Способ компенсации реактивной энергии асинхронного двигателя и устройство для его осуществления

 

Использование: в электромашиностроении в асинхронных электроприводах различных механизмов. Сущность изобретения: к зажимам постоянного тока выпрямителя, подключенного к фазам a, b, c ротора асинхронного двигателя с фазным ротором, подключен молекулярный накопитель энергии. К этим же зажимам подключен импульсный регулятор, включающий в себя второй накопитель энергии, импульсный генератор, импульсный трансформатор и фазные тиристорные коммутаторы. Блок управления и блок регулирования фиксируют текущие значения напряжений в фазах ротора. Алгоритм управления тиристорами импульсного генератора и коммутаторами импульсного регулятора обеспечивает перераспределение энергии из молекулярного накопительного конденсатора во второй накопительный конденсатор с последующим перераспределением ее в фазы a, b, c обмотки ротора. Это позволяет увеличить коэффициент мощности асинхронного двигателя от минимума до cosϕ = 1.2 2 с. п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в асинхронных электроприводах различных механизмов.

Одним из основных технико-экономических показателей целесообразности применения той или иной схемы асинхронного электропривода является коэффициент мощности, по которому можно определить, какая доля от полной потребляемой энергии идет на выполнение полезной работы. Поэтому одной из важнейших является проблема компенсации реактивной энергии, потребляемой двигателем с фазным ротором.

Известно, что основными системами с компенсацией реактивной энергии являются системы с конденсаторными батареями в сети питания обмотки статора асинхронного двигателя.

Однако такие системы, во-первых, весьма громоздки, во-вторых регулируются, как правило, ступенчато, и в-третьих, что является самым главным, такие системы компенсации реактивной энергии затруднительно использовать в устройствах с высоковольтными электрическими машинами напряжением 6, 10 кВ и больше, так как на такие высокие напряжения трудно выполнить регулируемые источники реактивной мощности.

Известны схемы электроприводов с асинхронными двигателями, в которых регулирование электромагнитных процессов осуществляется в цепи ротора асинхронного двигателя, т.е. схемы с импульсным управлением асинхронным двигателем с применением тиристорных коммутаторов в цепи выпрямленного тока ротора (см. например Соколов М.М. и Данилов П.Е. Асинхронный электропривод с импульсным управлением в цепи выпрямленного тока ротора. М. Энергия, 1972, с.8-9 или авт.св. СССР N 1460767, кл. Н 02 Р 7/42, 09.03.87). Характерной особенностью таких схем является наличие трехфазного выпрямителя, включенного в цепь ротора асинхронного двигателя, а регулирование электропривода осуществляется посредством управления постоянным током, протекающим по цепи выпрямителя с помощью тиристорных преобразователей. Это позволяет регулировать среднее значение выпрямленного тока ротора от некоторого максимального до некоторого минимального значения. При этом изменяются среднее значение момента двигателя и его скорость.

Однако подобные схемы не позволяют осуществлять эффективную компенсацию реактивной энергии, потребляемой асинхронным двигателем, что снижает их технико-экономические показатели, так как энергия гасится в балластных сопротивлениях ротора.

Известны схемы асинхронного вентильного каскада с импульсным регулированием (см. например, Шикуть Э.Р. и др. Импульсный регулируемый привод с фазными электродвигателями. Энергия, 1972, с.18-19, рис.1,9 б, а также авт.св. СССР N 936337, кл. Н 02 Р 7/62, N 1115196, кл. Н 02 Р 7/78 и N 1529395, кл. Н 02 Р 7/46, 7/62), которые позволяют обеспечить работу привода при скоростях ниже синхронной и меньшим потреблением реактивной мощности. В таких схемах осуществляется двухступенчатое преобразование энергии переменного тока ротора: сначала в энергию постоянного тока, которой управляют с помощью тиристорного коммутатора, а затем преобразуют ее в энергию переменного тока с помощью инвертора. После этого преобразуют ее в энергию повышенного напряжения с помощью высоковольтного трансформатора и после этого возвращают в питающую сеть.

Такой способ преобразования энергии позволяет частично осуществлять компенсацию реактивной энергии ротора двигателя при возврате энергии в сеть, однако он отличается сложностью управления выпрямленным током, так как при этом требуется синхронизировать момент запирания управляемого тиристорного коммутатора с переключением фаз инвертора так, чтобы ток в цепи инвертора, соответствующий моменту переключения, был равен нулю. Кроме того, в этом случае требуется для синхронизации с высоковольтной питающей сетью дополнительно преобразовывать энергию на выходе инвертора в энергию повышенного напряжения, что приводит к дополнительным потерям в электроприводе. Сказанное усугубляется в электроприводах, где требуется глубокое регулирование, частые пуски, а также работа двигателя с опережающим cos ϕ.

