Схема подключения многофазного асинхронного двигателя к источнику постоянного тока



Схема подключения многофазного асинхронного двигателя к источнику постоянного тока
Схема подключения многофазного асинхронного двигателя к источнику постоянного тока

 

H02P23/10 - Управление или регулирование электрических двигателей, генераторов, электромашинных преобразователей; управление трансформаторами, реакторами или дроссельными катушками (конструкции пусковых аппаратов, тормозов или других управляющих устройств см. в соответствующих подклассах, например механические тормоза F16D, механические регуляторы скорости G05D; переменные резисторы H01C; пусковые переключатели H01H; системы для регулирования электрических или магнитных переменных величин с использованием трансформаторов, реакторов или дроссельных катушек G05F; устройства, конструктивно связанные с электрическими двигателями, генераторами, электромашинными преобразователями, трансформаторами, реакторами или дроссельными катушками, см. в соответствующих подклассах, например H01F,H02K; соединение или управление

Владельцы патента RU 2406217:

Попов Андрей Викторович (RU)

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах с батарейным питанием или питанием от сети постоянного тока. Техническим результатом является упрощение схемы подключения асинхронного двигателя к источнику питания. Указанный технический результат достигают тем, что схема подключения многофазного асинхронного двигателя к источнику постоянного тока содержит параллельные резонансные LC-контуры по числу обмоток двигателя. Каждый контур образован конденсатором и первичной обмоткой двухобмоточного дросселя, ко вторичной обмотке которого, индуктивно связанной с первой, подключена соответствующая обмотка, двигателя. Первичные обмотки дросселей контуров последовательно подключены к источнику постоянного тока через управляемый ключ, размыкающий цепь с заданной периодичностью. Каждый резонансный контур с включенной в него обмоткой двигателя настроен на собственную резонансную частоту. Значение резонансной частоты от контура к контуру вдоль цепи изменяется последовательно. 2 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение в устройствах с батарейным питанием или питанием от сети постоянного тока.

Уровень техники

Асинхронный двигатель (АД) относится к электрическим машинам переменного тока. Принцип работы такого двигателя основан на использовании вращающегося магнитного поля, которое образуется в статоре после подключения его обмоток к трехфазной сети переменного тока (основная схема включения АД). Вращающееся магнитное поле статора, пересекая проводники обмотки ротора, индуцирует в них электродвижущую силу (ЭДС), создающую в обмотке ротора ток. Взаимодействие этого тока с вращающимся магнитным полем статора вызывает электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение.

Для создания вращающегося магнитного поля статора необходимо выполнение двух условий, а именно: статорные обмотки должны быть смещены в пространстве друг относительно друга, что обычно обеспечивается конструкцией двигателя, и второе - токи в обмотках должны быть сдвинуты по фазе.

Известны решения, когда двух- или трехфазную обмотку статора включают в однофазную сеть переменного тока. В этом случае для создания начального (пускового) момента и приведения ротора во вращение используют фазосдвигающий элемент, преимущественно конденсатор, подключаемый к одной из обмоток статора, т.н. пусковой обмотке (например, см. кн. И.И.Алиев. Асинхронные двигатели в трехфазном и однофазном режимах. Изд-во: РадиоСофт, Москва, 2004 г., стр.83-87).

Для работы от сетей и источников постоянного тока обычно используют электродвигатели постоянного тока. Однако асинхронные двигатели более просты в обслуживании и надежны в эксплуатации, что объясняется отсутствием коллекторно-щеточного механизма, имеющего место в электродвигателях постоянного тока. Упомянутые качества делают привлекательным использование асинхронных двигателей в электроприводах с питанием от сетей постоянного тока.

Известен электропривод транспортного средства, содержащий асинхронный двигатель, подключенный к источнику постоянного напряжения через преобразователь постоянного напряжения в трехфазное напряжение с регулируемой амплитудой, частотой и изменяемым порядком чередования фаз (см. патент на полезную модель № 57990, МПК Н02К 17/34, опубл. 2006.10.27).

Известна схема подключения трехфазного асинхронного двигателя к источнику постоянного тока через трехфазный мостовой инвертор (см. патент SU № 1830178, МПК Н02Р 7/42, опубл. 23.07.93 г.).

