Маловентильный четырёхквадрантный электропривод переменного тока и способ управления им

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в регулируемых электроприводах переменного тока. Технический результат - расширение функциональных возможностей за счет придания этому устройству свойств реверсивного четырехквадрантного электропривода, регулирование которого возможно как в двигательном, так и тормозном режимах при вращении двигателя в обоих направлениях. Маловентильный четырехквадрантный электропривод переменного тока обеспечивает регулирование асинхронного короткозамкнутого электродвигателя в любом из квадрантов механических характеристик в двигательном и тормозном режимах с помощью установленного в статорных обмотках импульсного регулятора напряжения. Регулятор, выполненный на основе двух вольтодобавочных трансформаторов, осуществляет бесконтактное широтно-импульсное регулирование и изменение порядка чередования фаз статорного напряжения при торможении и реверсе с помощью двух транзисторных ключей, выполняющих функции нулевых точек в цепях соединения первичных обмоток трансформаторов по схеме звезда. Способ управления электроприводом представлен в виде алгоритма изменения двух управляющих сигналов на входах широтно-импульсных модуляторов при переходе электропривода из одного квадранта механических характеристик в другой. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к преобразовательной технике, получающей применение в регулируемых электроприводах переменного тока. Массовое применение асинхронных электроприводов стимулирует развитие сравнительно дешевых маловентильных преобразователей для регулирования асинхронных двигателей по принципу высокочастотной, изменяемой широтно-импульсным способом вольтодобавки (см., например: 1) Сидоров С.Н., Старостина Я.К. Пускорегулирующие устройства для асинхронного электропривода на диодно-транзисторных модулях. // Известия вузов Электромеханика. 2015, №4(540), с. 42-50. 2) Патент РФ №2249895, Н02J 3/00, Н02М 5/00.

К числу достоинств данных регуляторов следует отнести простоту исполнения при минимальном количестве транзисторных ключей, а также высокое качество напряжения и тока в статорных обмотках электродвигателя, обусловленное высокой частотой переключений транзисторов.

Наиболее близкое по технической сущности решение представлено в изобретении (см. Патент РФ №2294592, Н02Р 1/16). Общие признаки прототипа и предлагаемого технического решения заключаются в наличии регулятора импульсного напряжения в статорных обмотках асинхронного двигателя, выполненного в виде трехфазного вольтодобавочного трансформатора, первичные обмотки которого своими первыми выводами подключены к прямо чередующимся фазам источника сетевого напряжения, а вторичные обмотки, включенные встречно-последовательно со статорными обмотками двигателя, присоединены к тем же фазам сетевого источника и тем самым служат для создания встречного напряжения вольтодобавки, при этом нулевая точка в цепях соединения первичных обмоток трансформатора по схеме звезды образована присоединением их вторых выводов к зажимам переменного тока первого трехфазного диодного моста, между зажимами постоянного тока которого в проводящем направлении включен силовой транзисторный ключ, параллельно которому посредством разделительного диода присоединена "RC"-цепь защиты от коммутационных перенапряжений.

Общие признаки предлагаемого способа управления маловентильным электроприводом и названного прототипа состоят в регулировании напряжения в статорных обмотках асинхронного двигателя путем суммирования трехфазного напряжения питающей сети с регулируемым широтно-импульсным способом встречным напряжением в прямо чередующихся фазных обмотках трехфазного вольтодобавочного трансформатора.

Недостаток данного решения состоит в ограниченных функциональных свойствах электропривода, не позволяющих работать данному устройству во всех квадрантах механических характеристик.

Технический результат предлагаемого изобретения - расширение функциональных возможностей за счет придания этому устройству свойств реверсивного четырехквадрантного электропривода, регулирование которого было бы возможным как в двигательном, так и тормозном режимах при вращении двигателя в обоих направлениях.

Для достижения технического результата в состав названного устройства предлагается включить второй трехфазный вольтодобавочный трансформатор, первичные обмотки которого, соединенные также по схеме звезды, своими первыми выводами подключены к обратно чередующимся фазам указанного сетевого источника а вторичные обмотки, включенные согласно последовательно со статорными обмотками двигателя, присоединить к тем же фазам сетевого источника для создания согласного напряжения вольтодобавки, при этом нулевая точка в цепях соединения первичных обмоток второго вольтодобавочного трансформатора по схеме звезды должна быть образована присоединением их вторых выводов к зажимам переменного тока второго трехфазного диодного моста, между зажимами постоянного тока которого в проводящем направлении включить второй силовой транзисторный ключ, параллельно которому посредством разделительного диода присоединена аналогичная "RC"-цепь защиты от коммутационных перенапряжений.

