АСИНХРОННЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ КАСКАД

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к электроприводам переменного тока, например, тяговых электроприводов электротранспорта.
Известен асинхронный вентильный каскад (патент RU 2314636 C1, кл. H02P 23/06 от 17.10.2006), содержащий асинхронный двигатель с фазным ротором, подключенный статорной обмоткой к питающей сети, диодный трехфазный мост, подключенный выводами переменного тока к кольцам ротора упомянутого асинхронного двигателя с фазным ротором, мостовой тиристорный инвертор, объединенный общими катодами с общими анодами диодного трехфазного моста, дроссель, подключенный одним концом к общим катодам диодного трехфазного моста, ключ, включенный в проводящем направлении между свободным концом упомянутого дросселя и общей точкой диодного трехфазного моста и мостового тиристорного инвертора, систему импульсно-фазового управления мостовым тиристорным инвертором, соединенную выходами с соответствующими управляющими входами мостового тиристорного инвертора, систему управления упомянутым ключом по принципу широтно-импульсной модуляции, связанную выходом с управляющим входом ключа, дополнительно введены отсекающий диод, сглаживающий дроссель, конденсатор и токоограничивающие реакторы по числу фаз питающей сети взамен согласующего трансформатора, причем упомянутый мостовой тиристорный инвертор выводами переменного тока подключен к питающей сети через токоограничивающие реакторы, отсекающий диод подключен анодом к общей точке упомянутых дросселя и ключа, катодом соединен со сглаживающим дросселем, свободный конец которого подключен к общим анодам мостового тиристорного инвертора, а между общей точкой отсекающего диода и сглаживающего дросселя и общей точкой диодного трехфазного моста и мостового тиристорного инвертора включен конденсатор.
Недостатками данного каскада являются чувствительность к изменениям сетевого напряжения, невозможность увеличения скорости выше номинальной и потребление реактивной мощности по цепи статора по причине прямого подключения обмотки статора к питающей сети.
Известен электропривод (авторское свидетельство SU 844401, кл. B60L 11/08 от 19.04.79), содержащий асинхронные двигатели с фазным ротором, обмотки статоров которых соединены параллельно и подключены к автономному инвертору напряжения, по числу двигателей диодно-тиристорные преобразователи, вход каждого из которых связан с обмоткой ротора соответствующего двигателя, а выходы преобразователей соединены со звеном постоянного тока автономного инвертора напряжения. Особенностью данного электропривода является групповое питание статоров асинхронных двигателей от автономного инвертора напряжения со звеном постоянного тока и раздельное подключение роторов каждого электродвигателя к своему трехфазному диодному мосту и тиристорному ключу, управляемому по принципу широтно-импульсной модуляции. В результате коммутации тиристорного ключа в цепи выпрямленного тока ротора каждого двигателя устанавливается индивидуальная частота вращения каждого двигателя, а рекуперация энергии скольжения осуществляется непосредственно в звено постоянного тока автономного инвертора напряжения без дополнительных устройств рекуперации.
Недостатки данного привода обусловлены групповым питанием обмоток статора асинхронных двигателей от одного инвертора напряжения. К ним относится отсутствие возможности регулирования магнитного потока отдельного двигателя в функции нагрузки для повышения КПД, сложность обеспечения работы отдельного двигателя на скорости, близкой к синхронной, и невозможность увеличения скорости вращения отдельного двигателя выше синхронной.
n
n
Наиболее близким к предлагаемому является асинхронный вентильный каскад для электроприводов (патент RU №2474951 H02P 27/04, от 10.02.2013), содержащий асинхронный двигатель с фазным ротором, подключенный статорной обмоткой к питающей сети, диодные трехфазные выпрямители статора и ротора, инвертор, дроссель, полупроводниковый ключ, отсекающий диод, конденсатор, датчики фазных токов статора и ротора, датчик выпрямленного тока, релейный регулятор выпрямленного тока статора, блок формирования задания выпрямленного тока статора, регулятор скорости, блок релейных регуляторов фазных токов ротора, блок формирования гармонических сигналов заданий на фазные токи ротора, блок ограничения минимального значения, сумматор, блок формирования задания амплитуды тока ротора, блок умножения на коэффициент p, где p - число пар полюсов электродвигателя, блок умножения, блок выделения знака, блок вычисления скорости вращения ротора, сумматор, блока вычисления частоты тока статора.
