СПОСОБ ИМПУЛЬСНО-ЧАСТОТНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ИСТОЧНИКОМ ИЗМЕНЯЕМОЙ ЧАСТОТЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК H02P1/26 H02P1/30 

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для электроприводов механизмов и машин с большим моментом инерции, ударной нагрузкой, а также транспортных средств.

В классической теории электропривода известен импульсный способ регулирования асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором [1]. В рабочем режиме двигатель периодически отключают от сети. Постоянно находясь в режиме пуска, - свободного выбега - в приводе устанавливается некоторая усредненная скорость, определяемая продолжительностью включения (ПВ %). Такое регулирование связано с быстрым нагревом двигателя из-за тепловых потерь, имеющих квадратичную зависимость от пусковых токов. Так, двигатель АЛ 32-4 при средней скорости 600 об/мин при относительной продолжительности включения $$\epsilon =\frac{t_1}{t_{ц}}=\mathrm{0,648}$$ , где t₁ - время включения двигателя, t_ц - время цикла, температура обмоток достигла Θ=122,5° уже через 8 мин работы (1, стр.363).

Известно устройство импульсно-ключевого регулирования асинхронного электродвигателя с фазным ротором, в частности в электроприводах башенных кранов [2, 3]. Сущность регулирования заключается в периодическом размыкании-замыкании цепи роторных обмоток с резисторами в точке соединения звезды последних симисторным коммутатором с пороговым (ключевым) элементом, работающим при заданном уровне ЭДС ротора в автоматическом режиме. Такое устройство применимо к частному случаю - приводу с двигателем, имеющим фазный ротор, и использует классический способ импульсного регулирования скорости асинхронного двигателя, перенеся отключение из статорных обмоток в роторные, - только путем размыкания последних.

В предлагаемом способе регулирования электропривода переменного тока основная - рабочая обмотка управляется только частотой источника напряжения (базовое регулирование), а всю работу по изменению магнитного поля статора - изменению механических характеристик двигателя - производит 2-я дополнительная обмотка, причем "пороговым (ключевым) элементом" является токовая отсечка фазы рабочей обмотки от трансформатора тока. Принципиальное отличие предлагаемого технического решения состоит в том, что способ работает во всем диапазоне частот источника напряжения (базового регулирования) за счет зависимости частоты импульсов от частоты источника; создает возможность как усиления, так и ослабления магнитного поля статора, причем переходные электромагнитные процессы, связанные с рабочим режимом основной обмотки, отсутствуют.

Так как дополнительная обмотка работает и в двигательном режиме, то активные материалы (медь, сталь, магнито-провода) по тепловому состоянию двигателя используются полностью.

Теоретически такое регулирование может быть использовано в любом электроприводе переменного тока.

Схема электропривода, изображенная на Фиг.1, работает следующим образом. При пуске магнитный пускатель П контактами П1, П2, П3 подает напряжение источника на фазы 1P, 2P, 3P рабочей обмотки и фазу 1Д дополнительной обмотки, а пульт управления ПУ включает управляющие электроды симисторов 1, 2, при этом отслеживается частота f источника через делитель частоты ДЧ, работает пульс-пара ПП и контролируется ток нагрузки рабочей обмотки через трансформатор тока ТТ.

Магнитные поля обеих обмоток вращаются в одну сторону, причем дополнительная обмотка включается после достижения пусковым током рабочей обмотки порога ограничения - отсечки автоматически.

Частота источника питания задает длительность цикла импульс-пауза пульс-пары, т.е. частоту импульсов.

После спада пускового тока пульс-пара отключается и обе обмотки работают в двигательном режиме.

Возможны еще два варианта регулирования привода в зависимости от требуемой глубины пульсации магнитного поля - движущего момента:

а) дополнительная обмотка включается импульсами противоположной полярности, когда две ее фазы переключаются в режим «противовключения»,

б) дополнительная обмотка включается импульсами, полярность которых периодически меняется в функции частоты напряжения источника питания или по заданной программе.

