Асинхронный электропривод с фазным ротором

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах общепромышленных механизмов, например насосов, транспортеров, вентиляторов и др. Техническим результатом является повышение КПД электропривода, улучшение его регулировочных характеристик. Асинхронный электропривод содержит асинхронный электродвигатель с фазным ротором, тиристорный коммутатор в цепи статора, на первый управляющий вход которого подключен вывод регулятора тока, а на второй управляющий вход - вывод датчика положения ротора, механически связанного с валом асинхронного двигателя. Первый управляющий вход регулятора тока соединен с источником задающего напряжения, пропорционального желаемому току статора, а второй - соединен с выводом датчика тока. В схему введен второй тиристорный коммутатор, подключенный к питающей многофазной сети переменного тока. Между катодными и анодными группами этого коммутатора включена обмотка ротора асинхронного двигателя. В зависимости от сигнала с датчика положения ротора двигателя управляющие импульсы подаются на два тиристора тех двух фаз статора асинхронного двигателя, фазную зону которых пересекает магнитная ось обмотки ротора. 3 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах общепромышленных механизмов, например насосов, транспортеров, вентиляторов и др.

Известны асинхронные электроприводы, в которых регулирование скорости вращения вала асинхронного двигателя осуществляется изменением напряжения на статоре с помощью, например, тиристорного преобразователя напряжения при неизменной частоте, равной частоте питающей сети (см., например, Мэрфи Д. Тиристорное управление двигателями переменного тока: Пер. с англ. - М.: Энергия, 1979. - С.207-216.). Однако данный способ регулирования скорости характеризуется потерями скольжения в цепи ротора, что ограничивает сферу применения этого способа.

Известны также схема и способ импульсного регулирования скорости асинхронного электропривода (см. Патент РФ №2095933, МКИ 6 Н02Р 7/42. Способ регулирования скорости асинхронного двигателя / А.С.Сарваров, И.А.Селиванов, Е.А.Завьялов. Заявл. 28.02.96, №96104007. Опубл. 10.11.97. Бюл. №31).

В этом способе регулирование скорости асинхронного двигателя, подключенного к питающей сети через тиристорный коммутатор, производится изменением частоты однофазного питающего напряжения, подаваемого на статорную обмотку двигателя, путем подачи управляющего напряжения на тиристоры коммутатора. При этом управляющее напряжение одновременно подают на два тиристора одной группы вентилей коммутатора и один тиристор другой группы вентилей, подключенных к трем фазам статорной обмотки двигателя, затем через интервал времени, равный 1инт=Т/2п, где Т - период напряжения питающей сети, п - целое число в интервале от 1 до 10, отключают управляющее напряжение на одном из двух тиристоров одной группы вентилей коммутатора и одновременно подают управляющее напряжение на тиристор другой группы вентилей коммутатора, подключенный к той же фазе статорной обмотки двигателя, после чего цикл переключений повторяют. Однако в этом электроприводе сохраняется режим больших скольжений ротора в зоне низких скоростей электропривода, что приводит к большим потерям и нагреву двигателя.

Наиболее близким предлагаемому изобретению является устройство и способ управления асинхронным электроприводом с фазным ротором (см. Патент РФ №2288535, МПК Н02Р 27/05. Асинхронный электропривод с фазным ротором и способ управления им / Ю.С.Усынин, А.В.Валов, В.В.Деккер. Заявл. 04.07.2005. Опубл. 27.11.2006. Бюл. №33).

В этом электроприводе, содержащем асинхронный двигатель с фазным ротором, тиристорный коммутатор в цепи статора двигателя, между катодными и анодными группами тиристорного коммутатора включены последовательно обмотка ротора двигателя и датчик тока ротора, на первый управляющий вход тиристорного коммутатора подключен вывод регулятора тока, а на второй управляющий вход - вывод датчика положения ротора, механически связанного с валом асинхронного двигателя с фазным ротором. Первый управляющий вход регулятора тока соединен с источником задающего напряжения, пропорционального желаемому току статора, а второй управляющий вход регулятора тока соединен с выводом датчика тока. По сигналу с датчика положения ротора управляющие импульсы подаются на два тиристора тех двух фаз статора асинхронного двигателя, фазную зону которых пересекает магнитная ось обмоток ротора.

Однако по обмоткам статора и ротора протекает один и тот же ток, что сужает регулировочные возможности электропривода, особенно при регулировании момента и скорости в большом диапазоне, когда токи в обмотках ротора и статора удобнее регулировать независимо друг от друга.

