ulink // Technical Computing Prague, 2013. P. 182-189.

49. Zaskalicky P., Dobrucky B., Prazenica M. Analysis and modeling of converter with PWM output for two-phase motor applications // Elektronika ir Elektrotechnika, 2014. Vol. 20. № 1. P. 25-28. doi: 10.5755/j01.eee.20.1.6160.

50. Dobrucku B., Laskody T., Konarik R. Two-phase inverters with minimum switching devices // Recent Developments on Power Inverters, 2017. P 1.

51. Ferkova Z. Comparison of two-phase induction motor modeling in ANSYS Maxwell 2D and 3D program // ELEKTRO, IEEE, 2014. P. 279-284. doi: 10.1109/EL-EKTR0.2014.6848902.

52. Ferkova Z. Comparison between 2D and 3D modelling of induction machine using finite element method // Advances in Electrical and Electronic Engineering, 2015. Vol. 13. № 2. P. 120. doi: 10.15598/aeee.v13i2.1346.

53. Abdel-Rahim N. M. B., Shaltout A. An unsymmetrical two-phase induction motor drive with slip-frequency control // IEEE Transactions on energy conversion, 2009. Vol. 24. № 3. P. 608-616. doi: 10.1109/TEC.2009.2026599.

54. Nied A. [et al.]. Single-phase induction motor indirect field oriented control under nominal load // 2009 International Conference on Power Electronics and Drive Systems (PEDS). IEEE, 2009. P. 789-793. doi: 10.1109/PEDS.2009.5385845.

55. Kumsuwan Y., Srirattanawichaikul W., Premrudeepreechacharn S. Analysis of two-phase induction motor using dynamic model based on MATLAB/Simulink // Asian Journal on Energy and Environment, 2010. Vol. 11. № 1. P. 48-59.

56. Abdalmula M. A. R. A new concept of two-stage multi-element resonant-/cy-clo-converter for two-phase IM/SM motor // Advances in Electrical and Electronic Engineering, 2013. Vol. 11. № 4. P. 244-250.

57. Bandhekar S. F., Dhurvey S. N., Ashtankar P. P. Simulation of un-symmetrical 2-phase induction motor // IJCSN International Journal of Computer Science and Network, 2013. Vol. 2. № 3. P. 1-3. doi: 10.48550/arXiv.1307.0626.

58. Hayakwong E., Kinnares V. PV powered three-leg VSI fed asymmetrical parameter type two-phase induction motor // 17th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS). IEEE, 2014. P. 3220-3225. doi: 10.1109/ICEMS.2014.7014047.

59. Hayakwong E., Kinnares V., Bunlaksanunusorn C. Two-phase induction motor drive improvement for PV water pumping system // 19th International Conference on Electrical Ma-chines and Systems (ICEMS). IEEE, 2016. P. 1-6.

60. Eeram K. M., Chandra Kiran S. Proposed vector-controlled two-phase induction motor as a replacement for single phase induction motor // International Journal of Research, 2016. Vol. 3. № 4. P. 355-364.

61. Umredkar S. V., Junghare A., Renge M. Operation of symmetrical and asymmetrical two-phase induction motor by using 3-leg voltage source inverter // Trends in Renewable Energy, 2018. Vol. 4. № 3. P. 64-76. doi: 10.17737/tre.2018.4.3.0057.

62. Ramesh V. [et al.]. Space vector pulse width modulation (SVPWM) using two leg inverter for split-phase induction motor // International Journal of Scientific & Engineering Research, 2014. Vol. 5. № 5. P. 660-664.

63. Ingle G. R., Umredkar S. V. Asymmetrical two-phase induction motor using two-leg voltage source inverter (VSI) // 2018 Second International Conference on Computing Methodologies and Communication (ICCMC). IEEE, 2018. P. 582-586. doi: 10.1109/ICCMC.2018.8487845.

64. Ziaeinejad S., Sangsefidi Y., Shoulaie A. Performance analysis of DTC methods of two-phase induction motors with different inverter topologies // Power Electronics and Drive Systems Technology (PEDSTC). IEEE, 2012. P. 121-126. doi: 10.1109/PEDSTC.2012.6183310.

