УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ
CONTROL DEVICE OF ASYNCHRONOUS ELECTRIC MOTORS WITH SQUIRREL-CAGE ROTOR

Изобретение относится к области частотно-регулируемых электроприводов (ЧРЭП) и может быть использовано в ЧРЭП промышленности и электрического транспорта, особенно электрического железнодорожного.
Известно устройство управления асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором по патенту РФ №2326775, МПК B60L 15/20, 20.06.2008, содержащее блоки выпрямителей переменного тока, сетевой фильтр, блок автономного инвертора напряжения, блок управления, предназначенный для формирования многофазных управляющих сигналов, силовой электродвигатель.
Данное устройство не обеспечивает возможности одновременного управления N электродвигателями, имеет большие массогабаритные характеристики.
H
Наиболее близким по технической сути к заявляемому является устройство управления асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором, в котором первый вход блока силового выпрямителя с регулируемым выходным напряжением подключен к источнику переменного тока, а первый выход блока силового выпрямителя подключен к входу блока фильтров, где колебания постоянного тока сглаживаются, выход которого подключен к первому входу силового блока автономного инвертора напряжения (АИН) - на коллекторы силовых транзисторов АИН, выход блока АИН подключен к входу блока асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором (АДКР), в который поступают усиленные блоком АИН многофазные синусоидальные сигналы переменной частоты, меняющиеся в широких пределах, второй выход блока силового выпрямителя подключен к входу блока слаботочного источника питания постоянного тока с нерегулируемым выходным напряжением, питающим блок, формирующий управляющие многофазные синусоидальные сигналы переменной частоты, вход которого подключен к выходу блока слаботочного источника питания, первый выход блока, формирующего управляющие многофазные синусоидальные сигналы переменной частоты, подключен к второму входу блока АИН, где указанные сигналы усиливаются и поступают в блок АДКР как управляющие скоростью вращения ротора АДКР, второй выход блока, формирующего управляющие многофазные синусоидальные сигналы переменной частоты, подключен к второму входу блока силового выпрямителя, где регулируется выходное силовое напряжение блока силового выпрямителя в зависимости от частоты, вырабатываемой блоком, формирующим управляющие многофазные синусоидальные сигналы переменной частоты, чем меньше частота, тем меньше выходное напряжение блока силового выпрямителя, и наоборот, чем выше частота блока, формирующего управляющие многофазные синусоидальные сигналы переменной частоты, тем выше выходное напряжение блока силового выпрямителя. При номинальной частоте напряжение блока силового выпрямителя равно номинальному U (см. Средства оптимизации потребления электроэнергии. Клевцов А.В. М., Солон-пресс, 2004. Рисунки 3.7, 3.13, 3.20, 3.21, 4.7, 4.8, 4.9, 4.11).
Однако данное устройство управления электродвигателями имеет ряд недостатков, заключающихся в следующем.
В электрическом железнодорожном транспорте, а также в целом ряде промышленного производства, особенно тяжелой промышленности, несколько мощных электродвигателей работают параллельно в синхронном режиме, например, в электровозах работают параллельно до восьми электродвигателей более 1 МВт каждый из электродвигателей, поэтому необходимо обеспечить синхронную работу всех двигателей с единым управлением.
Силовой блок питания, обеспечивающий постоянным током мощные силовые транзисторы АИН, разрабатывается с выходным напряжением, регулируемым в зависимости от частоты управляющих сигналов блока, формирующего управляющие многофазные синусоидальные сигналы переменной частоты, что значительно усложняет сам блок питания, а также приводит к дополнительным потерям электрической энергии в нем.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение синхронной работы параллельно работающих двигателей, упрощение и удешевление схем управления, уменьшение потерь электрической энергии в схеме управления, снижение массогабаритных характеристик устройства управления электродвигателями.
