Електропривід змінного струму

Винахід відноситься до електротехніки і може бути використаний в вентильних електроприводах на базі асинхронного електродвигуна з оазним ротором. Відомій електропровід змінного струму, до складу якого входить асинхронний двигун, обмотка статора якого ввімкнена до мережі, виводи обмотки ротора з'єднані з трифазним входом першого постового випрямляча, катодна група вентилів якого з'єднана з анодною групою вентилів другого мосового випрямляча, трифазний вхід другого мостового випрямляча з'єднаний з мережею через статичний перетворювач, який виконаний у вигляді параметричного стабілізатора струму [Авторское свидетельство СССP №1100705, кл Н02Р7/62, 1984]. Недоліком відомого електроприводу є неможливість змінювати задану величину електромагнітного моменту, низький коефіцієнт корисної дії з-за додаткових втрат потужності в резисторі, що ввімкнений. в коло випрямленого струму, високі масо-габаритні показники. Найбільш близьким за технічним рішенням є електропривод змінного струму, до складу якого входить асинхронний двигун з фазним ротором, обмотка статора якого ввімкнена до мережі, першій мостовий випрямляч, трифазний вхід якого з'єднаний з обмотками ротора, другий мостовий випрямляч, анодна група вентилів якого з’єднана з катодною групою вентилів першого мостового випрямляча, установлений на валу двигуна датчик швидкості, ви хід якого з’єднаний з першим віднімаючим входом суматора, на другий вхід якого подається сигнал завдання швидкості. [Волков И.В., Исаков В.Η. Электроприводы сo стабилизированным током в силових цепях. - М.: Радио и связь, 1991. - 216с.]. Недоліком відомого електроприводу є низький коефіцієнт корисної дії, неможливість гальмування та реверсування по колу ротора, відносно вузький діапазон регулювання величини випрямленого струму і швидкості, високі масо-габаритні показники. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення електроприводу, в якому шляхом використання повністю керованих вентилів, додатково введених релейних елементів і регуляторів швидкості та струму, релейного керування випрямлячами досягається розширення функціональних можливостей, спрощення, зменшення масо-габаритних показників, підвищення швидкості, забезпечується безперервність струму у всьому діапазоні змінення механічного навантаження на валу двигуна. Поставлена задача вирішується за допомогою того, що в електроприводі змінного струму до складу якого входить асинхронний електродвигун з фазним ротором, обмотка статора якого ввімкнена до мережі, перший мостовий випрямляч, трифазний вхід якого з'єднаний обмотками ротора, другий мостовий випрямляч, анодна група вентилів якого з'єднана з катодною групою вентилів першого мостового випрямляча, установлений на валу двигуна датчик швидкості, вихід якого з'єднаний з першим віднімаючим входом першого суматора, на другий вхід якого подасться сигнал завдання швидкості, згідно з винаходом: 1) перший та другий мостові випрямлячі виконані на повністю керованих вентилях, 2) трифазний вхід другого мостового випрямляча з'єднаний з обмотками статора, а між катодною групою вентилів др угого постового випрямляча та анодною групою вентилів першого мостового випрямляча ввімкнений датчик струму, ви хід якого з'єднаний з першим віднімаючим входом другого суматора, а вихід останнього через другій релейний елемент з'єднаний з входом другої системи керування вентилями, вихід якої з'єднаний з керуючими електродами вентилів другого мостового випрямляча, вихід першого суматора з'єднаний з входом регулятора швидкості, вихід якого з'єднаний через видільник модуля з другим входом другого суматора, а через перший релейний елемент з входом першої системи керування, вихід якої з'єднаним з керуючими електродами вентилів першого мостового випрямляча, що дозволяє розширити функціональні можливості електроприводу, зменшити масо-габаритий показники, підвищити швидкодію, забезпечити безперервність струму у всьому діапазоні змінення механічного навантаження на валу двигуна. На Фіг.1 представлена схема запропонованого електропривода змінного струму, на Фіг.2 - механічні характеристики електропривода. До складу електропривода змінного струму входить асинхронній електродвигун 1 з фазним ротором, перший мостовий випрямляч 2, трифазний