65. Ziaeinejad S. [et al.]. Direct torque control of two-phase induction and synchronous motors // IEEE Transactions on Power Electronics, 2013. Vol. 28. № 8. P. 40414050. doi: 10.1109/TPEL.2012.2230409.

66. Siadatan A., Afjei E., Aghazadeh H. A double quasi-sinusoidal waveform elic-itation from matrix converter based on orthogonal strategy // Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, 2017. Vol. 7. № 28. P. 54-61.

67. Tazerart F. [et al.] Direct torque control implementation with losses minimization of induction motor for electric vehicle applications with high operating life of the battery // International journal of hydrogen energy, 2015. Vol. 40. №2 39. P. 13827-13838. doi: 10.1016/j.ijhydene.2015.04.052.

68. Arshad M.H., Khalid M. Advanced direct torque control of four switch fed two-phase symmetric induction motor // 2018 IEEE 27th International Symposium on Industrial Electronics (ISIE). IEEE, 2018. P. 108-113. doi: 10.1109/ISIE.2018.8433668.

69. Two-phase permanent magnet motor: пат. US7821221B2 США. № 11/815,979 / Kragh H., Henriksen B.; патентообладатель Grundfos Management; заявл. 24.01.2006; опубл. 26.10.2010. 19 с.

70. Lin H., Zhao F., Kwon B. Space-vector PWM techniques for a two-phase permanent magnet synchronous motor considering a reduction in switching losses // Journal of Electrical Engineering & Technology, 2015. Vol. 10. № 3. P. 905-915. doi: 10.5370/JEET.2015.10.3.905.

71. Hu X., Zhang Y., Lu Y. Research on vector control and subdivision drive technology of two-phase hybrid stepper motor based on SVPWM // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing, 2018. Vol. 381. № 1. P. 012140. doi: 10.1088/1757-899X/381/1/012140.

72. Белоусов А. С., Кокорев А. В., Муравьев А. А. Алгоритм управления инвертором двухфазного тока // В сб.: Современные сложные системы управления: HTCS'2017 Материалы XII междунар. науч.-практ. конф., в 2 ч. Ч. 2. Липецк, 2017. С. 91-96.

73. Белоусов А. С., Мещеряков В. Н. Модель двухфазного электропривода // Вести высших учебных заведений Черноземья, 2017. № 4. С. 21-30.

74. Способ управления двухфазным электроприводом переменного тока с помощью трехфазного мостового инвертора: пат. RU26822420 Российская федерация. № 2018109635 / Мещеряков В. Н., Белоусов А. С.; патентообладатель ФГБОУ ВО «Липецкий государственный технический университет»; заявл. 19.03.2018; опубл. 18.03.2019. Бюл. № 8 - 15с.: ил.

75. Belousov A. S. [et al.]. Development of a control algorithm for three-phase inverter in two-phase electric drives reducing the number of commutations // 1st International

Conference on Control Systems, Mathematical Modelling, Automation and Energy Efficiency (SUMMA). IEEE, 2019. P. 444-449. doi: 10.1109/SUMMA48161.2019.8947487.

76. Мещеряков В. Н., Белоусов А. С. Разработка алгоритма управления трехфазным инвертором двухфазного электропривода для снижения числа коммутаций ключевых элементов // Вестник Ивановского государственного технического университета, 2019. № 3. С. 49-61. doi: 10.17588/2072-2672.2019.3.049-061.

77. Белоусов А. С., Мещеряков В. Н. Модель преобразователя частоты с пространственно-векторной широтно-импульсной модуляцией для двухфазного электропривода // Булатовские чтения, 2018. Т. 6. С. 122-126.

78. Белоусов А. С. Минимально-максимальная пространственно-векторная модуляция для управления двухфазным электроприводом // Материалы 15-ой Международной конференции по электромеханике и робототехники «Завалишин-ские чтения '20», 2020. P. 17-20. doi: 10.31799/978-5-8088-1446-2-2020-15-17-20.

