Регулируемый электропривод переменного тока

 

Использование: в электроприводах, при создании механизмов, работающих в длительном режиме с вентиляторной характеристикой статического момента. Сущность изобретения: приводной механизм 1, например гидравлический насос, соединен с валом асинхронного двигателя 2 с фазным ротором. Фазные обмотки ротора асинхронного двигателя 2 через обмотки 3 частотнозависимых сопротивлений соединены в звезду. Электродвигатель снабжен обмоткой 4 подмагничивания, которая уложена в пазы статора и обечайки из немагнитного материала, напрессованной на железо статора. Обмотка подмагничивания подсоединена к выходу источника 6 постоянного тока, входом подключенного к выходу задатчика 7 частоты вращения. Обмотки статора асинхронного двигателя 2 подсоединены к питающей сети переменного тока через статический преобразователь 5 источника напряжения в источник тока. Поскольку в цепях питания обмотки статора отсутствуют нелинейные элементы, форма кривой напряжения на зажимах обмотки статора и на входных зажимах статического преобразователя 5 синусоидальна, что обеспечивает хорошие энергетические характеристики предложенной структуры регулируемого электропривода. 2 ил.

Изобретение может быть использовано преимущественно при создании механизмов, работающих в длительном режиме с вентиляторной характеристикой статического момента, например насосов, воздуходувок, гребных электрических установок.

Известны электроприводы переменного тока с параметрическим регулированием частоты вращения, у которых напряжение на зажимах обмотки статора асинхронного электродвигателя с фазным ротором изменяется с помощью полупроводникового, например, тиристорного или транзисторного регулятора. У таких электроприводов (см. например, Чиликин М.Г. Сандлер А.С. Общий курс электропривода. М. Энергоиздат, 1981, с.142-156) потери скольжения в цепи ротора при вентиляторном моменте на валу достигают при скольжении S 0,33 S _ном., максимальной величины, значительно превышающей величину потерь при номинальном скольжении S_ном. Длительный режим работы такого электропривода (без значительного завышения мощности двигателя) возможен, если потери скольжения выводятся через контактные кольца асинхронного двигателя на внешние активные сопротивления.

К недостаткам электропривода можно отнести наличие щеточного контакта, что приводит к снижению надежности устройства, плохим энергетическим и виброакустическим характеристикам из-за большого количества гармоник значительной амплитуды, генерируемых полупроводниковым преобразователем напряжения в питающую сеть и нагрузку. Кроме того, негативные последствия, вызванные наличием этих гармоник, проявляются в виде дополнительного нагрева электродвигателя и в плохой электромагнитной совместимости с силовым и слаботочным электро- и радиооборудованием, подключенным к общей питающей сети.

Известен электропривод переменного тока, принятый в качестве прототипа, в котором для исключения щеточного контакта обмотки ротора трехфазного асинхронного двигателя подключены к частотно-зависимым сопротивлениям, выполненным в виде катушек, размещенных в полостях трех стальных дисков, закрепленных неподвижно на валу электродвигателя (см. Розов Ю.М. Новый тип ротора для асинхронного двигателя, используемого в схеме дроссельного привода. Энергетика и электротехническая промышленность, 1960, N 4, с.30).

Однако и в таком электроприводе главным остается недостаток, заключающийся в значительном негативном влиянии статического преобразователя на питающую сеть и в ухудшении энергетических и виброакустических характеристик электропривода.

Для исключения этого недостатка в пазы статора, охватывая спинку статора, равномерно уложена кольцевая тороидальная обмотка подмагничивания, которая подсоединена к выходу источника постоянного тока, а к его входу подключен задатчик частоты вращения электропривода, при этом обмотка статора подсоединена к трехфазной сети через статический преобразователь источника напряжения в источник тока, например, индуктивно-емкостный.

На фиг.1 приведена принципиальная схема предлагаемого электропривода.

Приводной механизм 1, например гидравлический насос центробежного типа, соединен с валом асинхронного двигателя 2 с фазным ротором. Фазные обмотки ротора асинхронного двигателя 2 через обмотки 3 частотнозависимых сопротивлений соединены в звезду. Электродвигатель 2 снабжен обмоткой 4 подмагничивания, которая уложена в пазы статора и обечайки из немагнитного материала, напрессованной на железо статора. Тороидальная обмотка подмагничивания укладывается равномеpно во все пазы и используется для подмагничивания спинки статоpа. Возможно исключение обечайки, если выpубить дополнительные пазы на спинке статора. Обмотки статора асинхронного двигателя 2 подсоединены к питающей сети переменного тока через преобразователь 5 источника напряжения в источник тока. В качестве такого преобразователя может быть применен параметрический источник тока с использованием L,C-элементов. Такие преобразователи получили название индуктивно-емкостных (ИЕП) и широко описаны в литературе (см. например, Милях А.Н. Кубышкин В.Е. Волков И.В. Индуктивно-емкостные преобразователи источников напряжения в источники тока. Киев: Наукова думка, 1964. Схемы ИЕП имеют высокий КПД (порядка 92-05%) и коэффициент мощности, примерно равный единице.