вхід якого з'єднаний обмотками ротора, другий мостовий випрямляч 3, анодна група вентилів якого з'єднана з катодною групою вентилів першого мостового випрямляча 2, датчик швидкості 4, вихід якого з'єднаний з першим віднімаючим входом першого суматора 5, на другий вхід якого подається сигнал завдання швидкості, трифазний вхід другого мостового випрямляча 3 з'єднаний з обмотками статора, між катодною групою вентилів другого мостового випрямляча 3 та анодною групою вентилів першого мостового випрямляча 2 датчик струму 8, вихід якого з'єднаний з першим віднімаючим входом другого суматора 7, а вихід через другий релейний елемент 8 з'єднаний з входом другої системи керування 9 вентилями, вихід якої з'єднаний з керуючими електродами вентилів другого мостового випрямляча 3, вихід першого суматора 5 з'єднаний з входом регулятора швидкості 10, вихід якого з'єднаний через видільник модуля 11 з другим входом другого суматора 7, а через перший релейний елемент 12 з входом першої системи керування 13, вихід якої з'єднаний з керуючими електродами вентилів першого мостового випрямляча 2. Електропривод працює таким чином. Після подачі напруги на статор асинхронного двигуна 1 та вхід випрямляча 3 подається сигнал завдання на другий вхід суматора 5. Оскільки двигун ще нерухомий, сигнал з датчика швидкості 4, що поступає на перший вхід суматора 5, відсутній, то регулятор швидкості 10 входить в режим "насичення", видаючи максимальне значення сигналу Urw на входи видільника модуля 11 та першого релейного елемента 12. Останній переходить в полонення з позитивним виходним сигналом, якому на виході системи керування 13 відповідають керуючі імпульси, які переводять першим випрямляч 2 в випрямний режим з a 1=0, при цьому фаза струмів ротора двигуна 1 буде співпадати з фазою відповідних роторних електрорушійних сил (е.p.c.), забезпечуючи виникнення на валу двигуна умовно позитивного електромагнітного моменту. Одночасно з цим сигнал Urw через видільник модуля 11 поступає на другий вхід суматора 7 як максимальне завдання Uзі на рівень випрямленого струму і d ротора. Під дією останнього при відсутності сигналу Ugi від датчика струму 6 другий релейний елемент 8 переходить в положення з позитивним вихідним сигналом, під дією якого система керування 9 генерує імпульси, що забезпечують другому випрямлячу 3 випрямний режим з максимальною вихідною е.р.с. Edд. Під дією випрямлених е.р.с, ротора Еdр та Edд випрямляча 3 струм іd починає інтенсивно збільшуватись: E dp + Edд K ce * Eрн * s + Edдд id = = Rd + pLd Rd + pLd (1) де Ксе - коефіцієнт підсилення за напругою для мостової схеми випрямлення (Ксе=1,35); Eрн - номінальне значення роторної е.p.c.; S - ковзання ротора відносно поля двигуна S=І-w/w 0; w, w 0 - швидкості ротора та поля відповідно; Rd, Ld - еквівалентні значення активного опору та індуктивності кола випрямленого струму. Як тільки його значення перейде через рівень заданого Іdз=Uзi/Кgi /Кgi – коефіцієнт передачі датчика струму, Uзi=Urw - величина сигналу завдання на рівень стабілізації випрямленого струму ротора/ релейний елемент 8 "перекидається" в положення з негативним вихідним сигналом. Останній через систему керування 9 переводить випрямляч 3 в інвертор ний режим. Завдяки цьому вихідна е.р.с. Edд змінює свою полярність на протилежну, починаючи зменшува ти випрямлений струм і d у відповідності з (1). Після переходу останнього через рівень і dз релейний елемент 8 знову перекидається, переводячи випрямляч 3 у випрямний режим. Середнє значення вихідної е.р.с. випрямляча 3 (знак і величина) визначається часом знаходження останнього у випрямному та інверторному режимах за період перемикань релейного елемента 8 t -t Edд = Edдд в i tв + ti (2) де tв, tі – час знаходження випрямляча 3 відповідно у випрямному та інверторному режимах. Під дією струм у ротора Іpm=I dз/Ксі=Idm/Ксi / Ксi - коефіцієнт підсилення за струмом мостової трифазної схеми випрямлення, Ксi - 1,22¸1,28/ та та магнітного поля, що обертається, на валу двигуна 1 з'являється умовно позитивний момент Mm=(СФ) d*Idm, під дією якого ротор починає обертатись у напрямі поля, Це відповідає двигунному режиму роботи aсинxpoнної машини в першому квадраті координатної площині w(М) – (див. Фіг.2). По мірі росту швидкості ротора зменшується його ковзання, а значить і вихідна е.