Недостатком данного устройства, выбранного в качестве прототипа, является отсутствие работоспособности электропривода на основе асинхронного вентильного каскада при обрыве напряжения сети, т.е. отсутствие его автономности.
Задача полезной модели - обеспечение надежной работы и работоспособности электропривода на основе асинхронного вентильного каскада при аварийном отключении напряжения сети.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является обеспечение надежной работы и работоспособности электропривода на основе асинхронного вентильного каскада при аварийном отключении напряжения сети.
n
n
n
n
n
n
Технический результат достигается тем, что асинхронный вентильный каскад содержит асинхронный двигатель с фазным ротором, трехфазный диодный выпрямитель, инвертор, трехфазный диодный выпрямитель тока статора, дроссель, полупроводниковый ключ, отсекающий диод, датчики фазных токов статора, датчики фазных токов ротора, датчик выпрямленного тока, блок релейных регуляторов фазных токов ротора, релейный регулятор выпрямленного тока статора, блок формирования гармонических сигналов заданий на фазные токи ротора, блок ограничения минимального значения, блок формирования задания амплитуды тока ротора, блок формирования задания выпрямленного тока статора, блок умножения, блок выделения знака, блока вычисления частоты тока статора, блок умножения на коэффициент p, где p - число пар полюсов электродвигателя, блок вычисления скорости вращения ротора, регулятор скорости, сумматор, конденсатор, причем выход дросселя соединен с коллектором полупроводникового ключа и аноду отсекающего диода кроме того выход релейного регулятора выпрямленного тока статора подключен к управляющему входу полупроводникового ключа, первый вход релейного регулятора выпрямленного тока статора подключен к выходу блока формирования задания выпрямленного тока статора, второй вход подключен к выходу датчика выпрямленного тока ротора, вход блока формирования задания выпрямленного тока статора подключен к выходу регулятора скорости, выход блока релейных регуляторов фазных токов ротора подключен к управляющему входу инвертора, первый вход блока релейных регуляторов фазных токов ротора подключен к блоку формирования гармонических сигналов заданий на фазные токи ротора, а второй его вход подключен к выходу датчиков фазных токов ротора, первый вход блока формирования гармонических сигналов заданий на фазные токи ротора подключен к выходу блока ограничения минимального значения, а второй вход к выходу сумматора и на первый вход блока вычисления скорости вращения ротора, вход блока ограничения минимального значения подключен к выходу блока формирования задания амплитуды тока ротора, вход блока формирования задания амплитуды тока ротора подключен к выходу регулятора скорости, первый вход сумматора подключен к выходу блока умножения на коэффициент p, где p - число пар полюсов электродвигателя, второй вход сумматора подключен к блоку умножения, первый вход блока умножения соединен с задатчиком частоты тока ротора f2, второй вход блока умножения подключен к выходу блока выделения знака, вход блока выделения знака подключен к выходу регулятора скорости, выход блока вычисления скорости вращения ротора соединен с входом блока умножения на коэффициент p, где p - число пар полюсов электродвигателя, и с первым входом регулятора скорости, второй вход регулятора скорости соединен с задатчиком скорости вращения ротора со, второй вход блока вычисления скорости вращения ротора подключен к выходу блока вычисления частоты тока статора, вход которого соединен с датчиком фазных токов статора согласно полезной модели дополнительно введены, реле напряжения, реверсор, аккумуляторная батарея, зарядное устройство, блок контактов реле напряжения, токовое реле, причем роторные обмотки асинхронного двигателя с фазным ротором через датчики фазных токов ротора подключены к выходу инвертора, а статорные обмотки двигателя с фазным ротором через датчики фазных токов статора подключены к входу трехфазного диодного выпрямителя тока статора, вход трехфазного диодного выпрямителя подключен к напряжению сети, параллельно одной из фаз которого включено реле напряжения, и вход зарядного устройства, плюсовой выход зарядного устройства подключен к плюсу аккумуляторной батареи, отрицательные выходы зарядного устройства и аккумуляторной батареи соединены с «землей», кроме того плюсовой выход трехфазного диодного выпрямителя подключен ко входу токового реле, выход которого соединен с первым входом инвертора, минусовой выход трехфазного диодного выпрямителя соединен со вторым входом инвертора и «землей», причем между выводами «+» и «-» звена постоянного тока включен конденсатор, плюсовой выход трехфазного диодного выпрямителя тока статора подключен к первому и четвертому контакту реверсора, минусовой выход трехфазного диодного выпрямителя тока статора подключен ко второму и третьему контакту реверсора, первый контакт реверсора подключен к третьему контакту блока контактов реле напряжения, второй контакт реверсора подключен к четвертому контакту блока контактов реле напряжения, второй контакт блока контактов реле напряжения подключен к входу токового реле, первый контакт блока контактов реле напряжения шунтирует токовое реле, третий контакт блока контактов реле напряжения соединен со входом дросселя, выход дросселя соединен с коллектором полупроводникового ключа и анодом отсекающего диода, катод отсекающего диода подключен к плюсовому выходу трехфазного диодного выпрямителя, эмиттер полупроводникового ключа через датчик выпрямленного тока статора соединен с четвертым контактом блока контактов реле напряжения и вторым входом инвертора.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежом, где показана структурная схема асинхронного вентильного каскада.
