УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ

УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ


RU (11) 2257663 (13) C2

(51) 7 H02P5/40, H02P5/412 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 20.11.2007 - действует 

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

Документ: В формате PDF 
(21) Заявка: 2003118916/09 
(22) Дата подачи заявки: 2003.06.23 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2003.06.23 
(43) Дата публикации заявки: 2004.12.27 
(45) Опубликовано: 2005.07.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 2069034 C1, 10.11.1996. RU 2123757 C1, 20.12.1998. RU 2136103 C1, 27.08.1999. RU 7260 U1, 16.07.1998. RU 22843 U1, 27.04.2002. SU 1767668 A1, 07.10.1992. GB 1540997 A, 21.02.1979. US 4437051 А, 13.03.1984. DE 2516247 A1, 25.11.1976. ЕР 0053916 А, 16.06.1982. WO 88/01949 A1, 25.02.1988. 
(72) Автор(ы): Калик А.А. (RU); Сверков В.С. (RU); Лосев Е.А. (RU); Дубин А.Е. (RU); Попов С.Д. (RU); Годлевский В.У. (RU); Степанов В.Л. (RU); Абузяров Ф.Н. (RU); Кривовяз В.К. (RU); Дудин Д.Н. (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Открытое акционерное общество "Уральский приборостроительный завод" (RU) 
Адрес для переписки: 620000, г.Екатеринбург, ул. Горького, 17, Уральский приборостроительный завод (для ОКБ "Авионика"), Д.Н. Дудину 

(54) УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для регулирования числа оборотов трехфазных асинхронных двигателей промышленных установок, а также в тяговых электродвигателях железнодорожного транспорта, работающих на переменном токе и в асинхронных электродвигателях, включенных по схеме "мотор - колесо" в большегрузных машинах автомобильного транспорта, например тягачах. Техническим результатом является повышение эксплутационных качеств. В устройстве управления асинхронным электродвигателем системный контроллер первой управляющей шиной соединен с входом включения конденсатора, второй, третьей, четвертой и седьмой управляющими шинами - с входами драйвера, восьмой управляющей шиной - с управляющим входом вентилятора. Входами системного контроллера являются входная шина управления и входы разовых команд, шины обратных связей по току, по частоте вращения и температуре, а входом/выходом - шина последовательного интерфейса. Пятая и шестая шины управления драйвера соединены с затворами силовых ключей 3-фазного моста, который шиной обратной связи по току соединен с системным контроллером и драйвером, а шиной обратной связи по температуре - с входом системного контроллера. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.






ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к электротехнике, в частности к управлению электродвигателями, и может быть использовано для регулирования числа оборотов трехфазных асинхронных электродвигателей промышленных установок, также быть применено в тяговых электродвигателях железнодорожного транспорта, работающих на переменном токе и в асинхронных электродвигателях, включенных по схеме “мотор - колесо” в большегрузных машинах автомобильного транспорта, например тягачах.

Известны классические способы регулирования числа оборотов трехфазных двигателей, см. “Электротехника с основами промышленной электроники”, В.Б.Китаева и Л.С.Шляпинтоха, М, Высшая школа, 1964 г., стр.260-262, в которых для изменения скорости вращения достаточно изменить любую из трех величин (f1, , s)

где: f1 - частота переменного тока, - число пар полюсов двигателя, s -скольжение согласно формуле n2=60 f1/ (1-s), где n2 - число оборотов ротора.

При кажущейся внешней простоте выражения на практике это выливается в следующие недостатки: 

- изменение частоты возможно при наличии специального генератора, а это неэкономично, этот способ применяется, когда несколько двигателей синхронно должны изменять скорость вращения; 

- изменение числа полюсов двигателя, при этом способе на статоре размещают либо две обмотки с различным числом полюсов, либо одну, допускающую переключение на разное число полюсов, но это годится для двигателей только с короткозамкнутым ротором; 

- изменение скольжением, для чего в цепь обмотки ротора вводят регулировочный реостат, но этот способ применим для двигателей с ротором, имеющим фазную обмотку, также этот способ неэкономичен и снижает КПД двигателя.

Известны способы регулирования частоты вращения асинхронных двигателей изменением величины или нарушением симметрии подводимого напряжения, см. “Электрические машины”, М.М.Кацман, М., “Высшая школа”, 1983 г., стр.190-192. 

Недостатками этих способов являются:

- узкий диапазон регулирования и утрата перегрузочной способности (первый способ); 

- узкая зона регулирования и уменьшение КПД двигателя (второй способ).

