АСИНХРОННЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ КАСКАД Российский патент 2008 года по МПК H02P27/06 

Изобретение относится к системам электропривода переменного тока и может быть использовано на механизмах, требующих режима регулирования крутящего момента двигателя, например на подъемно-транспортных механизмах.

Известен электропривод переменного тока, содержащий асинхронный двигатель с фазным ротором, статорные обмотки которого подключены к сети переменного тока, выводы обмотки ротора подключены к входу первого мостового выпрямителя, катодная группа вентилей которого соединена с анодной группой вентилей второго мостового выпрямителя, в свою очередь, трехфазный вход которого связан с выводами обмотки статора через параметрический стабилизатор переменного тока, катодная группа вентилей второго мостового выпрямителя соединена с анодной группой вентилей ведомого сетью инвертора, катодная группа вентилей которого соединена с анодной группой вентилей первого преобразователя, а трехфазный выход инвертора соединен с выводами обмотки статора [1].

Недостатками данного электропривода являются большое потребление реактивного тока инвертором и сложное регулирование механических характеристик электропривода, т.к. параметрический резонансный стабилизатор переменного тока не позволяет плавно регулировать ток двигателя, а также в электроприводе не обеспечивается регулирование крутящего момента двигателя.

Наиболее близким к заявленному является электропривод переменного тока, содержащий асинхронный двигатель с фазным ротором, обмотки ротора которого подключены ко входу диодного мостового выпрямителя, выходы которого соединены с обмоткой статора двигателя и питающей сетью через группу вентилей, объединенных общим трехфазным регулирующим устройством [2]. Каждая фаза данного регулирующего устройства состоит из соединенных последовательно диода и двух управляющих вентилей, причем катод диода соединен с анодом первого управляющего вентиля, катоды вторых управляющих вентилей трех фаз регулирующего устройства соединены в общую точку, являющуюся его катодным выводом, аноды диодов трех фаз регулирующего устройства объединены в другую общую точку, являющуюся его анодным выводом, в каждой из трех фаз регулирующего устройства, к общей точки соединения катода диода и анода первого управляющего вентиля подключена одна фаза питающей сети, а к общей точке соединения катода первого управляющего вентиля и анода второго управляющего вентиля подключена одна фаза обмотки статора двигателя. Катодный выход регулирующего устройства соединен с анодным выходом диодного мостового выпрямителя, катодный вывод которого соединен с первым выходом обмотки сглаживающего реактора, второй выход соединен с анодным выводом регулирующего устройства, к выводам обмотки статора двигателя подключены параллельно три конденсатора, соединенные в треугольник. Управляющие электроды каждого из управляемых вентилей регулирующего устройства подключены к соответствующим выводам блока формирования импульсов управления, аноды управляемых вентилей регулирующего устройства подключены к соответствующим выводам блока формирования импульсов управления, а трехфазный выход блока формирования импульсов управления соединен с питающей сетью.

Недостатком данного электропривода является сложная система регулирования механических характеристик двигателя, требующая для качественного регулирования наличия обратных связей.

Предлагаемый асинхронный вентильный каскад содержит асинхронный двигатель с фазным ротором, обмотка статора которого подключена к питающей сети, а обмотки ротора к входу трехфазного мостового выпрямителя, из шести оптронов, содержащих светодиод и оптотиристор каждый, составлен оптронный мостовой преобразователь, на который подается напряжение сети, каждая фаза которого содержит два соединенных последовательно оптотиристора, принадлежащих указанным оптронам, и фазосдвигающее устройство, две группы вентилей каждая из трех диодов, анодная группа трехфазного мостового выпрямителя выполнена из диодов, а катодная из тиристоров, к управляющему электроду каждого из указанных тиристоров подключен катод соответствующего диода первой группы, аноды которых соединены в общую точку, к которой подключен первый вывод резистора с регулируемым сопротивлением, второй вывод которого подключен к общей точке соединений катодов трех диодов другой группы, аноды каждого из которых соединены с соответствующей фазной обмоткой ротора, выход трехфазного мостового выпрямителя, связанный с общей точкой анодов тиристоров, подключен к входу сглаживающего реактора, выход которого соединен с общей точкой анодов оптотиристоров оптронного мостового преобразователя, общая точка катодов других оптотиристоров которого подключена к общей точке анодов диодов трехфазного мостового выпрямителя, трехфазный вход фазосдвигающего устройства подключен к питающей сети, а трехфазный выход фазосдвигающего устройства подключен к одним выводам первичных обмоток трех трансформаторов, вторые выводы обмоток этих трансформаторов соединены в общую точку, к первому выводу вторичной обмотки каждого из трех трансформаторов подсоединен катод светодиода соответствующего оптрона, анод которого соединен с катодом светодиода другого оптрона, анод которого соединен со вторым выводом вторичной обмотки трансформатора.

