Патент на изобретение №2342766

(54) СИНХРОНИЗИРОВАННЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим асинхронным двигателям с фазным ротором общепромышленного исполнения, работающим в циклическом режиме с регулированием частоты вращения. Техническим результатом является регулирование синхронной скорости вращения двигателя с реализацией абсолютно жестких механических характеристик, уменьшение колебаний скорости и момента двигателя в момент переключения токов в обмотках ротора, уменьшение потерь энергии при пуске двигателя. Синхронизированный асинхронный двигатель содержит статор с трехфазной обмоткой, начальные выводы которой подключены к выходу трехфазного источника питания, а ее конечные выводы – к входу трехфазного мостового выпрямителя, и ротор с трехфазной обмоткой, выводы которой подключены к выходу трехфазного мостового инвертора, анодный вход которого соединен с катодным выходом выпрямителя, а катодный вход инвертора соединен с анодным выходом выпрямителя, трехфазный источник питания выполнен в виде преобразователя частоты, вход которого подключен к питающей сети, в трехфазном мостовом инверторе встречно-параллельно каждому полностью управляемому вентилю включен свой обратный диод, управляющие входы полностью управляемых вентилей подключены к выходу двухрежимного блока управления трехфазным мостовым инвертором. 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к электрическим асинхронным двигателям с фазным ротором общепромышленного исполнения, работающим в циклическом режиме с регулированием частоты вращения.

Известен синхронизированный асинхронный двигатель, содержащий статор с трехфазной обмоткой и ротор с трехфазной обмоткой, подключенной к выходу выпрямительного устройства, шунтированного резистором и контактами коммутационного аппарата, причем обмотка статора начальными выводами подключена к питающей сети, а конечными выводами подключена к входу выпрямителя [1].

Недостатком этого двигателя является разная величина токов, протекающих по разным обмоткам ротора, так как по одной фазной обмотке протекает максимальный ток, а по двум другим только половина этого максимального тока. Вследствие этого одна фазная обмотка ротора нагревается сильнее, чем две другие фазные обмотки ротора. Это приводит также к снижению перегрузочной способности двигателя.

Наиболее близким к заявленному двигателю по технической сущности и достигаемому результату является синхронизированный асинхронный двигатель, содержащий статор с трехфазной обмоткой, начальные выводы которой подключены к питающей сети, а ее конечные выводы – к входу трехфазного мостового выпрямителя, и ротор с трехфазной обмоткой, к выходам выпрямителя подключены контакты коммутирующего аппарата, причем выводы обмотки ротора подключены к выходу трехфазного мостового инвертора, анодный вход которого соединен с катодным выходом выпрямителя, а катодный вход инвертора соединен с анодным выходом выпрямителя, к выводам обмотки ротора через контакты коммутационного аппарата подключены пусковые резисторы [2].

Недостатками этого двигателя является невозможность регулирования синхронной скорости, большие потери энергии в пусковом резисторе, а также большие колебания момента и скорости двигателя в момент переключения токов в обмотках ротора.

Предлагаемый синхронизированный асинхронный двигатель содержит статор с трехфазной обмоткой, начальные выводы которой подключены к выходу трехфазного источника питания, а ее конечные выводы – к входу трехфазного мостового выпрямителя, и ротор с трехфазной обмоткой, выводы которой подключены к выходу трехфазного мостового инвертора, выполненного из полностью управляемых вентилей, анодный вход инвертора соединен с катодным выходом выпрямителя, а катодный вход инвертора соединен с анодным выходом выпрямителя, трехфазный источник питания выполнен в виде преобразователя частоты, вход которого подключен к питающей сети, в трехфазном мостовом инверторе встречно-параллельно каждому полностью управляемому вентилю включен свой обратный диод, управляющие входы запираемых вентилей подключены к выходу двухрежимного блока управления трехфазным мостовым инвертором.

На фиг.1 изображена принципиальная схема предлагаемого устройства. На фиг.2 – временные диаграммы токов, протекающих по обмоткам ротора двигателя. На фиг.3 – отрезок временной диаграммы тока и напряжения в фазной обмотке ротора.

Синхронизированный асинхронный двигатель содержит трехфазную статорную обмотку 1 и трехфазную роторную обмотку 2, причем начальные выводы статорной обмотки подключены к выходу трехфазного преобразователя частоты 3, вход которого подключен к питающей сети, а конечные выводы статорной обмотки соединены с входом трехфазного мостового выпрямителя 4, имеющего катодный и анодный выходы, анодный выход выпрямителя 4 соединен с катодным входом трехфазного мостового инвертора 5, выполненного из полностью управляемых вентилей 6 (V1…V6), а катодный выход выпрямителя 4 подключен к анодному входу инвертора 5. В трехфазном мостовом инверторе 5 встречно-параллельно каждому полностью управляемому вентилю 6 (V1…V6) включен свой обратный диод 7 (Д1…Д6). Трехфазный выход инвертора 5 присоединен к выводам обмотки ротора 2, а управляющие входы полностью управляемых вентилей 6 инвертора 5 подключены к выходу двухрежимного блока 8 управления инвертором.

