Электропривод постоянного тока Советский патент 1993 года по МПК H02P5/06 

ременного тока содержит электродвигатель, якорная обмотка которого через первый выпрямитель подключена к первой батарее конденсаторов, а независимая обмотка подключена к выводам постоянного 5 тока второго выпрямителя, который посредством трансформатора подключен к выводам второй конденсаторной батареи, причем первая и вторая конденсаторные батареи соединены в последовательную цепь 10 и предназначены для подключения к однофазной сети переменного тока.

Устройство электропривода постоянного тока для варианта трехфазной цепи пере менного тока содержит электродвигатель, 15 , якорная обмотка которого через трехфаз- ный выпрямитель подключены к первой трехфазной батарее конденсаторов, соединенной по схеме звезда или по схеме треугольник, которая з каждой из трех фаз 20 подключена к сети переменного тока через пофазно последовательно соединенную трехфазную вторую батарею конденсаторов .независимая обмотка электродвигателя подключена к выводам постоянного тока 25 однофазного выпрямителя, кбторый посредством трансформатора подключен к выводам второй конденсаторной батареи в одной из трех фаз.

Предлагаемое техническое решение со- 30 ответствует критерию изобретения существенные отличия, т.к. не выявлены другие технические решения с аналогичными свойствами.

На фиг.1 и 2 представлены схемы уст- 35 ройства электропривода для осуществления включения двигателя постоянного тока соответственно для вариантов однофазной и трёхфазной цепей переменного тока.

На фиг.З представлена векторная диаг- 40 рамма токов и напряжений для схемы устройства с однофазной цепью переменного

тока.

На фиг.4 представлена векторная диаграмма токов для схемы устройства с трех- 45 фазной цепью переменного тока.

На фиг.5-а и фиг.5-б представлены соответственно механические и скоростные характеристики двигателя с независимым возбуждением при включении по схеме про- 50 тотипа (пунктирные линии) и при включении по предлагаемому устройству по фиг.2г (сплошные линии).

Представленная на фиг. 1 схема включения двигателя для варианта однофазной це- 55 пи переменного тока содержит последовательно включенные в цепь переменного тока конденсаторы 1, (в общем слу- чае это батарея конденсаторов 1-т), первый выпрямитель 2, к выходу которого

подключена якорная цепь двигателя 3, а параллельно входу подключены конденсаторы 4, (в общем случае это батарея конденсаторов 1-п) и второй выпрямитель 5, к выходу которого подключены параллельно незави-. симая обмотка возбуждения б и емкость сглаживающих конденсаторов 7 (последняя может отсутствовать), а вход выпрямителя 5 подключен к выходу согласующего трансформатора 8, который своим входом подключен параллельно конденсаторам 1 в цепи переменного тока.

Устройство работает следующим образом. . ,-

В соответствии с первым законом Кирхгофа для тока сети Н (а пренебрегая величиной тока цепей возбуждения - и для тока конденсаторов 1), тока г конденсаторов 4 и тока ID выпрямителя 2 имеем:

IH2+ID (1)

Для однофазного выпрямителя 2 Т9ки его входа ID и выхода Id равны, причем ток Id является током якорной цепи, а напряжения его выхода Ud и входа U2 связаны известным соотношением:. . ,9U2 (2)

Напряжение на обмотке возбуждения связано с напряжением на входе согласующего трансформатора 8 соотношением:

,(3) где Кс- коэффициент согласования, учитывающий величину коэффициента трансформации Кт трансформатора 8 и соотношение, аналогичное выражению (2), для напряжений выхода и входа выпрямителя 5.

При идеальном холостом ходе двигателя 3 ток ID отсутствует, токи f i и h равны между собой и их величина определяется напряжением сети и сопротивлениями Xi и Х2 батарей конденсаторов 1 и 4:

( (4)

Напряжение сети распределено между батареями конденсаторов 1 и 4 пропорционально их сопротивлениям.

