ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА


RU (11) 2025037 (13) C1

(51) 5 H02P7/74 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 07.12.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 5024051/07 
(22) Дата подачи заявки: 1992.01.27 
(45) Опубликовано: 1994.12.15 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: 1. Голован А.Г. Основы электропривода. М.: Госэнергоиздат, 1959, с.314. 2. Авторское свидетельство СССР N 81240, кл. H 02P 7/74, 1950. 3. Сабинин Ю.А. Электромашинные устройства автоматики. Л.:Энергоатомиздат, 1988, с.296. 
(71) Заявитель(и): Львов Евгений Львович; Фомченков Владимир Петрович 
(72) Автор(ы): Львов Евгений Львович; Фомченков Владимир Петрович 
(73) Патентообладатель(и): Львов Евгений Львович; Фомченков Владимир Петрович 

(54) ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 

Использование: в приводах тягового состава, следящих системах автоматических линиях и механизмах. Сущность: электрический привод переменного тока с двумя синхронными машинами 1, 2 снабжен k-фазным управляемым выпрямителем 3, выходом подключенным к однофазной обмотке ротора синхронной машины 1. Роторная обмотка синхронной машины 3 соединена с источником 4 питания постоянного тока. Роторы машин сдвинуты на 90 эл.градусов, а статорные обмотки пофазно соединены через симисторы 5 - 7 последовательно. Такое выполнение позволило упростить привод и расширить его диапазон регулирования частоты вращения. 5 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к электротехнике, конкретно к управляемому электроприводу, и может быть исопользовано для привода тягового состава, в следящих системах, автоматических линиях и механизмах с широким диапазоном изменения частоты вращения.

Известна схема привода, содержащая два асинхронных двигателя с фазными роторами, сидящими на общем валу, и регулировочными реостатами в цепях роторов, причем одна машина работает в двигательном режиме, а вторая - в режиме противотока [1].

Недостатком такой схемы являются невысокие энергетические показатели привода, что связано с потерями мощности при регулировании частоты вращения реостатом в роторе.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является электрический привод переменного тока, выполненный из двух асинхронных двигателей с фазными роторами, сидящими на общем валу и включенными последовательно через резисторы с дросселями, причем регулирование частоты вращения осуществляется за счет поворота статора одного из двигателей [2].

Однако наличие поворотного статора у одного из двигателей усложняет конструкцию привода. Другой недостаток прототипа заключается в ограниченном диапазоне изменения частоты вращения, что связано с потеpями мощности в резисторах.

Цель изобретения - расширение диапазона регулирования частоты вращения и упрощение конструкции привода.

Цель достигается тем, что в известный электрический привод переменного тока, содержащий две машины с трехфазными электрически связанными обмотками на статорах и жестко соединенными валами роторов, введены k-фазный управляемый выпрямитель с входами для соединения с k-фазной сетью, источник питания постоянного тока и три симметричных управляемых ключа, каждый из которых включен последовательно в цепи соединения одноименных фаз статорных обмоток, роторы машин сдвинуты на 90 эл. градусов, а роторные обмотки выполнены однофазными, причем роторная обмотка второй машины подключена к выходу источника питания постоянного тока, а роторная обмотка первой машины соединена с выходом k-фазного управляемого выпрямителя, где k=1,3.

Кроме того, к достоинствам заявляемого привода следует отнести простоту управления частотой вращения, отсутствие необходимости в специальных мерах для осуществления пуска, устойчивость работы на "ползучих" частотах вращения, а также возможность питания как от трехфазной, так и от однофазной сети что позволяет расширить его область применения.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого электрического привода переменного тока; на фиг.2 - условно положительные направления токов и потокосцеплений; на фиг.3 - семейство электромеханических характеристик; на фиг.4 - временные диаграммы работы привода в режиме заторможенного ротора для случая питания от однофазной сети, где Uс - напряжение сети; Uр - напряжение на роторной обмотке первой машины; U - сигнал на выходах устройства управления; - угол фазового регулирования; iа,в,с,р - переменные токи обмоток; Iо - постоянный ток роторной обмотки второй машины; а1,в1,с1,а2, в2, с2,р1,р2 - потокосцепления обмоток; Wр,Wст - количество витков соответственно роторной обмотки и одной фазы статорной обмотки; на фиг.5 - вариант функциональной схемы устройства управления.