Известны способы управления частотой вращения, основанные на тиристорном управлении с применением ЭВМ (PC), см. “Цифровые системы управления электроприводами”, А.А.Батоврин и др., Энергия, Ленинград, 1977, стр.106-112, 123-128. Так известен асинхронно-вентильный каскад, см. А.С. СССР №1716596, в котором с целью расширения диапазона регулирования частоты вращения датчик частоты и фазы асинхронного двигателя выполнен электрическим и составлен из последовательно соединенных между собой индуктивного токового фильтра, входом соединенного с выводами обмотки ротора асинхронного двигателя, узла гальванической развязки, выделителя полуволн напряжения, формирователя прямоугольных импульсов и формирователя частоты и фазы напряжения ротора, выход которого образует выход датчика частоты и фазы асинхронного двигателя, и введены фазосмещающий блок, одним входом соединенный с выходом датчика частоты и фазы напряжения сети, а другим входом - с выходом задатчика интенсивности, выделитель выходных частот, включенный между входом задатчика интенсивности и выходом датчика частоты и фазы асинхронного двигателя, двухвходовой блок перемножения, один вход которого соединен с выходом фазосмещающего блока, другой вход - с выходом датчика частоты и фазы асинхронного двигателя, а выход блока перемножения подключен к входу блока управления тиристорным преобразователем частоты.

Недостатком этого каскада является его сложность и все равно недостаточный диапазон регулирования.

Также известно устройство по А.С. СССР “Способ управления асинхронным двигателем с фазным ротором”, при котором напряжение ротора после понижения в трехфазном трансформаторе преобразуют в находящееся в фазе с напряжением ротора электродвигателя напряжение пилообразной формы с длительностью, равной половине периода напряжения ротора, напряжение пилообразной формы сравнивают с опорным напряжением и по результату сравнения осуществляют воздействие на тиристорную силовую схему в цепи ротора электродвигателя, а с целью повышения точности и диапазона регулирования стабилизируют амплитуду тока ротора, амплитуду указанного напряжения пилообразной формы формируют пропорционально периоду напряжения ротора, в указанное опорное напряжение формируют путем умножения напряжения, пропорционального амплитуде напряжения пилообразной формы, на напряжение задания момента.

Недостатками данного способа является, при всей кажущейся привлекательности, следующие:

- большие пусковые токи, что требует специальных мер их уменьшения, а следовательно увеличения аппаратурных затрат;

- недостаточный диапазон регулирования в силу построения самой схемы;

- низкий КПД.

Отдельной проблемой регулирования скорости вращения электродвигателей переменного тока большой мощности является момент включения/ выключения, т.к. желательно это делать при переходе фаз через нуль, в противном случае возникают броски перенапряжений (точнее токов, со всеми вытекающими отсюда неприятными последствиями). Известно устройство для переключения силовых транзисторов в момент перехода напряжений через ноль, см. ж. “Вестник электроники”, №1, 2003 г, статья “Квазирезонансный режим работы”, в которой описан контур, определяющий момент, когда вся энергия уже передана и напряжение стока минимально, за счет этого снижаются потери на переключение, нагрев и т.д.

Недостатки следующие: схема достаточно громоздка и хорошо работает на высоких частотах, на низких частотах возникают проблемы со схемной реализацией. 

Известен мотор-колесо, см. патент РФ №2038955. Сущность изобретения: в мотор-колесе, содержащем электропривод, состоящий из источника регулируемого напряжения и электродвигателя, якорь с магнитопроводом и электромагнитами закреплен на оси, индуктор с магнитопроводом и постоянными магнитами закреплен на ободе, распределительный коллектор, образованный расположенными по окружности пластинами закреплен на якоре, токосъемники щетками закреплены на индукторе, дополнительно введены минимум один индукторный токосъемник на индукторе, имеющий щетку, и минимум один кольцевой контакт, закрепленный на якоре. Пластины соединены с катушками электромагнитов. Указанное мотор-колесо имеет ряд модификаций и может использоваться для создания экологически чистых, надежных и экономических транспортных средств - ПРОТОТИП.

Недостатком прототипа является его сложность, а введение щеток, кольцевых контактов (умноженных на число колес) при повышенных мощностях, (60-100 кВт) приводит к резкому возрастанию уровня помех и износу щеток, контактов и т.д. Также следует отметить недостаточность глубины регулировки по скорости.

Технической задачей изобретения является повышение эксплутационных качеств за счет:

- исключения щеток, контактов и прочих механических искрозадающих элементов; 

- увеличения глубины регулировки по скорости с одновременным сохранением перегрузочной способности;

- резкого увеличения КПД.