79. Valtchev S. [et al.]. Comparative analysis of electric drives control systems applied to two-phase induction motors // 2020 2nd International Conference on Control Systems, Mathematical Modeling, Automation and Energy Efficiency (SUMMA). IEEE, 2020. P. 918-922. doi: 10.1109/SUMMA50634.2020.9280637.

80. Омельченко Е. Я. [и др.]. Снижение пусковых токов и моментов асинхронного короткозамкнутого двигателя за счет последовательности фазных напряжений // Электротехнические системы и комплексы, 2020. № 2(47). С. 47-54. doi: 10.18503/2311-8318-2020-2(47)-47-54.

81. Белоусов А. С., Мещеряков В. Н. Снижение пусковых токов и моментов двухфазного асинхронного короткозамкнутого двигателя за счет задержек фазных напряжений // Электротехнические системы и комплексы, 2020. № 4 (49). С. 42-48. doi: 10.18503/2311-8318-2020-4(49)-42-48.

82. Meshcheryakov V., Belousov A. Development of a method for reducing starting currents and electromagnetic torque of a two-phase induction motor by delaying voltage supply // 2021 XVIII International Scientific Technical Conference Alternating Current Electric Drives (ACED). IEEE, 2021. P. 1-5. doi: 10.1109/ACED50605.2021.9462269.

83. Belousov A. S. [et al.]. Start and reverse of single-phase and two-phase induction motors // 2021 3rd International Conference on Control Systems, Mathematical Modeling, Automation and Energy Efficiency (SUMMA). IEEE, 2021. P. 1135-1140. doi: 10.1109/SUMMA53307.2021.9632128.

84. Белоусов А. С., Мещеряков В. Н., Баранов Д. С. Моделирование системы управления электропривода намоточного станка для последующей наладки // Электротехнические системы и комплексы, 2022. № 1 (54). С. 11-18. doi: 10.18503/23118318-2022-1 (54)-11-18.

85. Srirattanawichaikul W. A generalized switching function-based discontinuous space vector modulation technique for unbalanced two-phase three-leg inverters // Turkish Journal of Electrical Engineering & Computer Sciences, 2019. Vol. 27. № 2. P. 11571171. doi: 10.3906/elk-1806-214.

86. Kim D. K., Jang D. H., Yoon D. Y. Comparative analysis of CBPWM methods for two-phase three-leg inverters using zero sequence concept // Journal of Power Electronics, 2020. Vol. 20. № 4. P. 948-957. doi: 10.1007/s43236-020-00087-7.

87. Zhang G. [et al.]. Discontinuous space vector PWM strategy for three-phase three-level electric vehicle traction inverter fed two-phase load // World Electric Vehicle Journal, 2020. Vol. 11. № 1. P. 27. doi: 10.3390/wevj11010027.

88. Arshad M. H., Kassas M. A chaos based SVPWM technique for B4 inverter fed two-phase symmetric induction motor for THD & EMI improvement at low modulation index // 2019 IEEE Texas Power and Energy Conference (TPEC). IEEE, 2019. P. 16. doi: 10.1109/TPEC.2019.8662163.

89. Воеков В. Н. Частотный электропривод на базе синхронного двигателя с постоянными магнитами с релейным управлением для насосов нефтегазовой отрасли: дис. ... канд. техн. наук: 05.09.03 / Воеков Владимир Николаевич; [Место защиты: ФГБОУ ВО «Липецкий государственный технический университет»], 2019. 161 с.

90. Мещеряков В. Н., Данилов В. В. Повышение энергоэффективности асинхронного электропривода с векторным управлением за счет регулирования продольной составляющей тока статора при неполной статической нагрузке // Электротехнические системы и комплексы, 2018. № 3 (40). С. 4-11. doi: 10.18503/2311-

8318-2018-3(40)-4-11.

91. Мещеряков В. Н., Воеков В. Н. Векторная система управления вентильным электроприводом на базе автономного инвертора напряжения с релейным регулированием входного тока инвертора и фазных токов статора // Вестник Южно -Уральского государственного университета. Серия: Энергетика, 2017. Т. 17. № 2. С. 48-57. doi: 10.14529/power170207.

