АСИНХРОННЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
ASYNCHRONOUS AC CONVERTER-FED MOTOR

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области электротехники и может найти применение в устройствах с батарейным питанием или питанием от сети постоянного тока.
Уровень техники
Асинхронные двигатели относятся к машинам переменного тока и чаще всего применяются в электроприводах, использующих в качестве источника питания трех- или однофазную сеть переменного тока. Вращение ротора при этом обеспечивается вращающимся магнитным полем статора, условиями создания которого являются сдвинутый по фазе переменный ток, подаваемый на обмотки статора, и расположение обмоток статора со смещением в пространстве друг относительно друга.
В отличие от двигателей постоянного тока, асинхронные двигатели (АД) характеризуются такими ценными качествами, как надежность, бесконтактное исполнение (отсутствие коллекторно-щеточного механизма), невысокая стоимость и простота обслуживания, что делает их привлекательными для использования и в электроприводах постоянного тока.
Известны электроприводные устройства с питанием от источника постоянного тока, выполненные на основе асинхронного электродвигателя (см. патент RU 2193814, МПК: Н02Р 21/00, опубл. 27.11.2002 г., патент SU 949767, МПК: Н02Р 742, оп. 07.08.82 г., патент SU 1246322, оп. 23.07.86 г., патент SU 1582327, МПК: Н02Р 763, оп. 30.07.90 г.). Во всех известных решениях асинхронный двигатель подключают к источнику питания через автономный инвертор, на вход которого подается постоянное напряжение, а получаемый на выходе инвертора переменный ток с заданным количеством фаз и параметрами подается на фазные обмотки статора асинхронного двигателя. В качестве недостатка всех упомянутых устройств можно отметить их сложность.
Автономный инвертор может быть выполнен в виде коммутирующего устройства, содержащего полупроводниковые ключевые элементы (вентили), обеспечивающие поочередное подключение фазных обмоток АД к источнику питания. В качестве таких вентилей применяют частично или полностью управляемые полупроводниковые ключи: тиристоры и транзисторы. Известна схема питания статорной обмотки асинхронного двигателя от тиристорного преобразователя частоты (см. кн. Электроподвижной состав с асинхронными тяговыми двигателями, Н.А.Ротанов. М.: Транспорт, 1991, стр.14-15, или патент SU 1781805, МПК: Н02М 7/48, оп. 15.12.92 г.). Соблюдая определенную очередность открытия тиристоров и обеспечив коммутацию тока в них, получают вращающуюся МДС статорной обмотки, необходимую для создания электромагнитного момента. Для обеспечения нормальной работы схемы на входе преобразователя размещают индукционный накопитель энергии.
Известен вентильный электропривод постоянного тока, содержащий асинхронный двигатель с многофазной обмоткой и полупроводниковый коммутатор, выполненный по многофазной мостовой схеме, включенный между источником тока и фазными обмотками статора (см. патент SU 1775808, МПК: Н02К 29/00, оп. 15.11.92 г.).
Известна асинхронная вентильная машина, содержащая ротор, статор с трехфазной обмоткой, соединенной в звезду и подключенной к выходу мостового автономного инвертора, реализованного на полностью управляемых ключевых элементах - транзисторах (патент SU 1046863, МПК: Н02К 29/02, оп. 07.10.83 г.). На статоре размещена дополнительная трехфазная обмотка, обеспечивающая возможность непосредственного управления вентилями, однако наличие дополнительной обмотки не обеспечивает пуска двигателя, и для этого в схему введены дополнительные элементы.
Основным недостатком всех вышеупомянутых вентильных приводов является наличие большого количества коммутирующих элементов - по два и более на каждую фазу двигателя, что отрицательно сказывается на надежности его работы.
В качестве ближайшего аналога для заявляемого решения принят упомянутый выше вентильный электропривод патент SU №1775808, МПК: Н02К 29/00, оп. 15.11.92 г.
Общими признаками с заявляемым устройством являются следующие:
- наличие асинхронного двигателя с m-фазной статорной обмоткой,
- питание асинхронного двигателя от источника постоянного тока,
- наличие полностью управляемых ключевых элементов, обеспечивающих подключение фазных обмоток статора к источнику питания.