В данном электроприводе с помощью простого регулирующего устройства обеспечивается широкий диапазон регулирования скорости и крутящего момента двигателя, а высокие энергетические показатели достигаются за счет передачи энергии из цепи ротора двигателя в питающую сеть.

На фиг.1 приведена функциональная схема электропривода; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства управления выпрямителем, находящимся в цепи ротора, с указанием моментов коммутации тиристоров; на фиг.3 приведены экспериментальные механические характеристики электропривода.

Асинхронный вентильный каскад содержит трехфазный асинхронный двигатель 1 с фазным ротором, обмотка статора которого подключены к питающей сети, а обмотка ротора подключена к входу трехфазного мостового выпрямителя, анодная группа 2 которого составлена из диодов, а катодная группа 3 - из тиристоров, катоды которых объединены в общую точку 4, к которой подключен один вывод сглаживающего реактора 5, другой вывод которого подключен к анодному выводу оптронного мостового преобразователя, состоящего из шести оптронов 7-12, содержащих оптотиристор и светодиод каждый, трехфазный вход оптронного мостового преобразователя подключен к питающей сети, а катодный вывод 13 оптронного мостового преобразователя соединен с выводом анодной группы 2 мостового выпрямителя. Блок управления тиристорами 3 мостового выпрямителя содержит две группы вентилей, каждая из трех диодов, аноды каждого из трех диодов 14 первой группы соединены с соответствующей фазной обмоткой ротора двигателя 1, катоды этих диодов 14 соединены в общую точку, к которой подключен первый вывод резистора 15 с регулируемым сопротивлением, второй вывод которого подключен к общей точке соединения анодов трех диодов 16 другой группы, а катод каждого из трех диодов 16 подключен к управляющему электроду соответствующего тиристора 3 мостового выпрямителя. Трехфазный вход фазосдвигающего устройства 17 подключен к питающей сети, а трехфазный выход фазосдвигающего устройства 17 подключен к одним выводам первичных обмоток трех трансформаторов 18-20, вторые выводы обмоток этих трансформаторов соединены в общую точку. К первому выводу вторичной обмотки трансформатора 18 подсоединен катод светодиода 21 оптрона 10, анод которого соединен с катодом светодиода 22 другого оптрона 12, анод которого соединен со вторым выводом вторичной обмотки трансформатора 18, к первому выводу вторичной обмотки трансформатора 19 подсоединен катод светодиода 23 другого оптрона 8, анод которого соединен с катодом светодиода 24 другого оптрона 11, анод которого соединен со вторым выводом вторичной обмотки трансформатора 20, к первому выводу вторичной обмотки трансформатора 20 подсоединен катод светодиода 25 другого оптрона 7, анод которого соединен с катодом светодиода 26 другого оптрона 9, анод которого соединен со вторым выводом вторичной обмотки трансформатора 20.

Асинхронный вентильный каскад работает следующим образом. Обмотка статора двигателя 1, оптронный мостовой преобразователь и фазосдвигающее устройство 17 подключаются к питающей сети. Светодиоды 21-26 оптронов получают питание от фазосдвигающего устройства 17 через трансформаторы 18-20 и подают сигналы управления на оптотиристоры оптронов 7-12. При этом рассмотренная схема соединения элементов оптронов, а также фазосдвигающее устройство 17 позволяют установить такой угол управления, чтобы оптронный мостовой преобразователь работал в инверторном режиме, поэтому в цепь ротора двигателя вводится добавочная противо-эдс. Величину противо-эдс, вводимой в цепь ротора двигателя, устанавливают исходя из требований по ограничению максимального тока ротора двигателя.

От обмоток ротора двигателя 1 к силовому входу выпрямителя подводится трехфазное напряжение, а на управляющие электроды тиристоров 3 этого выпрямителя от обмоток ротора через диоды 14, резистор 15 и диоды 16 поступает управляющее напряжение. Тиристоры 3 открываются под действием этого управляющего напряжения, причем величина тока управления, а следовательно, и моменты включения тиристоров зависят от величины регулируемого сопротивления резистора 15 и эдс ротора двигателя. При установившейся скорости вращения двигателя и постоянной величине сопротивления резистора 15 тиристоры 3 открываются с углом запаздывания относительно точек естественной коммутации, находящимся в диапазоне 0<α_у<60° эл., показанным на фиг.2. Если ток через управляющий электрод очередного предназначенного для открытия тиристора окажется недостаточным, то очередной тиристор не откроется, ток ротора и соответственно момент двигателя уменьшатся, скорость двигателя также уменьшится, эдс ротора возрастет ток через управляющие электроды тиристоров возрастет и тиристоры снова начинают открываться. При минимальной величине сопротивления резистора 15 тиристоры 3 будут открываться при минимальной эдс ротора двигателя 1, т.е. при его максимальной скорости. При увеличении сопротивления резистора 15 потребуется большая величина эдс ротора, достаточная для открывания тиристоров 3 выпрямителя. Это приводит к тому, что скорость двигателя должна снижаться до тех пор, пока эдс ротора и соответственно сигнал управления, поступающий на управляющие электроды тиристоров 3, не достигнет величины, достаточной для открытия тиристоров 3. На фиг.3 показаны экспериментальные механические характеристики электропривода, полученные при различных величинах сопротивления резистора 15, чем больше сопротивление резистора 15, тем меньше скорость вращения асинхронного двигателя.

