Управляемый каскадный синхронный электрический привод
CONTROLLED CASCADE SYNCHRONOUS ELECTRIC DRIVE

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к управляемым каскадным электрическим приводам вращательного движения, и может быть использовано при создании безредукторных приводов в промышленности, машиностроении, станкостроении и транспорте с регулируемой частотой от 0 до двойной номинальной синхронной при постоянном номинальном моменте, либо при двойном номинальном моменте и постоянной номинальной синхронной частоте, с возможностью реверсирования вращения.
Получение низких частот вращения у современных электрических двигателей как постоянного тока, так и переменного с короткозамкнутым или фазным ротором представляется возможным двумя способами. При первом способе применяются различные редукторы, усложняющие привод и снижающие его надежность, при этом они не решают проблем снижения частоты вращения, и не позволяют добиться получения частоты вращения на выходе редуктора близкой к нулю, тем более изменения знака и осуществления реверса привода. Второй способ заключается в применении дорогостоящего частотно управляемого электропривода, который также не решает проблемы получения очень низких скоростей вращения, близких к 0, и получения удвоенной скорости вращения при постоянном моменте или удвоенного момента при постоянной скорости. В свою очередь применение частотных преобразователей приводит к искажению синусоидальности напряжения, за счет генерирования высших гармоник в питающей сети.
Известен синхронный электрический двигатель [Копылов И.П. Электрические машины: учеб. Для вузов / И.П. Копылов.-2-е изд., перераб. - М.: Высш. шк., Логос, 2000. - 607 с.], обеспечивающий высокую частоту вращения, определяемую числом "пар" полюсов и частотой тока и напряжения питающей сети.
Такой двигатель не обеспечивает низких частот вращения, кроме того, в случае применения понижающего редуктора такой двигатель не обеспечивает широкого диапазона регулирования частоты вращения, тем более с низким пределом, равным нулю, и возможностью реверса.
Прототипом является каскадный электрический привод, состоящий из двух соосно установленных синхронного и асинхронного электродвигателей, валы которых жестко соединены между собой (Пат. № SU 312343, 1971 г.). Роторная обмотка асинхронного двигателя соединена со статорной обмоткой синхронного двигателя через выпрямитель, дроссель и инвертор.
Устройство по прототипу обладает низкими эксплуатационными характеристиками выше номинального режима, обусловленными недостаточной перегрузочной способностью и жесткостью механических характеристик. Также устройство неспособно достигать высоких скоростей близких к двойной номинальной, при постоянном значении величины момента.
Технической задачей изобретения является расширение диапазона регулирования управляемого каскадного электрического привода и повышения эффективности установки, с возможностью реверсирования вращения.
Техническим результатом изобретения является расширение диапазона регулирования управляемого каскадного электрического привода и повышения эффективности установки, с возможностью реверсирования вращения.
Технический результат достигается тем, что управляемый каскадный электрический привод содержит два электродвигателя, имеющих между собой электрическую связь, а их валы жестко соединены между собой, причем один из двигателей является синхронным с неподвижным статором. При этом статоры обоих электродвигателей установлены в общем корпусе, причем статор второго электродвигателя, являющегося тоже синхронным, подвижен и установлен на подшипниках с возможностью вращения относительно вала. На валу первого электродвигателя в области соединения валов установлено крепежное кольцо, на котором имеются две электромагнитные муфты, одна из которых создает контакт между фрикционной прокладкой с выступом и корпусом подвижного статора, имеющего впадину, соосную с выступом. Другая создает контакт между своей фрикционной прокладкой с валом электродвигателя и подвижным статором, имеющим шлицевую выточку под фрикционную прокладку. Третья электромагнитная муфта закреплена на корпусе привода с возможностью контакта между фрикционной прокладкой с выступом и корпусом подвижного статора, имеющего впадину, соосную с выступом муфты. Помимо этого с внешних сторон корпуса на валах каждого электродвигателя установлены пары контактных колец и щеток для возможности установления муфт непосредственно между двигателями, а связь между обмотками двигателей осуществлена через электронный контроллер.
Установка на корпусе двух синхронных двигателей позволяет повысить перегрузочную способность и добиться жестких механических характеристик.
Возможность получения удвоенного момента при постоянной синхронной скорости вращения достигается тем, что статор одного из электродвигателей неподвижно закреплен на корпусе, статор другого подвижен и установлен с возможностью вращения относительно вала, а на валу первого электродвигателя дополнительно с неподвижным статором установлено крепежное кольцо, на котором имеются две электромагнитные муфты, одна из которых имеет возможность создавать контакт между фрикционной прокладкой с выступом и корпусом подвижного статора, имеющего впадину, соосную с выступом, другая имеет возможность создавать контакт между своей фрикционной прокладкой с валом электродвигателя и подвижным статором, имеющим шлицевую выточку под фрикционную прокладку, а третья электромагнитная муфта закреплена на корпусе привода с возможностью контакта между фрикционной прокладкой с выступом и корпусом подвижного статора, имеющего впадину, соосную с выступом муфты причем пары контактных колец и щеток каждого двигателя расположены на валах с внешних сторон корпуса, для возможности установления муфт непосредственно между двигателями.
Расширение диапазона регулирования скоростей достигается тем, что регулирование напряжения осуществляется с помощью электронного контроллера, через который осуществлена связь между обмотками двигателей и муфтами.