При этом напряжение на якоре двигателя (с учетом (2)) и напряжение на обмотке возбуждения (с учетом (3)) равны:

1хх Х1(5) Х2 (б)

Соотношение этих напряжений однозначно определяет поток возбуждения двигателя и его частоту вращения идеального холостого хода п0.

В момент включения (пуска) двигателя, когда его частота вращения . а ЭДС отсутствует (стоповой режим), выпрямитель 2 и конденсаторы 4 оказываются закороченными (точки Д и В) сопротивлением Ря якорной цепи двигателя, величиной которого по сравнению с сопротивлением Хг батареи 1 в первом приближении можно пренебречь. В этом случае током 2 можно пренебречь, а

ток I in в сети равен току bn и току Idn в цепи якоря и определяется соотношением напряжения и сопротивления Xi батареи и конденсаторов 1, т:е.:

(7)

liri

,иг

ХТ

Очевидно, что в этом случае напряжет ние на обмотке возбуждения определяется величиной напряжения сети:

.U.m«Uc ...;.(8) .Параметры схемы определяют исходя из следующего. Задаваясь желаемым значением К кратности пускового тока двигателя

-.

к его номинальному току дв.н вычисляют

желаемое значение тока Ип:

дв.н (9) Затем из (7) определяют необходимое значение сопротивления Xi конденсаторов батареи 1 (а следовательно, и емкости Ci этой батареи), которая и обеспечивает, аналогично прототипу, ограничение пускового тока двигателя.

Величина Х2 сопротивления, которая определяет и ее емкость С2, батареи 4 определяется из заданной величины напряжения U2xx на якоре при холостом ходе из (4) и (6). Максимальные значения напряжения на батареях 1 и 4 равны соответственно Uc и

U2xxH3(6).

При плавном переходе от стопового режима к режиму идеального холостого хода

двигателя его ток 1ДВ, (а значит и ток о)

изменяется от пускового значения Нп до нуля.

При этом состояние системы описывается уравнением (1), а также уравнениями

(7)

15

20.

25

30 35

40

45

Ф 1Дв(12)

(13)

где ЕдВ. - ЭДС двигателя, которая при этом, с учетом (2), определяется по уже известным параметрам:

,9и2-1дв -Ra ./(14) 10 При этом в предлагаемой схеме включе- ния обмотки возбуждения величина потока возбуждения является с учетом (3). функцией уже известного параметра Ui, для чего может быть использована универсальная кривая намагничивания для двигателей параллельного возбуждения.

При выборе в (3) коэффициента согласования, например, по условию обеспечения номинального потока возбуждения при номинальном токе в якоре двигателя, поведение двигателя подобно поведению серйесного двигателя, с учетом следующего.

При номинальном токе двигателя поток равен номинальному значению.При увеличении тока двигателя поток возрастает, однако, нелинейно, т.к. магнитная цепь двигателя работает в области заметного действия насыщения. При этом, как и у серйесного двигателя, величина вращающего момента на единицу тока выше, чем у двигателя с независимой (параллельной) обмоткой возбуждения. -Возрастание потока возбуждения обусловлено увеличением падения напряжения Ui на батарее 1 при

увеличении тока li.

При уменьшении тока двигателя поток возбуждения уменьшается, обеспечивая увеличение частоты вращения аналогично сериесному двигателю, но, в отличие от него, лишь до определенной величины, т.к. даже при идеальном холостом ходе двигателя поток возбуждения обеспечен падением напряжения на батарее 1 за счет тока холо

U Ui +U2

. . и ,.-

Х2

Задача решается численным методом (итерацией) и позволяет определить однозначно зависимости Ui; U2 и I 2 от I D, т.е. от I дв. Момент М и частота вращения п двигателя определяются величиной I дв и величиной потока возбуждения Ф по известным выражениям (1)

