АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С ФАЗНЫМ РОТОРОМ
ASYNCHRONOUS ELECTRIC DRIVE WITH PHASE-WOUND ROTOR

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах общепромышленных механизмов, например насосов, транспортеров, вентиляторов и др.
Известны асинхронные электроприводы, в которых регулирование скорости вращения вала асинхронного двигателя осуществляется изменением напряжения на статоре с помощью, например, тиристорного преобразователя напряжения при неизменной частоте, равной частоте питающей сети (см., например, Мэрфи Д. Тиристорное управление двигателями переменного тока: Пер. с англ. - М.: Энергия, 1979. - С.207-216.). Однако данный способ регулирования скорости характеризуется большими потерями в цепи ротора, тем большими, чем больше скольжение, а это резко ограничивает сферу применения этого способа.
Известен способ регулирования скорости асинхронного двигателя, обеспечивающий возможность получения пониженных скоростей вращения ротора асинхронного двигателя путем создания устойчивого вращающегося магнитного поля с заданной частотой вращения (RU №2095933 C1, 10.11.1997, H02P 7/42). Устройство для реализации способа содержит тиристоры коммутатора, статорные обмотки асинхронного двигателя соединены по схеме «звезда», общая точка которой подключена к одному из зажимов сети однофазного питающего напряжения; катоды тиристоров и аноды тиристоров соединены между собой и подключены к другому зажиму сети однофазного питающего напряжения. Кроме того, устройство снабжено блоком управления, состоящим из стандартных функциональных узлов. Однако как способ, так и устройство характеризуются большими потерями скольжения, что ограничивает сферу применения данного способа.
За прототип предлагаемого изобретения выбран асинхронный электропривод с фазным ротором (RU №2288535. Опубл. 27.11.2006, Бюл. №33). Электропривод содержит асинхронный электродвигатель с фазным ротором, тиристорный коммутатор в цепи статора, в рассечку между катодными и анодными группами коммутатора включены последовательно обмотка ротора двигателя и датчик тока ротора, на первый управляющий вход тиристорного коммутатора подключен вывод регулятора тока, а на второй управляющий вход - вывод датчика положения ротора, механически связанного с валом асинхронного двигателя. Первый управляющий вход регулятора тока соединен с источником задающего напряжения, пропорционального заданному току статора, а второй соединен с выводом датчика тока.
Достоинство описанного способа заключается в отсутствии потерь, связанных со скольжением ротора. Однако электропривод, выполненный в соответствии с этим способом, характеризуется высокой степенью колебательности, что объясняется отсутствием демпфирующих контуров. Эти контуры имеются в синхронных двигателях в виде демпфирующей обмотки на роторе, а в асинхронных - в виде короткозамкнутых контуров обмоток ротора.
В основу предлагаемого изобретения положена задача, заключающаяся в снижении степени колебательности, что достигается созданием короткозамкнутых контуров на статоре.
Решение поставленной задачи достигается тем, что асинхронный электропривод с фазным ротором, содержащий асинхронный электродвигатель с фазным ротором, тиристорный коммутатор в цепи статора, в рассечку между катодными и анодными группами тиристорного коммутатора включены последовательно обмотка ротора двигателя и датчик тока ротора, на первый управляющий вход тиристорного коммутатора подключен вывод регулятора тока, а на второй управляющий вход - вывод датчика положения ротора, механически связанного с валом асинхронного двигателя, первый управляющий вход регулятора тока соединен с источником задающего напряжения, пропорционального желаемому току статора, а второй соединен с выводом датчика тока, отличается тем, что электропривод снабжен тремя симисторами, при этом каждый из симисторов одним силовым контактом подсоединен к общей точке между началом фазной обмотки статора и одной из фаз питающей сети, а вторым соединен с общей точкой между концом фазной обмотки статора и одним из входов коммутатора, а управляющие входы симисторов подключены к выходным выводам датчика положения ротора.
Особенность предлагаемого решения состоит в том, что на статоре двигателя в зависимости от положения вала ротора поочередно закорачивают одну из трех обмоток статора с помощью одного из трех симисторов, подключенных параллельно обмоткам статора, при этом на статоре появляется короткозамкнутый контур, создающий демпфирующий момент. Это снижает степень колебательности электропривода.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображены:
на фиг.1 - схематичный поперечный разрез асинхронного двигателя;
на фиг.2 - пример функциональной схемы асинхронного электропривода с фазным ротором;
на фиг.3 - диаграммы, поясняющие принцип работы датчика положения ротора и симисторов.
На фиг.1 представлен в разрезе пример трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором, когда в пазах статора 1, расположенных в плоскостях A-a, B-b и C-c, сдвинутых пространственно на 120 электрических градусов, размещены обмотки 2, 3 и 4 статора. В пазах ротора 5 размещены фазные обмотки 6, 7 и 8 многофазной обмотки ротора, расположенные в плоскостях X-x, Y-y и Z-z, также сдвинутых пространственно друг относительно друга на 120 электрических градусов.
3C
На фиг.2 начала обмоток 2, 3 и 4 подсоединены к фазным зажимам A, B и C источника трехфазного напряжения питания, а концы этих обмоток - ко входам тиристорного коммутатора 9. Тиристоры 10, 11 и 12 в коммутаторе 9 образуют катодную группу, а тиристоры 13, 14 и 15 - анодную группу вентилей. В рассечку между анодной и катодной группами вентилей включен датчик выпрямленного тока 16. На первый управляющий вход тиристорного коммутатора 9 подключен выход регулятора тока 17, а на последующие шесть его управляющих входов подключены выводы датчика 18 положения ротора 5. Этот датчик механически связан с валом ротора асинхронного двигателя. Первый управляющий вход регулятора тока 17 подключен к источнику напряжения U, которое пропорционально заданной величине тока статора, а второй соединен с датчиком выпрямленного тока 16.
