УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ Российский патент 2024 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 потерями скольжения в цепи ротора, что ограничивает сферу применения этого способа.

Известны также устройство и способ импульсного регулирования скорости асинхронного электропривода (см. Патент РФ №2095933, МКИ Н02Р7/42. 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).

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 1инт=Т/2п, где Т - период напряжения питающей сети, п - 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 переключений повторяют. Однако в этом электроприводе сохраняется режим больших скольжений ротора в зоне низких скоростей электропривода, что приводит к большим потерям и нагреву двигателя.

Наиболее близким предлагаемому изобретению является устройство и способ управления асинхронным электроприводом с фазным ротором (см. Патент РФ №2371831, МПК Н02Р 27/05. Асинхронный электропривод с фазным ротором / Ю.С. Усынин, А.В. Валов, С.А. Чупин. Заявл. 04.05.2008. Опубл. 27.10.2009. Бюл. №30).

В этом электроприводе, содержащем асинхронный электродвигатель с фазным ротором, тиристорный коммутатор в цепи статора, на первый управляющий вход которого 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. В схему введен второй тиристорный коммутатор, подключенный к питающей многофазной сети переменного тока. Между катодными и анодными группами этого коммутатора включена обмотка ротора асинхронного двигателя. В зависимости от сигнала с датчика положения ротора двигателя управляющие импульсы подаются на два тиристора тех двух фаз статора асинхронного двигателя, фазную зону которых пересекает магнитная ось обмотки ротора.

Однако в обмотках ротора и статора токи протекают только по двум фазам, что сужает регулировочные возможности электропривода, особенно при регулировании момента и скорости в большом диапазоне, когда необходимо регулировать фазные токи статора и ротора независимо, с учетом положения вала ротора.

В основу предлагаемого изобретения положена техническая задача, заключающаяся в улучшении регулировочных и энергетических характеристик электропривода.

Решение поставленной задачи достигается тем, что асинхронный электропривод с фазным ротором, содержащий асинхронный электродвигатель с фазным ротором, статорная обмотка которого через транзисторный инвертор подключена к питающей многофазной сети переменного тока, датчик тока и регулятор этого тока, а также датчик углового положения ротора асинхронного двигателя, согласно изобретению снабжен вторым транзисторным инвертором, подключенным к питающей многофазной сети переменного тока, а обмотка ротора асинхронного двигателя включена к выходу этого инвертора.

Как и в прототипе, электромагнитный момент асинхронного двигателя носит импульсный характер. При этом амплитуда импульсов момента регулируется величиной тока в обмотках статора и ротора. Частота импульсов момента определяется разницей угловых скоростей вдоль расточки статора пространственных векторов магнитодвижущей силы (МДС), создаваемых токами в обмотках статора Fc и ротора Fp. При этом вектор статора Fc вращается скачкообразно с постоянной средней скоростью, определяемой частотой питающей сети. Вектор ротора F_P вращается непрерывно с угловой скоростью ротора.

Особенность предлагаемого решения состоит в том, что подключенные к независимым транзисторным инверторам фазные токи статора и ротора могут регулироваться независимо друг от друга, это улучшает регулировочные и энергетические характеристики электропривода.

Сущность данного изобретения поясняется чертежами, где изображены:

на фиг. 1 - пример функциональной схемы;

на фиг. 2 - схематичный поперечный разрез асинхронного двигателя;

на фиг. 3 - диаграммы, поясняющие принцип работы датчика положения ротора. Здесь заштрихованными прямоугольниками VT15...VT26 показаны отрезки углового перемещения вала ротора двигателя, на которых датчиком положения ротора дается разрешение на включение транзисторов, обозначенных на фиг. 1 номерами 15…26; α - угол (электрический) поворота вала двигателя.

