Устройство для управления трехфазным асинхронным электродвигателем с фазным ротором

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах механизмов, требующих регулирования пускового и тормозного моментов. Сущность изобретения заключается в том, что улучшение пусковых и тормозных характеристик асинхронного двигателя с фазным ротором осуществляется путем автоматического, бесконтактного и плавного изменения пускового сопротивления двигателя. Для этого необходимо автоматически по мере разгона (торможения) осуществлять периодическое включение фаз обмотки ротора, создавая замкнутый контур. Это достигается тем, что периодически создается замкнутый контур роторной обмотки 2, каждая фаза которой является первичной обмоткой однофазных трансформаторов 13, 14, 15 и 16, 17, 18 тока. Вторичные обмотки каждого из указанных трансформаторов подключены к входам системы 11 управления блока 12 импульсного регулирования. Силовые входы последнего подключены к выходам выпрямителя 3, через диоды которого фазы abc ротора 2 периодически подключаются к пусковому сопротивлению 10. При этом все элементы устройства равномерно размещены в тороидальном модуле, жестко закрепленном на валу двигателя 1. Время подключенного состояния роторной обмотки к пусковому сопротивлению 10 зависит от времени открытого состояния главного тиристора 57 импульсного регулятора 12. Это позволяет осуществлять пуск (торможение) двигателя при максимальном пусковом моменте в каждый текущий момент времени, повысить динамическую устойчивость двигателя и осуществлять защиту его при значительных по величине и длительности просадках питаюшего напряжения. 20 ил.

Изобретение относится к электромашиностроению и может быть использовано в электроприводах механизмов, требующих регулирования пускового и тормозного моментов.

Известно устройство, осуществляющее пуск асинхронного двигателя с фазным ротором путем включения в цепь ротора добавочного активного сопротивления [1] В этом случае пуск двигателя осуществляется по ломаной кривой, образованной отдельными участками нескольких пусковых электромеханических характеристик, соответствующих каждая определенной ступени добавочного сопротивления. Это позволяет осуществлять пуск двигателя при повышенном пусковом моменте, величина которого может колебаться в пределах допустимых значений.

Однако использование добавочного активного сопротивления приводит к увеличению потерь при пуске двигателя, увеличению массогабаритных показателей устройства в целом, а при просадках напряжения питающей сети не позволяет производить пуск асинхронного двигателя. Кроме того, при просадках питающего напряжения возможен аварийный режим короткого замыкания.

Известно устройство для разгона и регулировки числа оборотов асинхронного двигателя с контактными кольцами [2] которое содержит управляемый выпрямитель, подключенный силовыми входами к контактным кольцам двигателя. На выходе управляемого выпрямителя имеется полное сопротивление. Это позволяет плавно регулировать сопротивление в цепи ротора в процессе разгона и торможения путем изменения величины угла регулирования тиристоров управляемого выпрямителя в зависимости от величины сигнала датчика, установленного в роторной цепи. Таким образом обеспечиваются заданные значения тока в роторной обмотке двигателя, момент вращения и число оборотов двигателя.

Однако это устройство имеет механические контакты, через которые осуществляется связь трехфазной обмотки ротора с резистором, расположенным вне корпуса двигателя, и требует установки дополнительного электромеханического датчика частоты вращения ротора, что в целом снижает надежность работы системы регулирования.

Известен асинхронный двигатель с управлением полупроводниковыми элементами [3] 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. Двигатель с изменяющимся числом оборотов 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).

Передача сигнала управления в этом двигателе производится через воздушный промежуток с помощью светового сигнала, поступающего из блока управления по волоконному световоду. Однако в условиях тягового привода, когда имеет место повышенное загрязнение окружающей среды, управление по такому способу может оказаться малоэффективным, в результате чего снижается надежность работы всего привода. Кроме того, энергия выделяется в полупроводниковых приборах, что также снижает надежность регулирования такого двигателя в тяговых условиях.

Известно устройство для регулирования частоты вращения асинхронного двигателя [4] которое содержит тиристорный коммутатор в цепи ротора двигателя, выполненный по трехфазной мостовой схеме и шунтированный на выходе силовым резистором, и три диода, аноды которых объединены, а катоды через добавочные резисторы соединены с управляющими электродами трех тиристоров коммутатора. Кроме того, это устройство содержит блок стабилизированного управления, включающий в себя последовательно соединенные динистор и элемент с регулируемым порогом срабатывания. Это позволяет осуществлять импульсное управление пуском асинхронного двигателя путем дискретного изменения параметров цепи питания и соответствующего периодического изменения вращающего момента.

Однако в этом случае не обеспечивается поддержание максимального пускового (тормозного) момента во всем диапазоне изменения скоростей ввиду ступенчатого изменения параметров цепи питания ротора двигателя. В результате момент двигателя при разгоне и торможении изменяется от максимального пускового момента до некоторого минимального значения, соответствующего пересечению двух соседних электромеханических характеристик. Количество ступеней скорости вращения двигателя при этом зависит от числа стабилитронов в элементе с регулируемым порогом срабатывания.

Цель изобретения увеличение среднего значения момента двигателя путем плавного изменения сопротивления обмотки ротора.

Цель достигается тем, что устройство для управления трехфазным асинхронным электродвигателем с фазным ротором содержит трехфазный мостовой выпрямитель, вход которого предназначен для подключения к выводам роторной обмотки электродвигателя, а выход зашунтирован резистором, и блок стабилизированного управления. В него введены блок импульсного регулирования, шесть однофазных трансформаторов тока, попарно предназначенных для включения в соответствующие фазы роторной обмотки. Блок стабилизированного управления выполнен с девятью входами, четырьмя выходами и включает в себя формирователь стабилизированного питающего напряжения, формирователь управляющих импульсов и два усилителя-формирователя импульсов. Одни выводы вторичных обмоток первого, второго и третьего трансформаторов, предназначенных для включения в три соответствующие фазы роторной обмотки, подключены к первому, второму и третьему входам блока стабилизированного управления, другие выводы вторичных обмоток указанных однофазных трансформаторов объединены в общую точку. Одни и другие выводы вторичных обмоток четвертого, пятого и шестого однофазных трансформаторов подключены к соответственно с четвертого по девятый входам блока стабилизированного управления. Входы блока импульсного регулирования подключены к выводам резистора, один и второй выходы которого подключены к первому и второму выходам блока стабилизированного управления, третий и четвертый выходы которого подключены к управляющим входам блока импульсного регулирования. Три входа формирователя стабилизированного питающего напряжения являются первым, вторым и третьим входами блока стабилизированного управления, входы с четвертого по девятый которого образуют шесть входов формирователя управляющих импульсов, седьмой вход которого подключен к первому выходу формирователя стабилизированного питающего напряжения, второй и третий выходы которого подключены соответственно к первой паре входов первого и второго усилителей-формирователей импульсов, вторые пары входов которых связаны с соответствующими выходами формирователя управляющих импульсов. Первые выходы двух усилителей-формирователей импульсов образуют первый и второй выходы блока стабилизированного управления, третий и четвертый выходы которого образованы вторыми выходами указанных усилителей-формирователей импульсов.

