РЕГУЛИРУЕМЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД Российский патент 1994 года по МПК H02P7/42 H02M5/45 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к регулируемым по частоте и моменту электроприводам переменного тока.

Известен регулируемый вентильный электропривод (РВЭП), преобразователь которого выполнен на транзисторах, с использованием в каждой фазе колебательного контура, состоящего из коммутирующей емкости и одной фазной обмотки статора гистерезисного двигателя. Двигатель может быть как однофазным, так и многофазным. Недостатками данного РВЭП являются: сложная конструкция преобразователя, особенно для многофазных двигателей, невысокий КПД из-за больших коммутационных потерь в транзисторах, низкая надежность из-за возможности сквозного короткого замыкания по двум последовательно включенным транзисторам каждой фазы и недостаточно широкий диапазон регулирования частоты вращения и момента гистерезисного электродвигателя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является РВЭП, содержащий выпрямитель, тиристорный преобразователь, однофазный инвертор и двигатель переменного тока. Данный РВЭП имеет более высокий КПД при достаточно широком диапазоне регулирования мощности двигателя. Однако он не лишен остальных недостатков аналога и, кроме того, имеет свой недостаток - синусоидальные импульсы тока, которые поступают от преобразователя на двигатель, формируемые колебательным контуром, составленным из конденсатора на выходе выпрямителя и дросселя в выходной цепи однофазного инвертора, не регулируются на частоте, а изменяется лишь бестоковая пауза между двумя частями синусоиды, что обеспечивает недостаточно широкий диапазон регулирования.

Цель изобретения - упрощение конструкции РВЭП, повышение КПД, надежности и расширение диапазона регулирования мощности.

Указанная цель достигается тем, что в РВЭП выпрямитель выполнен в виде одного управляемого или неуправляемого вентиля, включенного последовательно с ним на однофазную сеть дросселя и накопительной емкости, преобразователь выполнен в виде двух последовательно включенных между собой управляемых вентилей, подключенных через элемент защиты и накопительной емкости, к средней точке управляемых вентилей подключена коммутирующая емкость, а к другому ее выводу и одному из выводов накопительной емкости подключен двигатель. Кроме того, тем, что коммутирующая емкость выполнена с возможностью ее ступенчатого регулирования путем переключения отдельных конденсаторов при помощи переключателя. Кроме того тем, что ротор двигателя выполнен массивным из магнитомягкого металла.

На фиг. 1 изображена принципиальная блочная электросхема РВЭП; на фиг. 2 - схема включения коммутирующей емкости; на фиг. 3 - схема включения однофазного реверсивного двигателя; на фиг. 4 - то же, двухфазного; на фиг. 5 - то же, трехфазного; на фиг. 6 - схема источника питания бока управления; на фиг. 7 - форма тока в фазной обмотке двигателя.

РВЭП содержит однофазный выпрямитель, выполненный в виде одного управляемого или неуправляемого вентиля 1, включенных последовательно с ним на однофазную сеть дросселя 2 и накопительной емкости 3, преобразователь, выполненный в виде двух последовательно включенных между собой управляемых вентилей 4 и 5, подключенных к накопительной емкости 3, к средней точке управляемых вентилей 4 и 5 подключена коммутирующая емкость 6, а к другому ее выводу и одному из выводов накопительной емкости 3 подключены выводы двигателя 7. Элемент защиты 8 РВЭП от перегрузки и КЗ включен последовательно с управляемыми вентилями 4 и 5. Переключатель 9, предназначенный для изменения величины коммутирующей емкости 6, подключен своими контактами к каждому конденсатору. Реверсор 10, предназначенный для изменения направления вращения двигателя, подключен к фазным обмоткам двигателя 7. Блок управления 11 РВЭП получает питание от блока питания 12. В двух- и трехфазных двигателях предусмотрены фазосдвигающие емкости 13.

РВЭП работает следующим образом.

Для получения синусоидального однофазного тока регулируемой частоты и скважности используются свойства колебательного контура, состоящего из емкости и индуктивности, в качестве которой взяты фазные обмотки статора двигателя 7. Для этого переменный ток первичного источника, например, промышленной сети частотой 50 Гц выпрямляется при помощи регулируемого (или нерегулируемого) вентиля 1, который работает через дроссель 2 на накопительную емкость 3. Энергия постоянного тока, накопленная в емкости 3, преобразуется в переменный ток регулируемой частоты и скважности при помощи двух регулируемых вентилей 4 и 5, в качестве которых могут быть использованы тиристоры, транзисторы или симисторы (последние применяются в электроприводах с рекуперацией энергии при переводе двигателя в генераторный режим). При включении от блока управления 11 вентиля 4 ток потечет от "плюса" накопительной емкости 3 через вентиль 4, коммутирующую емкость 6, фазные обмотки двигателя 7 на "минус" емкости 3. При этом форма импульса тока будет синусоидальной (см. фиг. 7). Как только напряжение на коммутирующей емкости 6 сравняется с напряжением на накопительной емкости 3, ток двигателя станет равным нулю, и вентиль 4 автоматически запрется, если это тиристор. Если в качестве вентиля 4 взят транзистор, то в данный момент на него подается от блока управления 11 запирающий импульс и он также запрется при минимальных потерях на коммутацию. После запирания вентиля 4 и до открытия вентиля 5 необходимо предусмотреть бестоковую паузу Т₂ равную или большую времени восстановления запирающих свойств вентиля 4. После этого с блока управления 11 подается отпирающий импульс на вентиль 5, в результате чего накопленная в емкости 6 энергия потечет через вентиль 5 и через двигатель 7 (в другом направлении). Данный импульс тока также будет синусоидальным и длительность его Т₁ будет такой же, как и при заряде емкости 6 от емкости 3, поскольку колебательный контур остался тем же и характеризуется теми же параметрами RLC. Регулируя при помощи блока управления 11 частоту открывания вентилей 4 и 5 - изменяют тем самым скорость вращения и момент двигателя 7. Если вентиль 1 выполнен регулируемым, то при этом можно регулировать и амплитуду импульсов тока за счет регулирования напряжения выпрямителя, т. е. электропровод имеет возможность широкого регулирования диапазона скорости и момента. При повышении частоты тока выше критической могут оказаться включенными оба вентиля 4 и 5, которые закоротят накопительную емкость 3. При этом сработает элемент защиты 8 и отключит через блок управления 11 вентили 1,4 и 5. Если эти вентили выполнены в виде тиристоров, то они запрутся обратным напряжением сети, при этом длительность КЗ ограничится одной полуволной питающего переменного напряжения, что не представляет опасности для тиристоров.

