ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА


RU (11) 2085017 (13) C1

(51) 6 H02P7/36, H02P7/62 

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

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

(21) Заявка: 93011383/07 
(22) Дата подачи заявки: 1993.03.23 
(45) Опубликовано: 1997.07.20 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: 1. Авторское свидетельство СССР N 758453, кл. H 02 P 5/28, 1980. 2. Чиженко И.М. и др. Основы преобразовательной техники. - М.: Высшая школа, 1974, рис. 14-4. 
(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: для привода тягового состава, металлорежущих станков и механизмов с широким диапазоном изменения частоты вращения. Сущность: в электроприводе переменного тока у асинхронного двигателя переменного тока с фазным ротором роторные обмотки замкнуты на звезду симисторов, одна статорная обмотка соединена с источником постоянного тока, а две другие, соединенные последовательно, через управляемый выпрямитель соединены с однофазной или трехфазной сетью переменного тока. При этом угол управления симисторами и вентилями управляемого выпрямителя выбирают из условия прерывистого тока в обмотке статора. 3 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к электротехнике, конкретно к управляемому электроприводу, и может быть использовано, в частности, для привода тягового состава, металлорежущих станков и механизмов с широким диапазоном изменения частоты вращения.

Известны схемы, где управление частотой вращения трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором осуществляется путем регулирования тока в роторных обмотках. Существуют каскадные и одномашинные электроприводы. Среди последних можно выделить две группы.

В первой из них /1/ обмотки ротора замыкаются на звезду резисторов, шунтированных симисторами. Регулирование тока производится изменением фазы отпирающих симисторы импульсов. Недостатком указанной группы являются потери в резисторах роторных цепей, соизмеримые с мощностью двигателя, и ограниченный снизу диапазон регулирования частоты вращения. Использование электроприводов этой группы возможно лишь при наличии трехфазной сети, что исключает их применение в электрической тяге и бытовой аппаратуре.

Во второй группе токи роторных обмоток, имеющие частоту скольжения, выпрямляются и инвертируются в сеть /2/. Известны и модификации электропривода, где используются инверторы с непосредственной связью. Регулирование частоты вращения двигателя осуществляется воздействием на фазу управляющих импульсов инвертора. Достоинством второй группы электроприводов по сравнению с первой является отсутствие роторных резисторов, а недостатком - наличие трансформаторов и дросселей в силовых цепях.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство для регулирования скорости трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором /1/, в котором регулирование осуществляется с помощью симисторов, шунтирующих резисторы цепей ротора.

Наиболее существенным общим признаком изобретения и прототипа является включение симисторов в роторные цепи.

Технический результат, достигаемый изобретением, состоит в устранении резисторов из цепей ротора и связанных с ними потерь, возможности питания как от однофазной, так и от трехфазной сети, отсутствии трансформаторов и реактивных элементов в силовых цепях и в обеспечении работы при малых частотах вращения.

Поставленная задача достигается тем, что роторные обмотки двигателя замыкаются на звезду симисторов, работающих в режиме прерывистых токов, одна из статорных обмоток питается от выпрямителя постоянным током, а две другие статорные обмотки соединяются встречно последовательно и питаются от управляемого выпрямителя, связанного с однофазной или трехфазной сетью, либо непосредственно от однофазной сети.

К достоинствам заявляемого электропривода можно также отнести возможность его бесконтактного исполнения, в котором симисторы закрепляются на валу, а управляющие импульсы передаются на ротор магнитным или оптическим способом.

При рассмотрении принципа действия электропривода воспользуется схемой фиг. 2, где обмотки статора 1 и 3 фиг. 1, вектор намагничивающей силы которых сдвинут в пространстве на 90 электрических градусов по отношению к обмотке 2, замещены обмоткой 10 с тем же пространственным сдвигом, а управляемый выпрямитель 9 питается от однофазной сети.

На управляющие электроды симисторов 5-7 и тиристоров моста 9 одновременно поступают открывающие импульсы, сдвинутые на угол относительно моментов прохождения сети через нуль. Регулирование частоты вращения двигателя достигается изменением g в диапазоне, где токи ia, ib и ie имеют прерывистый характер. Интервал между импульсами в стационарном режиме при питании моста 9 от однофазной сети равен полупериоду, а при питании от трехфазной сети трети периода. Интервал между импульсами при питании обмоток 1-3 непосредственно от однофазной сети равен периоду. Положение ротора определяется углом q в электрических градусах между магнитными осями обмотки 10 и фазы "а" роторной обмотки.

Как вариант исполнения в составе заявляемого привода возможно применение двигателя, у которого встречно-последовательное соединение фаз 1 и 3 заменено одной обмоткой 10, магнитная ось которой сдвинута на 90 электрических градусов относительно оси обмотки 2, как это показано на фиг. 2. Управляемый выпрямитель 9 здесь выполнен по однофазной симметричной мостовой схеме, что соответствует подключению к однофазной сети /К=1/.

Работу привода рассмотрим для схемы, представленной на фиг. 2. В качестве симметричных ключей 5-7 взяты симисторы. Пуск и управление частотой вращения осуществляется путем синхронного изменения угла g отпирания тиристоров одного плеча выпрямителя 9 и симисторов 5-7 в диапазоне, в котором токи i1, i2, ib, ic обмоток 10 и 4 имеют прерывистый характер. Обмотка 2 питается постоянным током I2. Положение ротора определяется углом q в электрических градусах между магнитными осями обмотки 10 и фазы "а" обмотки 4.