Новым в предлагаемом техническом решении является то, что в него введены блок импульсов регулирования и шесть однофазных трансформаторов тока с их связями с блоком стабилизированного управления, с обмоткой ротора и выпрямителем. Блок стабилизированного управления включает в себя формирователь стабилизированного питающего напряжения, формирователь управляющих импульсов и два усилителя-формирователя импульсов с их внутренними и внешними связями.

Это позволяет регулировать длительность короткозамкнутого состояния проводников обмотки ротора в каждый текущий момент времени разгона (торможения) в зависимости от длительности открытого состояния тиристоров импульсного регулятора.

Сказанное позволяет сделать вывод о том, что заявляемое техническое решение обладает критерием изобретения "новизна".

При изучении других известных технических решений признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены. Поэтому заявляемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 приведен предлагаемый вариант конструкции серийного асинхронного двигателя с фазным ротором и с устройством регулирования (общий вид); на фиг. 3 приведена функциональная схема этого варианта конструкции; на фиг. 4 приведена структурная схема тороидального модуля устройства с условным разделением его на три слоя; на фиг. 5 представлен вариант компоновки отдельных элементов схемы предлагаемого устройства в тороидальном модуле в разрезе; на фиг. 6 общий вид указанной компоновки; на фиг. 7 приведена принципиальная схема формирователя стабилизированного питающего напряжения; на фиг. 8 принципиальная схема формирователя управляющих импульсов; на фиг. 9 принципиальная схема формирователя однополярных импульсов; на фиг. 10 принципиальная схема усилителей-формирователей; на фиг. 11 диаграмма изменения импульсов, вырабатываемых элементами схемы формирователя управляющих импульсов при частоте токов в роторе f_рот=50 Гц на протяжении одного периода частоты питающего напряжения; на фиг. 12 диаграмма изменения импульсов тех же элементов при частоте токов в роторе f_рот=25 Гц на протяжении одного периода частоты питающего напряжения; на фиг. 13 диаграмма изменения импульсов тех же элементов при частоте токов в роторе f_рот=4 Гц на протяжении 1/6-й части периода частоты питающего напряжения; на фиг. 14 диаграмма изменения импульсов тех же элементов при частоте токов в роторе f_рот=4 Гц на протяжении одного периода частоты питающего напряжения; на фиг. 15 диаграмма изменения импульсов тех же элементов при частотах токов в роторе f_рот=2,78 Гц и f_рот=2,08 Гц на протяжении части каждого из периодов меньшей 1/6-й каждого из периодов частоты питающего напряжения; на фиг. 16 приведены электромеханические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором в двигательном и тормозном режимах; на фиг. 17 электромеханические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором с регулированием пуска по прототипу и по предлагаемому устройству без просадок и при длительных просадках питающего напряжения, а также при разных вариантах изменения кривой момента сопротивления приводного механизма; на фиг. 18 кривые изменения питающего напряжения в случае его длительной просадки и кривые изменения угловой скорости вращения ротора при этих просадках напряжения и постоянном моменте сопротивления приводного механизма; на фиг. 19 приведена конструктивная схема серийного асинхронного двигателя с фазным ротором типа 4 АНК200 с устройством для разгона и регулирования (УРР) числа оборотов асинхронного двигателя с контактными кольцами; на фиг. 20 приведена функциональная схема такого двигателя с внешним УРР.

Работу предлагаемого устройства регулирования рассмотрим на конкретном примере, когда число фаз обмотки статора и ротора m=3.

На фиг. 1, 2 и 3 приведен трехфазный асинхронный электродвигатель 1 с фазным ротором 2 и статором 4. Рассматриваемое устройство (фиг. 1 и 3) включает в себя трехфазный мостовой выпрямитель 3, вход (зажимы 5,6,7) которого предназначен для подключения к выводам 5,6,7 роторной обмотки (фазы а, b,с) электродвигателя, а выход (зажимы 8,9) зашунтирован резистором 10, и блок 11 стабилизированного управления.

В устройство введены (фиг. 1) блок 12 импульсного регулирования, шесть однофазных трансформаторов 13-18 тока, попарно предназначенных для включения в соответствующие фазы роторной обмотки (13 и 16 в фазу а, 14 и 17 в фазу b, 15 и 18 в фазу с).

Блок 11 стабилизированного управления выполнен (фиг. 4) с девятью входами 19-27, четырьмя выходами 28-31 и включает в себя формирователь 32 стабилизированного питающего напряжения, формирователь 33 управляющих импульсов и два усилителя-формирователя 34, 35 импульсов.

Выводы 19, 20 и 21 вторичных обмоток 36, 37 и 38 первого 13, второго 14 и третьего 15 трансформаторов, предназначенных для включения в три соответствующие фазы a, b, c роторной обмотки, подключены к первому 19, второму 20 и третьему 21 входам блока 11 стабилизированного управления, выводы 39, 40, 41 вторичных обмоток 36, 37, 38 однофазных трансформаторов 13, 14, 15 объединены в общую точку 42. Выводы 22, 24, 26 и выводы 23, 25, 27 вторичных обмоток 43, 44, 45 четвертого 16, пятого 17 и шестого 18 однофазных трансформаторов подключены к соответственно с четвертого по девятый входам (22-27) блока 11 стабилизированного управления.

Входы 8, 9 блока 12 импульсного регулирования подключены к выводам 8,9 резистора 10, один и другой выходы которого подключены к первому 28 и второму 29 выходам блока 11 стабилизированного управления, третий 30 и четвертый 31 выходы которого подключены к управляющим входам 30,31 блока 12 импульсного регулирования.

Три входа 19, 20, 21 формирователя 32 стабилизированного питающего напряжения являются первым 19, вторым 20 и третьим 21 входами блока 11 стабилизированного управления, входы (22-27) с четвертого по девятый которого образуют шесть входов 22-27 формирователя 33 управляющих импульсов, седьмой вход 46 которого подключен к первому выходу 46 формирователя 32 стабилизированного питающего напряжения. Второй 47 и третий 48 выходы последнего подключены соответственно к первой паре 49, 50 и 51, 52 входов первого 34 и второго 35 усилителей-формирователей импульсов, вторые пары входов 53, 54 и 55, 56 которых связаны с соответствующими выходами формирователя 33 управляющих импульсов. Первые выходы 28 и 29 усилителей-формирователей 34 и 35 импульсов образуют первый 28 и второй 29 выходы блока 11 стабилизированного управления, третий 30 и четвертый 31 выходы которого образованы вторыми выходами 30 и 31 усилителей-формирователей 34 и 35 импульсов.