Указанная цель достигается тем, что предлагается устройство управления асинхронным электродвигателем, содержащее силовые ключи с драйвером управления, системный контроллер, конденсатор со схемой включения, тахогенератор, шина последовательного интерфейса, шина входных разовых команд, входная шина управления, восемь управляющих шин, силовые шины, шины обратных связей и управляемый вентилятор, соединенные следующим образом: системный контроллер первой управляющей шиной соединен с входом включения конденсатора, второй, третьей, четвертой и седьмой управляющими шинами - с входами драйвера, восьмой управляющей шиной - с управляющим входом вентилятора; входами системного контроллера являются входная шина управления и входы разовых команд, также шины обратных связей по току, по частоте вращения и температуре, а входом/выходом - шина последовательного интерфейса; пятая и шестая шины управления драйвера соединены с затворами силовых ключей 3-фазного моста, который шиной обратной связи по току соединен с системным контроллером и драйвером, а шиной обратной связи по температуре - с входом системного контроллера; в качестве силовых ключей применен 3-фазный мост на SkiM-инверторе, выходные силовые шины которого соединены с управляющими обмотками статора тягового электродвигателя, вал которого через редуктор соединен с осью ходового колеса, на которой находится тахогенератор, а выходная обмотка последнего соединена с шиной обратной связи по частоте вращения; силовое питание 3-фазного моста плюсовой шиной соединено со стоками верхних силовых ключей и через устройство включения - с первым конденсатором, а нулевой шиной через токовый резистор - со стоками нижних силовых ключей, общая точка которых соединена с шиной обратной связи по току, температурный датчик измерения нагрева SkiM-инвертора соединен с шиной обратной связи по температуре; входной каскад системного контроллера выполнен на первом и втором операционных усилителях выделения модуля, соединенных: первый с входной шиной управления, а второй - с шиной обратной связи по скорости с тахогенератора, выход этих усилителей соединен с инверсным и прямым входом компаратора соответственно, выход компаратора соединен седьмой управляющей шиной с входом отключения драйвера.

На фиг.1 и фиг.2 изображено: 

1 - системный контроллер (СК) (устройство для обмена данными с другой подсистемой, регулируя ее работу), 2 - драйвер (устройство, контролирующее и управляющее работой другого устройства), 3 - 3-фазный SkiM (это шесть силовых ключей, образующих 3-фазный мост для включения и выключения обмоток трехфазного асинхронного двигателя по программе СК1), 4 - устройство включения конденсатора (УВК), 5-3-фазный асинхронный тяговый электродвигатель (ТЭД), 6 - ходовая часть с редуктором (вместе с двигателем 5 образует систему “мотор-колесо”), 7 - тахогенератор (ТГ), 8 - управляемый вентилятор, Кл1-Кл3 - верхние силовые ключи, Кл4-Кл6 - нижние силовые ключи, Uупр - входная шина управления, восемь шин управления, 1-N - число разовых команд (РК), RS485 - шина последовательного интерфейса, шины обратных связей по току и по угловой скорости (), силовые шина, шина силового питания и шина измеренной температуры SkiM; на фиг.3 изображены временные диаграммы задающего генератора СК1 и на выходах драйвера 2 (на шинах управления 3-6), шины питания СК1, драйвера 2 и вентилятора 8 на фиг.1 условно не показаны. 

Входами СКГ являются: входная шина U управления, шины 1-N PK, шины ОС по току и , шина RS485 является входом/выходом; выходами СК1 являются: выходная первая шина управления соединенная с входом включения УВК4, выходная вторая шина управления, соединенная с входом включения драйвера 2, выходная третья шина управления (3 разряда HIN1-HIN3), соединенная с входами управления верхними ключами драйвера 2, выходная четвертая шина управления (3 разряда LIN1-LIN3) соединена с входами управления нижними ключами драйвера 2, выходная седьмая шина управления соединена с входом отключения драйвера 2, выходная восьмая шина управления соединена с входом управления вентилятора 8, выходная пятая шина управления драйвера 2 (шесть разрядов HO1, VS1 - HO3, VS3) соединена с верхними ключами Кл1-Кл3 SkiM3, выходная шестая шина управления драйвера 2 (три разряда LO1-LO3) соединена с нижними ключами Кл4-Кл6 SkiM3, выходные силовые шины SkiM3 соединены с обмотками управления ТЭД (ОУ1-ОУЗ), фазы А, В и С соответственно), ротор которого соединен с редуктором ходовой части 6, также с ротором соединен ТГ7, выходом которого является шина ОС по частоте вращения, выход вентилятора 8 потоком воздуха связан с SkiM3, силовое питание: плюсовой шиной соединено со стоками верхних силовых ключей Кл1-Кл3, а минусовой (нулем) - с истоками нижних силовых ключей Кл4-Кл6.