Известен способ преобразования энергии в роторе двигателя (см. Электричество, N 8, 1989, Радионов Н.И. и др. О передаче электрической энергии из молекулярного накопителя в индуктивный), по которому энергия переменного тока ротора преобразуется в энергию постоянного тока, которая затем накапливается в емкостном накопителе энергии. После этого указанная энергия передается индуктивному накопителю, а затем отдается в нагрузку, где частично рассеивается.

При этом происходит частичная компенсация реактивного сопротивления цепи ротора двигателя за счет емкостной составляющей сопротивления емкостного накопителя энергии. Однако при таком схемном решении не происходит рекуперации энергии в сеть, а частичное рассеивание энергии в нагрузке вызывает дополнительные потери в цепи двигателя.

Известен асинхронный двигатель (патент ГДР N 258691, 13.02,86), в котором осуществляется бесконтактное управление цепью ротора асинхронного двигателя с фазным ротором, причем элементы устройства управления расположены на двигателе на конце вала. Ротор имеет обмотку, концы которой выводятся на полупроводниковую управляющую схему, находящуюся на конце вала.

Асинхронный двигатель имеет приводные параметры асинхронного двигателя с фазным ротором, управление которого расположено на двигателе на конце вала. Задача заключалась в создании двигателя с изменяющимся числом оборотов, который включается прямо в сеть трехфазного тока и управляется бесконтактно. Для альтернативных приводных систем, например вентильного двигателя постоянного тока или промежуточного исполнительного механизма, возможно решение с улучшенными технико-экономическими параметрами. Ротор имеет обмотку, концы которой выводятся на полупроводниковую управляющую схему, находящуюся на конце вала. Внешнее управляющее устройство действует на полупроводниковую управляющую схему посредством управляющих импульсов различной частоты и длины через бесконтактную импульсную линию передачи и регулирует ток ротора и, следовательно, крутящий момент (число оборотов). Как видно из приведенного текста, передача сигналов управления в этом двигателе производится через воздушный промежуток с помощью светового сигнала, поступающего из блока управления по волоконному световоду.

Преимуществом рассмотренной схемы является то, что полупроводниковые элементы электропривода, а именно неуправляемый выпрямитель, импульсный регулятор и схема управления им, установлены на валу ротора двигателя.

Однако регулирования и компенсации реактивной (индуктивной) энергии, потребляемой асинхронным двигателем, данная схема не обеспечивает, так как схемное решение не предусматривает емкостной компенсации реактивной энергии.

Техническая задача состоит в снижении потерь энергии путем емкостной компенсации ее реактивной составляющей, в результате чего повышаются cos Ψ ротора, cos ϕ статора, момент и КПД двигателя.

Данную задачу предлагается решить способом компенсации реактивной энергии асинхронного двигателя, согласно которому энергию переменного тока ротора двигателя преобразуют в энергию постоянного тока, накапливают ее в емкостном молекулярном накопителе энергии, заряжают этой энергией с помощью бесконтактных ключей второй накопитель энергии. При этом контролируют напряжение емкостного молекулярного накопителя, преобразуют его по заданной нелинейной характеристике, зависящей от требуемого значения cos ϕ, в импульсное напряжение повышенной фиксированной частоты и формируют две последовательности импульсов, находящихся в противофазе, которые используют для включения бесконтактных ключей для упомянутого подключения второго накопителя энергии. При этом в каждый период напряжения каждой фазы обмоток ротора энергию второго накопителя в виде пакетов униполярных импульсов передают в соответствующие фазы обмотки ротора.