n
n
n
n
n
n
Асинхронный вентильный каскад содержит асинхронный двигатель с фазным ротором 1, трехфазный диодный выпрямитель 2, инвертор 3, трехфазный диодный выпрямитель тока статора 4, дроссель 5, полупроводниковый ключ 6, отсекающий диод 7, датчики фазных токов статора 8, датчики фазных токов ротора 9, датчик выпрямленного тока 10, блок релейных регуляторов фазных токов ротора 11, релейный регулятор выпрямленного тока статора 12, блок формирования гармонических сигналов заданий на фазные токи ротора 13, блок ограничения минимального значения 14, блок формирования задания амплитуды тока ротора 15, блок формирования задания выпрямленного тока статора 16, блок умножения 17, блок выделения знака 18, блока вычисления частоты тока статора 19, блок умножения на коэффициент p 20, где p - число пар полюсов электродвигателя, блок вычисления скорости вращения ротора 21, регулятор скорости 22, сумматор 23, конденсатор 24, причем выход дросселя 5 соединен с коллектором полупроводникового ключа 6 и анодом отсекающего диода 7 кроме того выход релейного регулятора выпрямленного тока статора 12 подключен к управляющему входу полупроводникового ключа 6, первый вход релейного регулятора выпрямленного тока статора 12 подключен к выходу блока формирования задания выпрямленного тока статора 16, второй вход подключен к выходу датчика выпрямленного тока ротора 10, вход блока формирования задания выпрямленного тока статора 16 подключен к выходу регулятора скорости 22, выход блока релейных регуляторов фазных токов ротора 11 подключен к управляющему входу инвертора 3, первый вход блока релейных регуляторов фазных токов ротора 11 подключен к блоку формирования гармонических сигналов заданий на фазные токи ротора 13, а второй его вход подключен к выходу датчиков фазных токов ротора 9, первый вход блока формирования гармонических сигналов заданий на фазные токи ротора 13 подключен к выходу блока ограничения минимального значения 14, а второй вход к выходу сумматора 23 и на первый вход блока вычисления скорости вращения ротора 21, вход блока ограничения минимального значения 14 подключен к выходу блока формирования задания амплитуды тока ротора 15, вход блока формирования задания амплитуды тока ротора 15 подключен к выходу регулятора скорости 22, первый вход сумматора 23 подключен к выходу блока умножения на коэффициент p 20, где p - число пар полюсов электродвигателя, второй вход сумматора 23 подключен к блоку умножения 17, первый вход блока умножения 17 соединен с задатчиком частоты тока ротора f2, второй вход блока умножения 17 подключен к выходу блока выделения знака 18, вход блока выделения знака 18 подключен к выходу регулятора скорости 22, выход блока вычисления скорости вращения ротора 21 соединен с входом блока умножения на коэффициент p 20, где p - число пар полюсов электродвигателя, и с первым входом регулятора скорости 22, второй вход регулятора скорости 22 соединен с задатчиком скорости вращения ротора со, второй вход блока вычисления скорости вращения ротора 21 подключен к выходу блока вычисления частоты тока статора 19, вход которого соединен с датчиком фазных токов статора 8 согласно полезной модели дополнительно введены реле напряжения 25, реверсор 26, аккумуляторная батарея 27, зарядное устройство 28, блок контактов реле напряжения 29, токовое реле 30, причем роторные обмотки асинхронного двигателя с фазным ротором 1 через датчики фазных токов ротора 9 подключены к выходу инвертора 3, а статорные обмотки двигателя с фазным ротором 1 через датчики фазных токов статора 8 подключены к входу трехфазного диодного выпрямителя тока статора 4, вход трехфазного диодного выпрямителя 2 подключен к напряжению сети, параллельно одной из фаз которого включено реле напряжения 25 и вход зарядного устройства 28, плюсовой выход зарядного устройства 28 подключен к плюсу аккумуляторной батареи 27, отрицательные выходы зарядного устройства 28 и аккумуляторной батареи 27 соединены с «землей», кроме того плюсовой выход трехфазного