На фиг. 2 представлен в разрезе пример трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором, когда в пазах статора 31, расположенных в плоскостях А-а, В-b и С-с, сдвинутых пространственно на 120 электрических градусов, размещены обмотки 28, 29 и 30 статора (фиг. 1). В пазах ротора 6 (фиг. 1, 2) размещены фазные обмотки 7, 8 и 9 многофазной обмотки ротора, расположенные в плоскостях X-x, Y-y и Z-z, также сдвинутых пространственно друг относительно друга на 120 электрических градусов.

Начала обмоток A, B, и C (фиг. 1) подсоединены к фазным зажимам А, В и С источника трехфазного напряжения питания, а концы этих обмоток - ко входам транзисторного инвертора 11. На входе транзисторного инвертора 11 расположен однокомплектный неуправляемый выпрямитель 13, на выходе которого подключен конденсатор 14, предназначенный для сглаживания постоянного напряжения. Транзисторы 15, 17 и 19 в инверторе 11 образуют нижнюю группу вентилей, а транзисторы 16, 18 и 20 - верхнюю группу вентилей. Датчики тока 2-4 подключены на выходных цепях первого транзисторного инвертора 11. На первый управляющий вход транзисторного инвертора 11 подключен выход регулятора тока 5, а на последующие шесть его управляющих входов подключены выводы датчика 1 углового положения ротора 6. Этот датчик механически связан с валом ротора асинхронного двигателя. На первый управляющий вход регулятора тока 5 подается напряжение U_3C, пропорциональное желаемой величине тока статора, а на второй - сигнал с датчиков тока 2-4.

Второй транзисторный инвертор 12 обеспечивает питание трех фаз обмотки ротора асинхронного двигателя независимо от статорной цепи. Транзисторы 21, 23 и 25 в инверторе 12 образуют нижнюю группу вентилей, 22, 24 и 26 - верхнюю. Входные силовые цепи инвертора 12 подключены к фазным зажимам А, В и С источника трехфазного напряжения питания, а в рассечку между нижними и верхними группами вентилей включены фазные обмотки ротора 7, 8, 9 асинхронного двигателя. Управляющий вход инвертора 12 подключен к источнику напряжения U_3P, величина которого пропорциональна желаемому напряжению на обмотке ротора асинхронного двигателя.

На фиг. 3 изображена диаграмма, поясняющая принцип работы датчика 1 положения ротора 6 (фиг. 2). Здесь в зависимости от угла поворота вала ротора 6 двигателя датчик 1 углового положения ротора разрешает подачу управляющих импульсов на транзисторы инвертора 11 в следующей последовательности: при изменении угла α поворота ротора 6 от нуля до 120 градусов (электрических) включаются транзисторы 16, 17 и 20, от 120 до 240 градусов - транзисторы 15, 18 и 19, от 240 до 360 - транзисторы 16-20, принадлежащие инвертору 11. Благодаря выбранной последовательности отпирания транзисторов достигается круговое перемещение вектора магнитодвижущей силы статора в воздушном зазоре двигателя.

За исходное состояние электропривода принимается мгновенное состояние всех его элементов, когда вращающийся по часовой стрелке ротор 6 занимает пространственное положение, как на фиг. 2. 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 транзисторы 16, 17 и 20. Поэтому ток протекает от плюсовой клеммы (+) выпрямителя 13 инвертора 11 по следующей цепи (фиг. 1): (+)- транзистор 16 - обмотка 28 - датчик тока 2 и - транзистор 20 - обмотка 30 - датчик тока 4 - обмотка 29 - датчик тока 3 - транзистор 17 клемма (-), - обмотки ротора 7,8,9 - транзисторы 22, 23, 26. Направления токов во всех обмотках статора 31 и ротора 6, соответствующие описанному исходному мгновенному положению ротора 6, указаны на фиг. 1.

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 6 придет во вращение по часовой стрелке.