Данный способ предлагается реализовать с помощью устройства для компенсации реактивной энергии асинхронного двигателя, ротор которого выполнен с фазной обмоткой. Это устройство содержит трехфазный полупроводниковый выпрямитель в цепи обмотки ротора, полупроводниковый импульсный регулятор, блок управления, жестко закрепленные на валу ротора и блок регулирования. Кроме того, устройство снабжено молекулярным накопителем энергии, подключенным к выводам постоянного тока выпрямителя. Параллельно накопителю подключен полупроводниковый импульсный регулятор, включающий в себя второй накопитель энергии, импульсный генератор, импульсный повышающий трансформатор и три фазных коммутатора. Блок регулирования, также жестко закрепленный на валу ротора, выполнен из датчика напряжения, нелинейного блока, релейного элемента, преобразователя напряжение частота, селектора-формирователя импульсов. Блок управления состоит из трех датчиков напряжения, трех фазных компараторов, двух логических блоков, каждый из которых выполнен из трех логических элементов И, двух усилителей импульсов, каждый из которых выполнен из трех усилителей-формирователей. При этом входы датчиков напряжения подключены к соответствующей фазе обмотки ротора, а выходы к соответствующему фазному компаратору. Прямой выход каждого из последних подключен к первому входу соответствующего логического элемента И первого логического блока, инверсный выход к первому входу соответствующего логического элемента И второго логического блока. Вторые входы всех логических элементов И объединены между собой. Третьи входы логических элементов И первого логического блока объединены между собой и подключены к входу введенного первого усилителя импульсов. К входу второго введенного усилителя импульсов подключены объединенные третьи входы логических элементов И второго логического блока. Выходы логических элементов И соединены с соответствующими усилителями-формирователями усилителей импульсов. При этом выходы первого усилителя импульсов соединены соответственно с управляющими электродами одного из встречно-параллельно включенных тиристоров, образующих три фазных коммутатора. Управляющие электроды вторых встречно-параллельно включенных тиристоров фазных коммутаторов соединены с выходами соответствующих усилителей-формирователей второго усилителя импульсов. Один из общих выводов каждой пары встречно-параллельно включенных тиристоров соединен с началом соответствующей вторичной обмотки импульсного трансформатора. Концы каждой из этих обмоток объединены и подключены к нулевой точке обмотки ротора двигателя. Другие общие выводы каждой пары вышеупомянутых тиристоров фазных коммутаторов подключены к соответствующей фазе обмотки ротора. Начало первичной обмотки импульсного трансформатора подключено к одному из выводов накопителя энергии полупроводникового импульсного регулятора и молекулярного накопителя энергии. Конец вышеупомянутой первичной обмотки соединен с катодом первого введенного тиристора, встречно-параллельно которому подключен диод. Анод вышеупомянутого тиристора соединен с другим выводом второго накопителя энергии, соединенным также через дроссель с катодом второго введенного тиристора, анод которого соединен с вторым выводом молекулярного накопителя энергии. Управляющие электроды первого и второго введенных тиристоров подключены к выходам соответственно второго и первого усилителей импульсов. Входы последних соединены с выходами селектора-формирователя. Вход последнего через преобразователь напряжение частота соединен с выходом нелинейного блока. Выход релейного элемента соединен с общей точкой объединенных вторых входов логических элементов И. Вход нелинейного блока соединен с датчиком напряжения, входы которого подключены к выводам молекулярного накопителя энергии.

Новым в предлагаемом способе является то, что контролируют напряжение емкостного молекулярного накопителя, преобразуют его по заданной нелинейной характеристике, зависящей от требуемого значения cos ϕ, в импульсное напряжение повышенной фиксированной частоты и формируют две последовательности импульсов, находящихся в противофазе, которые используют для включения бесконтактных ключей второго накопителя энергии. При этом каждый период напряжения каждой фазы обмоток ротора энергию второго накопителя в виде пакетов униполярных импульсов передают в соответствующие фазы обмотки ротора.

Новым в предлагаемом устройстве является то, что к зажимам постоянного тока выпрямителя подключен молекулярный накопитель энергии, а к зажимам молекулярного накопителя энергии подключен полупроводниковый импульсный регулятор, включающий в себя второй накопитель энергии, импульсный генератор, импульсный повышающий трансформатор и три фазных коммутатора. Второй накопитель энергии перезаряжается через первый и второй тиристоры импульсного генератора. Кроме того, новым является то, что блок регулирования тоже жестко закреплен на валу ротора двигателя и входами подключен к зажимам молекулярного накопителя энергии, а выходами к блоку управления.

Это позволяет регулировать коэффициент мощности электропривода путем накопления энергии в молекулярном накопителе энергии, ее перераспределением на второй накопитель энергии и дальнейшим сбросом через импульсный трансформатор и фазные коммутаторы в фазы обмотки ротора двигателя в моменты времени, обеспечивающие предъявляемые требования к углам Ψ и ϕ ротора и статора.

Это позволяет сделать вывод о том, что изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом. Сравнение заявляемых технических решений с прототипами позволяет установить соответствие их критерию "новизна". Кроме того, сказанное позволяет сделать вывод о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого устройства для регулирования асинхронного двигателя с фазным ротором; на фиг.2 конструкция предлагаемого устройства; на фиг.3 элементарная схема замещения асинхронного двигателя; на фиг.4 векторная диаграмма приведенного асинхронного двигателя без дополнительных конденсаторов; на фиг.5 векторная диаграмма приведенного асинхронного двигателя с новыми элементами (емкостными) схемы; на фиг.6 приведен возможный вариант алгоритма управления импульсным регулятором в предлагаемом устройстве; на фиг. 7 приведена диаграмма импульсов в элементах предлагаемой схемы устройства; на фиг.8 схема усилителя-формирователя импульсов для одного тиристора в блоке управления; на фиг.9 схема селектора-формирователя импульсов в блоке регулирования.

