ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2004 года по МПК H02P5/40 

Изобретение относится к электроприводу, в частности к электроприводу переменного тока повышенной частоты с асинхронными электродвигателями и может использоваться в качестве силового электропривода механизмов и машин с частотой вращения рабочих органов до 6000 об/мин. Например, деревообрабатывающих станков, центрифуг и др.

Известны высокоскоростные асинхронные электроприводы, в которых для повышения частоты вращения используется выпрямительные мосты в цепях питания обмоток статора [1, 2, 3]. Недостаток этой группы электроприводов заключается в том, что по обмоткам статора протекает постоянный ток и это требует дополнительных мер для устранения его влияния.

Известен также электропривод [4], содержащий трехфазный асинхронный электродвигатель, в пазах магнитопровода статора которого расположены две обмотки, первая из которых соединена в звезду и выводами через пары встречно-параллельно включенных тиристоров подключена к фазам источника питания, с которыми соединены одни выводы второй обмотки электродвигателя и через пары встречно-параллельно включенных тиристоров другие выводы второй обмотки.

Недостаток данного устройства в том, что использование двухфазной системы обмоток, расположенных под углом 90 град. в пространстве, дает в 1,5 раза меньшую, чем обычная трехфазная система, намагничивающую силу и, следовательно, меньший вращающий момент для данного сечения магнитопровода статора.

Известен также электропривод переменного тока [5], содержащий трехфазный асинхронный двигатель в пазах магнитопровода статора которого на каждый полюс и фазу расположены по четыре полуобмотки, подключаемые через транзисторные ключи к фазному и линейному напряжению.

Недостаток данного устройства в том, что в процессе использования конечной и начальной части синусоиды питающего напряжения при формировании результирующей ЭДС учетверенной частоты появляется эффект смещения точки перехода через нуль кривой тока в сторону отставания за счет индуктивности обмотки. При этом кривая тока в обмотках статора становится явно несимметричной по отношению к оси абсцисс. В результате этого появляется постоянная составляющая и высшие гармоники кривой тока обмотки статора, что приводит к дополнительным потерям и снижению энергетических показателей.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранный в качестве прототипа электропривод переменного тока [6], содержащий трехфазный асинхронный электродвигатель, в пазах магнитопровода статора которого расположены две группы полуобмоток, и полуобмотки каждой фазы обеих групп заложены в одни и те же пазы, полуобмотки одной группы включены в диагонали управляемых двухполупериодных выпрямительных мостов, подключенных к фазному напряжению источника питания, а полуобмотки второй группы имеют число витков в раз больше числа витков в полуобмотках первой группы и включены в диагонали управляемых двухполупериодных выпрямительных мостов, подключенных к линейному напряжению источника питания, причем полярность подключения к напряжению источника питания полуобмоток первой группы противоположна полярности подключения к напряжению источника питания полуобмоток второй группы, угол включения управляемых вентилей управляемых двухполупериодных выпрямительных мостов больше π/2.

Недостаток данного устройства следующий.

Использование конечной части синусоиды питающего напряжения для формирования результирующей ЭДС в обмотках двигателя ухудшает энергетические показатели устройства в целом, поскольку центр тяжести кривой тока смещается в сторону отставания по отношению к центру тяжести кривой питающего напряжения и как результат имеем низкий cos ϕ [7].

Целью данного изобретения является улучшение энергетических показателей электропривода.

Указанная цель достигается тем, что в электроприводе переменного тока, содержащим трехфазный асинхронный электродвигатель, в пазах магнитопровода статора которого расположены две группы полуобмоток, и полуобмотки каждой фазы обеих групп заложены в одни и те же пазы, полуобмотки одной группы включены последовательно с силовыми транзисторами, работающими в ключевом режиме, в диагонали двухполупериодных выпрямительных мостов, подключенных к фазному напряжению источника питания, а полуобмотки второй группы имеют число витков в раз больше числа витков в полуобмотках первой группы и включены последовательно с силовыми транзисторами, работающими в ключевом режиме, в диагонали двухполупериодных выпрямительных мостов, подключенных к линейному напряжению источника питания, причем полярность подключения к напряжению источника питания полуобмоток первой группы противоположна полярности подключения к напряжению источника питания полуобмоток второй группы, угол силовых транзисторов меньше π/2.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых элементов: силовых транзисторов, работающих в ключевом режиме и неуправляемых двухполупериодных выпрямительных мостов.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения “новизна”.

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что известно применение на статоре шести обмоток, подключенных к источнику питания через управляемые вентили [6], а также использование выпрямительных мостов в цепях питания обмоток статора [1, 2, 3] и транзисторных ключей для подключения обмоток статора к питающему напряжению [5].

Однако использование силового транзистора в ключевом режиме, включенного последовательно с полуобмотками двигателя в диагонали выпрямительных мостов, позволяет формировать в обмотках двигателя ЭДС удвоенной частоты, используя начальную часть синусоиды питающего напряжения, в результате чего коэффициент мощности такого устройства повышается и улучшаются энергетические показатели устройства в целом. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию “существенные отличия”.

На фиг.1 приведена принципиальная схема электропривода переменного тока повышенной частоты. На фиг.2. приведены временные диаграммы напряжений и намагничивающей силы для одной фазы полуобмоток статора.

