ОДНОФАЗНЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД Российский патент 1998 года по МПК H02P5/165 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для привода различных механизмов с питанием от однофазной сети переменного тока.

Известны различные устройства однофазных вентильных электроприводов, основные технические решения которых описаны, например, на стр.33 раздела 1.3. Состав и функциональные схемы тиристорных электроприводов в справочнике "Комплектные тиристорные электроприводы" (под редакцией к.т.н. В.М.Перельмутера, М. Энергоатомиздат, 1988 г.)
Из известных устройств однофазных вентильных приводов наиболее близким по назначению и технической сущности является выбираемое в качестве прототипа "Устройство для регулирования скорости электродвигателя" по авт. св. СССР N 529536(21)1963474/24-7; H 02 P 5/16, БИ N 35, 1976 г.

Устройство прототипа содержит двигатель постоянного тока, обмотка якоря которого связана с выходной цепью тиристорного выпрямителя, питаемого от однофазной сети переменного тока. Однофазный трансформатор с первичной и вторичной обмотками служит для питания блока фазоимпульсного управления тиристорами упомянутого выпрямителя, имеющего выходной двухтактный формирователь импульсов и схемы, обеспечивающие плавный пуск и компенсацию напряжения сети. При этом с целью упрощения и повышения надежности и стабильности работы в режиме плавного пуска регулирующий транзистор схемы плавного пуска включен переходом эмиттер-коллектор между неподвижным и подвижным контактами переменного резистора задания частоты вращения и базой соединен с отдельной обмоткой трансформатора через выпрямитель и интегрирующую R-C цепь, а схема компенсации колебаний напряжения сети содержит резистор, включенный в общую цепь заряда конденсатора формирователя импульсов и соединенный через стабилитрон и выпрямитель с обмоткой трансформатора.

В рабочем статическом и установившемся режиме работы, после окончания переходного процесса плавного пуска электродвигателя устройства прототипа посредством упомянутого блока фазо-импульсного управления тиристорами выпрямителя производит в соответствии с положением подвижного контакта резистора задания частоты вращения регулирование среднего значения выходного напряжения тиристорного выпрямителя, связанного выходной цепью с обмоткой якоря двигателя, установившееся значение частоты вращения которого зависит также от величины магнитного потока цепи его возбуждения и момента статического сопротивления приводимого механизма.

Недостатками электропривода прототипа являются:
1. ограниченные перегрузочные способности, обусловленные отсутствием компаундирования, т.е. независимостью величины тока в цепи возбуждения двигателя от режима токовой загрузки цепи его обмотки якоря, что в результате известного размагничивающего эффекта реакции якоря приводит к нарушению пропорциональности между моментом и током якоря и снижает величину вращающего момента двигателя при его перегрузках;
2. необходимость выбора магнитопровода трансформатора управления, первичная обмотка которого подключена к питающей однофазной сети, с известным запасом по отношению к индукции насыщения материала его сердечника, что увеличивает массо-габариты этого элемента устройства.

Целью изобретения является повышение перегрузочной способности однофазного вентильного электропривода, а также снижение массо-габаритов его трансформатора управления.

Цель достигнута тем, что в однофазном вентильном электроприводе, содержащем двигатель постоянного тока независимого возбуждения, трансформатор с первичной и вторичной обмоткой, неуправляемый диодный мост, диагональю постоянного тока связанный с обмоткой возбуждения двигателя, одним выводом диагонали переменного тока соединенный с первой клеммой питающей сети и с одним выводом входной цепи переменного тока тиристорного выпрямителя однотактного или двухтактного исполнения, выходная цепь постоянного тока которого связана с обмоткой якоря двигателя, а также блок фазо-импульсного управления тиристорами тиристорного выпрямителя, связанный входными цепями с задатчиком частоты вращения и датчиками регулируемых параметров, вторичная обмотка трансформатора подключена ко входу питания блока фазо-импульсного управления тиристорами, при этом трансформатор снабжен дополнительной вторичной обмоткой, начальный вывод первичной и конечный вывод дополнительной вторичной обмотки трансформатора объединены и подключены ко второй клемме питающей сети, другой вывод диагонали переменного тока неуправляемого диодного моста подключен к конечному выводу первичной обмотки трансформатора, начальный вывод дополнительной вторичной обмотки трансформатора соединен с другим выводом входной цепи переменного тока тиристорного выпрямителя.