Технический результат достигается тем, что в устройство управления асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором, содержащее блок силового источника питания постоянного тока, вход которого подключен к источнику переменного тока, блок силового фильтра постоянного тока, N блоков автономных инверторов напряжения, блок слаботочного источника питания постоянного тока и блок формирования управляющих многофазных синусоидальных сигналов переменной частоты, при этом первый выход блока силового источника питания постоянного тока подключен к входу блока силового фильтра постоянного тока, выход которого подключен к первому входу каждого из N блоков автономных инверторов напряжения, выход которого подключен к входу блока электродвигателя, второй выход блока силового источника питания постоянного тока подключен к первому входу блока слаботочного источника питания постоянного тока, выход которого подключен к входу блока формирования управляющих многофазных синусоидальных сигналов переменной частоты, согласно предлагаемому изобретению дополнительно введен блок согласования, содержащий разделительный конденсатор, транзистор с n-р-n переходом, первый, второй, третий и четвертый резисторы, при этом первая обкладка разделительного конденсатора соединена с первым выходом блока формирования управляющих многофазных синусоидальных сигналов переменной частоты, а вторая обкладка разделительного конденсатора соединена с базой транзистора с n-р-n переходом, включенного по схеме с коллекторно-эмиттерной нагрузкой, причем через первый резистор разделительный конденсатор связан с первым входом блока согласования, а через второй резистор разделительный конденсатор заземлен, коллектор транзистора с n-р-n переходом через третий резистор подключен к первому входу блока согласования, а эмиттер транзистора с n-р-n переходом через четвертый резистор заземлен, при этом первый вход блока согласования подключен к выходу блока слаботочного источника питания постоянного тока, а второй вход - к первому выходу блока формирования управляющих многофазных синусоидальных сигналов переменной частоты, выход блока согласования подключен одновременно к каждому входу блока автономного инвертора напряжения, блок силового источника питания постоянного тока выполнен с возможностью преобразования переменного тока в постоянный без регулирования величины напряжения постоянного тока на его выходе, блок слаботочного источника питания постоянного тока выполнен с возможностью регулирования выходного напряжения в зависимое и от частоты управляющих многофазных синусоидальных сигналов переменной частоты, при этом второй его вход подключен к второму выходу блока формирования управляющих многофазных синусоидальных сигналов переменной частоты.
В дальнейшем изобретение поясняется чертежами, на которых:
фиг.1 изображает блочно-функциональную схему ЧРЭП;
фиг.2 - схему блока согласования (для одной фазы);
фиг.3 - схему блока слаботочного источника питания постоянного тока с регулируемым выходным напряжением (для одной фазы);
фиг.4 - схему согласования выхода блока, формирующего управляющие многофазные синусоидальные сигналы переменной частоты, с входами трех АИН, имеющих по три фазы в каждом АИН (для упрощения чертежа блока).
Устройство управления асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором содержит следующие блоки: 1 - блок силового источника питания постоянного тока с нерегулируемым выходным напряжением; 2 - блок силового фильтра постоянного тока; 3 - блок автономного инвертора напряжения АИН; 4 - блок электродвигателя; 5 - блок слаботочного источника питания постоянного тока с регулируемым выходным напряжением; 6 - блок формирования управляющих синусоидальных многофазных сигналов переменной частоты; 7 - блок согласования выхода блока 6 с входами блоков 3.
Блок 1 силового источника питания постоянного тока с нерегулируемым выходным напряжением своим входом подключен к источнику питания переменного тока (на фиг.1 не показан). Первый выход блока 1 подключен к входу блока 2 силового фильтра постоянного тока, блок 2 имеет количество выходов по количеству питаемых блоков 3 - АИН. Первые входы блоков 3 подключены к выходам блока 2. К каждому выходу блока 3 подключен вход каждого блока 4 электродвигателя.
Второй выход блока 1 подключен к первому входу блока 5 - слаботочного источника питания постоянного тока с управляемым выходным напряжением в зависимости от частоты управляющих многофазных синусоидальных сигналов, формируемых блоком 6. Первый выход блока 6 подключен к второму входу блока 5, а второй выход блока 6 подключен к первому входу дополнительно введенного блока 7 согласования выхода блока 6 с входами блоков 3 - АИН за счет подключения вторых входов блоков 3 к выходу блока 7. Выход блока 5 одновременно подключен к входам блоков 6 и 7 и питает их постоянным током с изменяющимся по величине напряжением.
71
71
71
71
72
71
71
73
71
74
Блок 7 согласования содержит разделительный конденсатор C, соединенный с базой транзистора VT с n-р-n переходом, включенного по схеме с коллекторно-эмиттерной нагрузкой. Через первый резистор R разделительный конденсатор С связан с положительным полюсом блока 5 слаботочного источника питания постоянного тока, а через второй резистор R разделительный конденсатор С заземлен. Коллектор силового транзистора VT с n-р-n переходом через третий резистор R подключен к положительному полюсу блока 5 слаботочного источника питания постоянного тока. Эмиттер силового транзистора VT с n-р-n переходом через четвертый резистор R заземлен.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
После включения в работу блока 1 - силового источника питания постоянного тока переменный ток в блоке 1 преобразуется в нерегулируемый постоянный ток высокого напряжения. В блоке 2 осуществляется сглаживание пульсаций постоянного тока, в блоке 3 управляющие синусоидальные сигналы переменной частоты усиливаются и с выходов блока 3 фазные напряжения подаются на статорные обмотки электродвигателей блоков 4.