Предлагаемое устройство (фиг.1) предназначено для регулирования асинхронного двигателя 1, ротор 2 которого выполнен с фазной обмоткой a, b, c. Оно содержит трехфазный полупроводниковый выпрямитель 3 в цепи обмотки ротора 2, полупроводниковый импульсный регулятор 4, блок 5 управления, жестко закрепленные на валу ротора 2, и блок 6 регулирования. Кроме того, устройство снабжено молекулярным накопителем 7 энергии, подключенным к выводам 8, 9 постоянного тока выпрямителя 3. Параллельно накопителю 7 подключен полупроводниковый импульсный регулятор 4, включающий в себя второй накопитель 10 энергии, импульсный генератор 11, импульсный повышающий трансформатор 12 и три фазных коммутатора 13,14,15. Блок 6 регулирования, также жестко закрепленный на валу ротора 2, выполнен из датчика 16 напряжения, нелинейного блока 17, релейного элемента 18, преобразователя 19 напряжение-частота, селектора-формирователя 20 импульсов. Блок 5 управления состоит из трех датчиков 21,22,23 напряжения, трех фазных компараторов 24,25,26, двух логических блоков 27,28, каждый из которых выполнен из трех логических элементов И 29 34, двух усилителей 35, 36 импульсов, каждый из которых выполнен из трех усилителей-формирователей 37 42.

Входы 43-48 датчиков 21, 22, 23 напряжения подключены к соответствующей фазе обмотки ротора 2, а выходы 49,50,51 к соответствующему фазному компаратору 24, 25, 26. Прямой выход 52, 53, 54 каждого из последних подключен к первому входу 52, 53, 54 соответствующего логического элемента И 29, 30, 31 первого логического блока 27, инверсный выход 55, 56, 57 к первому входу 55, 56, 57 соответствующего логического элемента И 32, 33, 34 второго логического блока 28. Вторые входы 58 63 всех логических элементов И 29 34 объединены (точка 64) между собой. Третьи входы 65,66,67 логических элементов И первого логического блока 27 объединены (точка 68) между собой и подключены к входу 68 введенного первого усилителя 69 импульсов. К входу 70 второго введенного усилителя 71 импульсов подключены объединенные (точка 70) третьи входы 72,73.74 логических элементов И второго логического блока 28. Выходы 75, 76, 77, 78, 79, 80 логических элементов И 29 34 соединены с соответствующими усилителями-формирователями 37 42 усилителей 35,36 импульсов. При этом выходы 81,82,83 первого усилителя 35 импульсов соединены соответственно с управляющими электродами 81,82,83 одного из встречно-параллельно включенных тиристоров 84,85,86, образующих три фазных коммутатора 13,14,15. Управляющие электроды 87,88,89 вторых встречно-параллельно включенных тиристоров 90,91,92 фазных коммутаторов 13,14,15 соединены с выходами 87,88,89 соответствующих усилителей-формирователей 40,41,42 второго усилителя 36 импульсов. Один из общих выводов 93,94,95 каждой пары встречно-параллельно включенных тиристоров 84,90; 85,91; 86,92 соединен с началом 93,94,95 соответствующей вторичной обмотки 96.97.98 импульсного трансформатора 12. Концы 99,100,101 каждой из этих обмоток 96,97,98 объединены и подключены к нулевой точке 102 обмотки ротора 2 двигателя 1. Другие общие выводы 103,104,105 каждой пары вышеупомянутых тиристоров 84,90; 85,91; 86,92 фазных коммутаторов 13,14,15 подключены к соответствующей фазе a,b,c обмотки ротора 2. Начало 106 первичной обмотки 107 импульсного трансформатора 12 подключено к одному из выводов 106 импульсного регулятора 4 и молекулярного накопителя 7 энергии. Конец 108 первичной обмотки 107 соединен с катодом первого введенного тиристора 109, встречно-параллельно которому подключен диод 110. Анод 111 тиристора 109 соединен с другим выводом 112 второго накопителя 10 энергии, соединенным также через дроссель 113 с катодом 114 второго введенного тиристора 115, анод которого соединен с вторым выводом 9 молекулярного накопителя 7 энергии. Управляющие электроды 116 и 117 первого 109 и второго 115 введенных тиристоров подключены к выходам соответственно второго 71 и первого 69 усилителей импульсов. Входы 68 и 70 последних соединены с выходами 118, 119 селектора-формирователя 20. Вход 120 последнего через преобразователь 19 напряжение-частота соединен с входом 121 релейного элемента 18 и с выходом нелинейного блока 17. Выход 122 релейного элемента 18 соединен с общей точкой 64 объединенных вторых входов 58 63 логических элементов И 29 34. Вход 123 нелинейного блока 17 соединен с датчиком 16 напряжения, входы 124, 125 которого подключены к выводам 9, 106 молекулярного накопителя 7 энергии.