Параллельно обмоткам статора 2, 3, 4 подключены симисторы 19, 20, 21, при этом каждый из симисторов одним силовым контактом подключен к общей точке между началом обмотки статора и одной из фаз питающей сети, а второй конец соединен с общей точкой между концом фазной обмотки статора и одним из входов коммутатора.
На фиг.3 изображена диаграмма, поясняющая принцип работы датчика 18 положения ротора 5 и симисторов 19, 20, 21. Здесь заштрихованные участки диаграммы на уровнях Т10-Т15 означают замкнутые положения тиристоров 10 - 15 в зависимости от угла поворота ротора 5 электродвигателя, а на уровнях C19-C21 - симисторов 19, 20, 21. В зависимости от угла поворота вала ротора 5 двигателя датчик 18 положения ротора разрешает подачу управляющих импульсов на тиристоры анодной и катодной групп коммутатора 9, а также симисторы 19, 20 и 21, в следующей последовательности: при изменении угла α поворота ротора 5 от нуля до 120 градусов (электрических) отпирают тиристор 10, от 120 до 240 градусов - тиристор 11, от 240 до 360 градусов - тиристор 12, принадлежащие анодной группе коммутатора 9. Одновременно датчик 18 положения ротора 5 разрешает подачу отпирающих импульсов на тиристоры катодной группы: при изменении угла α от 60 до 180 градусов отпирают тиристор 15, от 180 до 300 градусов - тиристор 13, от 300 до 60 градусов следующего электрического оборота ротора 5 - тиристор 14. Одновременно датчик 18 подает импульсы на открытие симисторов: при изменении угла α поворота ротора 5 от 120 до 180 градусов и от 300 до 360 градусов отпирают симистор 19, от 60 до 120 градусов и от 240 до 300 градусов - симистор 20, от нуля до 60 и от 180 до 240 градусов - симистор 21.
C
Благодаря выбранной последовательности отпирания тиристоров достигается дискретное (шаговое) круговое перемещение вектора магнитодвижущей силы F статора в воздушном зазоре двигателя. С помощью симисторов 19, 20, 21 при любом угловом положении ротора 5 электродвигателя одна из фазных обмоток статора 2, 3 или 4, которые в данный момент времени с помощью тиристоров коммутатора 9 не подключена к питающей сети, оказывается замкнутой накоротко. Тем самым создается демпфирующий контур, благодаря чему снижается степень колебательности электропривода.
0
0
За исходное состояние электропривода принимается мгновенное состояние всех его элементов, когда вращающийся по часовой стрелке ротор 5 занимает пространственное положение, как на фиг.1, т.е. плоскость X-x обмотки 6 ротора располагается между плоскостями B-b и C-c обмоток 3 и 4 статора, а плоскость Y-y обмотки 7 - между плоскостями A-a и C-c. На фиг.3 это положение обозначено α. В целях наглядности изложения начало отсчета угла поворота ротора α на графиках (фиг.3) и исходное положение ротора α выбраны несовпадающими.
0
C
P
В положении ротора α, принятом за исходное, управляющие импульсы подаются только на тиристоры 10 и 14, а также на симистор 21. Поэтому ток протекает от фазы А питающей сети к фазе B только в положительные полупериоды приложенного напряжения и по следующей цепи (см. фиг.2): фаза A - обмотка 2 - тиристор 10 - датчик выпрямленного тока 16 - обмотка 6 - обмотка 7 - тиристор 14 - обмотка 3 - фаза B. Направления токов во всех обмотках статора 1 и ротора 5, соответствующие описанному исходному мгновенному положению ротора 5, указаны на фиг.1, а обмотка 4 фазы C закорачивается накоротко открывшимся симистором 21. Ток, протекающий по обмоткам 2 и 3 статора, создает магнитодвижущую силу, обозначенную на фиг.1 вектором F. Ток, протекающий по обмоткам 6 и 7 ротора 5 создает магнитодвижущую силу, обозначенную на фиг.1 вектором F.
C
P
0
Электропривод работает следующим образом. Так как направления векторов F и F не совпадают (a при α они взаимно ортогональны), то двигатель будет развивать момент, а его ротор 5 придет во вращение по часовой стрелке. Наличие короткозамкнутого контура уменьшит степень колебательности электропривода.
0
C
0
Когда ротор 5 двигателя повернется из положения α до угла поворота ротора α=60 градусов, то в соответствии с диаграммой (фиг.3) датчик 18 положения ротора 5 прекратит подачу отпирающих импульсов на тиристор 14 и симистор 21, но одновременно разрешит их подавать на тиристор 15 и симистор 20. В результате импульсы тока от питающей сети пойдут по цепи: фаза A - обмотка 2 - тиристор 10 - датчик выпрямленного тока 16 - обмотка 6 - обмотка 7 - тиристор 15 - обмотка 4 - фаза C, а вектор магнитодвижущей силы статора F повернется по часовой стрелке на 60 градусов от начала отсчета на фиг.3 (и на 30 градусов от α) и накоротко закороченной станет обмотка фазы B.
Величина момента двигателя определяется величиной тока, протекающего по обмоткам ротора и статора двигателя. Величина этих токов задается тиристорным коммутатором 9.
Таким образом, подключение трех симисторов параллельно обмоткам статора создает для всех положений ротора один короткозамкнутый контур на статоре, что позволяет снизить степень колебательности электропривода.
Промышленная применимость предлагаемого решения. Асинхронный электропривод может быть рекомендован для общепромышленных механизмов (насосов, вентиляторов, транспортеров и т.д.).