Обмотка 4 подмагничивания подключена к выходу регулируемого источника 6 постоянного тока, вход которого подключен к задатчику 7 частоты вращения. В качестве источника постоянного тока может быть использован обычный управляемый тиристорный мостовой выпрямитель, угол запаздывания которого α можно регулировать с помощью задатчика частоты вращения, выполненного, например, в виде потенциометра, напряжение которого пропорционально углу α На фиг.2 показано конструктивное исполнение электродвигателя с обмоткой управления.

На пакет железа статора 8 напрессована обечайка 9 из немагнитного материала, в которой выполнены пазы. Число пазов статора 8 и обечайки 9 одинаково. В пазы статора и обечайки укладывается равномерно тороидальная обмотка 10 подмагничивания. Трехфазная обмотка 11 статора и расположенная в пазах железа ротора 12 обмотка 13 ротора выполнены без каких-либо конструктивных особенностей так, как у серийных электродвигателей с фазным ротором (например, типа АК, АИК).

Электропривод работает следующим образом.

Когда на входные зажимы ИЕП 5 подано напряжение (коммутационная аппаратура в виде контакторов или пускателей на схеме не показана) и ток в обмотке 4 подмагничивания равен нулю, на зажимах обмотки статора электродвигателя 2 устанавливается напряжение, равное напряжению питающей сети. Двигатель развивает номинальную мощность, и скольжение в этом номинальном режиме минимально, так как частота тока ротора очень мала (3-5 Гц).

Для регулирования частоты вращения двигателя 2 необходимо с помощью задатчика 7 частоты вращения и источника 6 постоянного тока изменять ток в обмотке 4 подмагничивания. При этом увеличивается магнитное сопротивление основной магнитной цепи (зубцы статора зубцы ротора, железо ротора спинка статора) на участке "спинка статора" электродвигателя, что приводит к нарушению равновесия между напряжением на выходе ИЕП и противоЭДС двигателя. Поскольку ток статора, получающего питание от источника тока, во всех режимах остается неизменным, напряжение на выходе ИЕП и, следовательно, на зажимах статора снижается, что приводит к уменьшению развиваемого двигателем момента и переходу привода с вентиляторным характером статического момента на новую частоту вращения.

Поскольку в цепях питания обмотки статора в отличие от прототипа отсутствуют нелинейные элементы, формы кривой напряжения на зажимах обмотки статора и на входных зажимах ИЕП синусоидальны.

Значение коэффициента искажений формы кривой напряжения на зажимах обмотки статора K_и= где U_n и U₁ действующие значения n-й и первой гармоник, полученные на экспериментальной установке, лежат в пределах 2% (у прототипа 14-30%). Это обстоятельство полностью исключает не разрешенную до настоящего времени, крупную проблему электромагнитной совместимости статических регуляторов частоты вращения с другим электро- и радиооборудованием. Виброактивность предложенного электропривода по сравнению с прототипом также улучшается.

Отсутствие гармоник в спектре напряжения статора во всех режимах работы в сочетании с высоким (порядка 0,95) значением КПД ИЕП и коэффициентом мощности, равным единице, обеспечивает сравнительно хорошие энергетические характеристики предложенной структуры регулируемого электропривода.

Применение регулируемого электропривода позволяет существенно экономить электроэнергию. Так, снижение частоты вращения насоса с электроприводом предложенной структуры в два раза приводит к трехкратному снижению расхода электроэнергии.

Можно также отметить простоту и, следовательно, надежность силовой части регулятора (ИЕП), выполненной с применением только пассивных L,С-элементов, по сравнению с известными тиристорными регуляторами.

Таким образом, предложенный регулируемый электропривод прост, надежен, имеет пониженную виброактивность, не генерирует гармоник в питающую сеть, имеет сравнительно высокие энергетические характеристики и по совокупности технических характеристик превосходит известные технические решения в этой области.

Формула изобретения

РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, содержащий асинхронный электродвигатель с трехфазной обмоткой на роторе, которая подключена к частотно-зависимым сопротивлениям, выполненным в виде катушек, размещенных в полостях трех стальных дисков, закрепленных неподвижно на валу электродвигателя, механически соединенного с приводным механизмом, отличающийся тем, что в пазы статора, охватывая его спинку, равномерно уложена кольцевая тороидальная обмотка подмагничивания, которая подсоединена к выходу источника постоянного тока, а к его входу подключен задатчик частоты вращения электропривода, при этом обмотка статора подсоединена к трехфазной сети через статический преобразователь источника напряжения в источник тока, например, индуктивно-емкостный.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2