стого хода Нхх определяемого по выражению (4). Таким образом, частота вращения двигателя при холостом ходе в предлагае- сп мом устройстве существенно выше, чем в прототипе для двигателя с независимой обмоткой возбуждения, но, в отличие от серйесного двигателя с такими свойствами, имеет вполне ограниченное фиксированное значение,

В устройстве по фиг.2 для варианта трехфазной цепи переменного тока на зажимы источника питания последовательно с конденсаторами 1 в каждой из трех фаз включен первый трехфазный выпрямитель

55

2, к выходу которого подключен якорь двигателя 3, а параллельно его трехфазному входу подключены конденсаторы 4 по схеме звезда (как показано на рисунке) или по схеме треугольник (на рисунке не показано), а второй однофазный выпрямитель 5, к выходу которого подключена параллельно независимая обмотка возбуждения б и емкость сглаживающих конденсаторов 7 (последняя может отсутствовать), своим входом подключен к выходу согласующего трансформатора 8, который своим входом подключен параллельно конденсаторам 1 в одной из фаз цепи переменного тока (на чертеже- параллельно конденсаторам 1-1 в фазе А),.

Работа схемы принципиально полностью идентична работе схемы по фиг,1 с учетом особенностей, вносимых трехфазным выполнением цепи переменного тока,

В соответствии с известными соотношениями для трехфазного выпрямителя 2 и принятыми обозначениями по рис.2 имеем:

,82 -Id

или, с учетом того, что cos35° 0,82: ., -cos35°(15).

,74 Ud(16) где UD - модуль линейного напряжения на входе выпрямителя 2,

В соответствии с первым законом Кирхгофа для точки D

ilA lp+l2A . , . (17)

Параметры емкостей 1 (их сопротивление Xi и др.) определяются из выражения (7) по фазному напряжению сети Ь ф с учетом соотношения (15) и заданной величины пускового тока 1Дв.п., т.е. из выражения:

-О „ Ц)

1 Хт

1дв.п COS35C

(18)

т.к. в стоповом режиме якорная цепь двигателя 3 через мост 2 закорачивает емкости 4 (точки D, Е и F) и емкости 1 оказываются подключенными к сети по схеме звезда.

Сопротивление (емкость) конденсаторов 4 определяется исходя из обеспечения (с учетом выражения (16), напряжения сети и сопротивления конденсаторов 1) заданного значения напряжения на двигателе в режиме холостого хода, которое однозначно определяет частоту вращения идеального холостого хода двигателя,.

На фиг.З представлена векторная диаграмма токов и напряжений области двигательного режима по результатам расчета для схемы устройства по фиг.2. Расчеты проведены для двигателя мощностью 27 кВт напряжением 250 В при следующих расчетных условиях,

Все расчеты для целей удобства анали- за проведены в относительных единицах.

За базисные величины приняты номинальные параметры двигателя (иапряже- 5 ние, ток, сопротивление, частота вращения).

Относительное значение напряжения сети ,92 (при стандартном напряжении питающего трансформатора 230 В).

Кратность пускового тока 2,25 (опреде- 10 ляет выбор Xi). Принято ,3885 (здесь и далее все величины в относительных едини- цах).-..Соотношение сопротивлений конденсаторов 1 и 4 равно Xi:X2 1:2 (определяют 15 напряжение холостого хода).

Расчеты проведены численным метр- дом при различных заданных значениях тока двигателя h и представлены на фиг.З. 20 Кривая AiA.2A3 является годографом

векторов тока h с началом в точке О. Точки

I 2 и ID являются проекциями тока И на ось „с ординат и ось абсцисс, принятую за действительную ось, соответственно.