Поскольку критическая частота данного электропривода с колебательным контуром определяется величиной коммутирующей емкости 6, последняя должна иметь ступенчатое регулирование при помощи переключателя 9 (фиг. 2). Таким образом, расширяется частотный диапазон регулирования электропривода. Для реверсирования направления вращения двигателя 7 предусмотрен реверсор 10, который в однофазном двигателе может выполнять и функцию фазосдвигающего устройства. Данный электропривод является эффективным при повышенной частоте питания двигателя 7, т. к. индуктивность и емкость колебательного контура обратно пропорциональны квадрату частоты тока. При повышенных частотах существенно снижаются индуктивность двигателя и величина коммутирующей емкости, что делает электропривод компактным. Если ротор электродвигателя выполнить массивным (гладким или зубчатым) из магнитомягкого металла, например из Ст. 3 или из Ст. 45, то при повышении частоты питающего тока момент у него возрастает, а не падает, как у традиционного короткозамкнутого ротора с шихтованным сердечником (3). Для того, чтобы двигатель с массивным ротором имел высокий момент, его следует выполнять многополюсным (4). Достижению поставленных в изобретении целей способствует также выполнение выпрямителей как силового, так и для цепей управления (см. фиг. 6) на одном вентиле, совместив его с фильтром, состоящим из дросселя и емкости. Последняя выбирается электролитической, т. к. она работает в однополярном импульсном режиме. Величина накопительной емкости 3 должна выбираться из условия
U₁²f₁C₃ > U₂²f₂C₆, где U₁, f₁ - соответственно напряжение и частота первичного источника;
U₂, f₂ - то же, двигателя;
С₃ - величина накопительной емкости;
С₄ - величина коммутирующей емкости.

При соблюдении этого условия напряжение постоянного тока при различных режимах двигателя или другого потребителя практически не изменяется. (56) Заявка Великобритании N 1502599, кл. H 02 K 23/02, 1978.

Авторское свидетельство СССР N 1365295, кл. H 02 M 5/43, 1988.

Д. М. Каминский, С. И. Локшина "Двигатели с массивным ротором при переменных частоте и напряжении", Электротехника, N 8, 1980, с. 14-17.

Авторское свидетельство СССР N 1427496, кл. H 02 K 5/167, 1988.

Использование: регулируемые по частоте и моменту электроприводы переменного тока. Сущность изобретения: привод содержит электродвигатель 7, последовательно включенные однофазный выпрямитель 1, дроссель 2, накопительный конденсатор 3, преобразователь выполнен в виде двух последовательно включенных между собой управляемых вентилей 4, 5, точка соединения которых подключена к одному из выводов коммутирующего с возможностью регулирования конденсатора 6. Элемент защиты 8 включен между точкой соединения дросселя 2 с первой обкладкой накопительного конденсатора. Двигатель 7 может быть как однофазным, так и многофазным с массивным ротором из магнитомягкого материала. В приводе обеспечивается широкий диапазон регулирования частоты вращения и момента за счет формирования синусоидальных импульсов переменного тока колебательным контуром, индуктивностью которого являются фазные обмотки статора двигателя 7, а емкостью - коммутирующий конденсатор 6. При аварийных режимах электропривод автоматически запирается обратным напряжением сети. 1 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. РЕГУЛИРУЕМЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД переменного тока, содержащий электродвигатель, последовательно включенные однофазный выпрямитель, дроссель и накопительный конденсатор, преобразователь и блок управления выпрямителя и преобразователя, снабженный блоком питания, входы которого предназначены для подключения к однофазной питающей сети, отличающийся тем, что введены элемент защиты и коммутирующий конденатор с возможностью его регулирования, блок управления снабжен дополнительным выходом, а преобразователь выполнен в виде двух последовательно включенных между собой управляемых вентилей, точка соединения которых подключена к одному из выводов коммутирующего конденсатора, другой вывод которого подключен к одному из зажимов электродвигателя, другой зажим последнего - к второй обкладке накопительного конденсатора, причем элемент защиты включен между точкой соединения дросселя с первой обкладкой конденсатора и первого управляемого вентиля, при этом дополнительный выход блока управления связан с управляющим входом элемента защиты, а электрод второго вентиля, не связанный с первым вентилем, подсоединен к другому зажиму электродвигателя. 2. Электропривод по п. 1, отличающийся тем, что ротор двигателя выполнен из магнитомягкого металла.