Частотно-управляемый асинхронный электропривод

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в рельсовых транспортных средствах и непосредственно касается тяговых приводов локомотивов. Техническим результатом изобретения является ограничение диапазона регулирования частоты напряжения питания электродвигателя, что приводит к повышению его надежности. Частотно-управляемый асинхронный электропривод содержит электродвигатель с основной круговой и пусковой дуговой обмотками статора, датчик скорости электродвигателя и систему регулирования, состоящую из статического преобразователя частоты с автономным инвертором, блока управления преобразователем с обратной связью по датчику скорости и коммутатора обмоток, электрически связанного со статическим преобразователем частоты, основной круговой и пусковой дуговой обмотками и блоком управления преобразователем. Электропривод снабжен не менее чем одной дополнительной дуговой обмотками статора, подключенной к коммутатору, а диапазон частотного регулирования электродвигателя определяется общим числом, центральными углами и числами пар полюсов обмоток статора. 1 ил.

Изобретение относится к рельсовым транспортным средствам и непосредственно касается тяговых приводов локомотивов.

Известен частотно-управляемый асинхронный электропривод (Пат. 2100898 РФ. Частотно-управляемый асинхронный электропривод / В.И.Воробьев, А.И.Ивахин, А.И.Власов и др.), содержащий электродвигатель с основной круговой и пусковой дуговой обмотками статора, датчик скорости электродвигателя и систему регулирования, включающую статический преобразователь частоты с автономным инвертором, коммутатор обмоток и блок управления преобразователем с обратной связью по датчику скорости, при этом коммутатор обмоток электрически связан со статическим преобразователем частоты, основной круговой и пусковой дуговой обмотками и блоком управления преобразователем.

К недостаткам этого технического решения относится широкий диапазон регулирования частоты напряжения питания электродвигателя, главным образом обусловленный соотношением центральных углов дуговой и круговой обмоток. Это вызывает значительное число циклов переходных коммутационных процессов в силовых элементах преобразователя в верхней области частотного диапазона.

Техническим результатом изобретения является ограничение диапазона регулирования частоты напряжения питания электродвигателя, что приводит к повышению его надежности.

Технический результат достигается тем, что в электроприводе, содержащем электродвигатель с основной круговой и пусковой дуговой обмотками статора, датчик скорости электродвигателя и систему регулирования, состоящую из статического преобразователя частоты с автономным инвертором, блока управления преобразователем с обратной связью по датчику скорости и коммутатора обмоток, электрически связанного со статическим преобразователем частоты, основной круговой и пусковой дуговой обмотками и блоком управления преобразователем, электродвигатель обеспечен дополнительными дуговыми обмотками, подключенными к коммутатору. При этом диапазон частотного регулирования электродвигателя определяется общим числом, центральными углами и числами пар полюсов обмоток статора.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

Электропривод содержит электродвигатель 1 с основной круговой 2 и пусковой дуговой 3 обмотками статора, систему регулирования, которая содержит статический преобразователь частоты 4 с автономным инвертором (не показан), блок управления 5 преобразователем с обратной связью по датчику скорости 6 электродвигателя 1 и коммутатор 7 обмоток, электрически связанный со статическим преобразователем 4, основной круговой 2 и пусковой дуговой 3 обмотками и блоком управления 5 преобразователем.

В электроприводе электродвигатель 1 обеспечен дополнительными дуговыми обмотками 8 (в качестве примера на чертеже изображен электропривод с одной дополнительной дуговой обмоткой), подключенными к коммутатору 7. Общее число обмоток статора, их центральные углы и числа пар полюсов определяют требуемый диапазон частотного регулирования электродвигателя.

Электропривод работает следующим образом.

При пуске к статическому преобразователю частоты 4 посредством коммутатора 7 подключена пусковая дуговая обмотка 3 статора двигателя 1 с центральным углом α₁<2π. Пусковая частота питающего напряжения дуговой обмотки имеет повышенное по отношению к эквивалентной пусковой частоте круговой обмотки значение и определяется выражением

где f_1П° - пусковая частота напряжения питания круговой обмотки, соответствующая требуемому пусковому моменту электродвигателя; рα₁ и р° - соответственно число пар полюсов для пусковой дуговой и круговой обмоток.

При соответствующих α₁ и рα₁ получается значение f_1α1, обеспечивающее требуемый уровень снижения пульсации вращающего момента в режиме пуска.

