Электропривод переменного тока

 

Изобретение относится к системам электропривода переменного тока и может быть использовано на подъемно-транспортных механизмах. Техническим результатом является обеспечение регулирования крутящего момента двигателя и энергосбережения. Электропривод переменного тока содержит асинхронный двигатель с фазным ротором, обмотка ротора которого подключена ко входу диодного мостового выпрямителя, выходы которого соединены с трехфазным регулирующим устройством. Каждая фаза асинхронного двигателя состоит из соединенных последовательно диода и двух управляемых вентилей. Выводы питающей сети подключены к точке соединения катода диода и анода управляемого вентиля. Фазные обмотки статора двигателя подключены к точкам соединения катода и анода двух управляемых вентилей. Катодный вывод регулирующего устройства соединен с анодным выводом диодного мостового выпрямителя, катодный вывод которого соединен через сглаживающий реактор с анодным выводом регулирующего устройства. К выводам обмотки статора двигателя подключены параллельно три конденсатора, соединенные в треугольник, управляющие электроды и аноды каждого из управляемых вентилей регулирующего устройства подключены к соответствующим выходам блока формирования импульсов управления, а трехфазный вход блока формирования импульсов управления соединен с питающей сетью. 4 ил.

Изобретение относится к системам электропривода переменного тока и может быть использовано на механизмах, требующих режима регулирования крутящего момента двигателя, например на подъемно-транспортных механизмах.

Известен электропривод переменного тока, содержащий асинхронный двигатель с фазным ротором, обмотка статора которого подключена к питающей сети, выводы обмотки ротора соединены с трехфазным выходом нерегулируемого мостового выпрямителя, анодная группа вентилей которого связана через согласующий элемент с катодной группой вентилей второго нерегулируемого мостового выпрямителя, анодная группа вентилей которого соединена с катодной группой выпрямителей первого выпрямителя, трехфазный вход второго мостового выпрямителя соединен с выходом параметрического стабилизатора тока, входные выводы которого подключены к сети переменного тока [1].

Недостатком данного устройства являются сложность регулирования механических характеристик двигателя и большие потери энергии на согласующем резисторе.

Наиболее близким к предлагаемому является электропривод переменного тока, содержащий асинхронный двигатель с фазным ротором, статорные обмотки которого подключены к сети переменного тока, выводы обмоток ротора подключены к входу первого мостового выпрямителя 3, катодная группа вентилей которого соединена с анодной группой вентилей второго мостового выпрямителя, трехфазный вход которого связан с выводами обмоток статора через параметрический стабилизатор переменного тока, катодная группа вентилей второго мостового выпрямителя соединена с анодной группой вентилей ведомого сетью инвертора, катодная группа вентилей которого соединена с анодной группой вентилей первого выпрямителя, а трехфазный выход инвертора соединен с выводами обмоток статора [2].

Недостатками данного электропривода являются большое потребление реактивного тока инвертором и сложность регулирования механических характеристик электропривода, т.к. параметрический резонансный стабилизатор переменного тока не позволяет плавно регулировать ток двигателя, а также в электроприводе не обеспечивается регулирование крутящего момента двигателя.

Предлагаемый электропривод переменного тока содержит асинхронный двигатель с фазным ротором, обмотка ротора которого подключена ко входу диодного мостового выпрямителя, выходы которого соединены с обмоткой статора двигателя и питающей сетью через группы вентилей, объединенных в общее трехфазное регулирующее устройство, каждая фаза которого состоит из соединенных последовательно диода и двух управляемых вентилей, причем катод диода соединен с анодом первого управляемого вентиля, катод которого соединен с анодом второго управляемого вентиля, катоды вторых управляемых вентилей трех фаз регулирующего устройства соединены в общую точку, являющуюся его катодным выводом, аноды диодов трех фаз регулирующего устройства объединены в другую общую точку, являющуюся его анодным выводом, в каждой из трех фаз регулирующего устройства, к общей точке соединения катода диода и анода первого управляемого вентиля подключена одна фаза питающей сети, а к общей точке соединения катода первого управляемого вентиля и анода второго управляемого вентиля подключена одна фазная обмотка статора двигателя, катодный вывод регулирующего устройства соединен с анодным выводом диодного мостового выпрямителя, катодный вывод которого соединен с первым выводом обмотки сглаживающего реактора, второй вывод которой соединен с анодным выводом регулирующего устройства, к выводам обмотки статора двигателя подключены параллельно три конденсатора, соединенные в треугольник, управляющие электроды каждого из управляемых вентилей регулирующего устройства подключены к соответствующим выходам блока формирования импульсов управления, аноды управляемых вентилей регулирующего устройства подключены к соответствующим выходам блока формирования импульсов управления, а трехфазный вход блока формирования импульсов управления соединен с питающей сетью.