Ток двигателя совмещен с действительной осью. Ток 2 определяется из выражения (11) по соответствующим значениям напря- OQ жения U2, (на диаграмме не показано), получаемым в результате расчета итерацией, и опережает это напряжение (совпадающее

по фазе с активным током ID двигателя) на 90°, т.е. совпадает с направлением оси ор- 5 динат. Ток И определяется из выражения (1). Вектор напряжения DI представляет собой падение напряжения в емкости сопротивления Xi от тока h и отстает от него на 90°. Годографом концов векторов Ui, имею щих начало в точке О, является кривая С-|С2Сз. Расчеты учитывают влияние сопротивления якорной цепи, поэтому в пусковом режиме (точки Ai,Ci) ток И не совпадает по

45 фазе с ID- .:..... Номинальному току двигателя на диаграмме отвечают точки А2 и С2, а режиму холостого хода - точки Аз и Сз.

50 На фиг.4 представлена векторная диаграмма токов для схемы устройства по фиг.2.

Вектор тока ID для удобства совмещен с действительной осью, а псевдовектор TOKS

55 Id двигателя, в соответствии с выражением (15), отстает от оси абсцисс на 35°, В этих условиях принципиально диаграмма по

. фиг.4 идентична диаграмме по. фиг.З для однофазной цепи переменного тока.

40

Диаграмма на фиг,4 построена для соотношения сопротивлений Xi и Ха емкостей 1 и 2, равного 1:0,5. Напряжения на диаграмме не показаны с целью упрощения чте- ния диаграммы, т.к. интересующее напряжение LH определяется аналогично диаграмме на рис,3..

На фиг.5 представлены механические (фиг.ба) и скоростные (рис.56) характеристики двигателя по результатам расчета схемы устройства по фиг. 1 для условий по диаграмме фиг.З. Сплошными линиями показаны характеристики по предлагаемому способу включения обмотки возбуждения (фиг.11), а пунктирными линиями - при обеспечении в схеме прототипа независимого номинального возбуждения (). Характеристики предлагаемого устройства получены при следующих условиях:

Из фиг,5а следует, что в предлагаемом устройстве, за счет автоматического изменения напряжения Ui на входе обмотки возбуждения в соответствии с диаграммой по фиг.З, характеристика двигателя по сравнению со схемой прототипа (при независимом питании обмотки возбуждения) приобретает положительные свойства:

Изменением коэффициента согласования Кс в выражении (3) можно изменить форму механической и скоростной характеристик двигателя в предлагаемом устройстве, при прочих равных условиях, а именно; при уменьшении Кс снижается перегрузочная способность по моменту и возрастает частота вращения холостого хода, и наоборот- при увеличении Кс возрастает (с учетом

насыщения магнитной системы двигателя) перегрузочная способность по моменту и снижается частота вращения холостого хо- даг ; .- ; : .. -

Коэффициент согласования может изменяться изменением коэффициента трансформации согласующего трансформатора.

Расчет магнитной цепи согласующего трансформатора необходимо выполнять по полному напряжению сети в устройстве по

рис.1 или по фазному напряжению сети в устройстве по рис.2, т.к. в стоповом режиме именно эти максимальные величины падения напряжения на конденсаторах 1 имеют место в соответствующих схемах.

Экономическая эффективность предлагаемого технического решения обусловлена повышением перегрузочной способности приводного двигателя и, соответственно, механизма по моменту и повышением частоты вращения при малых нагрузках, что обеспечивает возможность повышения производительности механизма. Формул а и зобретени я Электропривод постоянного тока, содержащий электродвигатель, якорная обмотка которого через первый выпрямитель подключена к первой батарее конденсаторов, а независимая обмотка возбуждения подключена к выводам постоянного тока

второго выпрямителя, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и улучшения качества управления, в него введены вторая конденсаторная батарея и трансформатор, включенный между выводами второй конденсаторной батареи и выводами переменного тока второго выпрямителя, причем конденсаторные батареи соединены в последовательную цепь и предназначены для подключения к сети

переменного тока.

i . Л

i Л

i ь / -/

Pwe.Z

0,4 0,8 f,Z 1,6. 2,0 2,4 ,8 3,г J,G 4,0 M,

a