С целью возможности регулирования асинхронного двигателя во всех четырех квадрантах механических характеристик ω(М) при изменении частоты вращения ω=0±ω0 и электромагнитного момента М=0±Мmах предлагается суммировать результирующее трехфазное напряжение в статорных обмотках двигателя с приложенным в согласном направлении обратно чередующимся напряжением в обмотках второго трехфазного вольтодобавочного трансформатора, причем для работы в первом квадранте при ω≥0; М≥0 или четвертом квадранте при ω≤0; М≥0 напряжение в обмотках первого трансформатора следует регулировать, а напряжение в обмотках второго трансформатора сохранять на нулевом уровне в то время, как для работы во втором квадранте при ω≥0;М≤0 или третьем квадранте при ω≤0; М≤0 напряжение в обмотках первого трансформатора сохранять на постоянном уровне, равном напряжению питающей сети, а напряжение в обмотках второго трансформатора регулировать.

На фиг. 1 приведена схема маловентильного четырехквадрантного электропривода переменного тока, а на фиг. 2 - результаты испытаний данного устройства методом компьютерного моделирования. Для иллюстрации функциональных возможностей предлагаемого привода на фиг. 3 приведены его механические характеристики во всех четырех квадрантах.

Схема содержит асинхронный короткозамкнутый двигатель 1, статорные обмотки которого присоединены к источнику трехфазного сетевого напряжения 2 посредством последовательно встречно включенных вторичных обмоток первого трехфазного вольтодобавочного трансформатора 3 и последовательно согласно включенных вторичных обмоток аналогично выполненному второму вольтодобавочному трансформатору 4. Первичные обмотки тансформатора 3 соединены по схеме звезды, для чего их первые выводы присоединены к прямо чередующимся фазам сетевого источника 2, а вторые выводы объединены в нулевую точку звезды посредством первого коммутирующего устройства 5. Первичные обмотки трансформатора 4 также соединены по схеме звезды, однако их первые выводы присоединены к обратно чередующимся фазам общего сетевого источника, а вторые выводы объединены в нулевую точку звезды посредством второго коммутирующего устройства 6. В обоих случаях роль коммутирующих устройств выполняет трехфазный диодный мост, между зажимами постоянного тока которого в проводящем направлении включен силовой транзисторный ключ, зашунтированный "RC"-цепью для защиты от коммутационных перенапряжений. Управление транзисторными ключами осуществляется с помощью устройств широтно-импульсного регулирования (ШИР1, ШИР2) 7. Полагается, что выработка отпирающих импульсов на выходах последних происходит традиционным способом в результате сравнения управляющих сигналов xуп1, xуп2 и высокочастотного опорного сигнала xоп пилообразной формы. При этом изменение управляющих сигналов по уровню изменяет длительность включенного состояния транзисторов, приводя тем самым к пропорциональному изменению действующего значения напряжения вольтодобавки во вторичной обмотке трансформатора.

Принцип действия электропривода рассмотрим вначале на примере работы в первом квадранте механических характеристик при ω≥0; М≥0 (см. фиг. 2, 3). Согласно предлагаемому способу, напряжение в обмотках второго трансформатора в этом случае должно оставаться нулевым, что достигается установкой управляющего сигнала на входе ШИР2 хуп2=0, в то время как напряжение в обмотках первого трансформатора подлежит регулированию, для чего необходимо изменять управляющий сигнал на входе ШИР1 xуп1=0-хоnmах. Соответствующие изменения встречного напряжения вольтодобавочного трансформатора 3 будут приводить к обратным изменениям результирующего напряжения в статорных обмотках двигателя. При этом установка xуп1=0 способна обеспечить работу двигателя при полном напряжении сети на естественной механической характеристике (точка t1), а в случае хуп1→хоnmах на искусственной характеристике при пониженном напряжении, что необходимо, например, для осуществления плавного пуска асинхронного двигателя.

