Патент на изобретение №2371831

(54) АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С ФАЗНЫМ РОТОРОМ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводах общепромышленных механизмов, например, насосов, транспортеров, вентиляторов и др. Техническим результатом является повышение КПД электропривода, улучшение его регулировочных характеристик. Асинхронный электропривод содержит асинхронный электродвигатель с фазным ротором, тиристорный коммутатор в цепи статора, регулятор тока, датчик тока, датчик положения ротора, механически связанный с валом асинхронного двигателя. В тиристорный коммутатор введены два дополнительных последовательно соединенных тиристора. Анод первого дополнительного тиристора соединен с катодом второго дополнительного тиристора и подключен к нейтрали питающей сети. Катод первого дополнительного тиристора подключен к катодной точке коммутатора, а анод второго дополнительного тиристора – к анодной точке коммутатора. В зависимости от сигнала с датчика положения ротора двигателя управляющие импульсы подаются на два тиристора двух фаз или одной фазы и нейтрали сети статора асинхронного двигателя, фазную зону которых пересекает магнитная ось обмотки ротора. 3 ил.

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 схема и способ импульсного регулирования скорости асинхронного электропривода (см. Патент РФ 2095933, МКИ 6 H02P 7/42. 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 t_ИНТ=Т/(2n), где Т – период напряжения питающей сети, n – 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 2288535, МПК H02P 27/05. Асинхронный электропривод с фазным ротором и способ управления им / Ю.С.Усынин, А.В.Валов, В.В.Деккер. Заявл. 04.07.2005. Опубл. 27.11.2006. Бюл. 33).

В этом электроприводе, содержащем асинхронный двигатель с фазным ротором, тиристорный коммутатор в цепи статора двигателя, между катодными и анодными группами тиристорного коммутатора включены последовательно обмотка ротора двигателя и датчик тока ротора, на первый управляющий вход тиристорного коммутатора подключен вывод регулятора тока, а на второй управляющий вход – вывод датчика положения ротора, механически связанного с валом асинхронного двигателя с фазным ротором. Первый управляющий вход регулятора тока соединен с источником задающего напряжения, пропорционального желаемому току статора, а второй управляющий вход регулятора тока соединен с выводом датчика тока. По сигналу с датчика положения ротора управляющие импульсы подаются на два тиристора тех двух фаз статора асинхронного двигателя, фазную зону которых пересекает магнитная ось обмоток ротора.

Однако МДС обмоток статора создается только линейным напряжением и не использует однофазное напряжение сети, что сужает регулировочные возможности электропривода, особенно при регулировании момента и скорости в большом диапазоне.

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

Решение поставленной задачи достигается тем, что в асинхронном электроприводе с фазным ротором, содержащем асинхронный электродвигатель с фазным ротором, статорная обмотка которого через тиристорный коммутатор подключена к питающей многофазной сети переменного тока, а обмотка ротора включена между катодными и анодными группами коммутатора, датчик выпрямленного тока тиристорного коммутатора, регулятор этого тока и датчик углового положения ротора асинхронного двигателя, на первый управляющий вход тиристорного коммутатора подключен вывод регулятора тока, а на второй управляющий вход – вывод датчика положения ротора, на первый управляющий вход регулятора тока подается напряжение, пропорциональное желаемой величине тока статора, а на второй – сигнал с датчика тока, согласно изобретению тиристорный коммутатор снабжен двумя дополнительными последовательно соединенными тиристорами, анодная точка первого дополнительного тиристора соединена с катодной точкой второго дополнительного тиристора и подключена к нейтрали питающей сети, катодная точка первого дополнительного тиристора подключена к катодной точке коммутатора, а анодная точка второго дополнительного тиристора – к анодной точке коммутатора.

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 МДС, создаваемых токами в обмотках статора F_C и ротора F_P. При этом вектор F_C вращается скачкообразно с постоянной средней скоростью, определяемой частотой питающей сети, а вектор F_P вращается непрерывно с угловой скоростью ротора.

Особенность предлагаемого решения состоит в том, что двигатель может получать однофазное питание, что улучшает регулировочные и энергетические характеристики электропривода, снижает пульсации момента.

Сущность данного изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 – схематичный поперечный разрез асинхронного двигателя; на фиг.2 – пример функциональной схемы; на фиг.3 – диаграммы, поясняющие принцип работы датчика положения ротора. На фиг.3 заштрихованными прямоугольниками показаны отрезки углового перемещения вала ротора двигателя, на которых датчиком положения ротора дается разрешение на включение тиристоров, где – угол (электрический) поворота вала двигателя.

На фиг.1 представлен в разрезе пример трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором, когда в пазах статора 1, расположенных в плоскостях А-а, В-b и С-с, сдвинутых пространственно на 120 электрических градусов, размещены обмотки 2, 3 и 4 статора. В пазах ротора 5 размещены фазные обмотки 6, 7 и 8 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 2, 3 и 4 (фиг.2) подсоединены к фазным зажимам А, В и С источника трехфазного напряжения питания, а концы этих обмоток – ко входам тиристорного коммутатора 9. Кроме того, тиристорный коммутатор снабжен дополнительной парой тиристоров 10 и 11, общая точка которых подключена к нейтрали питающей сети. Тиристоры 12, 13, 14 и 10 в коммутаторе 9 образуют катодную группу, а тиристоры 15, 16, 17 и 11 – анодную группу вентилей. В рассечку между анодной и катодной группами вентилей включен датчик тока 18. На первый управляющий вход тиристорного коммутатора 9 подключен выход регулятора тока 19, а на последующие шесть его управляющих входов подключены выводы датчика 20 положения ротора 5. Этот датчик механически связан с валом ротора асинхронного двигателя. На первый управляющий вход регулятора тока 19 подается напряжение U_3T, пропорциональное желаемой величине тока статора, а на второй – сигнал с датчика тока 18.

