АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С ФАЗНЫМ РОТОРОМ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИМ Российский патент 2006 года по МПК H02P27/05 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах общепромышленных механизмов, например насосов, транспортеров, вентиляторов и др.

Известны асинхронные электроприводы, в которых регулирование скорости вращения вала асинхронного двигателя осуществляется изменением напряжения на статоре с помощью, например, тиристорного преобразователя напряжения при неизменной частоте, равной частоте питающей сети (см., например, Мэрфи Д. Тиристорное управление двигателями переменного тока: Пер. с англ. - М.: Энергия, 1979. - С.207-216). Однако данный способ регулирования скорости характеризуется большими потерями в цепи ротора, тем большими, чем больше скольжение, а это резко ограничивает сферу применения этого способа.

Известны также схема и способ импульсного регулирования скорости асинхронного электропривода (см. Патент РФ №2095933 МКИ 6 Н 02 Р 7/42. Способ регулирования скорости асинхронного двигателя. / А.С.Сарваров, И.А.Селиванов, Е.А.Завьялов. Заявл. 28.02.96, №96104007. Опубл. 10.11.97. Бюл. №31), которые и приняты нами за прототип.

В этом способе регулирование скорости асинхронного двигателя, подключенного к питающей сети через тиристорный коммутатор, производится изменением частоты однофазного питающего напряжения, подаваемого на статорную обмотку двигателя, путем подачи управляющего напряжения на тиристоры коммутатора. При этом управляющее напряжение одновременно подают на два тиристора одной группы вентилей коммутатора и один тиристор другой группы вентилей, подключенных к трем фазам статорной обмотки двигателя, затем через интервал времени, равный t_ИНТ=Т/2n, где Т - период напряжения питающей сети, n - целое число в интервале от 1 до 10, отключают управляющее напряжение на одном из двух тиристоров одной группы вентилей коммутатора и одновременно подают управляющее напряжение на тиристор другой группы вентилей коммутатора, подключенный к той же фазе статорной обмотки двигателя, после чего цикл переключении повторяют.

Однако энергетические и энергосиловые (КПД, удельный момент на единицу тока статора) показатели этого способа весьма невелики, что объясняется размагничивающим влиянием токов, наводимых (трансформируемых) в короткозамкнутой обмотке ротора асинхронного двигателя.

В основу предлагаемого изобретения положена техническая задача, заключающаяся в повышении энергетических и энергосиловых характеристик электропривода.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в асинхронном электроприводе, содержащем асинхронный двигатель с фазным ротором, статорная обмотка которого через тиристорный коммутатор подключена к питающей многофазной сети переменного тока, согласно изобретению между разнополярными точками анодной и катодной групп тиристорного коммутатора включены последовательно обмотка ротора асинхронного двигателя и датчик тока ротора, на первый управляющий вход тиристорного коммутатора подключен вывод регулятора тока, а на второй управляющий вход - вывод датчика положения ротора, механически связанного с валом асинхронного двигателя, первый управляющий вход регулятора тока соединен с источником задающего напряжения, пропорционального желаемому току статора, а второй соединен с выводом датчика тока.

Для управления асинхронным электроприводом предлагается способ, включающий создание электромагнитного момента двигателя, в котором согласно изобретению по сигналу с датчика положения ротора управляющие импульсы подают на два тиристора тех двух фаз статора асинхронного двигателя, фазную зону которых пересекает магнитная ось обмотки ротора.

Особенность предлагаемого решения состоит в том, что вектор магнитодвижущей силы (МДС) обмоток статора перемещается в расточке статора двигателя не непрерывно, а скачкообразно. Каждая пара тиристоров, прилегающих к обмоткам разных фаз статора и включенных последовательно, работает в режиме однополупериодного выпрямления, поэтому токи в обмотках статора и электромагнитный момент двигателя носят импульсный характер, а частота следования импульсов момента равна частоте питающей сети. Полярность импульсов тока определяется знаком желаемого электромагнитного момента двигателя. Величина импульсов тока регулируется величиной угла задержки отпирающих импульсов, подаваемых на управляющие входы тиристоров коммутатора.

Когда ротор асинхронного двигателя делает один оборот (электрический), по обмоткам каждой фазы статора проходит равное число импульсов тока разной полярности.

Таким образом, предлагаемые устройство и способ позволяют создать регулируемый электромагнитный момент асинхронного двигателя. Важно только, чтобы в процессе вращения ротора двигателя переключением токов в обмотках фаз статора гарантировалось взаимно ортогональное пространственное положение магнитных осей МДС, создаваемых обмотками статора и ротора.