В основу предлагаемого изобретения положена задача, заключающаяся в улучшении регулировочных и энергетических характеристик электропривода.

Решение поставленной задачи достигается тем, что асинхронный электропривод с фазным ротором, содержащий асинхронный электродвигатель с фазным ротором, статорная обмотка которого через тиристорный коммутатор подключена к питающей многофазной сети переменного тока, датчик выпрямленного тока тиристорного коммутатора и регулятор этого тока, а также датчик углового положения ротора асинхронного двигателя, согласно изобретению снабжен вторым тиристорным коммутатором, подключенным к питающей многофазной сети переменного тока, а обмотка ротора асинхронного двигателя включена между катодными и анодными группами этого коммутатора.

Как и в прототипе, электромагнитный момент асинхронного двигателя носит импульсный характер. При этом амплитуда импульсов момента регулируется величиной тока в обмотках статора и ротора. Частота импульсов момента определяется разницей угловых скоростей вдоль расточки статора пространственных векторов МДС, создаваемых токами в обмотках статора F_С и ротора F_P. При этом вектор F_C вращается скачкообразно с постоянной средней скоростью, определяемой частотой питающей сети. Вектор F_P вращается непрерывно с угловой скоростью ротора.

Особенность предлагаемого решения состоит в том, что величины токов в обмотках статора и ротора могут регулироваться независимо друг от друга, а это улучшает регулировочные и энергетические характеристики электропривода.

Проведенное исследование патентной и научно-технической литературы аналогичных устройств и способов не выявило, и поэтому предлагаемое устройство характеризуется новизной.

Предлагаемое техническое решение удовлетворяет критерию «изобретательский уровень», так как оно характеризуется новой совокупностью признаков, не известных из уровня техники.

Сущность данного изобретения поясняется чертежами, где изображены:

на фиг.1 - схематичный поперечный разрез асинхронного двигателя;

на фиг.2 - пример функциональной схемы;

на фиг.3 - диаграммы, поясняющие принцип работы датчика положения ротора. Здесь заштрихованными прямоугольниками Т10...Т15 показаны отрезки углового перемещения вала ротора двигателя, на которых датчиком положения ротора дается разрешение на включение тиристоров, обозначенных на фиг.2 номерами 10...15; α - угол (электрический) поворота вала двигателя.

На фиг.1 представлен в разрезе пример трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором, когда в пазах статора 1, расположенных в плоскостях А-а, В-b и С-с, сдвинутых пространственно на 120 электрических градусов, размещены обмотки 2, 3 и 4 статора. В пазах ротора 5 размещены фазные обмотки 6, 7 и 8 многофазной обмотки ротора, расположенные в плоскостях X-x, Y-y и Z-z, также сдвинутых пространственно друг относительно друга на 120 электрических градусов.

Начала обмоток 2, 3 и 4 (фиг.2) подсоединены к фазным зажимам А, В и С источника трехфазного напряжения питания, а концы этих обмоток - ко входам тиристорного коммутатора 9. Тиристоры 10, 11 и 12 в коммутаторе 9 образуют катодную группу, а тиристоры 13, 14 и 15 - анодную группу вентилей. В рассечку между анодной и катодной группами вентилей включен датчик тока 16. На первый управляющий вход тиристорного коммутатора 9 подключен выход регулятора тока 17, а на последующие шесть его управляющих входов подключены выводы датчика 18 положения ротора 5. Этот датчик механически связан с валом ротора асинхронного двигателя. На первый управляющий вход регулятора тока 17 подается напряжение U_3C, пропорциональное желаемой величине тока статора, а на второй - сигнал с датчика тока 16.

Второй тиристорный коммутатор 19 обеспечивает питание обмотки ротора асинхронного двигателя независимо от статорной цепи. Тиристоры 20, 21 и 22 в коммутаторе 19 образуют катодную группу, 23, 24 и 25 - анодную. Входные силовые цепи коммутатора 19 подключены к фазным зажимам А, В и С источника трехфазного напряжения питания, а в рассечку между его катодными и анодными группами вентилей включены фазные обмотки ротора 6, 7 асинхронного двигателя. Управляющий вход коммутатора 19 подключен к источнику напряжения U_3P, величина которого пропорциональна желаемому напряжению на обмотке ротора асинхронного двигателя.