Раскрытие изобретения
Задачей заявляемого изобретения является упрощение схемы подключения асинхронного двигателя к источнику постоянного тока и повышение надежности его работы за счет уменьшения количества коммутирующих ключевых элементов, приходящихся на фазу двигателя.
Поставленная задача решена тем, что в асинхронном вентильном двигателе с питанием от источника постоянного тока, содержащем m-фазную статорную обмотку, подключенную к источнику питания посредством полностью управляемых ключевых элементов, согласно заявляемому изобретению на статоре размещено четное количество фазных обмоток, выполненных со средним выводом, средние выводы всех фазных обмоток подключены к одной клемме источника питания, а ко второй клемме источника питания через упомянутые ключевые элементы подключены концевые выводы n-ой обмотки, где n=1, 3, 5 и т.д., при этом концевые выводы (n+1)-ой обмотки соединены с концевыми выводами n-ой обмотки через диоды, включенные согласно по отношению к току в соответствующих секциях n-ой обмотки, а параллельно каждой секции (n+1)-ой обмотки включен конденсатор.
Принципиально иная, по сравнению с прототипом, схема включения фазных обмоток позволила исключить из схемы питания асинхронного двигателя инвертор тока как отдельное устройство и уменьшить вдвое количество коммутирующих элементов, приходящихся на фазу двигателя.
В основе работы заявляемого асинхронного электродвигателя лежит явление взаимной индукции, наводимой в секции соседней (n+1)-ой фазной обмотки при размыкании цепи питания соответствующей секции n-ой фазной обмотки, что поясняется конкретными примерами реализации устройства, приведенными ниже.
Обмотки статора работают попарно, в связи с чем количество фазных обмоток на статоре должно быть четным, т.е. m=2, 4, 6,.. Иначе говоря, асинхронный двигатель, выполненный согласно заявляемому решению, может быть двухфазным, четырехфазным и т.д.
Заявляемая схема подключения асинхронного двигателя к источнику постоянного тока обеспечивает создание пускового момента вращения на роторе, его раскручивание и дальнейшую работу без применения каких-либо дополнительных элементов.
Краткое описание чертежей
Заявляемое решение поясняется чертежами, где
На фиг.1 изображена схема асинхронного вентильного двигателя с двухфазной обмоткой статора.
На фиг.2 показаны временные графические зависимости тока на фазах двигателя.
На фиг.3 приведена схема асинхронного вентильного двигателя с четырехфазной обмоткой статора.
Осуществление изобретения
В общем случае обмотка статора является m-фазной, где m - четное число - 2, 4, 6 и т.д. Для простоты объяснения назовем n-ю обмотку, где n=1, 3, 5 и т.д. - главной, а соседнюю с ней (n+1)-ю обмотку - вспомогательной. С какой обмотки начинается отсчет - не важно, нумерация вводится условно, для наглядности объяснения.
Каждая фазная обмотка статора выполнена со средним выводом и состоит из двух изолированных секций с одинаковым числом витков. Средний вывод представляет собой конец обмотки первой секции фазы и начало ее второй секции. Средние выводы всех фаз подключены к одной клемме источника постоянной ЭДС (например, к положительной). Фазные обмотки соединены попарно таким образом, что концевые выводы n-ой обмотки, где n - натуральное число 1, 3, 5 и т.д., подключены ко второй (отрицательной) клемме источника питания через управляемые ключевые элементы, в качестве которых используют транзисторы. Концевые выводы ее соседней (n+1)-ой обмотки соединены с концевыми выводами соответствующей n-ой обмотки через диоды, включенные согласно по отношению к току в соответствующих секциях n-ой обмотки.
1
2
3
4
1
2
3
4
На фиг.1 приведена схема двухфазного асинхронного вентильного двигателя, выполненного согласно заявляемому изобретению. Асинхронный вентильный двигатель (см. фиг.1) содержит ротор 1 и статор 2 с главной LL и вспомогательной LL фазными обмотками, сдвинутыми в пространстве на 90 электрических градусов. Каждая обмотка выполнена со средним выводом, т.е. состоит из двух одинаковых секций L и L, L и L. Средние выводы фаз подключены к положительной клемме источника питания.