Во всех известных заявителю решениях, в том числе вышеупомянутых, между асинхронным двигателем и источником постоянного тока непременно включается инвертор - преобразователь постоянного тока в m-фазный переменный либо коммутирующее вентильное устройство, поочередно подключающее фазы двигателя к источнику постоянной ЭДС. Однако все упомянутые схемы отличаются сложностью, наличием большого количества коммутирующих элементов, что отрицательно сказывается на надежности его работы.

В качестве ближайшего аналога для заявляемого решения принята схема включения асинхронного двигателя, примененная в приводе электроподвижного состава с питанием от тяговой сети (см. патент на полезную модель № 39763, МПК Н02Р 1/26, опубл. 2004.08.10). Схема содержит источник постоянного тока и соединенный с ним асинхронный двигатель с трехфазной обмоткой статора. Соединение АД с источником питания в упомянутом решении осуществлено через входные фильтры, однофазные инверторы, понижающие трансформаторы, мостовой выпрямитель с LC-фильтром и трехфазный коммутатор напряжения, к которому подключены статорные обмотки асинхронного двигателя. Трехфазный коммутатор напряжения выполнен на базе 6-ти электронных ключей. Недостатком известного решения является сложность схемы подключения, наличие большого числа коммутирующих элементов.

Раскрытие изобретения

Задачей заявляемого изобретения является разработка более простой схемы подключения асинхронного двигателя к источнику постоянного тока, использующей минимальное количество коммутирующих элементов.

Поставленная задача решена тем, что в схеме подключения многофазного асинхронного двигателя к источнику постоянного тока согласно заявляемому изобретению для каждой обмотки статора асинхронного двигателя сформирован параллельный резонансный LC-контур, образованный конденсатором и первичной обмоткой двухобмоточного дросселя, ко вторичной обмотке которого, индуктивно связанной с первой, подключена соответствующая обмотка двигателя, первичные обмотки дросселей контуров последовательно подключены к источнику постоянного тока через управляемый ключ, размыкающий цепь с заданной периодичностью, при этом каждый резонансный контур с включенной в него обмоткой двигателя настроен на собственную резонансную частоту с соблюдением условия последовательного изменения (возрастания или убывания) значения резонансной частоты от контура к контуру.

В отличие от прототипа и других известных решений, в заявляемом решении предложена принципиально новая схема питания асинхронного двигателя от источника постоянного тока, предполагающая последовательное подключение статорных обмоток двигателя к источнику постоянного тока с использованием одного ключа, размыкающего и замыкающего цепь с заданной периодичностью.

Для включения каждой обмотки двигателя использован обычный параллельный LC-контур, настроенный на собственную резонансную частоту. Собственная резонансная частота контуров и «разбег частот» между контурами во многом определяются конструктивным исполнением двигателя. Настройка контура на заданную частоту обеспечивается подбором номиналов индуктивности и емкости контура.

В качестве резонансных индуктивностей в заявляемой схеме использованы первичные обмотки двухобмоточных дросселей, которые обеспечивают накопление энергии с последующей отдачей ее в цепь без каких-либо преобразований. Ко вторичным обмоткам упомянутых дросселей в качестве нагрузки подключены соответствующие обмотки двигателя.

В замкнутом положении ключа в последовательной цепи через первичные обмотки дросселей протекает постоянный ток, происходит процесс насыщения резонансных индуктивностей и накопление энергии в магнитопроводах дросселей. В момент размыкания цепи на каждой резонансной индуктивности возникает импульс самоиндукции, и они начинают отдавать накопленную энергию через конденсатор. В каждом резонансном контуре возникает колебательный процесс, и в цепи контура начинает протекать переменный ток. Благодаря тому, что каждый контур настроен на индивидуальную резонансную частоту, возникшие в контурах токи изменяются с разной частотой, в результате чего между контурами образуется сдвиг фаз.

Переменный ток в первичных обмотках дросселей наводит переменный магнитный поток и переменную ЭДС во вторичных обмотках, в результате чего во вторичной цепи каждого контура возникает переменный ток, аналогичный протекающему в первичной обмотке. Через статорные обмотки, подключенные ко вторичным обмоткам дросселей в качестве нагрузки, также начинает протекать сдвинутый по фазе переменный ток. Таким образом, обеспечивается выполнение 2-го условия возникновения вращающегося магнитного поля: пропускание через обмотки асинхронного двигателя переменного тока, сдвинутого по фазе. Первое условие, как упоминалось выше, обеспечивается конструкцией двигателя, т.е. расположением статорных обмоток со смещением в пространстве. Выполнение обоих условий приводит к созданию в статоре асинхронного двигателя вращающегося магнитного поля, возникает вращающий момент, приводящий ротор двигателя во вращение.