Предлагаемое устройство пояснено чертежами: на Фиг. 1 изображен общий вид устройства. Устройство состоит из двух синхронных двигателей I и II. Фрикционные муфты 1, 2 закреплены на кольце 3. Кольцо 3 закреплено на валу 4, например, с помощью сварки и вращается вместе с валом 4. Фрикционная муфта 5 закреплена на корпусе 6 и неподвижна. Статор 7 находится в неподвижном состоянии и закреплен на корпусе 6, а ротор 8 закреплен неподвижно и вращается с валом 4 на подшипниках 9 независимо от вращения вала 10. Статор 12 вращается свободно на валу 10 независимо от вращения вала 4 на подшипниках 13. Ротор 14 жестко закреплен на валу 10 и вращается вместе с валом на подшипниках 11 и 13. Фрикционная муфта 5 воздействует на корпус статора 12 при помощи фрикционной прокладки 15, имеющей выступ, заходящий в корпус статора 12. Фрикционная муфта 1 соединена с валом 10 при помощи фрикционной прокладки 16, а муфта 2 соединена с корпусом статора 12 при помощи фрикционной прокладки 17. Причем прокладка 17 имеет выступ, заходящий в корпус статора 12, а прокладка 16 жестко закреплена шлицем вала 10. Рабочие площади фрикционных прокладок 16 и 17 должны быть одинаковы, для одинаковой производительности фрикционных муфт 1 и 2. Корпус статора 7 жестко закреплен на корпусе электрического двигателя 6. На обоих валах установлены контактные кольца 18 и щетки 19.
На Фиг.2 изображены характеристики синхронного двигателя, на Фиг.3 изображены характеристики синхронного электропривода при разном напряжении питания, на Фиг.4 изображены суммарные характеристики синхронного электропривода при одинаковых частотах вращения, на Фиг.5 изображены суммарные характеристики электропривода при разных частотах вращения.
На Фиг.6 представлена схема автоматического регулирования, состоящая из датчика положения 20, преобразователя частоты вращения 21, сумматора 22, контроллера 23, преобразователей частоты 25.1, 25,2, выпрямителей и регуляторов напряжения 24.1, 24.2.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Для получения удвоенного значения момента при постоянной синхронной скорости вращения необходимо произвести управление фрикционными муфтами в следующем порядке. Подается питающее напряжение на муфты 1 и 5, и отключается от питания муфту 2. При этом ротор 8 вращается на валу 4, а статор 12 остается неподвижным, так как фрикционная муфта 5 тормозит корпус статора 12. При помощи фрикционной муфты 1 происходит зацепление ротора 14, вращающегося на валу 10, что приводит к получению удвоенного момента на валу 10 от двух синхронных двигателей I и II при одинаковой частоте вращения.
Для получения удвоенного значения скорости вращения при одинаковой величине вращающего момента необходимо произвести управление фрикционными муфтами в следующем порядке. Подаем питающее напряжение на фрикционную муфту 2 и отключаем муфты 1 и 5. При этом ротор 8 вращается на валу 4 и передает крутящий момент и скорость на статор 12 с помощью муфты 2. Ротор 14 вращается с синхронной скоростью относительно статора 12. В итоге получаем на валу 10 удвоенное значение скорости вращения при одинаковой величине вращающего момента.
Получение плавных изменений, а также малых значений скорости и реверс осуществляется следующим образом.
cI
cII
Изменяя напряжение питания  на каждом из двигателей привода, можно изменять значение механических характеристик каждого двигателя . Следовательно, возможно управлять рабочей характеристикой  всего привода. При одинаковом значении синхронных частот вращения двигателей эта характеристика проходит через точку , , Фиг. 4. При различных значениях синхронных частот вращения двигателей характеристика проходит через точку , , Фиг. 5, где M - вращающий момент, n - результирующая скорость вращения,  n - скорость вращения первого двигателя, а  n - скорость вращения второго двигателя.
На Фиг. 3 характеристики двигателя II, показанному на Фиг.1, относятся к его выходному элементу (либо к статору, либо к ротору), направление вращения которого противоположно принятому за положительное вращение. Соответственно и крутящий момент, развиваемый двигателем II на выходном элементе, также имеет противоположное направление. Так как при работе привода двигатели I и II развивают одинаковые по величине моменты, то их характеристики могут быть суммированы, Фиг. 4. На Фиг. 3, 4, 5 показано, что, изменяя напряжение питания можно получить необходимую результирующую механическую характеристику, согласованную с нагрузкой рабочего механизма при заданной частоте вращения. Возможно также и одновременное изменение напряжения питания обоих двигателей в противоположных направлениях, что позволяет получить более точную результирующую механическую характеристику. Если частоты вращения двигателей привода одинаковы, то результирующие характеристики привода проходят через точку , Фиг. 4.
Если значения частот двигателей привода различны, то результирующая характеристика проходит через точку , .
На Фиг. 4, 5 показано, что привод может развивать максимальный крутящий момент при малых частотах вращения. Этот момент близок к моменту, развиваемому двигателями при номинальных значениях напряжения.
Привод допускает реверсирование вращения. Это достигается путем соответствующего изменения величин напряжений на статорах или изменения направления тока возбуждения двигателей I и II.
Управление частотой вращения привода может быть осуществлено одним из известных способов, например, схемой автоматического регулирования устройствами, представленной на Фиг. 6. Система состоит из датчика положения 20 и преобразователя частоты вращения 21 в нормированный сигнал. Сумматор 22 преобразует нормированный сигнал и заданное значение и передает результат на электронный контроллер 23. Контроллер выдает управляющие сигналы по определенному закону на преобразователи частоты 25.1, 25,2, выпрямители и регуляторы напряжения 24.1, 24.2 и электромагнитные муфты 1, 2, 16, 17.
Использование предложенных решений позволит расширить диапазон регулирования электропривода. Скорость вращения можно регулировать плавно от 0 до двойной номинальной при двухступенчатом каскаде. При увеличении ступеней каскада можно будет наращивать скорость вращения, и расширять диапазон регулирования. Причем компоненты электропривода всегда будут работать в режимах, близких к номинальному.