Для перевода двигателя в режим торможения противовключением и последующего реверса необходимо изменить порядок чередования трехфазного напряжения питания. В предлагаем автоматизированном электроприводе указанные функции выполняются бесконтактным способом, для чего, как показано на фиг. 2, достаточно установить управляющие сигналы xуп1=xonmax; хуп2>0. Согласно предлагаемому способу, это приведет к появлению во вторичной обмотке трансформатора 3 максимального встречного напряжения, в результате чего в составе результирующего статорного напряжения сетевая составляющая с прямым чередованием фаз будет скомпенсирована, то есть равна нулю. Зато в соответствии с хуп2>0 в составе этого напряжения появится составляющая с обратным чередованием фаз, что приведет к изменению направления вращения электромагнитного поля двигателя. Вращение электромагнитного поля и вала двигателя в разных направлениях вызовет переход рабочей точки из первого во второй квадрант механических характеристик с координатами ω≥0; М≤0, то есть в режим торможения противовключением. Последующее снижение скорости вала до нуля при сохранении управляющих сигналов хуп1оnmах; хуп2>0 приведет к разгону двигателя в обратном направлении вплоть до установившегося состояния в точке t3 при ω≤0;М≤0. Возвращение рабочей точки в первый квадрант потребует установки исходных значений управляющих воздействий на входах блока 7 xуп1=0, хуп2=0. Согласно предлагаемому способу управления это приведет к обнулению напряжений во вторичных обмотках обоих трансформаторов, в связи с чем результирующее напряжение в статорных обмотках двигателя будет равно напряжению сетевого источника. Изменившееся под воздействием этого напряжения направление вращения электромагнитного поля вызовет переход рабочей точки из третьего в четвертый квадрант с координатами ω≤0;М≥0, означающий замену двигательного режима на режим торможения противовключением с последующим разгоном двигателя в прямом направлении.

Представленные на фиг. 2 результаты компьютерного моделирования подтверждают работоспособность предлагаемого электропривода. В отличие от известных решений его силовая схема выполнена с применением минимального количества полупроводниковых ключей, что тем не менее не повлекло к заметному ухудшению качества напряжений и токов как в цепях питания статорных обмоток двигателя, так и на сетевом входе электропривода.

1. Маловентильный четырехквадрантный электропривод переменного тока, содержащий регулятор импульсного напряжения в статорных обмотках асинхронного двигателя в виде первого трехфазного вольтодобавочного трансформатора, первичные обмотки которого своими первыми выводами подключены к прямо чередующимся фазам источника сетевого напряжения, а вторичные обмотки, включенные встречно-последовательно со статорными обмотками двигателя, присоеденены к тем же фазам сетевого источника и тем самым служат для создания встречного напряжения вольтодобавки, при этом нулевая точка в цепях соединения первичных обмоток трансформатора по схеме звезда образована присоединением их вторых выводов к зажимам переменного тока первого трехфазного диодного моста, между зажимами постоянного тока которого в проводящем направлении включен первый силовой транзисторный ключ, параллельно которому посредством разделительного диода присоединена RC-цепь защиты от коммутационных перенапряжений, отличающийся наличием второго трехфазного вольтодобавочного трансформатора, первичные обмотки которого, соединенные также по схеме звезда, своими первыми выводами подключены к обратно чередующимся фазам указанного сетевого источника, а вторичные обмотки, включенные согласно последовательно со статорными обмотками двигателя, присоединены к тем же фазам сетевого источника и тем самым служат для создания согласного напряжения вольтодобавки, при этом нулевая точка в цепях соединения первичных обмоток второго вольтодобавочного трансформатора по схеме звезда образована присоединением их вторых выводов к зажимам переменного тока второго трехфазного диодного моста, между зажимами постоянного тока которого в проводящем направлении включен второй силовой транзисторный ключ, параллельно которому посредством разделительного диода присоединена аналогичная RC-цепь защиты от коммутационных перенапряжений.

2. Способ управления маловентильным электроприводом переменного тока путем плавного регулирования результирующего напряжения в статорных обмотках асинхронного двигателя, получаемого суммированием трехфазного напряжения питающей сети с регулируемым широтно-импульсным способом встречным прямо чередующимся напряжением в обмотках первого трехфазного вольтодобавочного трансформатора, отличающийся возможностью работы и регулирования асинхронного двигателя во всех четырех квадрантах механических характеристик привода ω(М) при изменении частоты вращения ω=0±ω0 и электромагнитного момента в пределах М=0±Mmax, для чего предлагается суммирование результирующего трехфазного напряжения в статорных обмотках двигателя с согласным обратно чередующимся напряжением в обмотках второго трехфазного вольтодобавочного трансформатора, причем для работы в первом квадранте при ω≥0; М≥0 или четвертом квадранте при ω≤0; М≥0 напряжение в обмотках первого трансформатора регулируют, а напряжение в обмотках второго трансформатора делают нулевым в то время, как для работы во втором квадранте при ω≥0; М≤0 или третьем квадранте при ω≤0; М≤0 напряжение в обмотках первого трансформатора делают равным напряжению питающей сети, а напряжение в обмотках второго трансформатора регулируют.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в механизмах, требующих режима противовключения и компенсации реактивной мощности асинхронного двигателя в рабочем режиме.