На фиг. 1 дана принципиальная электрическая схема устройства однофазного вентильного электропривода, работа которого поясняется регулировочными характеристиками фиг. 2.

На фиг. 1 электропривод содержит двигатель постоянного тока независимого возбуждения, имеющий обмотку якоря 1 и обмотку возбуждения 2. Питание электропривода производится от однофазной сети переменного тока, например, с напряжением 220 В промышленной частоты 50 Гц, подаваемым на ее первую (A) и вторую (B) клеммы. Однофазный трансформатор 3 броневой или стержневой конструкции имеет одну первичную обмотку 4 и две вторичные обмотки 5 и 6.

При этом питание обмотки 2 возбуждения двигателя, имеющей относительно низкое значение номинального напряжения, например, 110 B, производится посредством неуправляемого диодного моста 7, диагональю постоянного тока связанным с обмоткой 2, а одним выводом диагонали переменного тока соединенным с первой клеммой (A) питающей сети. Другой вывод диагонали переменного тока диодного моста 7 подключен к конечному выводу упомянутой первичной обмотки 4 трансформатора 3, начальный вывод которой связан со второй клеммой (B) питающей сети.

Соответственно питание обмотки якоря двигателя, имеющей большое значение номинального напряжения, например 220 В, производится посредством управляемого тиристорного выпрямителя 8 однотактного (как показано на схеме фиг. 1) или двухтактного исполнения, выходная цепь постоянного тока которого связана с обмоткой 1 якоря двигателя непосредственно или через дополнительный сглаживающий дроссель 9. При этом один вывод входной цепи переменного тока тиристорного выпрямителя 8 соединен с упомянутой первой клеммой (A) питающей однофазной сети, а другой ее вывод подключен к начальному выводу дополнительной вторичной обмотки 5 трансформатора 3, имеющей токовое исполнение с относительно малым числом витков обмотки 5 и связанной своим конечным выводом со второй клеммой (B) питающей сети.

Питание и синхронизация работы блока 10 фазо-импульсного управления тиристорами управляемого выпрямителя 8 производится посредством вторичной обмотки 6 трансформатора 3, подключенной ко входу 11 питания блока 10, выходные гальванически развязанные импульсные цепи которого связаны с соответствующими цепями управляющих электродов тиристоров выпрямителя 8.

При этом входные цепи управления блока 10 связаны с задатчиком 12 частоты вращения, а также с датчиками регулируемых параметров электропривода, например, с датчиком 13 тока якорной обмотки 1 двигателя, выполненного в виде трансформатора тока, и с датчиком 14 частоты вращения двигателя, выполненного в виде тахогенератора постоянного тока, механически связанного наряду с приводимым механизмом 15 с выходным валом двигателя 1 электропривода.

На фиг. 2 приведены условные регулировочные характеристики двигателя в схеме предлагаемого однофазного вентильного электропривода, т.е. зависимость тока I₂ в обмотке 2 возбуждения от тока I₁ в цепи обмотки 1 якоря I₂ f₁(I₁) в верхней части фиг. 2 и соответствующая зависимость величины вращающего момента М выходного вала двигателя от величины тока I₁ в цепи обмотки якоря 1 (M f₂(I₁) в нижней части фиг. 2.