Блок 12 импульсного регулирования содержит главный 57 и коммутирующий 58 тиристоры, катоды 28 и 29 которых объединены в общую точку 9, являющуюся первым силовым входом 9 регулятора, подключенным к минусовой шине 9 выпрямителя 3. Между анодами 59 и 60 их включен коммутирующий конденсатор 61, общая точка 59 которого с главным тиристором 57 соединена с первым зажимом 8 первого резистора 62, подключенного вторым зажимом 60 к аноду коммутирующего тиристора 58. Первая точка 8 является вторым силовым входом 8 регулятора 12, подключенным к плюсовой шине выпрямителя 3. К управляющему электроду 63 и 64 соответственно каждого из тиристоров 57 и 58 подключен свой резистор, свободный зажим каждого из которых является соответственно первым 30 и вторым 31 управляющими входами блока 12 импульсного регулирования. Первым 28 и вторым 29 его силовыми входами являются одноименные катоды 28 и 29 соответственно главного 57 и коммутирующего 58 тиристоров Формирователь 32 стабилизированного питающего напряжения содержит (фиг. 7) трехфазный неуправляемый мостовой выпрямитель 65, к выходам 66, 67 которого подключен фильтрующий конденсатор 68. При этом минусовая шина 67 моста 65 является схемным нулем 67, а к плюсовой шине 66 подключен первый резистор 69 (первым зажимом 70), второй зажим 71 которого является первым выходом формирователя 32. К зажиму 71 подключен катод первого стабилитрона 72, к аноду которого встречно-последовательно подключен второй стабилитрон 73. Катод последнего подключен через второй резистор 74 к плюсовой шине 66 выпрямительного моста 65 (точка 70), а общая точка 75 стабилитронов 72 и 73 подключена к схемному нулю 67. Параллельно первому стабилитрону 72 подключен конденсатор 76, а параллельно второму стабилитрону 73 через резистор 77 подключен конденсатор 78. К общей точке 75 стабилитронов 72 и 73 подключен третий резистор 79, последовательно с которым соединен динистор 80, анод которого через резистор 77 соединен с катодом второго стабилитрона 73. Между минусовой шиной 67 выпрямителя 65 и анодом динистора 80 включена первичная обмотка 81 трансформатора 82 напряжения, зажимы вторичной обмотки 83 которого являются первыми двумя выходными зажимами 47, 48 формирователя 32.

Формирователь 33 управляющих импульсов включает в себя (фиг. 8) блок 84 формирователей 85, 86, 87 однополярных импульсов (ФОИ), подключенных к логическому элементу ИЛИ 88, и импульсно-фазовый формирователь 89. Каждая схема ФОИ 85 (86,87) включает в себя (фиг. 9) выпрямительный мост 90,91,92 и стандартный элемент нуль-орган 93(94,95). Знакопеременные входы 96, 97 (98, 99, 100, 101) каждого из выпрямителей 90 (91,92) являются входами 22, 23 (24, 25 и 26, 27) формирователя 33. Плюсовой выходной зажим 102, 103, 104 каждого из выпрямителей 90, 91, 92 подключен непосредственно к входу своего стандартного элемента нуль-орган 93 (94,95). Минусовой выходной зажим 105 (106, 107) каждого из них подключен к схемному нулю 67 блока 32 (фиг. 1). Выход 108 (109, 110) каждого из элементов 93(94,95) подключен к логическому элементу ИЛИ 88, а выход 111 последнего подключен к одноименному входу 111 импульсно-фазового формирователя 89 (фиг. 8, 9).

Формирователь 89 включает в себя (фиг. 8) пять логических элементов 112, 113, 114, 115, 116 задержки сигнала, четыре логических элемента И 117, 118, 119, 120, логический элемент ИЛИ-НЕ 121, логический элемент ИЛИ 122, инвертор 123 сигнала, два счетчика 124, 125 сигналов, два триггера 126, 127, генератор 128 высокочастотных импульсов, конденсатор 129 и резистор 130.

Выход 111 логического элемента ИЛИ 88 формирователя 84 однополярных импульсов подключен к входу 131 первого элемента 112 задержки и к входу 132 третьего элемента 114 задержки формирователя 89. К прямому выходу 133 элемента 112 подключены вход 134 второго элемента 113 задержки и вход 135 четвертого элемента 115 задержки. Второй инверсный выход 136 элемента 112 подключен к одноименному входу 136 первого логического элемента И 117, второй вход 137 которого подключен к одноименному выходу генератора 128 высокочастотных импульсов. Выход 138 элемента И 117 подключен к одноименному первому С-входу счетчика 124, второй R-вход 139 которого соединен с вторым R-входом 140 второго счетчика 125 и подключен к выходу 141 элемента ИЛИ 122. Выход 142 первого счетчика 124 подключен к одноименному С-входу счетчика 125. Четыре выхода 143, 144, 145, 146 последнего подключены к одноименным входам триггера 126, выходы 147, 148, 149, 150 которого подключены к одноименным входам элемента ИЛИ-НЕ 121. Инверсный выход 151 последнего подключен к первому входу 152 элемента И 118, второй вход 153 которой подключен к одноименному выходу третьего элемента 114 задержки. Выход 154 элемента И 118 подключен к одноименному первому входу элемента И 119. Второй вход 155 элемента И 119 соединен с вторым входом 156 элемента И 120 и подключен к выходу 157 RS-триггера 127. Выход 158 элемента И 119 и схемный ноль 67, созданный в блоке 32 (фиг. 7), образуют вторую пару выходов 55, 56 блока 89. Выход 159 второго элемента 113 задержки подключен к одноименному входу элемента И 120. Выход 160 последней и схемный ноль 67 образуют первую пару 53, 54 выходов блока 89. Первый выход 161 элемента 115 задержки подключен к входу 162 элемента 116 задержки и к С-входу 163 триггера 126. Второй инверсный выход 164 элемента 115 подключен к одноименному S-входу триггера 127. Второй R-вход 165 последнего подключен к выходу инвертора 123 сигнала. Первый вход 166 элемента ИЛИ 122 подключен к одноименному выходу 166 элемента 116 задержки. Второй вход 167 элемента ИЛИ 122 подключен к одноименному входу 167 инвертора 123 сигнала. К входу 167 инвертора 123 сигнала, с одной стороны, и к выходу 46 блока 32 (фиг. 9), с другой стороны, подключен конденсатор 129. Между входом 167 инвертора 123 сигнала и схемным нулем 67 блока 32 включен резистор 130.

Усилители-формирователи 34 и 35 импульсов управления тиристорами 57, 58, импульсного регулятора 12 (фиг. 1) состоят каждый (фиг. 10) из двух оптронов 168, 169, и 170, 171 и двух диодов 172, 173 и 174, 175. При этом первые пары входов 49,50 первого 34 и 51, 52 второго 35 формирователей объединены между собой (точки 49, 51 и 50, 52) и подключены к первым двум входным зажимами 47, 48 формирователя 32 (фиг. 1). Вторая пара входов 53, 54 первого 34 и вторая пара входов 55, 56 второго 35 усилителей подключены соответственно к первой и второй парам выходов формирователя 33 (фиг. 8). При этом один из зажимов 54, 56 в каждой паре входов 53, 54 и 55, 56 усилителей подключен к тому зажиму в соответствующей паре выходов формирователя 33, который соединен со схемным нулем 67 в формирователе 32 (фиг. 7).