Схемное решение устройства пульта управления ПУ не является предметом заявляемого технического предложения и поэтому не рассматривается.

В механизмах с ударной нагрузкой, использующих маховиковый электропривод, в период рабочей операции необходимо перевести двигатель на мягкие механические характеристики, когда при приеме нагрузки двигатель «проваливается» по скорости и маховик отдает запасенную кинетическую энергию.

Предлагаемые способ и устройство решают эту задачу. При увеличении тока в рабочей обмотке выше «отсечки» автоматически включается пульс-пара по варианту а) и запрограммированный пульт управления ПУ, отключая симисторы 1, 2, переключает пульс-пару на второй выход, соединенный с электродами симисторов 3, 4 - обмотки 2Д и 3Д переключается в фазах В, С источника питания. После выполнения рабочей операции программа ПУ снова переключает симисторы, восстанавливая двигательный режим дополнительной обмотки - двигатель форсированно разгоняется.

Такой привод может работать в упрощенном варианте от сети 50 Гц без преобразователя частоты и переключение полярности импульсов осуществлять с помощью реле с датчиками положения - конечными включателями по схеме, изображенной на Фиг2.

На Фиг.2 приведено устройство дифференциального электропривода транспортного средства с мотор-колесами, в которых применены 2-обмоточные асинхронные двигатели с короткозамкнутыми роторами, рассчитанные на включение по схеме «звезда».

Пуск электропривода осуществляется аналогично схеме на Фиг.1. Включение симисторов 1, 2, 5, 6 происходит через нормально замкнутые контуры реле Р1К, Р2К. При неисправностях (короткое замыкание) симисторов реле максимального тока РМ1, РМ2 отключают схему. При повороте машины срабатывают датчики положения KB1 или КВ2 и начинает работать импульсно-частотное регулирование скорости одного из двигателей в режиме «противовключения», когда магнитное поле ослабляется по вариантам а) или б). Управляемый двигатель тормозится, а второй двигатель разгоняется благодаря свойствам схемы, объединяющей их рабочие обмотки. На контур саморегулирования двигателей в функции нагрузочных моментов накладывается автоматическое управление магнитным полем одного из них. При обмотках, соизмеримым по параметрам, схема позволяет совершать маневр - разворот на месте за счет команды «задний ход» для одного из двигателей. Это очень важно в стесненных условиях работы в карьерах, особенно для горной местности.

На Фиг.1 обозначено:

U - источник напряжения изменяемой частоты 3-фазного напряжения;

А, В, С - фазы источника напряжения;

П1, П2, П3 - силовые контакты магнитного пускателя П;

f - частота источника;

ТТ - трансформатор тока;

ПП - пульс-пара;

ДЧ - делитель частоты;

ПУ - пульт управления;

Ф1 Ф2 - магнитный поток обмоток двигателя;

1P, 2Р, 3Р - фазные рабочие обмотки;

1D, 2D, 3D - фазные дополнительные обмотки;

1, 2, 3, 4 - симисторные ключи;

РМ - реле максимального тока;

СК - стоповая кнопка;

П - катушка магнитного пускателя;

Пк - пусковая кнопка;

По - блок-контакт пускателя.

На Фиг.2 обозначено дополнительно к Фиг.1:

4Р, 5Р, 6П - фазные рабочие обмотки второго двигателя;

1D1, 2D1, 3D1 - фазные дополнительные обмотки первого двигателя;

1D2, 2D2, 3D2 - фазные дополнительные обмотки второго двигателя;

ПУ1, ПУ2 - пульт управления первого и второго двигателей;

5, 6, 7, 8 - симисторные ключи второго двигателя;

Р1к, Р2к - нормально закрытые контакты реле;

Р1ко, Р2ко - нормально открытые контакты реле;

KB1, КВ2 - датчики положения;

РМ1, РМ2 - реле максимального тока;

а - общий контакт схемы управления;

Р1, Р2 - катушки реле.