92. Станок вертикально-сверлильный «Корвет 48», артикул 90480: руководство по эксплуатации / ООО «ЭНКОР-Инструмент-Воронеж», 2011. 12 с.

93. Лихачев В. Л. Электродвигатели асинхронные. М.: СОЛОН-Р, 2002. 304 с.

94. Документация на IGBT IRG4PH40UD [электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/irg4ph40ud.pdf

95. Руководство пользователя для микроконтроллера Piccolo F28069controlSTICK [электронный ресурс]. Режим доступа: http: //media. digikey.com/PDF/Data%20 Sheets/Texas%20Instruments%20PDF s/TMDX 28069USB%20Quick%20Start%20Guide.pdf

96. Драйвер IGBT и MOSFET транзисторов МД1120П-А, МД1120П-А1. Аналог VLA500-01: паспорт / АО «Электрум АВ», 2016. 10 с.

97. Документация на триггер Шмитта SNx4HC14 [электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn74hc14.pdf

98. CS series. Solid state sensors. Linear current sensors: интерактивный каталог / Honeywell Inc. С. 58-59.

99. Прибор для измерений показателей качества и учета электрической энергии PM175: руководство по установке и эксплуатации / Satec Ltd, 2009. 241 c.

100. Осциллограф Hantek DS08060 [Электронный ресурс]. Режим доступа: https: //www.hantek.ru/products/dso8060.html.

101. Дрейпер Н. Р., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. Изд-ие второе перераб и доп. М.: Финансы и статистика, 1986.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

(справочное) Патент на изобретение

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

(19)

пи

>11)

2 682 242 ' С1

(31) МПК

И02Р25т2 ( 2016.01) Н02Р27Ш |2[КК>.[|| I Н02Р 27/10 <2006.011

фрдерлльная с:л уже; а

ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

12> ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

(52)СПК

И02Р 25/062 (2X88.08); И02Р27Ю6 (2Ж08], Н02Р27/10 (20Ш. 08)

О см

см со о м

э о:

{21)(22> Заявки 101110963!. 19.03.2018

(24) Д.п I начала отсчета срока .'(или имя пятента. 19.03.1018

Дата рп истрацин; 18ЛЭ.2019

1 1рнорнтп(ы):

(22) Дата подачи мшаин; 19.03.1011

<45} (Упублигоиша 18.0? 2019 Бил, № 8

АдрвС ллЛ Переписки:

ЗУ41055. г. Липецк. ул. Мосюесол, 30. ЛГТУ

(72)

Мелк]иков Виктор Николаевич Белоусов Алекий Сергеевич {Ки>

(7Э-) Патентообладателей);

Федеральное государственное бюджетное АЙраюватслъное учреждение ишиго обрлздьяни* 'Липецкий государственный тсЯкшскнВ университет" (К11>

I'"Г:-1 СПИСОК Д0(гумеНТ0Вн иитнровзимых п отчете о поиске: Ки 2115218 С], 10.07.1-998.1Ш 23622(У4 О, 20.07.20019.1Ш 25В7545 С1, 2Я.0Й.2Я1& БЕ 10231773 В4, 24.tK22005.JP 2Ш 11204)55 А, JA.0fi.mil. 1ТЯ 7821221 В2, Ж 10.201 №. Чт 20О41ИгЗ А1Р 22ЛП-20С4.

(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДВУХФАЗНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПЕРЕМЕННОГО ГОКА С ПОМОЩЬЮ ТРЕХФАЗНОГО МОСТОВОГО ИНВЕРТОРА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области эпсюрстанинн. а именно к способам упратент ♦лсктроприводами гтсремсЕшото тока, и мдшят использовало п|И1 частотном управлении ДйулфйЗНЫМ ЛСИКрЛННШ .ищгип'лсч С его питанием п>"1 трехфазного преобразователя ЧШПТЫ. ТЬтПССЕНШ рекуЛЪТУТОМ ШПЕПХ решение та дач и частотного управлении дцуяфазнкм нлиронныи двигателем от грнфшнего прсобршттш частоты ткповйй

КЙНСТруКЦЕН, ЫННИМКаВДИЯ |Л\]иЧ1'ЛИ.|

управляемых ВСНТНЛСЁ, иснольтванне упрощенного алгоритма репейного управление со снижением требовании к управляющему КСТрОЛлеру Спюб управления двудфазнЫН зпштропривояш переменного тюка с кмошью трехфазного мостового инвертора

осуществлялся с помощью преобразователя частоты* солсржшилч выпрямил! II*, фиЛЬТр И трехфазный моспоеоп инвертор л^а пппнольо ртришкыых вентилях, Двигатель вылолнлчгт двухфазным, фильтр выполняют к виде

С|р.