Схемы датчиков 16,21,22,23 напряжения общеизвестны и пpиведены, например, в Справочнике по средствам автоматики./Под ред. В.Э.Низе и И.В.Антика. М. Энергоатомиздат, 1983, с.279-284. Схема компараторов 24, 25, 26 может быть выполнена с помощью выпускаемого промышленностью субблока вспомогательных функций Ф5206 (БМР1) (ОКП-42-2962-0040-07). Схема усилителей-формирователей 37-42, 69,71 приведена на фиг.8, и может быть выполнена на стандартных элементах. Схема нелинейного блока 17 общеизвестна и может быть использована из кн. Основы автоматического управления./Под ред. В.С.Пугачева. М. Гос. изд-во физико-математической литературы, 1963, с.74-95. Схема релейного элемента 18 может быть выполнена на компараторе Кр521САЗ, Кр521СА1 и т.п. Схема преобразователя 19 напряжение-частота может быть использована из Справочника по автоматизированному электроприводу./Под ред. В.А.Елисеева и А. В. Шинянского. М. Энергоатомиздат, 1983, с,127, табл.3,41. Схема селектора-формирователя 20 приведена на фиг.9, в которой использована стандартная микросхема типа К 155 АГЗ.

В качестве молекулярных накопительных конденсаторов 7 могут быть использованы емкостные молекулярные накопители энергии, данные о которых приведены в ж. Электричество N 8, 1989, Радионов Н.И. и др. О передаче электрической энергии из молекулярного накопителя в индуктивный. Указанные накопители критичны к знакопеременному напряжению, так как снижается срок их службы. Однако они допускают резкие колебания напряжения в сети, где они установлены, но не знакопеременное напряжение. Такого рода накопители электрической энергии типа МИГ-18, имея следующие параметры: массу 32 кг, U 450 В, С 0,6 Ф и габариты: диаметр d 226 мм, высоту h 350 мм, обладают достаточно высоким удельным показателем: 0,43 Прежде чем рассматривать работу предлагаемого устройства обратимся к известной в литературе (см. например, Костенко М.П. и Пиотровский Л.М. Электрические машины, ч.II, М.-Л. Госэнергоиздат, 1958, с.418,430) элементарной схеме замещения асинхронного двигателя с фазным ротором (фиг.3) и векторным диаграммам его, классической (фиг.4 и 5 с учетом введенных в схему конденсаторов: первого накопительного 7 с емкостью С_нак и второго 10 с емкостью С_сбр. (фиг.1).

На фиг. 4 представлена векторная диаграмма приведенного асинхронного двигателя с фазным ротором без дополнительных емкостей в цепи ротора двигателя. Из диаграммы видно, что угол между вектором тока статора I₁ и вектором питающего напряжения U₁, в конечном итоге, зависит от угла Ψ₂между вектором приведенного тока ротора I₂¹ и вектором приведенной ЭДС ротора Е₂¹, Чем меньше угол Ψ₂, тем меньше угол Ψ₁, тем выше cos ϕ₁, т.е. коэффициент мощности двигателя. Поскольку реактивное сопротивление обмотки ротора является индуктивным, то скомпенсировать его действие можно емкостной составляющей. При введении в цепь ротора емкости векторная диаграмма (фиг.5) меняется за счет изменения реактивной составляющей вектора напряжения в цепи ротора. Поскольку емкостная составляющая его направлена встречно индуктивной, то результирующий вектор реактивной составляющей напряжения уменьшается. В результате уменьшается угол Ψ₂, а соответственно и ϕ₁. Следовательно, увеличивается cos ϕ₁. При этом приведенная реактивная составляющая тока ротора независимо от скольжения может иметь положительный, отрицательный знак или равна нулю, что вытекает из известного выражения (см. Костенко М.П. и Пиотровский Л.М. Электрические машины, ч.II, М.-Л. Госэнергоиздат, 1958, с,427): I= IsinΨ₂= Таким образом, емкостная компенсация по предлагаемой схеме может быть осуществлена в любом режиме работы двигателя.

При включении двигателя 1 в питающую сеть процесс его пуска характеризуется индуктивными параметрами. В обмотке ротора 2 появляется ЭДС, которая выпрямляется в выпрямителе 3, и конденсатор 7 заряжается до напряжения с полярностью +,-,указанной на фиг.1 без скобок. При этом величина напряжения U₇ в начальный период больше, чем величина его в номинальном режиме работы асинхронного двигателя. Это обстоятельство служит сигналом для включения системы компенсации cos ϕ.

Энергия, которая накапливается в первом накопителе 7, определяется по известной формуле: W₇= где U_d выпрямленное напряжение цепи ротора, которое зависит от режима работы двигателя; C₇ максимальная величина емкости для выбранного напряжения питания, которую можно разместить в отведенных габаритах.