В каждом усилителя 34(35) (фиг. 10) к второй паре входов 53,54 (55,56) (катодом к схемному нулю 67 вход 54 или 56) подключен светодиод 176(177) первого оптрона 168(170). Фототиристор 178 (179) каждого первого оптрона 168(170) анодом подключался к катоду фототиристора 180(181) второго оптрона 169(171) и к первому зажиму 49(51), т.е. к зажиму 47 первой пары входов 47, 48 усилителей 34 и 35. Катод фототиристора 178(179) первого оптрона 168(170) через встречно-последовательно с ним включенный первый диод 172(174) подключен к второму зажиму 50(52), т.е. к зажиму 48 первой пары входов 47, 48 усилителей 34, 35. К зажиму 50(52) катодом подключен второй диод 173,175, включенный встречно-последовательно с фототиристором 180(181) второго оптрона 169(171). Светодиод 182(183) второго оптрона 169(171) в каждом усилителе 34(35) катодом подключен к схемному нулю 67, т.е. к второму входному зажиму 54(56), а анодом к первому зажиму 53(55) в своей паре входов усилителей 34(35). Катод первого фототиристора 178(179) и анод второго фототиристора 180(181) в каждом усилителе являются соответствующей парой выходов 30,28(31,29). При этом пара выходов 30,28 первого усилителя 34 и пара выходов 31,29 второго усилителя 35 подключены к соответствующей одноименной паре входов блока 12 импульсного регулирования (фиг. 1).

Схема тороидальных трансформаторов 13, 14, 15 и 16, 17, 18 тока общеизвестна. Справочник по средствам автоматики./Под ред. В.Э. Визе и И.В. Антика. М. Энергоатомиздат, 1983, с. 279-284). Схема стандартных элементов нуль-орган 93,94,95 также общеизвестна Радио, 1985, N 8, с. 46-48, фазомер-частотомер).

Логические устройства 112, 113, 114, 115 и 116 задержки выполнены на микросхемах К155 АГЗ Радио, 1987, N 9, с. 38-39. Применение микросхем серии К155). Логические устройства ИЛИ 88, И 117, 118, 119, 120, ИЛИ-НЕ 121 и ИЛИ 122 построены на стандартных микросхемах К155 ЛАЗ, К155 ЛАI. Справочник по интегральным микросхемам. /Под ред. В.В. Тарабрина, изд-е 2-ое, М. Энергия, 1980, с. 124-186).

Схема логического инвертора 123 сигнала выполнена на микросхеме К155ЛК1 или К155ЛАЗ (Справочник по интегральным микросхемам./Под ред. В.В. Тарабрина, изд-е 2-ое, М. Энергия, 1980, с. 124-186). Счетчики 124 и 125 импульсов выполнены на микросхемах К155ИЕ7 и К155ИЕ5 соответственно (Радио, 1978, N 5, с. 37, 38 и 1977, N 10, с. 39-41 соответственно).

Схема триггера 126 выполнена на микросхеме К155 ТМ8 (Радио, 1984, N 3, с. 26-29). Схема RS-триггера 127 выполнена на микросхеме К155ТМ2 (Радио, 1976, N 2, с. 42-45).

Схема генератора 128 высокочастотных импульсов известна (Сб. В помощь радиолюбителю. в. 87, сост.Н.Ф. Назаров, М. ДОСААФ, 1984, с. 32). Схема оптронного усилителя-формирователя 34, 35 импульсов известна (Визиков В.А. Миронов, В. Н. Обухов С.Г. Шамгунов Р.Н. Cистемы управления тиристорными преобразователями частоты, М. Энергоиздат, 1981, с. 137-140). Схема генератора импульсного напряжения в формирователe 32 (также известна (Кублановский Я.С. Тиристорные устройства. 2-ое изд-е. М. Радио и связь, 1987, с. 71-73, массовая радиобиблиотека, вып. 1104).

Рассмотрим работу предлагаемого устройства. В момент подключения обмотки статора АД1 (фиг. 1) к питающей сети частота вращения ротора 2 равна нулю, а скольжение ротора S_рот= 1. При этом в фазах а, b, с ротора наводится ЭДС с частотой, равной частоте питания обмотки статора f_рот=f_cт. Все фазы обмотки ротора 2 оказываются замкнутыми через диодный мост 3 и активное сопротивление 10, в результате чего в обмотке ротора 2 начинает течь ток, например, по цепи: фаза а ротора точка 5 диодного моста 3 диод фазы а точка 8 резистор 10 точка 9, а далее, например, по двум параллельным цепям: диод катодной группы фазы b точка 6 фаза b фаза а ротора 2 и диод катодной группы фазы с фаза с фаза а ротора. В результате, во-первых, тиристоры 57 и 58 импульсного регулятора 12 оказываются под воздействием силового напряжения, индуктируемого в фазах обмотки ротора и выпрямляемого диодным мостом 3, и, во-вторых, в результате того, что первичные обмотки трансформаторов 13, 14, 15 тока обтекаются указанными токами, на зажимах 19, 39; 20, 40; 21, 41 и 22, 23; 24, 25; 26, 27 каждого из этих трансформаторов появляется свое напряжение, каждое из которых подается на определенный элемент в системе 11 управления импульсным регулятором 12.

Система 11 управления вырабатывает импульсы управления главным тиристором 57 и коммутирующим тиристором 58 блока 12 импульсного регулирования. При подаче на главный тиристор 57 управляющего сигнала через входы 30, 28 он открывается. При этом происходит заряд конденсатора 61 по цепи: "+"-ая шина 8 резистор 62 конденсатор 61 точка 59 главный тиристор 57 точка 28 "-"-ая шина 9. Полярность конденсатора 61 в этом случае соответствует указанной на фиг. 1 без скобок.

При подаче сигнала управления на коммутирующий тиристор 58 через входы 29, 31 регулятора 12 происходит принудительная коммутация главного тиристора 57 разрядом конденсатора 61 по цепи: "+"-ая обкладка конденсатора 61, точка 60 тиристор 58 точка 29 тиристор 57 точка 59 правая обкладка конденсатора 61. После закрывания главного тиристора 57 дальнейший разряд конденсатора 61 происходит через коммутирующий тиристор 58 и диоды выпрямителей 3. По окончании разряда и перезаряда конденсатора 61 до полярности (-+), указанной на фиг. 1 в скобках, к аноду коммутирующего тиристора 58 прикладывается "-"-й потенциал, в результате чего заряженный отрицательным обратным напряжением коммутирующий тиристор 58 закрывается. Окончание перезаряда конденсатора 61 до исходной полярности "+"-", указанной на фиг. 1 без скобок, происходит по цепи: правая обкладка конденсатора 61 точка 8 резистор 62 уточка 60 левая обкладка конденсатора 61.

В промежутке времени, когда главный тиристор 57 регулятора 12 открыт, через последний создается короткозамкнутая цепь для тока выпрямителя 3, в результате чего в этом промежутке времени резистор 10 оказывается шунтированным тиристором 57. Чем больше длительность открытого состояния главного тиристора 57, тем меньше время, в течение которого ток выпрямителя 3 замыкается через резистор 10, что равносильно уменьшению среднего значения пускового сопротивления обмотки ротора. Таким образом, с увеличением времени открытого состояния главного тиристора 57 уменьшается активное сопротивление ротора R_рот=f(t).