Предлагаемое техническое решение имеет следующие особенности: простая схема тиристорного коммутатора (в случае трехфазного асинхронного двигателя требуется лишь шесть тиристорных ключей), исключаются потери скольжения в роторе (асинхронный двигатель с фазным ротором переводится в режим работы синхронной электрической машины с возбужденным ротором), для реверса электропривода не требуется двойного комплекта тиристорного коммутатора (в этом случае за счет изменения знака напряжения на выходе регулятора тока работает пара тиристоров, обеспечивающая другую полярность импульсов тока и знак электромагнитного момента двигателя).

Проведенное исследование патентной и научно-технической литературы аналогичных устройств и способов не выявило и поэтому предлагаемые устройство и способ характеризуются новизной.

Предлагаемое техническое решение удовлетворяет критерию "изобретательский уровень", так как оно характеризуется новой совокупностью признаков, не известных из уровня техники.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображены:

- на фиг.1 - схематичный поперечный разрез асинхронного двигателя;

- на фиг.2 - пример функциональной схемы;

- на фиг.3 - диаграммы, поясняющие принцип работы датчика положения ротора. Здесь обозначены: Т10-Т15 - состояния тиристоров, соответствующих на фиг.2 номерам 10-15; α - угол (электрический) поворота вала двигателя.

На фиг.1 представлен в разрезе пример трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором, когда в пазах статора 1, расположенных в плоскостях А-а, В-b и С-с, сдвинутых пространственно на 120 электрических градусов, размещены обмотки 2, 3 и 4 статора. В пазах ротора 5 размещены обмотки 6, 7 и 8, расположенные в плоскостях Х-х, Y-y и Z-z, также сдвинутых пространственно друг относительно друга на 120 электрических градусов.

Начала обмоток 2, 3 и 4 (фиг.2) подсоединены к фазным зажимам А, В и С источника трехфазного напряжения питания, а концы этих обмоток - ко входам тиристорного коммутатора 9. Тиристоры 10, 11 и 12 в коммутаторе образуют катодную группу, а тиристоры 13, 14 и 15 - анодную группу вентилей. Между анодной и катодной группами вентилей включены последовательно обмотка ротора (на фиг.2 - это последовательно включенные обмоки 6 и 7 ротора) и датчик тока 16. На первый управляющий вход тиристорного коммутатора 9 подключен выход регулятора тока 17, а на последующие шесть его управляющих входов подключены выводы датчика положения ротора 18. Этот датчик механически связан с валом ротора асинхронного двигателя. На первый управляющий вход регулятора тока 17 подается напряжение U_ЗТ, пропорциональное желаемой величине тока ротора, а на второй - сигнал с датчика тока 16.

Диаграмма, поясняющая принцип работы датчика положения ротора 18, изображена на фиг.3. Здесь в зависимости от угла поворота вала ротора 5 двигателя датчик положения ротора 18 разрешает подачу управляющих импульсов на тиристоры анодной и катодной групп коммутатора в следующей последовательности: при изменении угла α поворота ротора 5 от нуля до 120 градусов (электрических) разрешается отпирать тиристор 10, от 120 до 240 градусов - тиристор 11, от 240 до 360 - тиристор 12, принадлежащие катодной группе коммутатора 9. Одновременно датчик положения ротора 18 разрешает подачу отпирающих импульсов на тиристоры анодной группы: при изменении угла α от 60 до 180 градусов разрешается отпирать тиристор 15, от 180 до 300 градусов - тиристор 13 и, наконец, от 300 до 60 градусов следующего электрического оборота ротора 5 - тиристор 14.

Благодаря выбранной последовательности отпирания тиристоров достигается дискретное (шаговое) круговое перемещение вектора магнитодвижущей силы статора в воздушном зазоре двигателя.

Величина тока в обмотках статора задается напряжением U_ЗТ на входе регулятора тока 17.

За исходное состояние электропривода принимается мгновенное состояние всех его элементов, когда вращающийся по часовой стрелке ротор 5 занимает пространственное положение, как на фиг.1. На фиг.3 это положение обозначено α₀. В целях наглядности изложения начало отсчета угла поворота ротора α на графиках (фиг.3) и исходное положение ротора α₀ выбраны несовпадающими.

В положении ротора α₀, принятом за исходное, управляющие импульсы подаются только на тиристоры 10 и 14. Поэтому ток протекает от фазы А питающей сети к фазе В только в положительные полупериоды приложенного напряжения и по следующей цепи (см. фиг.2): фаза А - обмотка 2 - тиристор 10 - датчик тока 16 - обмотки ротора 6-7 - тиристор 14 - обмотка 3 - фаза В. Направления токов во всех обмотках статора 1 и ротора 5, соответствующие описанному исходному мгновенному положению ротора 5, указаны на фиг.1. Там же указаны и мгновенные положения пространственных векторов магнитодвижущих сил обмоток статора F_C и ротора F_P.