1
2
1
2
Концевые выводы секций L и L подключены к отрицательной клемме источника постоянного тока (постоянной ЭДС) через электронные ключи K и К, выполненные в виде транзисторов, управляемых схемой управления (не показана).
3
4
1
2
1
2
1
2
3
4
Концевые выводы секций L и L подключены к концевым выводам секций L и Lчерез диоды Д и Д, включенные таким образом, что анод соответствующего диода подключен к соответствующему выводу секции главной обмотки (L или L), а катод - к соответствующему выводу секции вспомогательной обмотки (L или L).
Подключение диодов всегда должно быть согласовано с подключением фазных обмоток к источнику питания. Если изменить приведенную в примере полярность подключения фазных обмоток двигателя к источнику питания, то необходимо будет также изменить включение диодов на противоположное.
3
4
1
2
Параллельно секциям L и L вспомогательной обмотки подключены конденсаторы C и С.
Устройство работает следующим образом.
1
2
1
L1
1
2
Ключ K замкнут, ключ К разомкнут. Под действием ЭДС источника питания в секции L главной обмотки нарастает ток до определенного значения, магнитопровод главной обмотки накапливает энергию ω=L·I/2.
1
1
1
L1
3
2
1
Размыкают ключ К. Под действием ЭДС самоиндукции секции L главной обмотки происходит открытие диода Д, и накопленная энергия ω создает ток в цепи вспомогательной обмотки L, при этом наличие в цепи конденсатора С позволяет уменьшить бросок напряжения на элементах схемы в момент размыкания ключа K и предотвратить его нежелательные последствия.
1
3
Магнитное поле в секции L уменьшается, а в секции L - нарастает. Уменьшение магнитного поля главной обмотки в совокупности с нарастающим полем вспомогательной обмотки создает смещение вектора магнитного поля в статоре двигателя от полюса главной обмотки к полюсу вспомогательной, которое захватывает ротор и создает на роторе вращающий момент.
2
2
1
2
2
2
1
4
Подключают к источнику питания вторую секцию L главной обмотки (замыкают ключ К, ключ K разомкнут). Через заданное время схема управления размыкает ключ К, и процесс повторяется, но уже для цепи элементов L Д C L.
На роторе снова возникает вращающий момент, и ротор получает повторный «толчок», причем вращающий момент на роторе направлен в ту же сторону, что и на первом этапе.
Благодаря предложенной схеме подключения фазных обмоток, их выполнению со средним выводом и тому, что секции каждой фазной обмотки подключаются к источнику питания поочередно, в процессе каждого последующего такта железо статора перемагничивается, не уходя в насыщение.
Пульсации вращающегося магнитного поля сглаживаются благодаря инерционности ротора асинхронного двигателя, и последний быстро раскручивается.
Таким образом, предлагаемая схема включения асинхронного двигателя обеспечивает как получение пускового момента, так и дальнейшую работу двигателя.
Современная база полупроводниковых и микропроцессорных устройств позволяет реализовать необходимую схему управления коммутации ключей. Так, в действующей модели заявляемого двигателя схема управления была построена на основе микроконтроллера Atmega8515L, управляющего посредством драйвера IR2110L парой IGBT транзисторов IRG4PH50. В качестве диодов DLC цепочки применены диоды HFA16TA120.
1
2
Изменением периода коммутации ключей K и К можно регулировать частоту вращения ротора двигателя. Что также было подтверждено на экспериментальной модели двигателя, выполненной по схеме, приведенной на фиг.1. На фиг.2 приведены временные графические зависимости тока на фазах двигателя.
Можно повысить надежность двигателя, разместив на статоре две или три вышеописанных схемы, разнеся при этом обмотки в пространстве статора, а управляющие ключами импульсы - по времени. Подключение фазных обмоток может быть осуществлено как к одному, так и к разным источникам питания.
1
2
5
6
На фиг.3 приведена схема четырехфазного двигателя, выполненного согласно заявляемому изобретению. Коммутация ключей фазных обмоток LL и LL разнесена во времени, что позволило реализовать четырехфазный двигатель повышенной надежности.
При выходе из строя одной части схемы (пары фазных обмоток) двигатель будет продолжать работать.