С увеличением скорости вращения ротора при пуске двигателя от n_рот=0 до n_рот= (1-S)n_ст, S скольжение; n_рот скорость вращения ротора; n_ст скорость вращения поля статора), а значит, при уменьшении скольжения от S=1 до S≈ 0 длительность короткозамкнутого состояния фаз двигателя увеличивается от минимальной величины до максимального значения.

При этом минимальное время короткозамкнутого состояния фаз обмотки ротора определяется при частоте ротора f_рот=f_cт=50 Гц (т.е. в начальный момент пуска двигателя) и равно t_min57= t_откр.57+t_зар.61, где t_откр.57 паспортное время открывания главного тиристора 57 при подаче на него управляющих сигналов; t_зар.61 время первоначального заряда коммутирующего конденсатора 61 через главный тиристор 57.

Максимальное время короткозамкнутого состояния фаз обмотки ротора в диапазоне регулируемого пуска определяется при минимальном для конкретного типа двигателя скольжения, соответствующем выходу двигателя на устойчивую часть естественной электромеханической характеристики.

При этом активное сопротивление ротора в период разгона двигателя от S=1 до S= S_min меняется от R_max до R_min. В результате плавного бесконтактного и автоматческого изменения активного сопротивления ротора двигатель разгоняется при максимальном пусковом моменте по кривой 188 (фиг. 16) без провалов величины пускового момента, так как с увеличением скорости вращения ротора в каждый текущий момент времени увеличивается длительность короткозамкнутого состояния фаз обмотки двигателя. Иначе говоря пуск двигателя осуществляется по характеристике, огибающей "верхушки" каждой конкретной для текущего момента времени пусковой электромеханической характеристики 184-187 двигателя вплоть до выхода ее на устойчивую часть естественной электромеханической характеристики. Аналогичные явления, но в обратном порядке происходят при торможении двигателя противовключением вплоть до выхода его на предельную тормозную характеристику.

Напряжение питания системы 11 управления как уже было сказано, создается в источнике 13, 14, 15 (фиг. 1) и подается на входы 19, 20, 21 формирователя 32 стабилизированного питающего напряжения в системе 11 управления. В блоке 32 (фиг. 7) это напряжение выпрямляется трехфазным диодным выпрямителем 65, в результате чего на шинах 66, 67 его создается выпрямленное напряжение, которое фильтруется от переменных составляющих конденсатором 68.

Стабилитроны 72,73 подобраны таким образом, что порог срабатывания первого из них меньше порога срабатывания второго, т.е. U_пор.72 < U_пор73.

При увеличении выходного напряжения на выпрямителе 65 (в период переходного процесса) на зажимах 66, 67 и достижении им величины U_пор.72стабилитрон 72 пробивается, и на выходных зажимах 46, 67 блока 32 удерживается стабилизированное напряжение, являющееся опорным напряжением микросхем блока 11 системы управления. Таким образом, практически сразу же после подключения обмотки статора к питающей сети все элементы схемы 11 управления, требующие питания, получают его от формирователя 32.

Одновременно с ростом напряжения на зажимах 46, 67 выпрямителя 65 в переходном режиме происходит заряд конденсатора 78 блока 32 по цепи: "+" выпрямителя 65 (точки 66, 70) резистор 74 резистор 77 конденсатор 78 точка 75 "-" выпрямителя 65 (точка 67). По достижении в переходном режиме напряжением U_пор.73 величины порога срабатывания стабилитрона 73 последний пробивается и далее удерживает на зажимах последовательной цепочки из сопротивления 79 и динистора 80 стабилизированное напряжение, равное U_пор.73.

Одновременно динистор 80 переключается в проводящее состояние и конденсатор 78 начинает разряжаться через динистор 80 и резистор 79. Далее конденсатор 78, резистор 79 и динистор 80 начинают работать как генератор пилообразного напряжения. Благодаря тому, что в качестве трансформатора 82 напряжения используется трансформатор с прямоугольной петлей гистерезиса, на вторичную обмотку 83 последнего трансформируется импульсное, практически прямоугольное, знакопеременное напряжение, которое с зажимов 47,48 формирователя 32 поступает на одноименные входы усилителей-формирователей 34 и 35 импульсов (фиг. 10). В результате последние получают питание, ожидая управляющих импульсов на входах 53, 54 и 55, 56 соответственно.

Эти сигналы формируются следующим образом (фиг. 8 и 9).

Одновременно с появлением переменных напряжений на входах 19, 20, 21 формирователя 32 системы 11 управления (фиг. 8) синусоидальные напряжения с зажимов 22, 23 24, 25 и 26, 27 трансформаторов 16, 17, 18 поступают на одноименные входы формирователя 33 управляющих импульсов. Каждое из этих напряжений выпрямляется в своем выпрямителе 90, 91, 92 (фиг. 9) и далее поступает в свою схему нуль-орган 93,94,95. В каждом нуль-органе по точкам перехода своей фазной синусоиды напряжения через ноль формируются узкие однополярные импульсы напряжения, поступающие на входы 108. 109, 110 логического элемента ИЛИ 88. С выхода 111 последнего эти импульсы поступают одновременно на вход 131 первого логического элемента 112 задержки и на вход 132 третьего элемента 114 задержки в импульсно-фазовом формирователе 89 (фиг. 8). Формирование выходных прямоугольных импульсов на выходах 133 и 153 элементов 112 и 114 осуществляется по переднем фронту входных импульсов 131(132). В пределах одного периода изменения фазового напряжения на выходе элемента ИЛИ 88 появляется шесть таких узких импульсов. перехода своей фазной синусоиды напряжения через ноль формируются узкие однополярные импульсы напряжения, поступающие на входы 108, 109, 110 логического элемента ИЛИ 88. С выхода 111 последнего эти импульсы поступают одновременно на вход 131 первого логического элемента 112 задержки и на вход 132 третьего элемента 114 задержки в импульсно-фазовом формирователе 89 (фиг. 8). Формирование выходных прямоугольных импульсов на выходах 133 и 153 элементов 112 и 114 осуществляется по переднему фронту входных импульсов 131(132). В пределах одного периода изменения фазового напряжения на выходе элемента ИЛИ 88 появляется шесть таких узких импульсов.Длительность импульсов на выходе 133 элемента 112 определяется при частоте, близкой к частоте статора f_рот≈f_ст=50 Гц, исходя из условия минимального времени открытого состояния главного тиристора 57 (фиг. 1) и блока 12, следующим равенством: t₁₃₃= T_рот-t_min T_ст-(t_откр.57+t_зар.61), где Т_рот промежуток времени между соседними импульсами, появляющимися на выходе 111 элемента ИЛИ 88, т.е. 1/6 часть периода изменения фазного напряжения в момент подключения обмотки статора двигателя 1 к питающей сети при f_рот=f_ст=50 Гц; t_min57 минимальное время короткозамкнутого состояния фаз обмотки ротора в период разгона двигателя.