Примем следующие допущения:

магнитная система машины линейна;

распределение индукции в воздушном зазоре, возбуждаемой током отдельной обмотки, имеет косинусоидальный характер.

Введем обозначения:

LL, LS1 индуктивность и индуктивность рассеивания обмотки 10;

L, LS индуктивность и индуктивность рассеивания фазы обмотки 4;

Mk1, Mk2 / k= a, b, c/, взаимоиндуктивности между фазами обмотки 4 и соответственно обмотками 10 и 2;

Mab, Mac, Mbc взаимоиндуктивности между фазами обмотки 4.

Для взаимоиндуктивностей справедливы соотношения:



Потокосцепления обмотки 10 и фазы "а" обмотки 4:





В выражении для a учтено, что ia+ib+ic=0

Произведем замену переменных

ia= idcos+iqsin (4)

Дифференциальные уравнения цепей обмотки 10 и фазы "а" обмотки 4:

P1+i1r1=Umsin<IMG SRC="http://www.fips.ru/chr/969.gif" ALIGN=ABSMIDDLE>t (5)

Pa+iar=0 (6)

где r1 и r сопротивления обмотки 10 и фазы обмотки 4;

Um, амплитуда и частота напряжения сети;

P оператор дифференцирования.

Уравнения для фаз "b" и c" обмотки 4 получаются при замене в /3/, /4/, /6/ ia на ib или ic и на 

После исключения из /3/-/6/ промежуточных переменных получаем систему дифференциальных уравнений для токов i1, id и iq:







которая решается при начальных условиях:

t = , i1=id=iq= 0 (10)

что соответствует закрытому состоянию вентилей в момент подачи отпирающего импульса.

Рассмотрим режим заторможенного ротора, когда q const. Из /9/ и /10/ следует, что в этом режиме iq=0.

После исключения из /7/ и /8/ i1 получаем дифференциальное уравнение для id:



Опустив малые параметры после деления /11/ на p получаем приближенное уравнение 1-ого порядка для тока id:



К аналогичному упрощению прибегают при расчете момента обычной асинхронной машины, когда пренебрегают намагничивающим током статорной обмотки.

Введем обозначения:



Тогда /12/ принимает вид:

(1+Tp)id=Idmsin t (14)

Аналогичным путем /7/ и /8/ преобразуются в приближенное уравнение для тока i1:

(1+Tp)i1=I1msin t (15)

где



а постоянная времени T выражается формулой /13/.

Из /14/ и /15/ следует, что в рассматриваемом режиме токи i1 и id пропорциональны:



Решение /14/ при начальных условиях /10/ имеет вид:



В момент t= токи id и i1 достигают нулевого значения и вентили в цепях обмоток 10 и 4 запираются. Согласно /18/



Условие прерывистости тока i1:

- (20)

Из /19/ следует, что при min=arctg T угол = min+ Допустимый диапазон управления лежит в пределах min < 

Мгновенные значения момента на валу ротора:



где геометрический угол поворота ротора,

Pn число пар полюсов.

Согласно /1/, /4/ и /21/:



Среднее за полупериод значение момента составляет:



Согласно /18, /22/ и /23/:



где:



При выводе /24/ было учтено уравнение /19/ границы режима.

Из уравнений /24/ им /19/ следует, что не зависит от положения ротора и целиком определяется углом-управления При угол =min+ и Если же



При вращении ротора с угловой скоростью на обмотках машины наводится э.д.с. вращения и уравнения токов /7/-/9/ принимают вид:



Анализ показывает, что при вращении ротора ток i1 и токи фазных обмоток достигают нулевого значения не одновременно. Будут существовать интервалы, в одном из которых один из фазных токов равен нулю, а в другом существует лишь ток i1. Указанные эффекты приводят к уменьшению момента с ростом частоты вращения 

Полученные выражения могут быть применены и при расчете схемы с асинхронным двигателем /фиг. 1/. При этом следует использовать следующие соотношения:

L1=3Lc, Ls1=2Lsc, L=Lp, Ls=Lsp,



Здесь индуктивность Lc и индуктивность рассеивания Lsc фазы статорной обмотки, индуктивность Lp и индуктивность рассеивания Lsp фазы роторной обмотки, амплитуда взаимоиндукции между фазами статора и ротора Mcp, сопротивления rc и rp фазы обмоток соответственно статора и ротора есть параметры асинхронного двигателя.

На фиг. 3 приведено семейство расчетных электромеханических характеристик для асинхронного двигателя типа MTF III-6. Характеристики построения в относительных единицах: и при и 1=11,7A

В качестве базисных величин приняты:

mб= 2Mocosmin; 

При питании от трехфазной сети (K=3) управляемый выпрямитель 9 выполняется по трехфазной мостовой симметричной схеме. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Электрический привод переменного тока, содержащий асинхронный двигатель с фазным ротором, роторные обмотки которого замкнуты на звезду симисторов, отличающийся тем, что одна из статорных обмоток соединена с источником постоянного тока, а две другие статорные обмотки соединены последовательно и через управляемый выпрямитель подключены к однофазной или трехфазной сети, а угол открытия симисторов и вентилей управляемого выпрямителя выбран в диапазоне, где ток двух последовательно соединенных статорных обмоток имеет прерывистый характер.