диодного выпрямителя 2 подключен ко входу токового реле 30, выход которого соединен с первым входом инвертора 3, минусовой выход трехфазного диодного выпрямителя 2 соединен со вторым входом инвертора 3 и землей, причем между выводами «+» и «-» звена постоянного тока включен конденсатор 24, плюсовой выход трехфазного диодного выпрямителя тока статора 4 подключен к первому и четвертому контакту реверсора 26, минусовой выход трехфазного диодного выпрямителя тока статора 4 подключен ко второму и третьему контакту реверсора 26, первый контакт реверсора 26 подключен к третьему контакту блока контактов реле напряжения 29, второй контакт реверсора 26 подключен к четвертому контакту блока контактов реле напряжения 29, второй контакт блока контактов реле напряжения 29 подключен к входу токового реле 30, первый контакт блока контактов реле напряжения 29 шунтирует токовое реле 30, третий контакт блока контактов реле напряжения 29 соединен со входом дросселя 5, выход дросселя 5 соединен с коллектором полупроводникового ключа 6 и анодом отсекающего диода 7, катод отсекающего диода 7 подключен к плюсовому выходу трехфазного диодного выпрямителя 2, эмиттер полупроводникового ключа 6 через датчик выпрямленного тока статора 10 соединен с четвертым контактом блока контактов реле напряжения 29 и вторым входом инвертора 3.
Асинхронный вентильный каскад работает следующим образом. Исходное состояние схемы, изображенной на фиг. 1 соответствует работе асинхронного вентильного каскада от сети переменного тока. При этом асинхронный вентильный каскад работает по параллельной схеме и принцип действия всего устройства ничем не отличается от принципа действия прототипа. Контакты 1 и 3 реверсора 26 замкнуты, контакты 2 и 4 реверсора 26 разомкнуты. Контакты 1, 3 и 4 блока контактов реле напряжения 29 замкнуты, а контакты 2 и 5 блока контактов реле напряжения 29 разомкнуты. Если в этом режиме аккумуляторная батарея 27 разряжена, она может заряжаться от зарядного устройства 28.
При пропадании напряжения сети, замкнутые контакты 1, 3 и 4 блока контактов реле напряжения 29 размыкаются, разомкнутые контакты 2 и 5 блока контактов реле напряжения 29 замыкаются и асинхронный вентильный каскад начинает работать по последовательной схеме, а именно напряжение питания инвертора 3 является суммой напряжений аккумуляторной батареи 27 и выпрямленного напряжения обмоток статора. При этом цепь питания инвертора следующая: плюсовой выход аккумулятора 27, контакт 5 блока контактов реле напряжения 29, контакт 3 реверсора 26, минусовой выход выпрямителя 4, плюсовой выход выпрямителя 4, контакт 1 реверсора 26, 2 контакт блока контактов реле напряжения 29, токовое реле 30, первый вход инвертора 3, второй вход инвертора 3, минус аккумуляторной батареи 27.
В режиме генераторного торможении двигатель начинает отдавать реактивную мощность, а инвертор 3 отдает ток в цепь постоянного тока, заряжая конденсатор 24, т.е. направление тока в цепи питания инвертора 3 меняется, при этом токовое реле 24 переключает контакты реверсора 26 таким образом, чтобы напряжение, отдаваемое инвертором 3 на конденсатор 24, сложилось с выпрямленным напряжением обмоток статора и поступало на заряд аккумуляторной батареи 27. При этом цепь заряда аккумуляторной батареи следующая: плюсовой выход конденсатора 24, второй контакт блока контактов реле напряжения 29, второй контакт реверсора 26, минусовой выход выпрямителя 4, плюсовой выход выпрямителя 4, четвертый контакт реверсора 26, пятый контакт блока контактов реле напряжения 29, плюс аккумуляторной батареи 27, минус аккумуляторной батареи 27, минусовой выход конденсатора 24.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет получить работоспособный электропривод на основе асинхронного вентильного каскада при обрыве напряжения сети.
Это достигается дополнительным введением токового реле, реле напряжения, реверсора, аккумуляторной батареи, зарядного устройства, блока контактов реле напряжения и соответствующим соединением элементов.