р.с. Edр випрямляча 2. Це призводить у відповідності з (1) до зменшення струму і d. Як тільки він знизиться нижче рівня іdз, релейний елемент 8 переводить випрямляч 3 знову у випрямний режим, і струм починає збільшуватись і т.д. Таким чином, при стабілізації струму іd на рівні Іdз збільшення швидкості двигуна 1 автоматично призводить до зменшення часу перебування випрямляча 3 в інвертному режимі (див. траєкторія а-в на Фіг.2). Як тільки швидкості ротора двигуна 1 наблизиться до заданого wз=Uзm/Kgm /Kgm – коефіціент передачі датчика швидкості./, регулятор швидкості 10 виходить з режиму "насичення", зменшуючий свій вихідний сигнал Uр10=Uзi, тобто завдання на рівень стабілізації випрямленого струму - іdз. Релейний елемент 8, реагуючий на Uзi, зменшує час перебування перетворювача 3 у випрямному режимі, зменшуючи величину Ld. Як тільки остання зменшиться до значення Idc, зростання швидкості ротора закінчиться (траєкторія в-с на Фіг.2). Іdс=Mc/(СФ)d (3) де Mc - момент статичного навантаження на валу двигуна І; (CФ)d= Ксе*Epн /w 0 - значення магнітного потоку двигуна, перераховане на випрямлений струм. Якщо Мс збільшиться, на виході регулятора швидкості 10 також збільшиться сигнал Urw =Uзі, як завдання на рівень Idз, а значить, струм ротора і момент двигуна 1 до рівня Mc, завдяки чому припиняється зменшення швидкості. При цьому струм ротора (випрямлений струм id) збільшується як за рахунок е.р.с. Еdp (збільшується ковзання ротора), так і за рахунок часу tв релейного элемента 8. Швидкість же ротора двигуна 1 у випадку пропорційно-інтегрального регулятора швидкості 10 стабілізується на заданому рівні wз, а при пропорційному – з деякою похибкою Dwс, яка визначається коефіцієнтом підсилення цього регулятора. Для зниження рівня швидкості ротора двигуна 1 необхідно зменшити значення сигналу завдання U зm на другий вхід першого суматора 5. Регулятор швидкості 10 при цьому переходить в режим "насичення" з негативним значенням свого вихідного сигналу - Urw =Uзі. Перший релейний елемент 12 "перекидається", видаючи максимальний негативний сигнал системи керування 13 вентилями роторного перетворювача 2, яка переводить останній в інвентарний режим, тобто переводячи відкриваючі імпульси в область з a 2=150°160°. Крива струму ротора ip зсувається на 150-160 електричних градусів відносно кривої е.р.с. Це рівнозначно зміненню полярності роторного струму двигуна 1, а значить, і електромагнітного моменту. Оскільки на другий вхід др угого суматора 7 сигнал завдання Uзi проходить через видільник модуля 11, то цей сигнал не змінює полярність, і релейний елемент 8 разом з системою керування 9 через випрямляч 3 будуть знову підтримувати струм id на рівні Idз, як це було описано вище для двигунного режиму. Стабілізація id буде реалізовуватись за рахунок збільшення часу ti перебування випрямляча 3 в інверторному режимі, оскільки випрямленна е.р.с. Edp ротора буде збільшуватись при зменшенні швидкості (збільшується ковзання ротора відносно поля). Електропривод гальмується до нового (меншого) рівня швидкості (див. траєкторія "г-д" на Фіг.2). Як тільки швидкість ротора знизилась нижче заданого рівня wз1, релейний елемент 12 знову "перекидається" в стан з позитивним вихідним сигналом що переводить роторний випрямляч 2 у випрямний режим, а двигун - у двигунний (траєкторія "wз1-С1" на Фіг.2) зі струмом Idc. Якщо полярність сигнал Uзm змінити на негативну, то описані вище процеси повторяться. При цьому після зупинки ротор почне розганятись у протилежному напрямі (проти поля) до стану, поки рівень швидкості не досягне wз (див. траєкторія "д-в'-с'" на Фіг.2). Розглянутий електропривод може працювати по полю і в другій зоні, тобто з надсинхронною швидкістю (w>w0). Для цього на вхід першого суматора 5 необхідно подати сигнал завдання U зm, більший ніж Uзw m=Kgm*w0, а при переході через синхронну швидкість w0 перевести роторний випрямляч 2 в інвертор ний режим (a 2=150°-160°) – див. штрихову лінію на Фіг.2. Таким чином, запропонований електропривод забезпечує безперервність струму у всьому діапазоні змінення механічного навантаження на валу двигуна, розширює функціональні можливості приводу, зменшення масо-габаритних показників, підвищення швидкодії.