Сдвиг фаз между контурами определяется значениями резонансных частот контуров и разбегом частот между ними. Следует отметить, что сдвиг фаз между токами контуров не имеет постоянной величины и увеличивается с течением времени, что объясняется затухающим характером колебательного процесса в контуре.

После затухания колебаний ключ замыкает цепь, и в контурах снова происходит накопление энергии. Процесс размыкания цепи и возникновение колебательных процессов повторяется периодически. По сути, в обмотках двигателя создается пульсирующее вращающееся магнитное поле, обеспечивающее раскрутку и вращение ротора.

Изменением периода времени, когда цепь разомкнута, можно влиять на скорость вращения двигателя.

Благодаря подключению статорных обмоток ко вторичным обмоткам дросселей практически полностью исключается прохождение через обмотки двигателя постоянной составляющей тока, вызывающей торможение ротора.

Таким образом, упомянутая выше совокупность существенных признаков заявляемого решения позволяет получить новый положительный технический результат, заключающийся в создании в обмотках асинхронного двигателя пульсирующих, т.е. периодически возникающих после размыкания цепи, переменных токов, сдвинутых по фазе друг относительно друга. Пока цепь замкнута, в последовательной цепи контуров течет постоянный ток, после размыкания цепи накопленная в контурах энергия преобразуется в переменный m-фазный (по числу фаз двигателя) ток.

Такое решение позволило исключить из схемы питания двигателя инвертор как самостоятельное устройство. В схеме использован всего один ключ на все фазы двигателя, что значительно упрощает схему питания, повышает надежность ее работы.

В известных решениях с автономными инверторами преобразованный из постоянного переменный m-фазный ток, имеющий фиксированный (неизменный) сдвиг между фазами, постоянно подается на обмотки двигателя. В заявляемом решении переменный ток проходит через обмотки двигателя периодически (импульсами) в период времени, когда цепь разомкнута, причем сдвиг между фазами - величина непостоянная.

В отличие от вентильного подключения, основанного на поочередном подключении обмоток асинхронного двигателя к питающей сети, в заявляемом решении подключение и отключение всех обмоток двигателя от сети питания осуществляется одновременно.

Предлагаемая схема подключения асинхронного двигателя к источнику постоянного тока может быть применена к любому многофазному двигателю: двух-, трех-, четырехфазному и т.д. Причем схема обеспечивает преобразование постоянного тока в переменный m-фазный, т.е. разделение тока происходит на столько фаз, сколько фаз имеет конкретный двигатель.

Краткое описание чертежей

Заявляемое решение поясняется чертежами, где

на фиг.1 изображена схема устройства, общий вид;

на фиг.2 показаны временные графические зависимости тока на фазах двигателя.

Осуществление изобретения

Схема была реализована для подключения стандартного асинхронного двигателя, заводского изготовления, с 3-фазной статорной обмоткой LA LB LC.

Схема подключения АД, представленная на фиг.1, содержит последовательную цепь из m (по числу обмоток двигателя, в конкретном примере - трех) резонансных параллельных контуров, каждый из которых образован конденсатором С и первичной обмоткой дросселя D, ко вторичной обмотке которого подключена соответствующая обмотка двигателя. Первичные обмотки (L1, L2, L3) дросселей последовательно подключены к источнику постоянного тока через управляемый ключ К. Ключ может быть реализован на базе транзистора, коммутируемого блоком управления. В простейшем случае в качестве такого блока можно использовать независимый генератор частоты.

Каждый резонансный LC-контур настроен на свою частоту, определяемую параметрами емкости и индуктивности контура по формуле: ω=1/√LC.

Значения резонансных частот последовательно изменяются от контура к контуру вдоль цепи: ωABC либо в обратном порядке: ωABC. Направление изменения значений частот определяет направление вращения двигателя. Вращение двигателя осуществляется в направлении убывания частоты.

Схема работает следующим образом.

Ключ К замкнут. Под действием ЭДС источника в последовательно включенных индуктивностях контуров ток нарастает до определенного значения. Происходит процесс насыщения резонансных дросселей. До момента насыщения практически все питающее напряжение приложено к обмоткам. В момент насыщения происходит скачкообразный скачок (падение) напряжения, который может быть использован в качестве управляющего сигнала на размыкание цепи.