Источники информации

1. В.П. Андреев, Ю.А. Сабинин. М., Госэнергоиздат, 1956 г. Основы электропривода. Импульсное регулирование скорости вращения асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, стр.361.

2. Патент RU 2101843 C1.10.01.1998.

3. Патент РФ №2249296 24.09.2002.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при проектировании электроприводов машин и механизмов с большим моментом инерции, ударной нагрузкой, а также в транспортных средствах. Техническим результатом является уменьшение динамической нагрузки в трансмиссии привода, создание процесса, аналогичного по переменной составляющей движущего момента, регулированию скорости двигателя, оптимальное использование кинетической энергии маховика с последующей форсировкой его разгона, устранение режима пробуксовки при потере сцепления колеса с поверхностью движения. В способе и устройстве импульсно-частотного регулирования управление дополнительной обмоткой двигателя осуществляют с пульта. На входы пульта подключены: пульс-пара, делитель частоты источника напряжения, трансформатор тока фаз рабочей обмотки. Два выхода пульта соединены с управляющими электродами четырех симисторов, объединенных в мостовую схему и переключающих две фазы дополнительной обмотки в фазах источника напряжения. Рассматривается также электродифференциальный привод с двумя одинаковыми асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором и соответствующим им управлением. 2 н. и 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ импульсно-частотного регулирования электропривода переменного тока с источником напряжения изменяемой частоты, заключающийся в том, что он формирует величину магнитного потока 3-фазного статора путем алгебраического суммирования поля постоянно работающей одной - рабочей обмотки и поля второй - дополнительной обмотки, включаемой импульсами отличающийся тем, что частоту включения 2-й обмотки определяют частотой напряжения источника, когда временная доля импульса в цикле импульс-пауза фиксирована, а длительность самого цикла обратно пропорциональна изменяемой частоте напряжения, причем полярность импульса, определяющая направление вращения магнитного поля 2-й обмотки, и разрешение на включение ее получают от пульта управления, в том числе с учетом порога ограничения пиков тока в рабочей обмотке.

2. Устройство импульсно-частотного регулирования электропривода переменного тока с источником напряжения изменяемой частоты, содержащее, кроме названного источника: асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, имеющий две 3-фазные обмотки, собранные по схеме «звезда» и соединенные нормально открытыми контактами магнитного пускателя тремя фазами рабочей обмотки и одной фазой второй - дополнительной обмотки с 3-мя фазами источника напряжения, две пары симисторных ключей, объединенных в мостовую схему, одна диагональ которой соединена с зажимами 2-х других фаз 2-й обмотки, а другая диагональ через реле максимального тока подключена к незанятым 2-й обмоткой фазам источника, пульс-пару с электронными реле времени, отличающееся тем, что в него дополнительно введен пульт управления, формирующий частоту, длительность и полярность импульсов, к входам которого подключены: трансформатор тока фазы рабочей обмотки, выход пульс-пары, выход делителя частоты напряжения источника, а два выхода пульта соединены: один - с зажимами управляющих электродов 1-й пары симисторных ключей, создающих согласованное вращение магнитных полей обоих обмоток, а другой - с аналогичными зажимами 2-й пары, обеспечивающей режим противовключения 2-й обмотки, пересоединяя две ее фазы в фазах источника напряжения.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что к источнику напряжения изменяемой частоты подключается 2-й идентичный двигатель с идентичным механизмом, причем их валы не имеют жесткой связи, а рабочие статорные обмотки двигателей объединены в общий треугольник, образуя систему электрического дифференциала, удваивается число одинаковых пультов управления, и вводятся два реле, в цепи катушек которых включены датчики положения, а нормально открытый и нормально закрытый контакты одного реле подключены к одному пульту, аналогичные контакты другого реле - ко второму пульту.