В состав электрического привода переменного тока входят синхронные машины 1 и 2 с трехфазной обмоткой на статоре и однофазной - на роторе, управляемый выпрямитель 3, источник питания постоянного тока 4, симисторы 5-7, устройство управления 8, усилители-формирователи 9-11, нуль-органы 12-13, сумматор 14 и фазосдвигающие устройства 15-16.

Валы роторов машин 1 и 2 жестко соединены и сдвинуты на 90 эл.градусов. Выход источника питания 4 присоединен к роторной обмотке машины 2, а его вход подключен к сети. Симисторы 5-7 соединяют одноименные фазы статорных обмоток машин 1 и 2. Роторная обмотка машины 1 подключена к выходу выпрямителя 3, входами своими соединенного с сетью. Входы фазосдвигающих устройств 15 и 16 соединены между собой и подключены к напряжению синхронизации. Выход фазосдвигающего устройства 15 соединен с одним из входов нуль-органа 12, а выход фазосдвигающего устройства 16 подключен к одному из входов нуль-органа 13. Вторые входы нуль-органов 12-13 соединены с напряжением управления, а их выходы подключены к входам усилителей-формирователей соответственно 9-10. Один из входов сумматора 14 соединен с выходом нуль-органа 12, а другой вход подключен к выходу нуль-органа 13, выход сумматора 14 соединен с входом усилителя-формирователя 11. Выходы усилителей-формирователей 9-10 подключены к управляющим входам выпрямителя 3, а выходы усилителя-формирователя 11 соединены с управляющими электродами симисторов 5-7.

Работа привода для случая подключения его к однофазной сети (k=1). Управляемый выпрямитель 3 выполняется по однофазной мостовой двухполупериодной симметричной схеме. В качестве машин 1 и 2 применены синхронные машины, источник питания 4 построен в виде диодного моста, а в качестве симметричных управляемых ключей 5-7 взяты симисторы.

Для положительных направлений токов и потокосцеплений, принятых на фиг. 2, уравнения рассматриваемого привода имеют вид:

= L ia- cos

= L iв- cos(-2/3)

= L ic- cos(+2/3)

= - iacos - iвcos(-2/3) - iccos(+2/3)

= L ia+ sin

= L iв+ sin(-2/3) (1)

= L ic+ sin(+2/3)

= + iasin + iвsin(-2/3) + icsin(+2/3)

m2= Jo = Jo(iacos+bcos(-2/3)+icos(+2/3)) ,

m1= -ip = ip(iasin+iвsin(-2/3)+isin(+2/3)) , где L - индуктивность одной фазы статорной обмотки;

n = - коэффициент трансформации между статорной и роторной обмотками при совпадении их осей;

- угол сдвига между осями обмотки ротора и фазы "а" статора машины 1;

m1 и m2 - мгновенные значения моментов, развиваемых машинами 1 и 2.

Уравнения (1) получены для случая использования одинаковых машин с неявнополюсными роторами при допущении линейности магнитной системы и пренебрежении рассеиванием и потерями в стали. Разница в формулах для потокосцеплений и моментов машин 1 и 2, связанная с наличием либо sin , либо cos , обусловлена пространственным сдвигом роторов машин на 90 эл. градусов.

Дифференциальные уравнения цепей статорных обмоток и роторной обмотки машины 1 при открытых тиристорах одного плеча моста выпрямителя 3 и симисторах 5-7 без учета активного сопротивления обмоток имеют вид:

- = 0 , l = a, в, c (2)

= Umsint где , Um - частота и амплитуда напряжения сети Uс.