В данном электроприводе с помощью трехфазного регулирующего устройства обеспечивается регулирование напряжения, подведенного к обмотке статора двигателя, что позволяет регулировать скорость и электромагнитный момент двигателя, при этом энергия скольжения из обмотки ротора передается в цепь обмотки статора, что обеспечивает экономичность работы привода.

На фиг.1 приведена функциональная схема электропривода переменного тока; на фиг.2 - один из возможных вариантов схемы формирователя импульсов управления; на фиг.3 - временные диаграммы, поясняющие работу регулирующего устройства, с указанием моментов коммутации вентилей; на фиг.4 - экспериментальные механические характеристики.

Электропривод переменного тока содержит асинхронный двигатель 1 с фазным ротором, мостовой диодный двигатель 2, выход которого подключен к выводам обмотки ротора двигателя 1, трехфазное регулирующее устройство 3, каждая фаза которого состоит из последовательно соединенных диода и двух управляемых вентилей. В первой фазе трехфазного регулирующего устройства катод диода 4 соединен с анодом управляемого вентиля 5, катод которого соединен с анодом управляемого вентиля 6, во второй фазе трехфазного регулирующего устройства катод диода 7 соединен с анодом управляемого вентиля 8, катод которого соединен с анодом управляемого вентиля 9, в третьей фазе регулирующего устройства катод диода 10 соединен с анодом управляемого вентиля 11, катод которого соединен с анодом управляемого вентиля 12. Аноды диодов 4, 7 и 10 соединены в общую точку, являющуюся выводом 13 трехфазного управляющего устройства 3, катоды управляемых вентилей 6, 9 и 12 соединены в общую точку, являющуюся выводом 14 трехфазного управляющего устройства 3, к которому также подключен анодный выход диодного выпрямителя 2, катодный выход которого подключен к первому выводу обмотки сглаживающего реактора 15, второй вывод обмотки которого подключен к выводу 13 трехфазного управляющего устройства 3.

К точке соединения катода диода 4 и анода управляемого вентиля 5 подключена первая фаза питающей сети, к точке соединения катода управляемого вентиля 5 и анода управляемого вентиля 6 подключен вывод первой фазы обмотки статора двигателя 1, к точке соединения катода диода 7 и анода управляемого вентиля 8 подключена вторая фаза питающей сети, к точке соединения катода управляемого вентиля 8 и анода управляемого вентиля 9 подключен вывод второй фазы обмотки статора двигателя 1, к точке соединения катода диода 10 и анода управляемого вентиля 11 подключена третья фаза питающей сети, а к точке соединения катода управляемого вентиля 11 и анода управляемого вентиля 12 подключен вывод третьей фазы обмотки статора двигателя 1. К выводам обмотки статора двигателя 1 подключены три коммутирующих конденсатора 16, соединенные в треугольник. Управляющие электроды каждого из управляемых вентилей 5, 6, 8, 9, 11 и 12 регулирующего устройства подключены к соответствующим выходам блока 17 формирования импульсов управления, аноды управляемых вентилей 5, 6, 8, 9, 11 и 12 регулирующего устройства подключены к соответствующим выходам блока 17 формирования импульсов управления, а трехфазный вход блока 17 формирования импульсов управления соединен с питающей сетью.

Вариант электрической схемы блока 17 формирования импульсов управления приведен на фиг.2. Схема содержит трехфазный вращающийся фазорегулятор 18, первичная обмотка которого подключена к питающей сети, а вторичная обмотка - к трехфазному мостовому преобразователю, первая фаза которого составлена из: защитного диода 19, катод которого соединен с анодом принадлежащего оптопаре 20 светодиода 21, катод светодиода 21 соединен с анодом принадлежащего оптопаре 22 светодиода 23, катод светодиода 23 оптопары 22 соединен с анодом защитного диода 24, к общей точке соединения катода светодиода 21 и анода светодиода 23 подключена первая фаза вторичной обмотки вращающегося фазорегулятора 18, анод динистора 25 оптопары 20 соединен с анодом вентиля 5, катод динистора 25 оптопары 20 соединен через резистор 26 с управляющим электродом вентиля 5, анод динистора 27 оптопары 22 соединен с анодом вентиля 6, катод динистора 27 оптопары 22 соединен через резистор 28 с управляющим электродом вентиля 6.