Электропривод переменного тока повышенной частоты содержит асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, обмотки статора которого образуют две группы полуобмоток: полуобмотки одной группы 1, 2, 3 включены последовательно с силовыми транзисторами 7, 8, 9 в диагонали двухполупериодных выпрямительных мостов, подключенных к фазному напряжению источника питания, а полуобмотки второй группы 4, 5, 6 включены последовательно с силовыми транзисторами 10, 11, 12 в диагонали двухполупериодных выпрямительных мостов, подключенных к линейному напряжению источника питания, причем полярность подключения полуобмоток первой группы противоположна полярности подключения полуобмоток второй группы. Полуобмотка, подключаемая через силовой транзистор на фазное напряжение, и полуобмотка, подключаемая через силовой транзистор на линейное напряжение, имеющее фазовый сдвиг по отношению к фазному напряжению на 90 электрических градусов, заложены в одни и те же пазы и образуют фазу обмотки статора.

Для выравнивания магнитного потока, создаваемого полуобмотками, число витков полуобмоток второй группы, подключаемых к линейному напряжению источника питания, должно быть в раз больше числа витков в полуобмотках первой группы, подключаемых к фазному напряжению источника питания.

Принцип работы электропривода поясняет диаграмма кривых, приведения на фиг.2.

Рассмотрим работу фазы А полуобмоток статора. В момент времени t₁ включается транзистор 7 и по полуобмотке 1 начинает протекать ток. В момент времени t₂ транзистор 7 выключается, и включается транзистор 10, и по полуобмотке 4 начинает протекать ток. Поскольку полярность подключения к напряжению источника питания полуобмотки 4 противоположна полярности подключения к напряжению источника питания полуобмотки 1, ток и соответственно намагничивающая сила (фиг.2) для полуобмотки 4 имеют противоположный знак по отношению к току и намагничивающей силе полуобмотки 1. Соответственно в момент времени t₃ включается транзистор 7, а в момент времени t₄ транзистор 7 выключается, и включается транзистор 10 Для фазы В двигателя порядок включения транзисторов следующий: - 8, 11, 8, 11; для фазы С - 9, 12, 9, 12. В результате данной последовательности работы транзисторов в обмотках формируется ЭДС удвоенной частоты по отношению к частоте питающего напряжения и создается вращающаяся намагничивающая сила F и соответствующий ей магнитный поток удвоенной частоты и по форме близкий к синусоиде.

Поскольку в процессе формирования ЭДС в обмотках статора использовалась начальная часть синусоиды питающего напряжения, то центр тяжести кривой тока смещается в сторону опережения по отношению к центру тяжести кривой питающего напряжения и как результат имеем высокий cos ϕ [6].

Экспериментальные исследования заявляемого электропривода переменного тока показали, что по сравнению с устройством аналогичного назначения (прототип) данное устройство имеет лучшие энергетические показатели.

Источники информации

1. А.с. СССР №687539, кл. Н 02 К 13/30, 1979.

2. Пат. ФРГ №1297211, кл. 21 а² 18/10, 1970.

3. Пат. Японии №42-13883, кл. 55 A3, 1967.

4. А.с. СССР №1494187, кл. Н 02 Р 5/40, 1989.

5. Пат. РФ №2192091, кл. Н 02 Р 7/36, 2002.

6. Пат. РФ №2168842, кл. Н 02 Р 5/40, 2001 (прототип).

7. Супронович Г. Улучшение коэффициента мощности преобразовательных установок: - Пер. с польск. - М.: Энергоатомиздат, 1985.

Изобретение относится к электроприводу, в частности к электроприводу переменного тока повышенной частоты с асинхронными электродвигателями. Технический результат заключается в улучшении энергетических показателей электропривода. Для этого устройство содержит трехфазный асинхронный электродвигатель, в пазах магнитопровода статора которого расположены две группы полуобмоток, при этом полуобмотки каждой фазы обеих групп заложены в одни и те же пазы, полуобмотки одной группы включены последовательно с силовыми транзисторами, работающими в ключевом режиме, в диагонали двухполупериодных выпрямительных мостов, подключенных к фазному напряжению источника питания, а полуобмотки второй группы имеют число витков в раз больше числа витков в полуобмотках первой группы и включены последовательно с силовыми транзисторами, работающими в ключевом режиме, в диагонали двухполупериодных выпрямительных мостов, подключенных к линейному напряжению источника питания, причем полярность подключения к напряжению источника питания полуобмоток первой группы противоположна полярности подключения к напряжению источника питания полуобмоток второй группы, угол включения транзисторов меньше π/2. 2 ил.

Электропривод переменного тока, содержащий трехфазный асинхронный электродвигатель, в пазах магнитопровода статора которого расположены две группы полуобмоток, отличающийся тем, что полуобмотки каждой фазы обеих групп заложены в одни и те же пазы, полуобмотки одной группы включены последовательно с силовыми транзисторами, работающими в ключевом режиме, в диагонали двухполупериодных выпрямительных мостов, подключенных к фазному напряжению источника питания, а полуобмотки второй группы имеют число витков в раз большим числа витков в полуобмотках первой группы и включены последовательно с силовыми транзисторами, работающими в ключевом режиме, в диагонали двухполупериодных выпрямительных мостов, подключенных к линейному напряжению источника питания, причем полярность подключения к напряжению источника питания полуобмоток первой группы противоположна полярности подключения к напряжению источника питания полуобмоток второй группы, угол включения транзисторов меньше π/2.