В процессе всего пуска двигателя величины t₁₃₃ и t_min57 остаются постоянными, причем величина t_min57, определяемая паспортным временем открывания главного тиристора 57 и параметрами цепи заряда конденсатора 61, на порядок меньше величины t₁₃₃, т.е. t_min57<< t_133. Для f_ст=50 Гц это вытекает из следующих данных: T_ст 20 мс; t_откр.57=0,008-0,011 мс (Справочник Силовые полупроводниковые приборы, О.Г.Чебовский и др. М. Энергия, 1975, с. 356); t_зар.61 ≈ 0,2-0,3 мс (в зависимости от параметров цепи первоначального заряда конденсатора 61);
откуда t_min57=0,01-0,3=0,31 мс, а
t₁₃₃ 20 0,31 3,33 0,31 ≈ 3 мс.

По мере разгона двигателя частота тока в роторе f_рот уменьшается, а период соответственно увеличивается (Т_рот=1/f_рот), т.е. пеpиод Т_рот величина переменная. Следовательно, с увеличением скорости вращения ротора n_рот увеличивается Т_рот. а значит, увеличивается и время между двумя соседними импульсами на выходе 111 элемента ИЛИ 88 (фиг. 8).

На инверсном выходе 136 элемента 112 задержки появляются сигналы, обратные сигналам 133, длительность каждого из которых равна
t₁₃₆ T_рот-t₁₃₃.

Одновременно с импульсами на выходах 133, 136 элемента 112 также по переднему фронту входных импульсов 132 появляются сигналы на выходе 153 элемента 114 задержки. На выходах 161 и 164 элемента 115 задержки по переднему фронту входных импульсов 135 формируются свои прямой и инверсный сигналы, а на выходе 159 элемента задержки по заднему фронту входных импульсов 134 формируются свои импульсы.

При подаче питающего стабилизированного напряжения на микросхемы системы 11 управления с выходов 46,67 формирователя 32 (фиг. 7) генератор 128 высокочастотных прямоугольных импульсов (фиг. 8) начинает вырабатывать импульсы, поступающие на вход 137 элемента И 117. В результате на выходе 138 последнего при наличии в рассматриваемый момент времени одновременных импульсов на входах 136 и 137 появляются прямоугольные импульсы.

Кроме того, в момент подачи стабилизированного напряжения с зажимов 46 и 67 на "питающие" входы микpосхем системы 11 управления, т.е. еще до появления импульсов на выходе 111 элемента ИЛИ 88, начинается заряд конденсатора 129 в формирователе 89 по цепи; вход 46 конденсатор 129 точка 167 резистор 130 зажим 67. При этом потенциал точки 167 скачком возрастает от нуля до значения потенциала на зажиме 46, в результате чего на выходе 165 инвертора 123 сигнала появляется логический "0", длительность которого определяется временем заряда конденсатора 129.

Появление логического "0" обеспечивает первоначальный сброс RS-триггера 127. При этом на его выходе 157 появляется логический "0". Таким образом, к моменту появления импульсов на выходе 111 элемента ИЛИ 88 на входы 155 и 156 элементов И 119 и 118 с выхода 157 RS-триггера 127 поступает логический "0", запрещающий прохождение управляющих сигналов на главный 57 и коммутирующий 58 тиристоры (фиг. 1) на время переходных процессов в двигателе.

Кроме того, в первоначальный момент подачи питающего напряжения на входы 46, 67 блока 89 с зажима 167 конденсатора 129 (фиг. 8) на одноименный вход элемента ИЛИ 122 поступает сигнал логической "1", в результате чего происходит предварительный сброс счетчиков 124 и 125 по R-увходам 139 и 140. По окончании заряда конденсатора 129 с его зажима 167 на одноименный вход элемента ИЛИ 122 подается логический "0", который постоянно присутствует на этом входе во всех рабочих режимах схемы. В момент окончания заряда конденсатора 129 потенциал точки 167 снижается до нуля и на выходе 165 инвертора сигнала появляется устойчивая логическая "1", поступающая на вход 165 триггера 127. Таким образом, элементы 129, 130 и 123 в блоке 89 обеспечивают первоначальный запрет на прохождение сигналов на выходы 53, 54 и 55, 56 (а значит, и запрет на первоначальное прохождение управляющих сигналов на главный 57 и коммутирующий тиристоры 58 в регуляторе 12) до тех пор, пока не закончатся переходные процессы в элементах схемы после подключения двигателя к источнику питания.

В момент появления на инверсном выходе 164 элемента 115 задержки первого импульса логического "0" RS-триггер 127 переключается в устойчивое состояние, при котором на его выходе 157, а значит, и на входах 155, 156 элементов 119, 120 появляется устойчивая логическая "1". Это обеспечивает при появлении сигналов логической "1" на выходах 154 и 159 элементов И 118 и 113 свободное прохождение их через элементы И 119 и 120 и появление их на выходах 158 и 160 соответственно. При этом передний фронт импульсов на выходе 158 элемента И 119 соответствует моментам прохождения через ноль фазных напряжений вторичных обмоток трансформаторов 16, 17, 18 тока (фиг. 1). Импульсы на выходе 160 элемента И 120 задерживаются относительно импульсов 158 на время t₁₃₃. Эти импульсы, по сути, и являются теми сигналами, из которых в усилителях 34, 35 (фиг. 10) формируются управляющие сигналы главного 57 и коммутирующего 58 тиристоров блока 12 импульсного регулирования.

Кроме рассмотренных элементов и их связей в блоке 89 (фиг. 8) имеются два счетчика 124 и 125 импульсов, первый из которых накапливает информацию об импульсах до тех пор, пока число их не станет больше 15, после чего с его выхода 142 посылается прямоугольный импульс на С-вход 142 второго счетчика 125, ведущего счет до 255 импульсов. Появление первого импульса на С-входе 142 счетчика 125 приводит к появлению на выходе 147 триггера 126 логической "1", а значит и к появлению логического "0" на выходе 151 элемента ИЛИ-НЕ 121, что приводит к запрету на появление сигнала на управляющих входах 31, 29 коммутирующего тиристора 58 (фиг. 1).

Появление каждого 16-го импульса на выходе 142 счетчика 124, а значит, на одноименном входе счетчика 125 вызывает на выходе 143 последнего появление логической "1". В момент поступления сигнала на С-вход 163 триггера 126 в нем происходит запись информации. Одновременно на его выходе 147 появляется логическая "1", которая на выходе 151 элемента ИЛИ-НЕ 121 преобразуется в логический "0".

В момент появления сигнала на выходе 141 элемента ИЛИ 122 происходит сброс информации счетчиков 124 и 125 по R-входам 139 и 140 через время t₁₆₆, определяемое элементом 116 задержки.

Частота импульсов, вырабатываемых высокочастотным генератором 128 импульсов (фиг. 8), определяется из условия постоянного открывания главного тиристора 57 (фиг. 1), в блоке 12, а значит, из условия запрета подачи управляющих импульсов на коммутирующий тиристор 58. Это соответствует наличию логического "0" на выходе 151 элемента ИЛИ-НЕ 121, а значит, записи информации в триггере 126, что соответствует приходу на С-вход 142 второго счетчика 125 счетного импульса с одноименного выхода первого счетчика 124. Последнее соответствует полному пакету из 16 импульсов, зафиксированному счетчиком 124. Чтобы реализовать указанные состояния перечисленных элементов, частота импульсов на выходе 137 генератора 128 должна быть такой, чтобы длительность пакета из его 15 импульсов была равна длительности импульсов на выходе 136 элемента 112 задержки, т.е. t₁₃₆=15t₁₃₇, откуда t₁₃₇= t₁₃₆.