Эта максимально выбранная величина емкости определяется уровнем развития техники на данном этапе, а именно максимально возможным удельным показателям , где С емкость, Ф; V объем, дм³.

Итак, напряжение конденсатора 7, определяемое как частотой вращения ротора 2 и соответственно напряжением на обмотке ротора 2, так и величиной нагрузки Р₂ на валу двигателя, фиксируется датчиком 16 напряжения (фиг.1).

Аналоговый сигнал напряжения с датчика 16 поступает на вход 123 нелинейного блока 17, который преобразует этот сигнал в другое напряжение U_fинв по нелинейной характеристике, один из вариантов которой приведен на фиг.6. Из фиг.6 видно, что при включении питания на двигатель напряжение на накопителе 7 энергии U₇ максимально, что соответствует минимальному значению cos ϕ. Это соответствует точке 126 на рассматриваемой характеристике.

С выхода 121 нелинейного блока 17 сигнал напряжения U_fинв поступает на одноименный вход преобразователя 19 напряжение-частота, в котором это напряжение преобразуется в частоту, На выходе 120 преобразователя 19 появляется фиксированная частота f₁₂₀, характерная для работы преобразователя в точке 126 нелинейной характеристики. Этот сигнал f₁₂₀поступает на вход 120 селектора-формирователя 20, где этот сигнал f₁₂₀разделяется на противофазные импульсы с максимальной частотой f_инв. При этом формируется также определенная длительность этих импульсов, необходимая для отпирания тиристоров 109 и 115 в импульсном генераторе 11. С выходов 118 и 119 селектора-формирователя 20 импульсы частоты f₁₁₈и f₁₁₉ поступают соответственно на входы 68 и 70 усилителей-формирователей 69 и 71. С выходов 117, 116 этих усилителей импульсы U₁₁₇ f₁₁₈ и U₁₁₆ f₁₁₉ поступают на управляющие электроды тиристоров 115 и 109. В результате импульсный генератор 11 начинает работать. Поскольку импульсы f₁₁₈ и f₁₁₉ являются противофазными, первым открывается тиристор 115. В результате энергия от накопительного конденсатора 7 поступает в конденсатор 10 по цепи: конденсатор 7 зажим 9 тиристор 115 дроссель 113 зажим 112 конденсатор 10 сброса зажим 106 конденсатор 7. По окончании заряда конденсатора 10 до полярности +,-, указанной на фиг.1 без скобок, тиристор 115 закрывается.

Величина емкости С₁₀ второго накопительного конденсатора 10 может быть выбрана значительно меньше, чем величина емкости С₇ первого накопительного конденсатора 7 (С₇ > С₁₀), так как отбор энергии от конденсатора 10 производится на частоте, выбранной разработчиком. Выбор максимального значения этой частоты производится путем поиска оптимума, а именно с точки зрения максимального отбора энергии необходимо выбрать максимально возможную частоту, что следует из выражения W_сбр 2 πf_сбр С_сбр U_пит², где W_сбр энергия, накапливаемая на конденсаторе сброса; С_сбр емкость конденсатора сброса; U_пит питающее напряжение;
f_сбр частота, с которой происходит сброс энергии.

Таким образом, при выбранных величинах емкости и напряжения энергия сброса пропорциональна частоте сброса. Поэтому чем выше f_сбр, тем больше W_сбр. Но увеличение частоты ведет к увеличению потерь прежде всего в конденсаторе сброса и во всех элементах схемы, работающих на этой повышенной частоте, Поэтому оптимум определяется из соображений максимума частоты сброса и максимума энергии сброса при допустимом уровне потерь в элементах схемы.

Итак, закрывшийся тиристор 115 поддерживается в этом состоянии положительным потенциалом конденсатора 10. Тиристор 109, получая импульс управления по каналу 116, открывается, в результате чего происходит перезаряд конденсатора 10 по цепи: конденсатор 10 зажим 112 тиристор 109 первичная обмотка 107 импульсного трансформатора 12 зажим 106 конденсатор 10. Ток перезаряда конденсатора 10, проходя по первичной обмотке 107 трансформатора 12, создает первую полу- волну ЭДС в его вторичных обмотках 96, 97, 98. Вторая полуволна этих ЭДС образуется при последующем перезаряде конденсатора 10 до первоначальной полярности по цепи: конденсатор 10 зажим 106 первичная обмотка 107 трансформатора 12 диод 110 зажимы 111, 112 конденсатор 10.