Вторая фаза трехфазного мостового преобразователя составлена из: защитного диода 29, катод которого соединен с анодом принадлежащего оптопаре 30 светодиода 31, катод которого соединен с анодом принадлежащего оптопаре 32 светодиода 33, катод светодиода 33 оптопары 32 соединен с анодом защитного диода 34, к общей точке соединения катода светодиода 31 и анода светодиода 33 подключена вторая фаза вторичной обмотки вращающегося фазорегулятора 18, анод динистора 35 оптопары 30 соединен с анодом вентил 7, катод динистора 35 оптопары 30 соединен через резистор 36 с управляющим электродом вентиля 7, анод динистора 37 оптопары 32 соединен с анодом вентиля 9, катод динистора 37 оптопары 32 соединен через резистор 38 с управляющим электродом вентиля 9.

Третья фаза трехфазного мостового преобразователя составлена из: защитного диода 39, катод которого соединен с анодом принадлежащего оптопаре 40 светодиода 41, катод которого соединен с анодом принадлежащего оптопаре 42 светодиода 43, катод светодиода 43 оптопары 42 соединен с анодом диода 44, к общей точке соединения катода светодиода 41 и анода светодиода 43 подключена третья фаза вторичной обмотки вращающегося фазорегулятора 18, анод динистора 45 оптопары 40 соединен с анодом вентиля 11, катод динистора 45 оптопары 40 соединен через резистор 46 с управляющим электродом вентиля 11, анод динистора 47 оптопары 42 соединен с анодом вентиля 12, катод динистора 47 оптопары 42 соединен с управляющим электродом вентиля 12. Аноды диодов 19, 29 и 39 соединены в общую точку, к которой подключен первый вывод токоограничивающего резистора 49, второй вывод которого подключен к общей точке соединения катодов диодов 24, 34 и 44.

Электропривод переменного тока работает следующим образом.

Питающее напряжение подается из сети на трехфазное регулирующее устройство 3 в произвольный момент времени, например в момент времени t₀, показанный на временной диаграмме (см. фиг.3а). Одновременно с блока 17 формирования импульсов управления, синхронизированных с питающей сетью, сигналы управления поступают на управляющие электроды вентилей 5 и 9. Эти вентили открываются и ток начинает протекать по цепи: фаза А сети, управляемый вентиль 5, фаза А обмотки статора двигателя 1, фаза В обмотки статора двигателя, управляемый вентиль 9, диоды мостового выпрямителя 2, сглаживающий реактор 15, диод 7, фаза В сети. При этом происходит заряд коммутирующих конденсаторов 16. В обмотке ротора двигателя 1 начинает наводится ЭДС, и ток начинает протекать по обмотке ротора. Напряжение на выходах обмотки ротора выпрямляется мостовым диодным выпрямителем 2 и складывается в каждый момент времени с напряжением на выводах 13 и 14 трехфазного регулирующего устройства. Поэтому обмотка статора питается суммарным напряжением от питающей сети и обмотки ротора. Ток в обмотках статора и ротора двигателя 1 будет одинаков по амплитуде.

В следующий момент времени t₁, отмеченный на фиг.3а, сигнал от блока 17 формирователя импульсов управления подается на управляющий электрод вентиля 12. Под действием коммутирующих конденсаторов 16 создаются условия для отпирания управляемого вентиля 12 и запирания управляемого вентиля 9. После коммутации этих вентилей ток протекает по цепи: фаза А сети, управляемый вентиль 5, фаза А обмотки статора двигателя 1, фаза С обмотки статора двигателя 1, управляемый вентиль 12, диоды мостового выпрямителя 2 и обмотки ротора двигателя 1, сглаживающий реактор 15, диод 10, фаза С сети.

В момент времени t₂, отмеченный на фиг.3а, сигнал от блока 17 формирователя импульсов управления подается на управляющий электрод вентиля 8, и под действием коммутирующих конденсаторов 16 создаются условия для отпирания управляемого вентиля 8 и запирания управляемого вентиля 5. Дальнейший процесс коммутации вентилей устройства управления 3 происходит аналогичным образом, при этом по обмотке статора двигателя 1 протекает трехфазный переменный ток, причем ток статора и ток ротора двигателя 1 имеют разную частоту, но одинаковую амплитуду.