Указанные узлы могут быть выполнены на следующих ИМС и электрорадиоэлементах: системный контроллер 1, например, на сигнальном процессоре ADMCF328, см. копию описания (прилагается к заявке); драйвер 2 на ИМС IR2130, см. копию описания (прилагается к заявке).

3-фазный SkiM на IGBT-модулях, конструктивно выполненных по SkiM-технологии, см. копию описания (прилагается к заявке); УВК4 - на любой плавной схеме включения, например на электронно управляемом сопротивлении; ТЭД5 - любой асинхронный двигатель с коротко-замкнутым ротором, мощностью до 60 кВт, ходовая часть с редуктором в зависимости от выбранного ходового шасси; ТГ7 - любой, в зависимости от скорости вращения ТЭД5; вентилятор 8 - любой (постоянного или переменного тока), выбирается из требуемого потока воздуха м3/мин для охлаждения SkiM; шина измеренной температуры от датчика температуры внутри SkiM3, например, фирмы DALLAS, типа DS 1820 см. TECHNISCER KATALOG Germany, стр.121; ОУ, ОУ2 и компаратор на ИМС серии 140 см. Справочник “Интегральные микросхемы”, РадиоСофт, М., 2001, стр.411. УВК 4 в общем случае регулируемый напряжением реостат, сопротивление которого обратно пропорционально подаваему напряжению первой по шине управления.

Устройство работает следующим образом. В основу положен классический принцип Uпит /fупр=Const, для чего одновременно меняются два параметра: напряжение силового питания и задающая на SkiM частота. Величина силового напряжения регулируется вне устройства и жестко связана с управляющим входным напряжением Uупр для выдерживания вышеприведенного соотношения. В исходном состоянии СК1 по третьей и четвертой шинам управления не выдает сигналов, следовательно и драйвер 2 и SkiM 3 также выключены и ТЭД 5 не вращается, хотя силовое питание=100 В. При приходе РК включается УВК 4 и плавно ( в течение 2-3 сек) конденсатор С1 заряжается, после чего по второй шине управления проходит сигнал на включение драйвера 2. Но также в это время на входной шине Uупр СК1 не вырабатывает никаких управляющих по частоте сигналов и драйвер 2 и SkiM 3 по прежнему “молчат”, а ТЭД 5 не вращается. С приходом какого-то сигнала по шине Uупр (плюсовое значение вращения двигателя по часовой стрелке, минусовое - наоборот) СК1 вырабатывает импульсное однополярное напряжение, частота которого прямо пропорциональна Uвх., а амплитуда импульсов приблизительно равна напряжению питания СК1 и драйвера 2 см. фиг.3 Uf (CK1). На выходных третьей и четвертой шинах управления CK1 вырабатываются импульсы, сдвинутые друг относительно друга на 120°С, которые после умощнения (по току) на драйвере 2 имеют вид, см.фиг.3 Uдрайвера . Эти импульсы поступают на верхние и нижние ключи Кл.1-Кл.6 согласно этой фиг.3, открывая и закрывая их в указанной на фиг.3 последовательности, при этом на фазах А, В и С обмоток ТЭД5 образуется переменное электрическое поле, частота которого определяется величиной входного управляющего напряжения на CK1, а амплитуда и ток в зависимости от напряжения силового питания. При этом приблизительно (с достаточной точностью) выполняется известное выражение для управления асинхронным электродвигателем U/f=Const. Т.о. ТЭД5 начинает вращаться с увеличивающейся частотой (угловой скорости ), определяемой Uупр., при этом сигнал ОС по этой частоте вращения с ТГ7 также начинает увеличиваться и при какой-то частоте вращения (угловой скорости ) сравняется, а затем и превысит Uупр. В результате напряжение /Uoc по / на выходе ОУ1 превысит напряжение /Uупр/ на выходе ОУ2 и компаратор 1 изменит свое состояние по выходу с лог.0 на лог. 1 и по седьмой управляющей шине пройдет сигнал на отключение драйвера 2. Данная схема может быть выполнена россыпью, как и весь СК1, но может быть выполнен и на микроконтроллере. Силовые ключи 1-6 будут в закрытом состоянии, ТЭД5 вращается по инерции до тех пор, пока его угловатая скорость не уменьшится до величины, при которой сигнал ОС по частоте вращения (угловой скорости ) с ТГ7 не станет меньше Uупр., тогда компаратор 1 вернется в исходное состояние, и драйвер 2 снова включится, и снова ключи 1-6 будут переключаться согласно диаграммам фиг.3. Такое управление позволяет значительно увеличить КПД ТЭД5, а следовательно, и всей силовой установки.