Пуск двигателя осуществляется при работе двухрежимного блока 8 в первом режиме. В этом случае на все вентили 6 (V1…V6) подан сигнал управления и все вентили (V1…V6) открыты. Обмотка ротора двигателя 2 будет закорочена через открытые вентили (V1…V6) и обратные диоды 7 (Д1…Д6). Выходы обмотки статора 1 асинхронного двигателя закорочены через диоды выпрямителя 4 и открытые вентили 6 инвертора 5, токи, протекающие по обмотке статора, такие же, как и при соединении ее в звезду. При этом двигатель работает в асинхронном режиме. Преобразователь частоты 3 обеспечивает частотный пуск асинхронного двигателя. По мере разгона двигателя постепенно увеличиваются частота и напряжение на выходе преобразователя частоты 3 и двигатель выходит на предсинхронную скорость. Применение частотного пуска двигателя обеспечивает снижение пусковых потерь энергии в электроприводе.

После достижения двигателем предсинхронной скорости происходит переключение блока управления инвертором 8 во второй режим работы. В начальный момент второго режима работы блока управления инвертором 8 сигнал управления снимается с вентилей V1, V4 и V6, при этом сигнал управления остается поданным на вентили V2, V3 и V5. Обмотка ротора оказывается под выпрямленным напряжением, вследствие этого по обмоткам ротора начинает протекать постоянный ток через вентили V1, V4 и V6, что способствует втягиванию двигателя в синхронизм. Скорость вращения ротора становится равной скорости вращения поля статора. По обмотке А ротора двигателя протекает максимальный постоянный ток, по обмоткам В и С ротора двигателя протекает 1/2 от максимального постоянного тока. В дальнейшем осуществляется поочередное переключение управляемых вентилей.

Последовательность включения управляемых вентилей приведена в таблице.

Графики токов в фазных обмотках ротора показаны на фиг.2. Частота переключения вентилей значительно (более чем на порядок) меньше частоты питающей сети. Промежуток времени между переключениями составляет более 10 секунд. По каждой из фазных обмоток ротора ¹/₃ часть межкоммутационного периода работы протекает максимальный ток, ²/₃ части периода работы – только половина максимального тока. Поэтому фазные обмотки ротора имеют одинаковый тепловой режим.

Для уменьшения колебаний скорости ротора и обеспечения более стабильной работы двигателя в момент переключения тока в обмотках ротора используется режим широтно-импульсной модуляции инвертора 5, при котором в коммутационном интервале полностью управляемые вентили (V1…V6) включаются и отключаются по команде блока управления инвертором 8, обеспечивая линейное изменение тока в фазных обмотках ротора двигателя.

На фиг.3 показан временной интервал графика изменения напряжения и тока в фазе ротора двигателя в режиме широтно-импульсной модуляции инвертора 5. Фазные обмотки ротора периодически подключаются к источнику питания постоянного тока, имеющего постоянную величину напряжения U_p. Переключение схемы соединения обмоток ротора и подключение их к источнику питания производится за счет включения и выключения полностью управляемых вентилей (V1…V6) инвертора 5. Наличие обратных диодов (Д1…Д6) обеспечивает цепи протекания токов при включении и выключении вентилей (V1…V6) инвертора 5.

Частота коммутаций вентилей в коммутационном интервале постоянна и равна . Величина среднего напряжения, поступающего к обмоткам ротора, определяется отношением , времени включенного состояния t₁ ключей ко времени периода коммутаций Т=t₁+t₂. Если время включенного состояния составит, например, t₁=0,95T, то среднее напряжение, поступающее на обмотки ротора, составит U_max=0,95U_p. Если уменьшать время включенного состояния, то среднее значение напряжения также будет уменьшаться. Следовательно, напряжение широтно-импульсного регулятора равно

.

При переключении обмоток ротора в коммутационном временном интервале в режиме ШИМ обеспечивается плавное изменение значения тока в фазах ротора. В течение межкоммутационных временных интервалов полностью управляемые вентили инвертора 5 поочередно находятся во включенном и отключенном состоянии согласно алгоритму, описываемому таблицей.

Регулирование синхронной угловой скорости вращения поля статора и соответственно установившейся угловой скорости вращения двигателя осуществляется путем изменения частоты и напряжения на выходе преобразователя частоты 3. При этом статические механические характеристики двигателя на рабочем участке являются абсолютно жесткими, а на пусковом участке они формируются преобразователем частоты согласно заданному закону частотного управления.

Таким образом, в предлагаемом электроприводе обеспечено регулирование синхронной скорости вращения двигателя с реализацией абсолютно жестких механических характеристик, уменьшены колебания скорости и момента двигателя в момент переключения токов в обмотках ротора, уменьшены потери энергии при пуске двигателя.

Список используемой литературы

1. Авторское свидетельство СССР №782062. Синхронизированный асинхронный двигатель, МКИ Н02К 17/26. 23.11.80. Бюл. №43.

2. Патент РФ №2263388. Синхронизированный асинхронный двигатель, МКИ Н02Р 1/50, Н02К 17/26. 27.10.2005. Бюл. №30.

Формула изобретения

Синхронизированный асинхронный двигатель, содержащий статор с трехфазной обмоткой, начальные выводы которой подключены к выходу трехфазного источника питания, а ее конечные выводы – к входу трехфазного мостового выпрямителя, и ротор с трехфазной обмоткой, выводы которой подключены к выходу трехфазного мостового инвертора, анодный вход которого соединен с катодным выходом выпрямителя, а катодный вход инвертора соединен с анодным выходом выпрямителя, отличающийся тем, что трехфазный источник питания выполнен в виде преобразователя частоты, вход которого подключен к питающей сети, в трехфазном мостовом инверторе встречно-параллельно каждому полностью управляемому вентилю включен свой обратный диод, управляющие входы полностью управляемых вентилей подключены к выходу двухрежимного блока управления трехфазным мостовым инвертором.

РИСУНКИ