Так как частота тока в роторе 2 при этом минимальная (порядка 2 Гц), то
t₁₃₆ T_рот-t.

Так как T_рот 10³=0,5·10³ мс;
t₁₃₃ ≈ 3 мс=const,
то
t₁₃₇ 0,5·10³-3 80,4=5,36 мс 5,36·10^-3 с,
a
f₁₃₇ 10³=187 Гц.

Диаграммы состояния элементов блока 89 во времени, а также состояние (открытое или закрытое) главного тиристора 57 в блоке 12 в зависимости от частоты тока в роторе f_рот приведены на фиг. 11-15, из которых видно, что в начальный момент пуска при f_рот=f_ст=50 Гц (фиг. 11) главный тиристор 57 открывается на очень короткие промежутки времени:
t_57(50Гц)= t_откр.57+t_зар.61=t_min57, где t_откр.57 паспортное время открывания главного тиристора 57 при подаче на него управляющего сигнала;
t_зар.61 время первоначального заряда конденсатора 61 (фиг. 1).

При частоте fрот=25 Гц (фиг. 12) это время существенно увеличивается и равно
t_{57(25 Гц)}= 0,00310³=3,66 мс.

При частоте f_рот=4 Гц (фиг. 13) оно достигает величины
t_57(4Гц)= 0,00310³=38,6 мс.

При этом диаграммы на фиг. 11, 12 и 13 выполнены в одном масштабе (0,334 мс/мм). Диаграмма на фиг. 14 выполнена для f_рот=4 Гц, но в масштабе 2 мс/мм. На фиг. 15 те же процессы рассмотрены в масштабе 4 мс/мм для двух соседних значений частоты ротора: при f_рот=2,78 Гц, когда закрытое состояние главного тиристора 57 минимально, и при f_рот=2,03 Гц, когда главный тиристор 57 уже не закрывается.

Длительность узких прямоугольных импульсов 153, 159, 161 элементов 114, 113, 115 задержки представляется лишь качественно, так как фактическая длительность их здесь принципиальной роли не играет, а габариты стандартного формата не позволяют выбрать тот масштаб, при котором можно достоверно показать фактическую длительность этих импульсов.

Итак, прослежено, как формируются импульсы, поступающие на выходы 53, 54 и 55, 56 блока 89 и на основе которых формируются управляющие сигналы тиристоров 57 и 58 в блоке 12 (фиг. 1). Эти сигналы поступают на одноименные входы усилителей 34 и 35 соответственно (фиг. 10) по заданному системой 11 управления (фиг. 1) алгоритму, а последние обеспечивают оптронную развязку силовой части рассматриваемого устройства и системы 11 управления.

Усилители-формирователи 34 и 35 подготовлены к приему импульсов по входам 53, 54 и 55, 56 при подаче на их объединенные входы 49(51) и 50(52), т.е. входы 47 и 48, питающего напряжения из формирователя 32 (фиг. 7).

Рассмотрим работу усилителей-формирователей на примере одного из них, например 34 (фиг. 10). На входы 47, 48 (или соответственно 49, 50) поступает знакопеременное прямоугольное напряжение. Допустим, что в рассматриваемый момент времени полярность стабилизированного напряжения на зажимах 47, 48 соответствует полярности, указанной на фиг. 10 без скобок. При поступлении импульсов на входы 53, 54 через светодиоды 176, 180 оптронов 168, 169 начинает протекать ток, замыкающийся цепи: вход 53- диод 176 вход 54 и вход 53 диод 182 вход 54. Каждый из светодиодов 176, 182 посылает световой импульс на свой фототиристор 178, 180, в результате чего замыкается цепь: "+" зажима 47 точка 49 фототиристор 178 точка 30 резистор 65 (фиг. 1) управляющий электрод 63 главного тиристора 57 катод 28 тиристора 57 точка 28 -диод 173 (фиг. 10) точка 50 зажим 48.

При изменении полярности на входах 47, 48 на противоположную, указанную на фиг. 10 в скобках, в работу вступают фототиристор 180 и диод 172, в результате чего создается цепь: "+" зажима 48 точка 50 диод 172 зажим 30 резистор 65 (фиг. 1) управляющий электрод 63 катод 28 тиристора 57 точка 28 фототиристор 180 (фиг. 10) точка 49 зажим 47.

Аналогичные процессы происходят в оптронном усилителе 35, где формируются импульсы управления коммутирующим тиристором 58 в блоке 12 (фиг. 1). Таким образом, полностью прослежено, как осуществляется управление тиристорами импульсного 12 регулятора, а значит, и регулирование времени короткозамкнутого состояния фаз обмотки ротора. Как следствие, таким образом автоматически осуществляется бесконтактное и плавное изменение сопротивления обмотки ротора при пуске (останове) во всем диапазоне разгона (торможения) двигателя. При этом при торможении все процессы, описанные выше, происходят в обратном порядке, в результате чего время открытого состояния главного тиристора 57 постепенно уменьшается до минимума, а сопротивление обмотки ротора увеличивается до максимума.

На фиг. 16 показаны пусковые электромеханические характеристики 184-187, соответствующие ступенчатому уменьшению сопротивления обмотки ротора при пуске, и огибающая их характеристика 188, соответствующая плавному уменьшению сопротивления обмотки ротора при поддержании пускового момента на максимальном уровне с выходом на устойчивую часть естественной характеристики 187, соответствующей минимальному сопротивлению обмотки ротора R_min.

Кроме сказанного, рассмотренное устройство регулирования пуска и торможения двигателя позволяет осуществлять защиту его при просадках питающего напряжения как при постоянном, так и при переменном моменте сопротивления приводного механизма.

Допустим приводной механизм имеет постоянный момент сопротивления М_сопр.1= сonst (характеристика 189, фиг. 17), а напряжение питающей сети номинальное (действующее значение U_пит=U_ном), см. фиг 18, кривая 190. Тогда разгон двигателя, осуществляемый в прототипе, соответствует кривой 191 (фиг. 17), а в предлагаемом техническом решении кривой 192 с выходом на устойчивую часть электромеханической характеристики, в результате чего установившийся режим работы двигателя наступает в точке 193, когда М_дв=М_сопр.1.

Допустим, что по каким-либо причинам произошла просадка питающего напряжения сети до величины U_прос (кривая 190), близкой к нулевому значению, а затем происходит восстановление его до значения, которое некоторое время удерживается на уровне, несколько меньшем первоначального значения U₁, с последующим выходом на исходный уровень.

В результате максимальный момент двигателя также снижается, так как М_дв ≡ U_дв². При этом разгон двигателя с предлагаемым устройством регулирования происходит по кривой 194 (фиг. 17), а установившийся режим работы двигателя определяется точкой 195 (точка пересечения устойчивой части электромеханической характеристики и характеристик момента сопротивления 189), близкой к точке 193 при весьма незначительном увеличении скольжения. Этому соответствует кривая 196 (фиг. 18) изменения угловой скорости вращения ротора, в которой до просадки питающего напряжения ω_p ω_p1 а после восстановления напряжения до значения U₁ угловая скорость вращения ротора ω_p ω_p2. Из фиг. 18 видно, что ω_p2 меньше ω_p1 но близка к значению последней.