Ключ размыкают, при этом индуктивные выбросы тока резонансных дросселей L1, L2, и L3 приводят к возникновению в резонансных LC-контурах колебательных процессов.

Благодаря настройке контуров на разные частоты колебательный процесс в каждом контуре имеет собственную частоту, в результате чего токи изменяются с разной скоростью, что ведет к образованию между ними сдвига фаз.

Во вторых обмотках дросселей, индуктивно связанных с первыми, также наводятся переменные токи, и через обмотки статора LA, LB, и LC начинает протекать сдвинутый по фазе переменный ток.

Сдвиг фаз токов в обмотках статора, возникающий после размыкания цепи (момент T1), иллюстрирован на временной зависимости фиг.2. Ток i1 - соответствует току, протекающему через фазу А, токи i2 и i3 соответствуют фазам В и С соответственно.

В статорных обмотках АД возникает вращающееся магнитное поле, индуцирующее в обмотке ротора ЭДС и обеспечивающее возникновение электромагнитного момента, приводящего ротор во вращение.

После затухания в контурах колебательных процессов электронный ключ К замыкает цепь. На графике этому моменту соответствует время Т2. Процесс накопления энергии повторяется.

Созданное в обмотках двигателя пульсирующее вращающееся магнитное поле обеспечивает вращение двигателя. Испытанный образец в течение нескольких секунд вышел на номинальную частоту вращения. Предлагаемое схемное решение отличается простотой реализации и экономичностью.

На базе предлагаемой схемы возможно изготовление электропривода вращательного и поступательного перемещения.

Схема подключения многофазного асинхронного двигателя к источнику постоянного тока, отличающаяся тем, что для каждой обмотки статора асинхронного двигателя сформирован параллельный резонансный LC-контур, образованный конденсатором и первичной обмоткой двухобмоточного дросселя, ко вторичной обмотке которого индуктивно связанной с первой подключена соответствующая обмотка двигателя, первичные обмотки дросселей контуров последовательно подключены к источнику постоянного тока через управляемый ключ, размыкающий цепь с заданной периодичностью, при этом каждый резонансный контур с включенной в него обмоткой настроен на собственную резонансную частоту с соблюдением условия последовательного изменения значения резонансной частоты от контура к контуру вдоль цепи.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системе с вентильным двигателем для формирования управляющих сигналов в системе. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в регулируемом электроприводе переменного тока для питания от двухполупериодной сети постоянного тока однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в регулируемом электроприводе переменного тока при питании от однофазной сети двухфазного асинхронного электродвигателя, в бытовой технике.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в регулируемом электроприводе переменного тока для питания от однофазной сети однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах управления инвертором с широтно-импульсной модуляцией для преобразователей частоты.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в тяжело нагруженных частотно-регулируемых электроприводах электровозов, электропоездов, в судовых гребных электроприводах, в металлургии и других регулируемых электроприводах.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в тяжело нагруженных частотно-регулируемых электроприводах электровозов, электропоездов, в судовых гребных электроприводах, в металлургии и других регулируемых электроприводах.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в тяжело нагруженных частотно-регулируемых электроприводах электровозов, электропоездов, в судовых гребных электроприводах, в металлургии и других регулируемых электроприводах.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводе для регулирования асинхронных двигателей, в частности двигателей с короткозамкнутым ротором, в том числе тяговых.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводе для регулирования асинхронных двигателей, в частности двигателей с короткозамкнутым ротором, в том числе тяговых.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводе для питания асинхронных трехфазных и синхронных электродвигателей. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводе для бесконденсаторного запуска трехфазных электродвигателей от однофазной сети, статорные обмотки которых соединены по схеме «звезда».

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим реакторам и трансформаторам, и может быть использовано в устройствах плавного пуска электродвигателей мощных механизмов.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для питания асинхронных трехфазных двигателей. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводе для питания асинхронных трехфазных электродвигателей. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в нерегулируемом электроприводе переменного тока для питания от однофазной сети трехфазных асинхронных двигателей.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к однофазным индукционным электродвигателям. .

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для пуска и компенсации реактивной мощности асинхронных электродвигателей большой мощности с вентиляторной нагрузкой или пускаемых без нагрузки.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах общепромышленных и бытовых механизмов. .

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах общепромышленных механизмов, в частности, в реверсивных электроприводах при наличии однофазной сети.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в регулируемом электроприводе переменного тока при питании однофазного двухобмоточного асинхронного электродвигателя от однофазной сети
Наверх