Рассмотрим процессы, которые происходят при этом в блоке 5 управления. При включении питания на двигатель 1 по входам 44, 43; 46,45; 48,47 поступают сигналы напряжения на датчики 21,22,23 соответственно. С выходов 49,50, и 51 указанных датчиков синусоидальные сигналы, пропорциональные ЭДС ротора, поступают на компараторы 24,25 и 26 соответственно, в которых они преобразуются в противофазные прямоугольные сигналы (фиг.7). При этом частота этих сигналов равна частоте тока в роторе f_р и длительность, следовательно, равна полупериоду ротора (где Т_р ). Эти большой длительности импульсы с прямых выходов 52,53,54 и инверсных выходов 55,56,57 поступают на одноименные входы логических элементов И 29,30,31 и 32,33,34 соответственно. Одновременно на входы 65,66,67 и 72,73,74 логических блоков 27 и 28 с выходов 118, 119 блока 6 регулирования поступают высокочастотные импульсы от селектора-формирователя 20 импульсов, а на входы 58 63 по каналу 64 разрешающий сигнал с выхода 122 релейного элемента 18. В результате на выходах 75 80 логических элементов 29 34 формируются сигналы напряжения, которые, будучи усиленными в усилителях-формирователях 37 42 импульсов, являются управляющими сигналами для тиристоров 84 86 и 90 92 коммутаторов 13 15 импульсного регулятора 4.

При появлении напряжения на вторичных обмотках 96,97,98 импульсного трансформатора 12 и наличии управляющих импульсов на тиристорах 84, 85, 86, 90, 91,92 последние открываются и происходит "раздача" емкостной энергии в каждую фазу обмотки ротора 2 соответственно с коммутатора 13 в фазу a, с коммутатора 14 в фазу b, с коммутатора 15 в фазу c.

Импульсы напряжения с вторичных обмоток импульсного трансформатора так синхронизированы с напряжением фаз обмотки ротора, что через коммутаторы 13,14,15 они поступают с самого начала каждого полупериода каждой фазы a,b,c ротора 2, формируя первую гармоническую фазу тока с углом Ψ₂ ≈ 0 в любом режиме работы машины. Возможен режим Ψ₂ < 0, а следовательно, и ϕ₁ < 0 с отдачей реактивной энергии в первичную сеть.

Допустим, что далее напряжение на накопительном конденсаторе 7 уменьшилось по нелинейной характеристике (фиг.6) в связи с изменением режима работы двигателя от пуска (точка 126) до номинального режима (точка 127). В результате уменьшилось и напряжение на выходе 123 датчика 16. Тогда на выходе 121 нелинейного блока 17 формируется другое значение напряжения U_fинв, например, соответствующее точке a на нелинейной характеристике фиг.6, которое меньше значения этого напряжения, соответствующего точке 126. Регулирование идет до точки 127, в которой работа устройства прекращается, так как отключается релейный элемент 18, отстроенный на граничные условия (см.фиг.6). Последние определяются с одной стороны, ограничением по максимальной частоте f_инв, а с другой стороны максимальным значением отрегулированного cos ϕ₁, что соответствует номинальному режиму работы двигателя с cos ϕ₁≈ 1, что означает, что двигатель не потребляет реактивной энергии из сети.

В принципе возможны и другие законы управления импульсным регулятором, когда импульсы напряжения от импульсного генератора упреждает мгновенные значения каждой полуволны на фазах ротора. В этом случае возможен режим, когда углы Ψ₂ и ϕ₁ имеют отрицательные знаки, что соответствует отдаче реактивной энергии в сеть.

Таким образом, прослежен процесс преобразования энергии ротора двигателя, при котором энергию переменного тока ротора 2 сначала преобразуют в выпрямителе 3 в энергию постоянного тока. Затем накапливают ее в первом накопителе-конденсаторе 7. Заряжают этой энергией с помощью бесконтактных ключей 109 и 115 второй накопитель 10 энергии. Контролируют напряжение емкостного молекулярного накопителя 7, пpеобразуют его по заданной нелинейной характеристике, зависящей от требуемого значения cos ϕ₁, в импульсное напряжение повышенной фиксированной частоты. Формируют две последовательности импульсов, находящиеся в противофазе, которые используют для включения тиристоров 109 и 115 для подключения второго накопителя 10 энергии. При этом в каждый период напряжения каждой фазы обмотки ротора 2 энергию второго накопителя 10 в виде пакетов униполярных импульсов передают в соответствующие фазы обмотки ротора.

Это позволяет, во-первых, компенсировать реактивную энергию двигателя, обеспечивая многократное увеличение момента на валу двигателя, cos ϕ, близкий к единице (cos ϕ₁ ≈ 1), или обеспечивая опережающие значения cos ϕ (cos ϕ₁ > 1), что приводит к разгрузке электрических сетей, во-вторых, это избавляет от установки дорогостоящего и громоздкого оборудования в сети, питающей двигатель, вследствие чего изобретение особенно эффективно в высоковольтных сетях. В-третьих, используя в качестве накопительной емкости новейшие конденсаторы молекулярные накопители электроэнергии, возможно разместить все элементы схемы на валу ротора. В-четвертых, на последней стадии преобразования энергии пакет импульсов можно распределять по требуемому закону по отношению к каждому полупериоду каждой фазы ротора, тем самым обеспечивая практически любую степень компенсации, практически любые, наперед заданные значения углов ротора Ψ и статора ϕ.