Разгон двигателя по прототипу заканчивается в точке 197 (фиг. 17), в результате чего двигатель медленно вращается со скоростью ω_p3 во много раз меньшей ω_p1 (S₁₉₇>> S₁₉₃), что ведет к большим потерям в двигателе, а следовательно, к его перегреву со всеми вытекающими отсюда последствиями, т.е. скорость вращения ротора (кривая 198, фиг. 18) по конструкции прототипа после восстановления напряжения до уровня U₂ удерживается на уровне ω_p3
Таким образом, работа двигателя в точке 197 (фиг. 17) характеризуется скольжением S₁₉₇, близким к единице, т.е. близким к режиму короткого замыкания двигателя, что является аварийным режимом.

Допустим теперь, что момент сопротивления приводного механизма М_сопр.2= Var и изменяется по кривой 199 (например, приводным механизмом является центробежный насос). Тогда при номинальном питающем напряжении рабочей точкой устойчивой части характеристики по предлагаемому устройству является точка 200. При восстановлении напряжения (после его просадки) до значения U₂ <U<SUB>13< U₂< U₁(кривая 202, фиг. 18) разгон двигателя с предлагаемым устройством регулирования производится по кривой 203 (фиг. 17) с выходом в рабочую точку 204 установившийся режим. Двигатель с устройством регулирования по прототипу разгоняется в этом случае по кривой 205 до точки 206, где и наступает для него установившийся режим. При этом S₂₀₆>> S₁₉₃, а значит, двигатель вращается со скоростью, не отвечающей потребностям приводного механизма, с повышенными потерями в роторе. На фиг. 18 кривые изменения угловой скорости вращения, соответствующие скольжениям S₂₀₀, S₂₀₁, S₂₀₄, S₂₀₆, не приведены.

Кроме того, здесь рассматриваются моменты времени, когда длительность просадки напряжения много больше электромеханической постоянной времени всех вращающихся масс привода Т_эл.мех, т.е. Δt_просс>> T_эл.мех.

Так как предлагаемое устройство регулирования позволяет аннулировать электромеханические контакты в асинхронном двигателе с фазным ротором, т.е. обойтись без традиционных колец и щеток, что исключает большие броски токов при изменении пускового сопротивления, то резистор 10 (фиг. 1), имеющий ту же величину активного сопротивления, что и традиционный пусковой реостат, может быть выполнен на меньшую мощность.

Для пояснения сказанного на фиг. 19 и 20 представлены конструкция (фиг. 19, Асинхронные двигатели общего назначения. Под ред. В.М. Петрова. М. Энергия, 1980, с. 453) и принципиальная электрическая схема (фиг. 20) серийного двигателя с фазным ротором типа 4АНК 200 с устройством для разгона и регулирования (УРР) числа оборотов асинхронного двигателя с контактными кольцами, подключенным к контактным кольцам фазного ротора (нумерация элементов УРР на фиг. 20 соответствует нумерации тех же элементов по сб. Изобретения стран мира, в. 132, N 1, 1988, с. 28). Здесь указанное устройство УРР размещено в отдельном от двигателя блоке, не изменяющем конструкцию двигателя.

Предлагаемое устройство регулирования может быть размещено в габаритах серийно выпускаемых двигателей без изменений их основной конструкции в пространстве, освобожденном от щеточных устройств. Каждый конкретный узел устройства может быть выполнен в виде экранированных блоков, позволяющих монтировать их в единое целое и обеспечить тем самым простую доступность и технологию замены отдельных узлов при эксплуатации.

Технико-экономические преимущества предлагаемого технического решения сводятся к следующему. Предлагаемое устройство позволяет производить автоматический пуск и торможение двигателя (противовключением) путем плавного и бесконтакного изменения активного сопротивления обмотки ротора. Оно позволяет повысить динамическую устойчивость двигателя и осуществлять защиту его при значительных по величине и длительности просадках напряжения от перегревов и режимов коротких замыканий, что существенно повышает надежность работы двигателя. Предлагаемое устройство позволяет осуществлять пуск и торможение двигателя при максимальном пусковом моменте в каждый текучий момент времени, что позволяет сократить массогабаритные показатели двигателя, т.е. не прибегать к выбору и применению двигателя следующего серийного габарита для обеспечения высокого момента во всем диапазоне разгона и торможения. Предлагаемое устройство может быть использовано для регулирования пуска и торможения асинхронных двигателей с фазным ротором, работающих во взрывоопасных и агрессивных средах, так как отсутствие электромеханических контактов в самом двигателе повышает его надежность и взрывобезопасность. Оно реализует импульсно-фазовое регулирование, которое обеспечивает более плавное регулирование сопротивления в цепи ротора по сравнению с фазовым регулированием, а следовательно, обеспечивает более плавное регулирование тока и момента. Последнее обстоятельство очень важно с точки зрения качественных и количественных показателей динамики электропривода.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ТРЕХФАЗНЫМ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ, содержащее трехфазный мостовой выпрямитель, вход которого предназначен для подключения к выводам роторной обмотки электродвигателя, а выход зашунтирован резистором, блок стабилизированного управления, отличающееся тем, что, с целью увеличения среднего значения момента, в него введены блок импульсного регулирования, шесть однофазных трансформаторов тока, попарно предназначенных для включения в соответствующие фазы роторной обмотки, а блок стабилизированного управления выполнен с девятью входами, четырьмя выходами и включает в себя формирователь стабилизированного напряжения, формирователь управляющих импульсов и два усилителя-формирователя импульсов, одни выводы вторичных обмоток первого, второго и третьего однофазных трансформаторов, предназначенных для включения в три соответствующие фазы роторной обмотки, подключены к первому, второму и третьему входам блока стабилизированного управления, другие выводы вторичных обмоток указанных однофазных трансформаторов объединены в общую точку, одни и другие выводы вторичных обмоток четвертого, пятого и шестого однофазных трансформаторов тока подключены соответственно с четвертого по девятый входам блока стабилизированного управления, входы блока импульсного регулирования подключены к выводам резистора, один и второй выводы которого подключены к первому и второму выходам блока стабилизированного управления, третий и четвертый выходы которого подключены к управляющим входам блока импульсного регулирования, три входа формирователя стабилизированного питающего напряжения являются первым, вторым и третьим входами блока стабилизированного управления, входы с четвертого по девятый которого образуют шесть входов формирователя управляющих импульсов, седьмой вход которого подключен к первому выходу формирователя стабилизированного питающего напряжения, второй и третий выходы которого подключены соответственно к первой паре входов первого и второго усилителей - формирователей импульсов, вторые пары входов которых связаны с соответствующими выходами формирователя управляющих импульсов, первые выходы двух усилителей-формирователей импульсов образуют первый и второй выходы блока стабилизированного управления, третий и четвертый выходы которого образованы вторыми выходами усилителей-формирователей импульсов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20