На фиг.3 изображена диаграмма, поясняющая принцип работы датчика 18 положения ротора 5. Здесь в зависимости от угла поворота вала ротора 5 двигателя датчик 18 положения ротора разрешает подачу управляющих импульсов на тиристоры анодной и катодной групп коммутатора в следующей последовательности: при изменении угла α поворота ротора 5 от нуля до 120 градусов (электрических) отпирают тиристор 10, от 120 до 240 градусов - тиристор 11, от 240 до 360 - тиристор 12, принадлежащие катодной группе коммутатора 9. Одновременно датчик 18 положения ротора разрешает подачу отпирающих импульсов на тиристоры анодной группы: при изменении угла α от 60 до 180 градусов отпирают тиристор 15, от 180 до 300 градусов - тиристор 13 и, наконец, от 300 до 60 градусов следующего электрического оборота ротора 5 - тиристор 14.

Благодаря выбранной последовательности отпирания тиристоров достигается дискретное (шаговое) круговое перемещение вектора магнитодвижущей силы статора в воздушном зазоре двигателя.

За исходное состояние электропривода принимается мгновенное состояние всех его элементов, когда вращающийся по часовой стрелке ротор 5 занимает пространственное положение, как на фиг.1. На фиг.3 это положение обозначено α₀. В целях наглядности изложения начало отсчета угла поворота ротора α на графиках (фиг.3) и исходное положение ротора α₀ выбраны несовпадающими.

В положении ротора α₀, принятом за исходное, управляющие импульсы подаются только на тиристоры 10 и 14. Поэтому ток протекает от фазы А питающей сети к фазе В только в положительные полупериоды приложенного напряжения и по следующей цепи (см. фиг.2): фаза А - обмотка 2 - тиристор 10 - датчик тока 16 - обмотки ротора 6,7 - тиристор 1 - обмотка 3 - фаза В. Направления токов во всех обмотках статора 1 и ротора 5, соответствующие описанному исходному мгновенному положению ротора 5, указаны на фиг.1.

Электропривод работает следующим образом. Так как направления векторов F_C и F_P не совпадают (а при α₀ они взаимно ортогональны), то двигатель будет развивать момент, а его ротор 5 придет во вращение по часовой стрелке.

Когда ротор 5 двигателя повернется из положения α₀ до угла поворота ротора α=60 градусов, то в соответствии с диаграммой (фиг.3) датчик 18 положения ротора 5 прекратит подачу отпирающих импульсов на тиристор 14, но одновременно разрешит их подавать на тиристор 15. В результате импульсы тока от питающей сети пойдут по цепи: фаза А - обмотка 2 - тиристор 10 - датчик тока 16 - обмотки ротора 6,7 - тиристор 15 - обмотка 4 - фаза С, а вектор МДС статора F_C повернется по часовой стрелке на 60 градусов от начала отсчета на фиг.3 (и на 30 градусов от α₀). Через 120 градусов от начала отсчета (фиг.3) датчик 18 положения ротора 5 запрещает подавать управляющие импульсы на управляющий вход тиристора 10, но разрешает подавать их на управляющий вход тиристора 11. Через 180 градусов импульсы снимаются с тиристора 15 и подаются на тиристор 13 и т.д. Переключая через каждые 60 градусов токи в фазных обмотках статора и обеспечивая таким образом пространственное круговое движение МДС статора вдоль окружности воздушного зазора двигателя, осуществляют вращение ротора асинхронного двигателя.

Величина момента двигателя определяется величиной тока, протекающего по обмоткам ротора и статора двигателя. Величина этих токов задается тиристорными коммутаторами: коммутатор 9 задает ток статора, а 19 - ротора.

Промышленная применимость предлагаемого решения. Асинхронный электропривод может быть рекомендован для общепромышленных механизмов (насосов, вентиляторов, транспортеров и т.д.).

Асинхронный электропривод, содержащий асинхронный электродвигатель с фазным ротором, статорная обмотка которого через тиристорный коммутатор подключена к питающей многофазной сети переменного тока, датчик выпрямленного тока тиристорного коммутатора и регулятор этого тока, датчик углового положения ротора асинхронного двигателя, на первый управляющий вход тиристорного коммутатора подключен выход регулятора тока, а на последующие шесть его управляющих входов подключены выводы датчика положения ротора, на первый управляющий вход регулятора тока подается напряжение, пропорциональное желаемой величине тока статора, а на второй - сигнал с датчика тока, отличающийся тем, что он снабжен вторым тиристорным коммутатором, подключенным к питающей многофазной сети переменного тока, обмотка ротора асинхронного двигателя включена между катодными и анодными группами этого коммутатора, а его управляющий вход подключен к источнику напряжения, величина которого пропорциональна желаемому напряжению на обмотке ротора асинхронного двигателя.