Разгон двигателя осуществляется частотным регулированием. При этом система регулирования посредством блока управления 5 преобразователем частоты 4 формирует сигналы управления инвертором по алгоритму с однократной на периоде коммутацией силовых элементов. Когда скорость вращения вала электродвигателя достигнет значения, соответствующего частоте напряжения

где α₂(α₂>α₁) и рα₂ - центральный угол и число пар полюсов дополнительной дуговой обмотки статора, коммутатор 7 подключает к преобразователю частоты 4 дополнительную дуговую обмотку 8, а система регулирования обеспечивает формирование на выходе статического преобразователя 4 частоту f_1α2 ≥ f_1α1. Момент переключения обмоток определяется системой регулирования путем сравнения частоты f₁ напряжения на выходе преобразователя 4 и частоты вращения вала двигателя f_p, сигнал по которой поступает с датчика скорости 6 электродвигателя.

При достижении скорости вращения вала электродвигателя, соответствующей частоте напряжения

коммутатор 7 подключает к преобразователю частоты 4 основную круговую обмотку 2 статора, а система регулирования аналогично формирует на выходе статического преобразователя 4 частоту f₁°≥f_1α2, чем обеспечивается дальнейшее увеличение скорости вращения вала двигателя.

Соответствующим подбором α_{1, α2}, pα₁, pα₂ и p° достигается уменьшение диапазона частотного регулирования двигателя, т.к.

Большее ограничение частотного диапазона обеспечивается снабжением электродвигателя несколькими дополнительными дуговыми обмотками.

Для реализации строго определенного диапазона частотного регулирования электродвигателя необходимо соблюдать условие, в общем виде представленное выражением

где α_n, p_n и α_n-1, p_n-1 - центральный угол и число пар полюсов соответственно включаемой и отключаемой обмоток, при этом 0<α_n ≤ 2π.

В рассматриваемом случае диапазон регулирования частоты напряжения для всех обмоток составляет

Таким способом из частотного диапазона питающего напряжения исключаются низкие частоты и соответственно снижается пульсация вращающего момента двигателя, а также ограничивается верхняя область диапазона частотного регулирования электродвигателя.

Технико-экономическая эффективность изобретения в сравнении с прототипом заключается в том, что функционирование электропривода с переключением пусковой дуговой обмотки на дополнительные дуговые и круговую обмотку позволяет ограничить верхнюю область частотного диапазона напряжения двигателя и, следовательно, сократить число циклов коммутационных переходных процессов в силовых элементах статического преобразователя. Это повышает надежность электропривода.

С целью исследования характеристик предложенного электропривода были проведены его испытания. В качестве объекта испытаний исследовались модель дугостаторного асинхронного двигателя с тремя значениями активных углов обмоток статора. Испытания проводились в лаборатории кафедры “Локомотивы” Брянского государственного технического университета на экспериментальной установке, содержащей синхронный генератор, с системой автоматического регулирования; статический преобразователь частоты с двумя типами автономных инверторов; систему управления преобразователем с тремя законами управления и обратную связь по частоте вращения двигателя.

В процессе испытаний регистрировались частота напряжения питания f₁ двигателя, частота вращения вала f_p и момент на валу двигателя.

Результаты экспериментальных исследований показали, что для испытываемой модели дугостаторного двигателя достигается снижение верхней границы частотного диапазона напряжения двигателя от 45-50 до 20-25 Гц.

В точках переключения обмоток зарегистрированы незначительные переходные моменты на валу, достигающие 5-7% от среднего значения момента электродвигателя.

Формула изобретения

Частотно-управляемый асинхронный электропривод преимущественно рельсового транспортного средства, содержащий электродвигатель с основной круговой и пусковой дуговой обмотками статора, датчик скорости электродвигателя и систему регулирования, состоящую из статического преобразователя частоты с автономным инвертором, блока управления статическим преобразователем частоты, имеющего обратную связь по датчику скорости электродвигателя, и коммутатора обмоток, электрически связанного со статическим преобразователем частоты, основной круговой и пусковой дуговой обмотками статора и блоком управления статическим преобразователем частоты, при этом система регулирования посредством блока управления статическим преобразователем частоты формирует сигналы управления инвертором по алгоритму с однократной на периоде коммутацией силовых элементов, обеспечивает формирование частоты напряжения на выходе статического преобразователя частоты и определяет моменты переключения указанных обмоток статора путем сравнения частоты напряжения на выходе статического преобразователя частоты и частоты вращения вала электродвигателя, сигнал по которой поступает с датчика скорости электродвигателя, отличающийся тем, что электродвигатель снабжен не менее чем одной дополнительной дуговой обмоткой статора, подключенной к коммутатору обмоток, при этом диапазон регулирования частоты f₁ напряжения на выходе статического преобразователя частоты определяется пусковой частотой f_1α1, напряжения питания пусковой дуговой обмотки статора, центральными углами α_n и α_n-1, а также числами пар полюсов р_n и р_n-1 соответственно подключаемой к статическому преобразователю и отключаемой от статического преобразователя частоты обмоток статора.

РИСУНКИ

Рисунок 1