ко^тснитора. который подмотают к выходам е ыпрэ м мгпл и Выход о г 1герво1.т5 плеча трехфазного мостового инвертора подключают через датах тока к началу первой обмитки ептйр] дц^фашл дмгдтасян конец которой ссгдннШгг 43 ггача.юм второй обмоткн статора двухфа-изого двигателя.:-; общсО точке соединения этих оомоток подключают выход от ггорего плеча трехфазного мостового инвертора, жыхеи от третьего плеча трнфашого ностовйго иззнертора подключают чере з ито|юС1 датчик тока к концу второй обмотан статора двухфазного двигателя, К кавдой из п^ырто* формируют гладкую солнпшщя тока в виде последовательности четыре временных учая™» м;1 каждом периоде кривой тока. Для этого вырабатывают сигналы управляли вентилями иннеркфа С ПОМОЩЬЮ репейНЫ* |КГуляТОрОВ фаЗИЫК ГОКОВ На В&ОЯ каисчо! О Н1 пил Пи дают СМГнаЯ задания, сравнивают тааашеие и измеренное значенззе тонов, определяют рассогласование сигналов, орт превышении

70 С

№ Ф СО

14)

м

Ю

О

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (обязательное)

Математическая модель двухфазного асинхронного двигателя

и

и

ь ь,

т а1а

Ьа 2 ЬаХа + ЬтЬаХа + ЬтЬа 2

Ут

я,

1/р

Уха.

ь ь,

т а 2

Ьа 2ЬаХа + ЬтЬаХа + ЬтЬа 2

Я\а

Ь а 1а

У 2 в

Я',

1/к

1/р

У2а

Я'

X

У2 /

X

ш

Ц У2а

ЬтЬа\Ъ

Ьа2Ьа1Ъ + ЬтЬа1Ъ + к ЬтЬа2

У 2 в

У,

тв

Я

Ь,

+

1/р

Ухв

к ЬЬ,

т а 2

Ьа2Ьа1Ъ + ЬтЬа1Ъ + к ЬтЬа2

Я

1

) * Ь а 1а

1а

Уха

У2а

ь

Ут

У2в

М

Ь,

шэУг

Я'

щ—^^П/р]

У2в

Я'

X

Рп

к

У2а

X

р„к

м

Рп.

Лр

т

Ь

к2 Ь

'а 2

хв

Ухв

У 2 в

2 в

Утв

+

Ь

а 1а

+

1

2а

1

+

+

1

Рисунок Б.1 - Математическая модель двухфазного асинхронного двигателя

ПРИЛОЖЕНИЕ В (обязательное)

Имитационная модель двухфазного двигателя в MATLAB Simulink

в)

м+

Capacitor Start-Run

swicn OFF at CbLunnectlon qFF speed

г)

Рисунок В.1 - Режимы работы модели «Single Phase Asynchronous Machine» из библиотеки Matlab Simulink: а) математическое описание модели; б) однофазный двигатель; в) однофазный двигатель с конденсаторным пуском; г) однофазный двигатель с пусковым и рабочим конденсаторами

ПРИЛОЖЕНИЕ Г (обязательное)

Имитационная модель двухфазного двигателя с пространственно-векторной двух-

стоечного инвертора в МАТЬАБ 81шиНпк

Рисунок Г.1 - Общий вид модели ДАД с двухстоечным инвертором и ПВШИМ

Рисунок Г.2 - Модель блока ПВШИМ двухстоечного инвертора

Рисунок Г.3 - Номер сектора ПВШИМ двухстоечного инвертора

Рисунок Г.4 - Интервалы времени ПВШИМ двухстоечного инвертора

Рисунок Г.5 - Блок «Тайминг» звена ПВШИМ двухстоечного инвертора

Рисунок Г.6 - Номер интервала времени ПВШИМ двухстоечного инвертора

Рисунок Г.7 - Блок дешифрации ПВШИМ двухстоечного инвертора

ПРИЛОЖЕНИЕ Д (обязательное)

