ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 1997 года по МПК H02P7/36 H02P7/62 

Изобретение относится к электротехнике, конкретно к управляемому электроприводу, и может быть использовано, в частности, для привода тягового состава, металлорежущих станков и механизмов с широким диапазоном изменения частоты вращения.

Известны схемы, где управление частотой вращения трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором осуществляется путем регулирования тока в роторных обмотках. Существуют каскадные и одномашинные электроприводы. Среди последних можно выделить две группы.

В первой из них /1/ обмотки ротора замыкаются на звезду резисторов, шунтированных симисторами. Регулирование тока производится изменением фазы отпирающих симисторы импульсов. Недостатком указанной группы являются потери в резисторах роторных цепей, соизмеримые с мощностью двигателя, и ограниченный снизу диапазон регулирования частоты вращения. Использование электроприводов этой группы возможно лишь при наличии трехфазной сети, что исключает их применение в электрической тяге и бытовой аппаратуре.

Во второй группе токи роторных обмоток, имеющие частоту скольжения, выпрямляются и инвертируются в сеть /2/. Известны и модификации электропривода, где используются инверторы с непосредственной связью. Регулирование частоты вращения двигателя осуществляется воздействием на фазу управляющих импульсов инвертора. Достоинством второй группы электроприводов по сравнению с первой является отсутствие роторных резисторов, а недостатком - наличие трансформаторов и дросселей в силовых цепях.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство для регулирования скорости трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором /1/, в котором регулирование осуществляется с помощью симисторов, шунтирующих резисторы цепей ротора.

Наиболее существенным общим признаком изобретения и прототипа является включение симисторов в роторные цепи.

Технический результат, достигаемый изобретением, состоит в устранении резисторов из цепей ротора и связанных с ними потерь, возможности питания как от однофазной, так и от трехфазной сети, отсутствии трансформаторов и реактивных элементов в силовых цепях и в обеспечении работы при малых частотах вращения.

Поставленная задача достигается тем, что роторные обмотки двигателя замыкаются на звезду симисторов, работающих в режиме прерывистых токов, одна из статорных обмоток питается от выпрямителя постоянным током, а две другие статорные обмотки соединяются встречно последовательно и питаются от управляемого выпрямителя, связанного с однофазной или трехфазной сетью, либо непосредственно от однофазной сети.

К достоинствам заявляемого электропривода можно также отнести возможность его бесконтактного исполнения, в котором симисторы закрепляются на валу, а управляющие импульсы передаются на ротор магнитным или оптическим способом.

При рассмотрении принципа действия электропривода воспользуется схемой фиг. 2, где обмотки статора 1 и 3 фиг. 1, вектор намагничивающей силы которых сдвинут в пространстве на 90 электрических градусов по отношению к обмотке 2, замещены обмоткой 10 с тем же пространственным сдвигом, а управляемый выпрямитель 9 питается от однофазной сети.

На управляющие электроды симисторов 5-7 и тиристоров моста 9 одновременно поступают открывающие импульсы, сдвинутые на угол γ относительно моментов прохождения сети через нуль. Регулирование частоты вращения двигателя достигается изменением g в диапазоне, где токи i_a, i_b и i_e имеют прерывистый характер. Интервал между импульсами в стационарном режиме при питании моста 9 от однофазной сети равен полупериоду, а при питании от трехфазной сети трети периода. Интервал между импульсами при питании обмоток 1-3 непосредственно от однофазной сети равен периоду. Положение ротора определяется углом q в электрических градусах между магнитными осями обмотки 10 и фазы "а" роторной обмотки.

Как вариант исполнения в составе заявляемого привода возможно применение двигателя, у которого встречно-последовательное соединение фаз 1 и 3 заменено одной обмоткой 10, магнитная ось которой сдвинута на 90 электрических градусов относительно оси обмотки 2, как это показано на фиг. 2. Управляемый выпрямитель 9 здесь выполнен по однофазной симметричной мостовой схеме, что соответствует подключению к однофазной сети /К=1/.

Работу привода рассмотрим для схемы, представленной на фиг. 2. В качестве симметричных ключей 5-7 взяты симисторы. Пуск и управление частотой вращения осуществляется путем синхронного изменения угла g отпирания тиристоров одного плеча выпрямителя 9 и симисторов 5-7 в диапазоне, в котором токи i₁, i₂, i_b, i_c обмоток 10 и 4 имеют прерывистый характер. Обмотка 2 питается постоянным током I₂. Положение ротора определяется углом q в электрических градусах между магнитными осями обмотки 10 и фазы "а" обмотки 4.

Примем следующие допущения:
магнитная система машины линейна;
распределение индукции в воздушном зазоре, возбуждаемой током отдельной обмотки, имеет косинусоидальный характер.

Введем обозначения:
L_L, L_S1 индуктивность и индуктивность рассеивания обмотки 10;
L, L_S индуктивность и индуктивность рассеивания фазы обмотки 4;
M_k1, M_k2 / k= a, b, c/, взаимоиндуктивности между фазами обмотки 4 и соответственно обмотками 10 и 2;
M_ab, M_ac, M_bc взаимоиндуктивности между фазами обмотки 4.