Электропривод работает следующим образом. Так как направления векторов F_C и F_P не совпадают (а при α₀ они взаимно ортогональны), то двигатель будет развивать момент, а его ротор 5 придет во вращение по часовой стрелке.

Когда ротор 5 двигателя повернется из положения α₀ до угла поворота ротора α=60 градусов, то в соответствии с диаграммой (фиг.3) датчик положения ротора 18 прекратит подачу отпирающих импульсов на тиристор 14, но одновременно разрешит их подавать на тиристор 15. В результате импульсы тока от питающей сети пойдут по цепи: фаза А - обмотка 2 - тиристор 10 - датчик тока 16 - обмотки ротора 6-7 - тиристор 15 - обмотка 4 - фаза С, а вектор МДС статора повернется по часовой стрелке на 60 градусов от начала отсчета на фиг.3 (и на 30 градусов от α₀). Через 120 градусов от начала отсчета (фиг.3) датчик положения ротора 18 запрещает подавать управляющие импульсы на управляющий вход тиристора 10, но разрешает подавать их на управляющий вход тиристора 11. Через 180 градусов импульсы снимаются с тиристора 15 и подаются на тиристор 13 и т.д. Осуществляя таким образом через каждые 60 градусов переключения токов в фазных обмотках статора, обеспечивают пространственное круговое движение МДС статора вдоль окружности воздушного зазора двигателя так, что эта МДС перемещается синхронно с вращающимся ротором двигателя. Благодаря такому совместному вращательному движению ротора двигателя и МДС обмотки статора достигается непрерывность вращающего момента двигателя.

Величина момента двигателя определяется величиной тока, протекающего по обмоткам ротора и статора двигателя. Величина же этого тока задается напряжением U_ЗТ на входе регулятора тока 17.

Промышленная применимость предлагаемого решения.

Асинхронный электропривод и способ управления им могут быть рекомендованы для общепромышленных механизмов (насосов, вентиляторов, транспортеров и т.д.).

Источники информации

1. Мэрфи Д. Тиристорное управление двигателями переменного тока: Пер. с англ. - М.: Энергия, 1979. - С.207-216.

2. Патент РФ №2095933. МКИ 6 Н 02 Р 7/42. Способ регулирования скорости асинхронного двигателя. / А.С.Сарваров, И.А.Селиванов, Е.А.Завьялов. Заявл. 28.02.96, опубл. 10.11.97. Бюл. №31.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах общепромышленных механизмов, например насосов, транспортеров, вентиляторов и др. Техническим результатом является повышение КПД электропривода, улучшение его регулировочных характеристик. Асинхронный электропривод с фазным ротором содержит тиристорный коммутатор в цепи статора асинхронного двигателя с фазным ротором. Между катодными и анодными группами тиристорного коммутатора включены последовательно обмотка ротора двигателя и датчик тока ротора. На первый управляющий вход тиристорного коммутатора подключен вывод регулятора тока, а на второй управляющий вход - вывод датчика положения ротора, механически связанного с валом асинхронного двигателя с фазным ротором. Первый управляющий вход регулятора тока соединен с источником задающего напряжения, пропорционального желаемому току статора, а второй управляющий вход регулятора тока соединен с выводом датчика тока. По сигналу с датчика положения ротора управляющие импульсы подаются на два тиристора тех двух фаз статора асинхронного двигателя, фазную зону которых пересекает магнитная ось обмотки ротора. 2 н.п. ф-лы. 3 ил.

1. Асинхронный электропривод с фазным ротором, содержащий асинхронный электродвигатель с фазным ротором, тиристорный коммутатор в цепи статора, отличающийся тем, что между катодными и анодными группами коммутатора включены последовательно обмотка ротора двигателя и датчик тока ротора, на первый управляющий вход тиристорного коммутатора подключен вывод регулятора тока, а на второй управляющий вход - вывод датчика положения ротора, механически связанного с валом асинхронного двигателя, первый управляющий вход регулятора тока соединен с источником задающего напряжения, пропорционального желаемому току статора, а второй - соединен с выводом датчика тока.2. Способ управления асинхронным электроприводом с фазным ротором, включающий создание электромагнитного момента, отличающийся тем, что по сигналу с датчика положения ротора двигателя управляющие импульсы подают на два тиристора тех двух фаз статора асинхронного двигателя, фазную зону которых пересекает магнитная ось обмотки статора.