Таким образом, в предлагаемом асинхронном вентильном каскаде обеспечивается широкий диапазон регулирования скорости и момента двигателя, при этом энергия скольжения двигателя из цепи ротора возвращается в цепь переменного тока через оптронный мостовой преобразователь, работающий в инверторном режиме, что обеспечивает энергосбережение. Предложенная система управления является простой и надежной, механические характеристики благоприятны для механизмов подъемно-транспортного назначения.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №1272463. Электропривод переменного тока. МКИ Н02Р 7/62, 23.11.86. Бюл. №43.

2. Патент РФ №2237344. Электропривод переменного тока. МКИ Н02Р 7/635, 27.09.2004. Бюл. №27.

Асинхронный вентильный каскад аналогично с прототипами содержит асинхронный двигатель с фазным ротором, обмотка статора которого подключена к питающей сети, а обмотки ротора к трехфазному входному мостовому выпрямителю, катодные выходы которого подключены к анодному входу выпрямителя, трехразрядный инвертор выполнен из оптотиристоров. Отличающейся особенность в данной схеме служит то, что анодная группа выпрямителей выполнена из диодов, а катодная - из тиристоров, к управляющему электроду каждого тиристора подключен катод диода, а аноды этих трех диодов соединены в общую точку, к которой подключен первый вывод резистора с регулируемым сопротивлением, второй вывод которого подключен к общей точке соединений катодов трех других диодов, аноды каждого из которых соединены с фазной обмоткой ротора, трехфазный вход фазосдвигающего устройства подключен к питающей сети, а трехфазный выход фазосдвигающего устройства подключен к одним выводам первичных обмоток трех трансформаторов, вторые выводы обмоток этих трансформаторов соединены в общую точку, к первому выводу вторичной обмотки каждого из трех трансформаторов подсоединен катод светодиода оптотиристорной оптопары, анод которого соединен с катодом другого светодиода, анод которого соединен со вторым выводом вторичной обмотки трансформатора система управления асинхронный двигатель с фазным ротором. В данном электроприводе достигается технический результат: с помощью трехфазного регулирующего устройства обеспечивается широкий диапазон регулирования крутящего момента двигателя, высокие энергетические показатели достигаются за счет передачи энергии в питающую сеть. 3 ил.

Асинхронный вентильный каскад, содержащий асинхронный двигатель с фазным ротором, обмотка статора которого подключена к питающей сети, а обмотки ротора - к входу трехфазного мостового выпрямителя, кроме того, шесть оптронов из светодиода и оптотиристора каждый, оптронный мостовой преобразователь, на который подается напряжение сети, а каждая фаза которого содержит два соединенных последовательно оптотиристора, принадлежащих указанным оптронам, и фазосдвигающее устройство, отличающийся тем, что введены две группы, каждая из трех диодов, анодная группа трехфазного мостового выпрямителя выполнена из диодов, а катодная - из тиристоров, к управляющему электроду каждого из указанных тиристоров подключен катод соответствующего диода первой группы, аноды которых соединены в общую точку, к которой подключен первый вывод резистора с регулируемым сопротивлением, второй вывод которого подключен к общей точке соединений катодов трех диодов другой группы, аноды каждого из которых соединены с соответствующей фазной обмоткой ротора, выход трехфазного мостового выпрямителя, связанный с общей точкой анодов тиристоров, подключен к входу сглаживающего реактора, выход которого соединен с общей точкой анодов оптотиристоров оптронного мостового преобразователя, общая точка катодов других оптотиристоров которого подключена к общей точке анодов диодов трехфазного мостового выпрямителя, трехфазный вход фазосдвигающего устройства подключен к питающей сети, а трехфазный выход фазосдвигающего устройства подключен к одним выводам первичных обмоток трех трансформаторов, вторые выводы обмоток этих трансформаторов соединены в общую точку, к первому выводу вторичной обмотки каждого из трех трансформаторов подсоединен катод светодиода соответствующего оптрона, анод которого соединен с катодом светодиода другого оптрона, анод которого соединен со вторым выводом вторичной обмотки трансформатора.