С целью эффективного применения конденсаторов в цепи ротора асинхронной электрической машины желательно при проектировании машины учитывать емкостное сопротивление х_с в цепи ротора.

Формула изобретения

1. Способ компенсации реактивной энергии асинхронного двигателя, при котором энергию переменного тока ротора двигателя преобразуют в энергию постоянного тока, накапливают ее в емкостном молекулярном накопителе энергии, заряжают этой энергией с помощью бесконтактных ключей второй накопитель энергии, отличающийся тем, что контролируют напряжение емкостного молекулярного накопителя, преобразуют его по заданной нелинейной характеристике, зависящей от требуемого значения cosϕ, в импульсное напряжение повышенной фиксированной частоты, формируют две последовательности импульсов, находящиеся в противофазе, которые используют для включения бесконтактных ключей для упомянутого подключения второго накопителя энергии, причем в каждый период напряжения каждой фазы обмоток ротора энергию второго накопителя в виде пакетов униполярных импульсов передают в соответствующие фазы обмотки ротора.

2. Устройство компенсации реактивной энергии асинхронного двигателя, ротор которого выполнен с фазной обмоткой, содержащее трехфазный полупроводниковый выпрямитель в цепи обмотки ротора, полупроводниковый импульсный регулятор, блок управления, жестко закрепленные на валу ротора, и блок регулирования, отличающееся тем, что оно снабжено молекулярным накопителем энергии, подключенным к выводам постоянного тока выпрямителя, параллельно накопителю подключен полупроводниковый импульсный регулятор, включающий в себя второй накопитель энергии, импульсный генератор, импульсный повышающий трансформатор и три фазных коммутатора, блок регулирования жестко закреплен на валу ротора, выполнен из датчика напряжения, нелинейного блока, релейного элемента, преобразователя напряжение - частота, селектора формирователя импульсов, а блок управления состоит из трех датчиков напряжения, трех фазных компараторов, двух логических блоков, каждый из которых выполнен из трех логических элементов И, двух усилителей импульсов, каждый из которых выполнен из трех усилителей-формирователей, причем входы датчиков напряжения подключены к соответствующей фазе обмотки ротора, а выходы - к соответствующему фазному компаратору, прямой выход каждого из которых подключен к первому входу соответствующего логического элемента И первого логического блока, а инверсный выход - к первому входу соответствующего логического элемента И второго логического блока, вторые входы всех логических элементов И объединены между собой, третьи входы логических элементов И первого логического блока объединены между собой и подключены к входу вновь введенного первого усилителя импульсов, к входу вновь введенного второго усилителя импульсов подключены объединенные третьи входы логических элементов И второго логического блока, выходы логических элементов И соединены с соответствующими усилителями-формирователями усилителей импульсов, при этом выходы первого усилителя импульсов соединены соответственно с управляющими электродами одного из встречно параллельно включенных тиристоров, образующих три фазных коммутатора, управляющие электроды вторых встречно параллельно включенных тиристоров фазных коммутаторов соединены с выходами соответствующих усилителей-формирователей второго усилителя импульсов, один из общих выводов каждой пары встречно параллельно включенных тиристоров соединен с началом соответствующей вторичной обмотки импульсного трансформатора, концы каждой из которых объединены и подключены к нулевой точке обмотки ротора двигателя, другие общие выводы каждой пары упомянутых тиристоров фазных коммутаторов подключены к соответствующей фазе обмотки ротора, начало первичной обмотки импульсного трансформатора подключено к одному из выводов накопителя энергии полупроводникового импульсного регулятора и молекулярного накопителя энергии, конец упомянутой первичной обмотки соединен с катодом вновь введенного первого тиристора, встречно параллельно которому подключен диод, анод упомянутого тиристора соединен с другим выводом второго накопителя энергии, соединенным также через дроссель с катодом второго введенного тиристора, анод которого соединен с вторым выводом молекулярного накопителя энергии, управляющие электроды первого и второго введенных тиристоров подключены к выходам соответственно второго и первого усилителей импульсов, входы которых соединены с выходами селектора-формирователя, вход которого через преобразователь напряжение - частота соединен с входом релейного элемента и выходом нелинейного блока, выход релейного элемента соединен с общей точкой объединенных вторых входов логических элементов И, а вход нелинейного блока соединен с датчиком напряжения, входы которого подключены к выводам молекулярного накопителя энергии.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9