Для взаимоиндуктивностей справедливы соотношения:

Потокосцепления обмотки 10 и фазы "а" обмотки 4:


В выражении для ψ_a учтено, что i_a+i_b+i_c=0
Произведем замену переменных
i_a= i_dcosθ+i_qsinθ (4)
Дифференциальные уравнения цепей обмотки 10 и фазы "а" обмотки 4:
Pψ₁+i₁r₁=U_msinωt (5)
Pψ_a+i_ar=0 (6)
где r₁ и r сопротивления обмотки 10 и фазы обмотки 4;
U_m, ω амплитуда и частота напряжения сети;
P оператор дифференцирования.

Уравнения для фаз "b" и c" обмотки 4 получаются при замене в /3/, /4/, /6/ i_a на i_b или i_c и θ на
После исключения из /3/-/6/ промежуточных переменных получаем систему дифференциальных уравнений для токов i₁, i_d и i_q:



которая решается при начальных условиях:
ωt = γ , i₁=i_d=i_q= 0 (10)
что соответствует закрытому состоянию вентилей в момент γ подачи отпирающего импульса.

Рассмотрим режим заторможенного ротора, когда q const. Из /9/ и /10/ следует, что в этом режиме i_q=0.

После исключения из /7/ и /8/ i₁ получаем дифференциальное уравнение для i_d:

Опустив малые параметры после деления /11/ на p получаем приближенное уравнение 1-ого порядка для тока i_d:

К аналогичному упрощению прибегают при расчете момента обычной асинхронной машины, когда пренебрегают намагничивающим током статорной обмотки.

Введем обозначения:

Тогда /12/ принимает вид:
(1+Tp)i_d=I_dmsin ωt (14)
Аналогичным путем /7/ и /8/ преобразуются в приближенное уравнение для тока i₁:
(1+Tp)i₁=I_1msin ωt (15)
где

а постоянная времени T выражается формулой /13/.

Из /14/ и /15/ следует, что в рассматриваемом режиме токи i₁ и i_d пропорциональны:

Решение /14/ при начальных условиях /10/ имеет вид:

В момент ωt=Φ токи i_d и i₁ достигают нулевого значения и вентили в цепях обмоток 10 и 4 запираются. Согласно /18/

Условие прерывистости тока i₁:
Φ-γ≅ π (20)
Из /19/ следует, что при γ_min=arctg ωT угол Φ = γ_min+π Допустимый диапазон управления лежит в пределах γ_min≅ γ< π
Мгновенные значения момента на валу ротора:

где геометрический угол поворота ротора,
P_n число пар полюсов.

Согласно /1/, /4/ и /21/:

Среднее за полупериод значение момента составляет:

Согласно /18, /22/ и /23/:

где:

При выводе /24/ было учтено уравнение /19/ границы режима.

Из уравнений /24/ им /19/ следует, что не зависит от положения ротора и целиком определяется углом-управления γ При угол Φ=γ_min+π и Если же

При вращении ротора с угловой скоростью Ω на обмотках машины наводится э.д.с. вращения и уравнения токов /7/-/9/ принимают вид:

Анализ показывает, что при вращении ротора ток i₁ и токи фазных обмоток достигают нулевого значения не одновременно. Будут существовать интервалы, в одном из которых один из фазных токов равен нулю, а в другом существует лишь ток i₁. Указанные эффекты приводят к уменьшению момента с ростом частоты вращения Ω
Полученные выражения могут быть применены и при расчете схемы с асинхронным двигателем /фиг. 1/. При этом следует использовать следующие соотношения:
L₁=3L_c, L_s1=2L_sc, L=L_p, L_s=L_sp,

Здесь индуктивность L_c и индуктивность рассеивания L_sc фазы статорной обмотки, индуктивность L_p и индуктивность рассеивания L_sp фазы роторной обмотки, амплитуда взаимоиндукции между фазами статора и ротора M_cp, сопротивления r_c и r_p фазы обмоток соответственно статора и ротора есть параметры асинхронного двигателя.

На фиг. 3 приведено семейство расчетных электромеханических характеристик для асинхронного двигателя типа MTF III-6. Характеристики построения в относительных единицах: и при и 1=11,7A
В качестве базисных величин приняты:
m_б= 2M_ocosγ_min;
При питании от трехфазной сети (K=3) управляемый выпрямитель 9 выполняется по трехфазной мостовой симметричной схеме.

Использование: для привода тягового состава, металлорежущих станков и механизмов с широким диапазоном изменения частоты вращения. Сущность: в электроприводе переменного тока у асинхронного двигателя переменного тока с фазным ротором роторные обмотки замкнуты на звезду симисторов, одна статорная обмотка соединена с источником постоянного тока, а две другие, соединенные последовательно, через управляемый выпрямитель соединены с однофазной или трехфазной сетью переменного тока. При этом угол управления симисторами и вентилями управляемого выпрямителя выбирают из условия прерывистого тока в обмотке статора. 3 ил.

Электрический привод переменного тока, содержащий асинхронный двигатель с фазным ротором, роторные обмотки которого замкнуты на звезду симисторов, отличающийся тем, что одна из статорных обмоток соединена с источником постоянного тока, а две другие статорные обмотки соединены последовательно и через управляемый выпрямитель подключены к однофазной или трехфазной сети, а угол открытия симисторов и вентилей управляемого выпрямителя выбран в диапазоне, где ток двух последовательно соединенных статорных обмоток имеет прерывистый характер.