Для надежности работы устройства применено плавное включение силового конденсатора С1 по первой шине управления, иначе при его релейном включении можно выбить силовую шину (генератор) и может сам конденсатор выйти из строя, т.к. его величина лежит в пределах 10.000 мкF и в момент включения будет просто К3. Принципиальная схема плавного включения силового конденсатора С1 не раскрыта, т.к. она общеизвестна и не представляет особого интереса. 3-фазный SkiM 3 имеет защиту ОС по току (см. фиг.2 резистор R7), которая контролируется (измеряется) СК1 и драйвером 2, отключая их, т.о. переводя ключи Кл1-Кл.6 в закрытое состояние, не допуская их выхода из строя. Также в SkiM 3 имеется датчик температуры нагрева силовых ключей КлЛ-Кл.6, который передает информацию о температуре по шине ОС по t°C на СК1, который в зависимости от величины нагрева силовых ключей назначает число оборотов вентилятора 8, тем самым регулируя поток воздуха м 3/мин, который охлаждает SkiM3.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


1. Устройство управления 3-х-фазным асинхронным тяговым электродвигателем, содержащее силовые ключи с драйвером управления, отличающееся тем, что в него введены системный контроллер, тахогенератор, шина последовательного интерфейса, шина входных разовых команд, входная шина управления, восемь управляющих шин, силовые шины, шины обратных связей, соединенные следующим образом: системный контроллер второй, третьей, четвертой и седьмой управляющими шинами - с входами драйвера, входами системного контроллера являются входная шина управления и входы разовых команд, также шины обратных связей по току, по частоте вращения и температуре, а входом/выходом - шина последовательного интерфейса; пятая и шестая шины управления драйвера соединены с затворами силовых ключей 3-х-фазного моста, который шиной обратной связи по току соединен с системным контроллером и драйвером, а шиной обратной связи по температуре - с входом системного контроллера, причем в качестве силовых ключей применен 3-х-фазный мост на SkiM-инверторе, выходные силовые шины которого соединены с управляющими обмотками статора асинхронного тягового электродвигателя, вал которого через редуктор соединен с осью ходового колеса, на которой находится тахогенератор, а выходная обмотка последнего соединена с шиной обратной связи по частоте вращения.

2. Устройство управления 3-х-фазным асинхронным тяговым электродвигателем по п.1, отличающееся тем, что содержит конденсатор со схемой включения и управляемый вентилятор, соединенные следующим образом: выход системного контроллера первой управляющей шиной соединен с входом включения конденсатора, восьмой управляющей шиной - с управляющим входом вентилятора; силовое питание 3-х-фазного моста плюсовой шиной соединено со стоками верхних силовых ключей и через схему включения - с первым конденсатором, а нулевой шиной через токовый резистор - со стоками нижних силовых ключей, общая точка которых соединена с шиной обратной связи по току, температурный датчик измерения нагрева SkiM-инвертора соединен с шиной обратной связи по температуре.

3. Устройство управления 3-х-фазным асинхронным тяговым электродвигателем по п.1, отличающееся тем, что входной каскад системного контроллера выполнен на первом и втором операционных усилителях выделения модуля, соединенных: первый с входной шиной управления, а второй - с шиной обратной связи по частоте вращения тахогенератора, выход этих усилителей соединен с инверсным и прямым входом компаратора соответственно, выход компаратора соединен седьмой управляющей шиной с входом отключения драйвера.






ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Электроника и электротехника




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+автомобильная -сигнализация".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "датчик" будут найдены слова "датчик", "датчики" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("датчик!").


Металлоискатели и металлодетекторы | Электронные устройства охраны и сигнализации | Электронные устройства систем связи | Приемные и передающие антенны | Электротехнические и радиотехнические контрольно-измерительные приборы и способы электроизмерений | Электронные устройства пуска, управления и защиты электродвигателей постоянного и переменного тока | Электродвигатели постоянного и переменного тока | Магниты и электромагниты | Кабельно-проводниковые и сверхпроводниковые изделия


Рейтинг@Mail.ru