Решение дифференциальных уравнений (2) с учетом (1) для =const и начальных условий t= , iр=iа=iв=iс=0, что соответствует закрытому состоянию тиристоров выпрямителя 3 и симисторов 5-7 в момент подачи импульса отпирания, составляет:

ia = ipcos

iв = ipcos (-2/3)

ic = ipcos (+2/3) (3)

ip = (cos-cost)

Запирание ключей происходит естественным образом по достижении токами обмоток нулевого значения, при этом t=2 - .

Момент m, развиваемый приводом, равен сумме моментов, создаваемых машинами 1 и 2. После подстановки значений токов из (3) в уравнения (1) для моментов и тригонометрических преобразований имеем

m = m1+m2= (cos-cost).

Результирующий момент, таким образом, в режиме заторможенного ротора не зависит от угла и имеет пульсирующий характер с ненулевым средним значением, определяемым на интервале существования токов как

= mdt = [(-)cos+sin] (4)

Пуск привода осуществляется за счет синхронного изменения фазы управляющих импульсов Uз на тиристоры одного плеча мостового выпрямителя 3 и симисторы 5-7 в диапазоне от до /2 в первом полупериоде и от 2 до 3 /2 во втором полупериоде. Максимальное значение пускового момента достигается согласно (4) при = /2:

= .

По мере увеличения частоты вращения ротора = от нулевой в токах появляются дополнительные составляющие, обусловленные ЭДС вращения:

ia = - (sin-sin)

iв = - (sin(-2/3)-sin(-2/3))

ic = - (sin(+2/3)-sin(+2/3))

ip = Josin(-) , что приводит к уменьшению момента с роcтом . Здесь - текущий угол сдвига, а - его значение в момент подачи управляющего импульса.

Возможность регулирования частоты вращения ротора в широких пределах следует из вида семейства электромеханических характеристик (фиг.3), рассчитанных для фиксированных значений угла в относительных единицах,

= , * = и Jo = 

Устройство управления 9 реализует принцип вертикального управления. Напряжение Uсинх синхронизации, синфазное с силовым напряжением сети Uс,поступает на фазосдвигающие устройства 15, осуществляющее сдвиг фазы на /2, и 16, осуществляющее сдвиг на 3 /2. Сдвинутые по фазе напряжения используются в качестве опорных при сравнении их с напряжением Uупруправления. В момент их равенства посредством нуль-органов 12-13 создаются управляющие сигналы, которые после усилителей-формирователей 9-10 поступают на тиристоры одного плеча моста выпрямителя 3. Эти же сигналы после суммирования в блоке 14 подаются на усилитель-формирователь 11, затем на управляющие электроды симисторов 5-7.

Для осуществления реверса требуется изменить фазу тока iр на обратную. Это может быть достигнуто, например, за счет выполнения выпрямителя 3 по реверсивной схеме с соответствующими изменениями в устройстве управления 8.

При питании от трехфазной сети (m=3) управляемый выпрямитель 3 выполняется по трехфазной мостовой симметричной схеме. Угол отпирания тиристоров фазы "а" выпрямителя при этом находится в диапазоне 2 /3 < /3 и 4 /3. Управляющие импульсы на симисторы подаются в моменты , +2 /3 и +4 /3.

В предлагаемом приводе возможно также использование обращенных машин, в которых однофазные обмотки расположены на статорах, а трехфазные - на роторах. В качестве обращенных машин могут быть применены конструкции асинхронных двигателей с фазным ротором и трехфазными статорными обмотками, соединенными по однофазной схеме. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, содержащий две машины с трехфазными электрически связанными обмотками на статорах и жестко соединенными валами роторов, отличающийся тем, что в него введены k-фазный управляемый выпрямитель с входами для соединения с k-фазной сетью, источник питания постоянного тока и три симметричных управляемых ключа, каждый из которых включен последовательно в цепи соединения одноименных фаз статорных обмоток, роторы машин сдвинуты на 90 эл.град., а роторные обмотки выполнены однофазными, причем роторная обмотка второй машины подключена к выходу источника питания постоянного тока, а роторная обмотка первой машины соединена с выходом k-фазного управляемого выпрямителя, где k=1,3.