Имитационная модель двухфазного двигателя с пространственно-векторной трех-

стоечного инвертора в МАТЬАБ 81шиНпк

Рисунок Д.1 - Общий вид модели электропривода на базе ДАД с трехстоечным

инвертором и ПВШИМ

Рисунок Д.2 - Модель блока ПВШИМ трехстоечного инвертора

Рисунок Д.3 - Номер сектора ПВШИМ трехстоечного инвертора

Рисунок Д.4 - Интервалы времени ПВШИМ трехстоечного инвертора

Рисунок Д.5 - Блок «Тайминг» ПВШИМ трехстоечного инвертора

Рисунок Д.6 - Номер интервала времени

ПВШИМ трехстоечного инвертора

ПРИЛОЖЕНИЕ Е (обязательное)

Имитационная модель двухфазного двигателя с пространственно-векторной четы-

рехстоечного инвертора в МАТЬАБ 81шиНпк

Рисунок Е.1 - Общий вид модели электропривода на базе ДАД с четырехстоеч-

ным инвертором и ПВШИМ

Рисунок Е.2 - Модель блока ПВШИМ четырехстоечного инвертора

Рисунок Е.3 - Интервалы времени ПВШИМ четырехстоечного инвертора

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж (обязательное)

Алгоритм управления трехстоечным инвертором для двухфазного двигателя на

основе релейных регуляторов тока

Начало

Формирование заданных токов !а* = |!а ^¡п^+ф) !Ь*=|!Ь|зтМ+ф+п/2)

г

Получение токов !а, !Ь с датчиков

Формирование функций гистерезиса Иа=ИуБ1(!а *-!а) ИЬ=Иуз1(!Ь*-!Ь)

ПРИЛОЖЕНИЕ И (обязательное)

Экспериментальные исследования электропривода на базе двухфазного асинхронного двигателя

Рисунок И.1 - Принципиальная схема преобразователя частоты на стенде

Рисунок И.2 - Модель системы управления на основе РРТ в EMBED SolidThinking для генерации программы

Рисунок И.3 - Токи двухфазного двигателя с алгоритмом синусоидальной ШИМ при различных частотах на выходе преобразователя частоты

Рисунок И.4 - Токи двухфазного двигателя с алгоритмом коммутации на основе релейных регуляторов тока при различных частотах на выходе преобразователя частоты

ПРИЛОЖЕНИЕ К (справочное)

Акт об использовании результатов диссертационной работы

УТВЕРЖДАЮ Генеральный директор АО «РИФ»

_A.C. Иванов

2022 г.

АКТ

о внедрении в производственный процесс результатов работы аспиранта

Белоусова A.C. «Частотный электропривод на базе двухфазного асинхронного электродвигателя»

Полученные в диссертационной работе Белоусова A.C. результаты приняты к внедрению АО «РИФ».

Форма внедрения - методологический комплекс, ориентированный на оптимизацию электропривода намоточного станка, включающий:

- алгоритм управления трехфазным инвертором напряжения на основе релейных регуляторов тока для преобразователя частоты электропривода на базе двухфазного асинхронного двигателя:

систему управления электроприводом натяжного устройства на базе двухфазного асинхронного двигателя и преобразователя частоты с трехфазным инвертором, управляемым по алгоритму с релейными регуляторами тока, которая позволяет осуществлять регулирование скорости вращения вала двигателя в зоне малых частот с сохранением низкой доли высокогармонических составляющих в спектре токов статора по сравнению с системой управления на основе синусоидальной широтно-импульсной модуляцией.

Результаты расчетов методологического комплекса на реальных данных, свидетельствуют об его эффективности и работоспособности.

Главный инженер АО «РИФ»

---I^Wöf^HKO В.В.