При приведении всех параметров схемы к цепи постоянного тока можно рассчитать ток в выпрямленной цепи I_d по выражению

I_d=(U_d0+E_d2kS-E_d1-ΔU_BΣ)/R_Э,

где U_d0 - напряжение питающей сети, приведенное к цепи постоянного тока;

E_d1 - ЭДС обмотки статора двигателя, приведенная к цепи постоянного тока;

E_d2k - ЭДС обмотки неподвижного ротора двигателя, приведенная к цепи постоянного тока;

S - скольжение двигателя;

ΔU_BΣ - суммарное падение напряжения на вентилях схемы;

R_Э - эквивалентное суммарное сопротивление всех элементов, приведенное в выпрямленной цепи.

На фиг.4 линией 1 показана экспериментальная механическая характеристика электропривода переменного тока, полученная при условии U_d0=const, когда на управляющие электроды вентилей 5, 6, 8, 9, 11 и 12 сигналы управления от блока 17 формирования импульсов поступали в моменты времени, соответствующие точкам К1-К6 естественной коммутации вентилей (см. фиг.3а). При этом угол управления α_у вентилями регулирующего устройства 3 равен нулю (α_у=0).

Если подавать сигналы управления на управляемые вентили регулирующего устройства 3 от блока 17 формирования импульсов с запаздыванием на угол α_у>0 (см. фиг.3б), то выпрямленное напряжение U_d определяется:

U_d=U_d0cosα_у.

В этом случае напряжение, подаваемое на обмотку статора двигателя 1, уменьшается, токи, протекающие через обмотку статора и ротора двигателя 1, уменьшатся, соответственно уменьшится электромагнитный момент двигателя.

Экспериментальные механические характеристики электропривода при регулировании угла управления α_у показаны на фиг.4. Линия 1 получена при α_у1=0, линия 2 получена при α_у2>0 и линия 3 получена при условии α_у3>α_у2.

Регулировочные механические характеристики электропривода при разомкнутой системе управления обеспечивают регулирование крутящего момента двигателя. Они благоприятны для крановых механизмов и других механизмов подъемно-транспортного назначения.

Таким образом, в предлагаемом электроприводе обеспечено регулирование механических характеристик и крутящего момента двигателя, при этом энергия скольжения двигателя из цепи обмотки ротора возвращается в цепь обмотки статора, что обеспечивает энергосбережение.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР № 1100705. Электропривод переменного тока. МКИ Н 02 Р 7/62. 30.06.84. Бюл. № 24.

2. Авторское свидетельство СССР № 1272463. Электропривод переменного тока. МКИ Н 02 Р 7/62. 23.11.86. Бюл. № 43.

Формула изобретения

Электропривод переменного тока, содержащий асинхронный двигатель с фазным ротором, обмотка которого подключена ко входу диодного мостового выпрямителя, выходы которого соединены с обмоткой статора двигателя и питающей сетью через группы вентилей, отличающийся тем, что группы вентилей объединены в общее трехфазное регулирующее устройство, каждая фаза которого состоит из соединенных последовательно диода и двух управляемых вентилей, причем катод диода соединен с анодом первого управляемого вентиля, катод которого соединен с анодом второго управляемого вентиля, катоды вторых управляемых вентилей трех фаз регулирующего устройства соединены в общую точку, являющуюся его катодным выводом, аноды диодов трех фаз регулирующего устройства объединены в другую общую точку, являющуюся его анодным выводом, в каждой из трех фаз регулирующего устройства к общей точке соединения катода диода и анода первого управляемого вентиля подключена одна фаза питающей сети, а к общей точке соединения катода первого управляемого вентиля и анода второго управляемого вентиля подключена одна фазная обмотка статора двигателя, катодный вывод регулирующего устройства соединен с анодным выводом диодного мостового выпрямителя, катодный вывод которого соединен с первым выводом обмотки сглаживающего реактора, второй вывод которой соединен с анодным выводом регулирующего устройства, к выводам обмотки статора двигателя подключены параллельно три конденсатора, соединенных в треугольник, управляющие электроды каждого из управляемых вентилей регулирующего устройства подключены к соответствующим выходам блока формирования импульсов управления, аноды управляемых вентилей регулирующего устройства подключены к соответствующим выходам блока формирования импульсов управления, а трехфазный вход блока формирования импульсов управления соединен с питающей сетью.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4