ЧАСТОТНОУПРАВЛЯЕМЫЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД Российский патент 1997 года по МПК H02P7/42 

Изобретение относится к рельсовым транспортным средствам и непосредственно касается асинхронных тяговых приводов локомотивов.

Известен электропривод [1] содержащий асинхронный электродвигатель с основной круговой обмоткой статора и систему регулирования, включающую преобразователь частоты с автономным инвертором, блок управления преобразователем с обратной связью по датчику скорости электродвигателя.

Недостатком этого привода является наличие значительной пульсации вращающего момента двигателя в режимах пуска, разгона и движения с малыми скоростями, т.е. при малых частотах напряжения питания.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является электропривод [2] содержащий асинхронный электродвигатель с основной круговой обмоткой статора, датчик скорости электродвигателя и систему регулирования, включающую статический преобразователь частоты с автономным инвертором и широтно-импульсной модуляцией напряжения, блок управления преобразователем с обратной связью по датчику скорости, обеспечивающий формирование на выходе автономного инвертора напряжения любой, заранее заданной формы.

К недостаткам указанного технического решения относятся высокая сложность системы управления преобразователем и необходимость использования в автономном инверторе быстродействующих силовых элементов.

Целью изобретения является повышение надежности привода путем упрощения системы регулирования и увеличения пусковой частоты напряжения статора.

Для достижения поставленной цели электропривод содержит электродвигатель с основной круговой обмоткой статора, датчик скорости электродвигателя и систему регулирования. Последняя включает в себя подключенный к круговой обмотке статический преобразователь частоты с автономным инвертором, блок управления преобразователем с обратной связью по датчику скорости. Кроме того, блок управления имеет прямую и обратную связь с преобразователем частоты.

Новым в изобретении является снабжение электродвигателя пусковой дуговой обмоткой, а также установка коммутатора обмоток в блоке управления преобразователем системы регулирования. При этом коммутатор обмоток электрически связан со статическим преобразователем частоты, основной и пусковой дуговой обмотками и блоком управления преобразователем и коммутатором.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

Электропривод содержит электродвигатель 1 с основной круговой обмоткой 2 статора, систему регулирования, которая содержит подключенный к круговой обмотке статический преобразователь частоты 3 с автономным инвертором (не показан), блок управления 4 преобразователем с обратной связью по датчику скорости 5 электродвигателя 1. При этом блок управления 4 имеет прямую и обратную связь со статическим преобразователем частоты 3.

В электроприводе электродвигатель 1 снабжен пусковой дуговой 6 обмоткой статора, а блок управления 4 преобразователем-коммутатором 7 обмоток статора. Коммутатор 7 обмоток электрически связан со статическим преобразователем частоты 3, основной 2 и пусковой дуговой 6 обмотками статора, а также блоком управления 4 преобразователем и коммутатором. Известно [3] что для уменьшения частоты вращения электропривода электродвигатель можно снабдить дуговым статором вместо кругового, при этом реализуется эффект электромагнитной редукции. Благодаря использованию магнитной системы кругового статора, в пазах которой уложена дуговая обмотка, исключается основной недостаток дугостаторных машин краевые потери на входе и выходе статора.

Электропривод работает следующим образом.

При разгоне, пуске и движении с малыми скоростями к преобразователю частоты 3 посредством коммутатора 7 подключена пусковая дуговая 6 обмотка статора двигателя 1 с центральным углом α < 2π Пусковая частота питающего напряжения дуговой обмотки имеет повышенное по отношению к эквивалентной пусковой частоте круговой обмотки значение и определяется выражением:

где fo1п

При соответствующих получается значение обеспечивающее требуемый уровень снижения пульсации вращающего момента двигателя в режиме пуска.

Разгон и движение двигателя с малыми скоростями осуществляется частотным регулированием. При этом система регулирования посредствам блока управления 4 преобразователем частоты 3 формирует сигналы управления инвертором по алгоритму с однократной на периоде коммутацией силовых элементов. Когда скорость вращения вала электродвигателя достигает значения, соответствующего частоте напряжения коммутатор 7 подключает к преобразователю частоты 3 основную круговую обмотку 2 статора, а система регулирования обеспечивает формирование на выходе статического преобразователя 3 частоту Момент переключения обмоток определяется системой регулирования путем сравнения частоты f₁ напряжения на выходе преобразователя 3 и частоты вращения вала двигателя f_p, сигнал от которого поступает с датчика скорости 5 электродвигателя. Таким способом из частотного диапазона питающего напряжения исключаются низкие частоты и соответственно снижается пульсация вращающего момента двигателя.