В блоке 5 слаботочного источника постоянного тока переменный ток преобразуется в постоянный ток с напряжением, регулируемым на выходе блока 5 управляющими многофазными синусоидальными сигналами переменной частоты, поступающими с первого выхода блока 6.
H
НУПР
НД
Во время пуска электродвигателя выходное напряжение источника постоянного тока блока 5 снижается из-за низкой частоты, вырабатываемой блоком 6, при этом на входы (базы силовых транзисторов) блока 3 поступает пониженное напряжение и транзисторы открываются на незначительную величину, ограничивая токи в статорных обмотках электродвигателей. С увеличением частоты управляющих сигналов, вырабатываемых блоком 6, увеличивается выходное напряжение блока 5, а также блока 7, что больше приоткрывает силовые транзисторы блоков 3. При формировании управляющей частоты, равной номинальной ω, выходное напряжение блока 5 достигает уровня U, при котором число оборотов электродвигателей блоков 4 также достигает номинальной частоты ω, номинального напряжения и других параметров. Процедура снижения частоты оборотов электродвигателей происходит в обратной последовательности.
Регулирование выходного напряжения блока слаботочного источника питания постоянного тока осуществляется следующим образом.
51
51
51
52
51
51
52
Управляющие синусоидальные сигналы, формируемые блоком 5, поступают на базу транзистора VT. При малой частоте управляющего сигнала сопротивление катушки индуктивности L мало, на базу транзистора VT подается ток большой амплитуды, транзистор открывается и пропускает ток, на резисторе R происходит падение напряжения, значение напряжения на выходе U мало. При большой частоте управляющего сигнала сопротивление катушки индуктивности L велико, транзистор VT заперт, в результате не происходит падения напряжения на резисторе R, значение напряжения на выходе U велико.
Блок 7 согласования (см. фиг.2) работает следующим образом (описана работа схемы одной фазы, остальные m-1 схем работают аналогично описанному).
71
71
74
31
32
73
32
На вход блока 7 - базу транзистора VT с n-р-n переходом - поступает синусоидальный сигнал. При положительной половине синусоиды открывается транзистор VT с n-р-n переходом и на резисторе R появляется положительной полярности полусинусоидальный сигнал. Этот сигнал поступает на базы транзисторов VT первых фаз всех трех АИН (см. фиг.4). Транзисторы VT первой фазы всех АИН в положительный полупериод синусоиды закрыты. При отрицательном полупериоде синусоиды первой фазы на резисторе R появляется полупериод синусоиды положительной полярности, который поступает на вход (база) всех транзисторов VT первой фазы всех АИН.
Работа остальных фаз блока 7 согласования аналогична описанному выше.
Регулирование напряжения источника питания блока 5 в зависимости от частоты управляющих сигналов регулирует выходные сигналы схемы согласования и таким образом регулирует степень открытия и закрытия силовых транзисторов АИН, а следовательно и уровень подаваемого питания на статорные обмотки электродвигателей блоков 4.
Как следует из блок-схемы фиг.1 предлагаемого устройства управления электродвигателями и описания устройства, его главными отличительными особенностями от прототипа являются:
а) выход силового блока питания постоянного тока 1 является нерегулируемым, что упрощает конструкцию блока, уменьшает его массогабаритные размеры, снижает электрические потери в блоке;
б) регулирование тока и частично напряжения, подаваемого на статорные обмотки электродвигателей 4, осуществляется изменением величины управляющих синусоидальных сигналов, подаваемых на базы силовых транзисторов АИН с выхода согласующих схем блока 7, на вход которого подается напряжение с выхода блока 5, величина которого изменяется от численного значения частоты управляющих синусоидальных сигналов, вырабатываемых блоком 6, второй выход которого подключен к второму входу блока 5, что удешевляет и упрощает регулирование выходного напряжения слаботочного источника питания в пределах 0÷5÷8 В;
в) вводится блок 7 согласования выхода блока 6 с входами N блоков 3 - автономных инверторов напряжения одним блоком 7. Эффективность блока согласования 7 увеличивается с ростом как количества фаз m электродвигателя, так и их управляемым числом N;
71
г) в блоке 7 согласования транзистор VT с n-р-n переходом включен по схеме с коллекторно-эмиттерной нагрузки, благодаря чему достаточно применения только одного транзистора для каждой фазы блока 7 согласования, что удешевляет и упрощает конструкцию блока 7 согласования.