На фиг.3 изображена диаграмма, поясняющая принцип работы датчика 20 положения ротора 5. На фиг.3 в зависимости от угла поворота вала ротора 5 двигателя датчик 20 положения ротора разрешает подачу управляющих импульсов на тиристоры анодной и катодной групп коммутатора, а также тиристоров 10 и 11 в следующей последовательности: при изменении угла поворота ротора 5 от нуля до 90 градусов (электрических) отпирают тиристор 12, от 120 до 210 градусов – тиристор 13, от 240 до 330 – тиристор 14, принадлежащие катодной группе коммутатора 9. Одновременно датчик 20 положения ротора разрешает подачу отпирающих импульсов на тиристоры анодной группы: при изменении угла от 60 до 150 градусов отпирают тиристор 17, от 180 до 270 градусов – тиристор 15, от 300 до 30 градусов следующего электрического оборота ротора 5 – тиристор 16, при изменении угла от 90 до 120, от 210 до 240 и от 330 до 360 градусов отпирают тиристор 10 и, наконец, при изменении угла от 30 до 60, от 150 до 180 и от 270 до 300 градусов отпирают тиристор 11.

Благодаря выбранной последовательности отпирания тиристоров достигается дискретное (шаговое) круговое перемещение вектора магнитодвижущей силы F_C статора в воздушном зазоре двигателя.

За исходное состояние электропривода принимается мгновенное состояние всех его элементов, когда вращающийся по часовой стрелке ротор 5 занимает пространственное положение, как на фиг.1. На фиг.3 это положение обозначено ₀ В целях наглядности изложения начало отсчета угла поворота ротора на графиках (фиг.3) и исходное положение ротора ₀ выбраны несовпадающими.

В положении ротора ₀, принятом за исходное, управляющие импульсы подаются только на тиристоры 12 и 16. Поэтому ток протекает от фазы А питающей сети к фазе В только в положительные полупериоды приложенного напряжения и по следующей цепи (см. фиг.2): фаза А – обмотка 2 – тиристор 12 – датчик тока 18 – обмотки ротора 6 – 7 – тиристор 16 – обмотка 3 – фаза В. Направления токов во всех обмотках статора 1 и ротора 5, соответствующие описанному исходному мгновенному положению ротора 5, указаны на фиг.1.

Электропривод работает следующим образом. Так как направления векторов F_C и

F_P не совпадают (а при ₀ они взаимно ортогональны), то двигатель будет развивать момент, а его ротор 5 придет во вращение по часовой стрелке.

Когда ротор 5 двигателя повернется из положения ₀ до угла поворота ротора =30 градусов, то в соответствии с диаграммой (фиг.3) датчик 20 положения ротора 5 прекратит подачу отпирающих импульсов на тиристор 16, но одновременно разрешит их подавать на тиристор 11. В результате импульсы тока от питающей сети пойдут по цепи: фаза А – обмотка 2 – тиристор 12 – датчик тока 18 – обмотки ротора 6 – 7 – тиристор 11 – нейтраль питающей сети, а вектор МДС статора F_C повернется по часовой стрелке на 30 градусов от начала отсчета на фиг.3 (и на 15 градусов от ₀). Через 60 градусов от начала отсчета (фиг.3) датчик 20 положения ротора 5 запрещает подавать управляющие импульсы на управляющий вход тиристора 11, но разрешает подавать их на управляющий вход тиристора 17. Через 30 градусов импульсы снимаются с тиристора 12 и подаются на тиристор 10 и т.д. Переключая через каждые 30 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 напряжением U_ЗТ.

Промышленная применимость предлагаемого решения. Асинхронный электропривод может быть рекомендован для общепромышленных механизмов (насосов, вентиляторов, транспортеров и т.д.).

Формула изобретения

Асинхронный электропривод с фазным ротором, содержащий асинхронный электродвигатель с фазным ротором, статорная обмотка которого через тиристорный коммутатор подключена к питающей многофазной сети переменного тока, а обмотка ротора включена между катодными и анодными группами коммутатора, датчик выпрямленного тока тиристорного коммутатора, регулятор этого тока и датчик углового положения ротора асинхронного двигателя, на первый управляющий вход тиристорного коммутатора подключен вывод регулятора тока, а на второй управляющий вход – вывод датчика 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 тиристорный коммутатор снабжен двумя дополнительными последовательно соединенными тиристорами, анодная точка первого дополнительного тиристора соединена с катодной точкой второго дополнительного тиристора и подключена к нейтрали питающей сети, катодная точка первого дополнительного тиристора подключена к катодной точке коммутатора, а анодная точка второго дополнительного тиристора – к анодной точке коммутатора.

РИСУНКИ