Технико-экономическая эффективность изобретения в сравнении с прототипом заключается в том, что функционирование электропривода с переключением основной круговой и пусковой дуговой обмоток и системой регулирования без широтно-импульсной модуляции исключает необходимость использования в инверторе статического преобразователя частоты быстродействующих силовых элементов. Кроме того, это обеспечивает повышение пусковой частоты напряжения статора и упрощает систему регулирования, что повышает надежность электропривода.

С целью исследования характеристик предложенного электропривода были проведены его испытания. В качестве объекта испытаний исследовалась модель дугостаторного асинхронного двигателя с тремя значениями относительных активных углов обмоток статора. Испытания проводились в лаборатории кафедры "Локомотивы" БГТУ на экспериментальной установке, содержащей все основные звенья натурного образца:
1) генераторную группу, включающую синхронный генератор (СГ) и асинхронный привод;
2) систему автоматического регулирования СГ;
3) статический преобразователь частоты (СПЧ) с двумя типами автономных инверторов;
4) систему управления СПЧ с тремя законами управления;
5) модель дугостаторного асинхронного двигателя (АД);
6) обратную связь по частоте вращения АД;
7) модель механической части привода с маховиком, имитирующим массу поезда;
8) нагрузочное устройство.

При проведении испытаний была использована измерительная схема, включающая светолучевой осциллограф, тензоусилитель, источник питания, датчик тока, напряжения, момента и частоты вращения.

В процессе испытаний регистрировались следующие величины: ток фазы АД, напряжение фазы АД, момент на валу двигателя M_дв, частота вращения вала f_p. Проведение исследований выполнялись по общепринятой методике для следующих режимов работы АД:
1) режима полного торможения вала двигателя;
2) режима пуска и разгона.

Результаты экспериментальных исследований показали, что при сохранении высоких значений пускового момента его относительная пульсация составила 0,04.0,09. Для сравнения были приведены исследования асинхронного двигателя с круговой обмоткой при оптимальных пусковых частотах и алгоритмах управления автономным инвертором без широтно-импульсной модуляции. В этом случае относительная пульсация пускового момента составила 0,18.0,35, т.е. предложенный электропривод обеспечивает уменьшение пульсации момента двигателя в режимах пуска и разгона в 2.9 раз по сравнению с указанным выше, что существенно увеличивает его надежность.

Кроме того, частота следования пульсаций момента устанавливалась шестикратной по отношению к частоте питающего напряжения. Это позволяет выйти из зоны низших собственных частот привода и обеспечить снижение опасных динамических нагрузок на элементы тягового привода, что также увеличивает его надежность.

Источники информации
1. Электрические передачи переменного тока тепловозов и газотурбовозов,/ Степанов А.Д. Андерс В.И. Пречисский В.А. Гусевский Ю.И. М. Транспорт, 1982, с. 179 233.

2. Тихменев Б.Н. Кучумов В.А. Электровозы переменного тока с тиристорными преобразователями, -М. Транспорт, 1988, 312 с. с. 178-189.

3. Фридкин П.А. Безредукторный дугостаторный электропривод, Л. Энергия, 1970, 138 с.

Использование: в локомотивостроении. Сущность: электропривод снабжен пусковой дуговой обмоткой, а система регулирования - коммутатором обмоток. Коммутатор обмоток электрически связан со статическим преобразователем частоты, основной круговой и пусковой дуговой обмотками и блоком управления преобразователем, что позволяет повысить надежность привода путем упрощения системы регулирования. 1 ил.

Частотно-управляемый асинхронный электропривод преимущественно рельсового транспортного средства, содержащий электродвигатель с обмоткой статора, датчик скорости электродвигателя и систему регулирования, содержащую статический преобразователь частоты с автономным инвертором, блок управления преобразователем с обратной связью по датчику скорости, имеющий прямую и обратную связь с преобразователем частоты, отличающийся тем, что электродвигатель снабжен пусковой дуговой обмоткой, а система регулирования - коммутатором обмоток, при этом коммутатор обмоток электрически связан со статическим преобразователем частоты, основной круговой и пусковой дуговой обмотками и блоком управления преобразователем.