Группа изобретений относится к устройствам или способам управления двигателями переменного тока. Способ импульсного регулирования электрического дифференциала переменного тока (ЭД) включает в себя то, что собирают статорные обмотки двух асинхронных двигателей в общий треугольник.

Способ управления торможением частотного электропривода с многоуровневым инвертором напряжения относится к электротехнике и, в частности, к высоковольтным электроприводам с многоуровневыми инверторами напряжения.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в автоматизированном электроприводе переменного тока с преобразователями частоты. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводах механизмов в химической и металлургической промышленности. .

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах различных механизмов для автоматического торможения электродвигателей. .

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах переменного тока для точного позиционирования. .

Изобретение относится к средствам, предназначенным для управления работой устройствами нанесения промышленной маркировки. Технический результат заключается в обеспечении возможности распределенного удаленного управления из единого центра несколькими разнотипными маркирующими механизмами существующего производственного технологического процесса и обеспечении возможности использования встраиваемых независимых маркирующих устройств в производственные линии или металлообрабатывающие центры с числовым программным управлением без изменения их функциональности.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для безударного пуска и отключения высоковольтных нагрузок, например электродвигателей или трансформаторов среднего напряжения 6/10 кВ.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при пуске электродвигателя с регулируемой частотой вращения. Техническим результатом является исключение кратковременного запуска в обратном направлении вращения, если блокировка преодолевается во время приложения отрицательного пускового момента.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при эксплуатации электродвигателей для восстановления проектных характеристик изоляции их обмоток.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для реализации плавного пуска асинхронных тиристорных электроприводов общепромышленного назначения, применяемых для привода вентиляторов, компрессоров, насосов, транспортеров и др.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при производстве асинхронных двигателей. Способ пуска асинхронного двигателя без разрыва цепи питания и без изменения пар полюсов выполнятся включением одной из двух раздельных частей трехфазной статорной обмотки, с расположением частей в одних и тех же пазах статора, по схеме Y с последующим после разбега двигателя подключением другой части по схеме Δ.

Изобретение относится к способу пуска электродвигателей. Способ повторного включения асинхронных тяговых двигателей электротранспортного средства на выбеге заключается в том, что задают режим тяги или торможения и начальные значения частоты и напряжения электропитания двигателей, а потом эти значения корректируют, устанавливая требуемый вращающий момент.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в преобразовательной технике. Технический результат: повышение надежности пускорегулирующего устройства за счет снижения коммутационных перенапряжений без сопутствующего увеличения потерь электроэнергии и уменьшения коэффициента полезного действия электропривода.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для динамического торможения трехфазного асинхронного электродвигателя и для его пуска от автономного источника электрической энергии соизмеримой мощности.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при проектировании электроприводов машин и механизмов с большим моментом инерции, ударной нагрузкой, а также в транспортных средствах.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления электродвигателями постоянного тока. Техническим результатом является повышение стабильности работы электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения; сокращение простоев бурового оборудования в ожидании ремонта или замены электродвигателя.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в регулируемых электроприводах переменного тока. Технический результат - расширение функциональных возможностей за счет придания этому устройству свойств реверсивного четырехквадрантного электропривода, регулирование которого возможно как в двигательном, так и тормозном режимах при вращении двигателя в обоих направлениях. Маловентильный четырехквадрантный электропривод переменного тока обеспечивает регулирование асинхронного короткозамкнутого электродвигателя в любом из квадрантов механических характеристик в двигательном и тормозном режимах с помощью установленного в статорных обмотках импульсного регулятора напряжения. Регулятор, выполненный на основе двух вольтодобавочных трансформаторов, осуществляет бесконтактное широтно-импульсное регулирование и изменение порядка чередования фаз статорного напряжения при торможении и реверсе с помощью двух транзисторных ключей, выполняющих функции нулевых точек в цепях соединения первичных обмоток трансформаторов по схеме звезда. Способ управления электроприводом представлен в виде алгоритма изменения двух управляющих сигналов на входах широтно-импульсных модуляторов при переходе электропривода из одного квадранта механических характеристик в другой. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Наверх