Когда ротор 6 двигателя повернется из положения α₀ до угла поворота ротора α=60 градусов, то в соответствии с диаграммой (фиг. 3) датчик 1 углового положения ротора 6 прекратит подачу отпирающих импульсов на транзистор 16, но одновременно разрешит их подавать на транзисторы 15, 17, 20. В результате импульсы тока от питающей сети пойдут по цепи: (+)- транзистор 20 - обмотка 30 - датчик тока 4 - транзистор 20 - обмотка 30 - датчик тока 4 и - обмотка 29 - датчик тока 3 - транзистор 17 клемма (-), - обмотки ротора 7,8,9 - транзисторы 21, 23, 26., а вектор МДС статора F_C 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 1 углового положения ротора 6 запрещает подавать управляющие импульсы на управляющий вход транзистора 17, но разрешает подавать их на управляющий вход транзистора 18. Через 180 градусов импульсы снимаются с транзистора 20 и подаются на транзистор 19 и т.д. Переключая через каждые 60 градусов токи в фазных обмотках статора и, обеспечивая таким образом пространственное круговое движение МДС статора вдоль окружности воздушного зазора двигателя, осуществляют вращение ротора асинхронного двигателя.

Величина момента двигателя определяется величиной тока, протекающего по обмоткам ротора и статора двигателя. Величина этих токов задается транзисторным инвертором: инвертор 11 задает ток статора, а 12 - ротора.

Промышленная применимость предлагаемого решения. Асинхронный электропривод может быть рекомендован для общепромышленных механизмов (насосов, вентиляторов, транспортеров и т.д.). Техническая задача достигается тем, что асинхронный электропривод с фазным ротором, содержащий асинхронный электродвигатель с фазным ротором, статорная обмотка которого через транзисторный инвертор подключена к питающей многофазной сети переменного тока, датчик тока и регулятор этого тока, а также датчик углового положения ротора асинхронного двигателя, согласно изобретению снабжен вторым транзисторным инвертором, подключенным к питающей многофазной сети переменного тока, а обмотка ротора асинхронного двигателя включена к выходу этого инвертора.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах общепромышленных механизмов, например, насосов, транспортеров, вентиляторов и др. Техническим результатом является улучшение регулировочных и энергетических характеристик электропривода. Устройство управления асинхронным электроприводом с фазным ротором, содержащее асинхронный электродвигатель с фазным ротором, статорная обмотка которого через транзисторный инвертор подключена к питающей многофазной сети переменного тока, датчики фазных токов транзисторного инвертора и регулятор этого тока, датчик углового положения ротора асинхронного двигателя. На первый управляющий вход транзисторного инвертора подключен выход регулятора тока, а на последующие шесть его управляющих входов подключены выводы датчика углового положения ротора. На первый управляющий вход регулятора тока подается напряжение, пропорциональное желаемой величине тока статора, а на второй - сигнал с датчика тока. При этом устройство управления асинхронным электроприводом с фазным ротором дополнительно снабжено вторым транзисторным инвертором, подключенным к питающей многофазной сети переменного тока, обмотка ротора асинхронного двигателя включена к выходным цепям этого инвертора, а его управляющий вход подключен к источнику напряжения, величина которого пропорциональна желаемому напряжению на обмотке ротора асинхронного двигателя. 3 ил.

Устройство управления асинхронным электроприводом с фазным ротором, содержащее асинхронный электродвигатель с фазным ротором, статорная обмотка которого через транзисторный инвертор подключена к питающей многофазной сети переменного тока, датчики фазных токов транзисторного инвертора и регулятор этого тока, датчик углового положения ротора асинхронного двигателя; на первый управляющий вход транзисторного инвертора подключен выход регулятора тока, а на последующие шесть его управляющих входов подключены выводы датчика углового положения ротора, на первый управляющий вход регулятора тока подается напряжение, пропорциональное желаемой величине тока статора, а на второй - сигнал с датчика тока, отличающийся тем, что он снабжен вторым транзисторным инвертором, подключенным к питающей многофазной сети переменного тока, обмотка ротора асинхронного двигателя включена к выходным цепям этого инвертора, а его управляющий вход подключен к источнику напряжения, величина которого пропорциональна желаемому напряжению на обмотке ротора асинхронного двигателя.