При начальном подключении электропривода к клеммам A-B питающей однофазной сети переменного тока, например, со стандартным действующим значением напряжения 220 В, и при нулевом значении выходного управляющего напряжения задатчика 12 частоты вращения упомянутый блок 10 фазо-импульсного управления не вырабатывается по своим выходным цепям отпирающих импульсов на тиристоры управления выпрямителя 8, поэтому цепь обмотки 1 якоря двигателя обеспечена и двигатель ввиду закрытого состояния тиристоров питания выпрямителя 8 находится в неподвижном состоянии. При этом, однако, напряжение питающей сети поступает в цепь питания обмотки 2 возбуждения двигателя через неуправляемый диодный мост 7, причем ввиду последовательного включения в цепь диагонали переменного тока диодного моста 7 первичной обмотки 4 трансформатора 3 среднее значение выпрямленного напряжения, подаваемого по диагонали постоянного тока моста 7 на обмотку 2 возбуждения двигателя, близко к ее упомянутой номинальной величине (110 В). Магнитопровод однофазного трансформатора 3 периодически, в конце каждого полупериода питающего напряжения сети, поступающего на его первичную обмотку 4, насыщается, ввиду чего стабилизируется и величина пониженного переменного напряжения, поступающего со вторичной обмотки 6 трансформатора 3 на вход 11 питания блока 10 фазо-импульсного управления тиристорами выпрямителя 8. Одновременно незначительное по сравнению с напряжением питающей сети напряжение переменного тока, трансформируемое на дополнительной вторичной обмотке 5 трансформатора 3, поступает в цепь питания переменного тока закрытого тиристорного выпрямителя 8, суммируясь с упомянутым напряжением питающей сети в начале каждого его полупериода, чем производится благоприятное опережающее вольтодобавочное подрегулирование напряжения питания тиристорного выпрямителя вентильного электропривода, увеличивающего его запас по допустимому значению минимального угла отпирания тиристоров. Величина тока I₂ в обмотке возбуждения 2 электродвигателя близка к номинальной, т.е. длительно допустимой по условиям нагрева обмотке величине I_2ном, показанной на верхней вертикальной оси графика фиг. 2.

Затем при некотором ненулевом значении выходного управляющего напряжения задатчика 12 частоты вращения и, например, при номинальном значении величины момента сопротивления приводимого механизма 15 электропривод схемы фиг. 1 переходит в статический установившийся режим работы с заданной частотой вращения выходного вала электродвигателя 1 с номинальными величинами вращающего момента (М_ном) и тока I₁ I_1ном в цепи обмотки 1 якоря двигателя, показанными на графиках фиг. 2. При этом ввиду подачи соответствующих электрических сигналов с задатчика 12, а также с датчика тока 13 и с датчика 14 частоты вращения на входные цепи блока 10 фазо-импульсного управления тиристорами, на его выходных, гальванически развязанных цепях вырабатываются попеременно, на каждом полупериодном интервале напряжения питающей сети A-B, управляющие импульсы с одинаковым углом фазового сдвига, поочередно отпирающего тиристоры управляемого выпрямителя 8. Выходное выпрямленное напряжение тиристорного выпрямителя 8, подаваемое на цепь обмотки 1 якоря электродвигателя, достаточно по величине для поддержания заданной частоты вращения и создания упомянутых номинальных величин якорного тока (I_1ном) и вращающего момента (М_ном) двигателя, осуществляющего движение приводимого механизма 15. Наличие в цепи обмотки 1 якоря сглаживающего дросселя 9 приводит к улучшению теплового и электромеханического использования двигателя, величина выходного вращающего момента М которого пропорциональна, как это показано на нижней части фиг. 2, средней величине тока I₁ обмотки 1 якоря, пока величина этого тока не превосходит его упомянутого номинального значения (I_1ном). В этом же интервале изменения тока I₁ в цепи обмотки 1 якоря двигателя величина тока в обмотке 2 его возбуждения остается практически неизменной и близкой к его номинальной величине (I_2ном), так как ампер-витки дополнительной вторичной обмотки 5 трансформатора 3, по которой протекает входной ток тиристорного выпрямителя 8, недостаточны для изменения начального насыщенного состояния сердечника магнитопровода трансформатора 3 с его основной первичной обмоткой 4, последовательно подключенной совместно с диодным неуправляемым выпрямителем 7 к клеммам A-B питающей однофазной сети. При этом блок 10 фазо-импульсного управления тиристорным выпрямителем 8 одновременно выполняет роль автоматического регулятора электропривода, т.е. например, будучи выполненным по типовой структурной схеме подчиненного управления, содержит в своем составе входной регулятор скорости, на входы которого поступают сигналы задатчика 12 и датчика 14 частоты вращения двигателя 1; и выходной регулятор тока якоря, на входы которого поступает выходной сигнал упомянутого регулятора скорости и выходной сигнал датчика 13 тока якоря.

Наконец, при возникновении перегрузки в приводимом механизме 15, что характерно для практически важного повторно-кратковременного режима работы электропривода, когда величина тока I₁ в цепи обмотки 1 якоря двигателя превышает его упомянутую номинальную величину I_1ном, в предлагаемом устройстве возникает эффект компаундирования и увеличения перегрузочной способности электродвигателя 1, показанный на регулировочных характеристиках фиг. 2 при I₁ > I_1ном. При этом ввиду значительного входного тока выпрямителя 8, пропорционального току I₂ якоря и протекающего по дополнительной вторичной обмотке 5 трансформатора 3, включенной встречно по отношению к его первичной обмотке 4, происходит дополнительное насыщение магнитопровода трансформатора 3, приводящее к уменьшению падения напряжения на первичной обмотке 4 и к соответствующему увеличению выходного напряжения однофазного неуправляемого выпрямителя 7, нагруженного на обмотку 2 возбуждения двигателя. Так, например, при кратковременно допустимом полуторно или двукратном превышении тока I₁ обмотки 1 якоря двигателя над его номинальной величиной I_1ном, показанном в правой части графиков фиг. 2, увеличивается и на 30-40% величина тока I₂ в обмотке 2 возбуждения двигателя, приводящее к несколько меньшему (на 20-30%) увеличению вращающего момента двигателя, что позволяет электроприводу преодолеть пиковую перегрузку приводимого механизма 15. Причем описанный эффект повышения перегрузочной способности электродвигателя сохраняется независимо от исполнения тиристорного выпрямителя 8, который, например, может быть выполнен и по двухтактной схеме исполнения, обеспечивающей реверсивность работы однофазного вентильного электропривода.

Положительный технико-экономический эффект, создаваемый при использовании устройства однофазного вентильного электропривода, определяется повышением перегрузочной способности его электродвигателя, а также снижением массогабаритов трансформатора управления, магнитопровод которого работает в режиме ограниченного насыщения.

Использование: для привода различных механизмов с питанием от однофазной сети переменного тока. Сущность: однофазный вентильный электропривод с двигателем постоянного тока независимого возбуждения содержит трансформатор, неуправляемый диодный мост, диагональ постоянного тока которого связана с обмоткой возбуждения, тиристорный выпрямитель, блок фазо-импульсного управления. Введена дополнительная обмотка трансформатора, которая концом, объединенным с началом первичной обмотки трансформатора, подключена ко второй клемме питающей сети, а началом - с выводом входной цепи переменного тока тиристорного выпрямителя, что позволяет повысить перегрузочную способность электропривода. 2 ил.

Однофазный вентильный электропривод, содержащий двигатель постоянного тока независимого возбуждения, трансформатор с первичной и вторичной обмотками, неуправляемый диодный мост, диагональю постоянного тока связанный с обмоткой возбуждения двигателя, а одним выводом диагонали переменного тока соединенный с первой клеммой питающей сети и с одним выводом входной цепи переменного тока тиристорного выпрямителя однотактного или двухтактного исполнения, выходная цепь постоянного тока которого связана с обмоткой якоря двигателя, а также блок фазоимпульсного управления тиристорами тиристорного выпрямителя, связанный входными цепями с задатчиком частоты вращения и датчиками регулируемых параметров, вторичная обмотка трансформатора подключена к входу питания блока фазоимпульсного управления тиристорами, отличающийся тем, что трансформатор снабжен дополнительной вторичной обмоткой, начальный вывод первичной и конечный вывод дополнительной вторичной обмотки трансформатора объединены и подключены к второй клемме питающей сети, другой вывод диагонали переменного тока неуправляемого диодного моста подключен к конечному выводу первичной обмотки трансформатора, начальный вывод дополнительной вторичной обмотки трансформатора соединен с другим выводом входной цепи переменного тока тиристорного выпрямителя.