УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
DEVICE FOR CONTROLLING ASYNCHRONOUS ENGINE IN VEHICLES

Изобретение предназначено для использования в приводах транспортных средств, работающих в динамических режимах в широком диапазоне скоростей, при питании от источников переменного напряжения, а также может быть использовано в качестве преобразователя механической энергии в электрическую энергию.
Известно устройство для управления асинхронным электродвигателем транспортного средства, получающее питание от источника постоянного напряжения, содержащее преобразователь постоянного напряжения в трехфазное напряжение с регулируемой амплитудой, регулируемой частотой и изменяемым порядком чередования фаз, отличающееся тем, что в качестве асинхронного электродвигателя используется двигатель с фазным ротором, обмотки статора которого соединены с выходом упомянутого преобразователя, его обмотки ротора соединены с мостовым трехфазным выпрямителем, а выход этого выпрямителя подключен к упомянутому источнику постоянного напряжения через дроссель, импульсный прерыватель и отсекающий диод.
Недостаток этого устройства состоит в том, что оно может работать только от источника постоянного напряжения и не может работать от сети переменного тока, получать энергию от сети переменного тока и возвращать ее в эту сеть.
Целью предлагаемого устройства является обеспечение возможности работы транспортного средства от сети переменного тока.
Эта цель достигается тем, что вход преобразователя постоянного напряжения в трехфазное напряжение и отсекающий диод подключены к выходу реверсивного однофазного или трехфазного двухполупериодного выпрямителя, а вход однофазного или трехфазного двухполупериодного выпрямителя подключен к выводам автотрансформатора, который соединяется с сетью переменного тока.
Реверсивный однофазный или трехфазный двухполупериодный выпрямитель образован по мостовой схеме, в каждом плече которого включены встречно-параллельно тиристоры, один из которых используется в схеме выпрямления переменного напряжения, поступающего от автотрансформатора, а другой - в схеме ведомого сетью инвертора.
Если в режиме выпрямления не требуется регулировать выпрямленное напряжение, то вместо тиристоров, работающих в схеме выпрямления, используются диоды.
С целью улучшения режима инвертирования энергии из цепи постоянного напряжения в сеть переменного тока вместо тиристоров, работающих в схеме ведомого сетью инвертора, используются IGBT-транзисторы.
С целью упрощения схемы вместо одного мостового реверсивного выпрямителя используются два однополупериодных реверсивных выпрямителя с общей точкой на выводе автотрансформатора.
С целью упрощения преобразователя частоты, а также получения пульсирующего момента вращения двигателя для трогания с места транспортного средства без пробуксовки вместо трехфазного преобразователя частоты используется двухфазный преобразователь частоты, а асинхронный электродвигатель имеет двухфазную обмотку статора.
Устройство управления асинхронным электродвигателем (Фиг.1) получает питание от источника постоянного напряжения - выводы 1 и 2 (с полярностью + и -). К точкам 1 и 2 присоединен преобразователь 3 постоянного напряжения в трехфазное напряжение с регулируемой амплитудой, регулируемой частотой и изменяемым порядком чередования фаз.
Трехфазное напряжение подается от преобразователя 3 на обмотки статора асинхронного электродвигателя 4 с фазным ротором (с контактными кольцами). Напряжение ротора асинхронного электродвигателя 4 через контактные кольца подается на вход мостового трехфазного выпрямителя 5, выход которого через фильтр нижних частот (дроссель 6 и конденсатор 7) соединен с импульсным регулятором, образованным дросселем 8 и коммутатором (прерывателем) 9.
Выход импульсного регулятора (8 и 9) через отсекающий диод 10 и фильтр нижних частот (конденсатор 11 и дроссель 12) соединен с точками 1 (+) и 2 (-) цепи постоянного тока.
Вход преобразователя постоянного напряжения в трехфазное напряжение 3 и отсекающий диод 10 подключены в точках 1 (+) и 2 (-) к выходу реверсивного однофазного двухполупериодного выпрямителя, образованного полупроводниковыми элементами 18-25 (Фиг.2).
Вход однофазного двухполупериодного мостового выпрямителя подключен к выводам 0 и 16 автотрансформатора 14, который соединяется через вывод 15 и скользящий контакт 13 с сетью переменного тока.
К выводам 0 и 16 (Фиг.2) автотрансформатора 14 присоединены реверсивный однофазный выпрямитель по мостовой схеме на управляемых полупроводниковых элементах - тиристорах 18, 19, 20 и 21 (для передачи мощности в прямом направлении от сети переменного тока к двигателю) и ведомый сетью инвертор на тиристорах 22, 23, 24 и 25 (для передачи мощности в обратном направлении в сеть переменного тока). На выходе реверсивного выпрямителя со стороны цепи постоянного напряжения подключен конденсатор 26 в качестве фильтра нижних частот.
В упрощенном варианте (Фиг.3) реверсивный выпрямитель создается по схеме двух реверсивных однополупериодных выпрямителей с общей точкой на выводе 0 автотрансформатора 14. На реверсивный выпрямитель напряжение подается с вывода 16 автотрансформатора и вывода 17 дополнительной обмотки автотрансформатора, в результате чего обеспечивается двухполупериодный режим выпрямления и инвертирования при вдвое меньшем числе полупроводниковых элементов в схеме. Тиристоры 27 и 28 обеспечивают режим выпрямления для прямого направления передачи мощности от сети переменного тока, а тиристоры 29 и 30 работают в режиме ведомого сетью инвертора для обратного направления передачи мощности - в сеть переменного тока.
В случае если не требуется регулирование выпрямленного напряжения, в качестве элементов 27 и 28 (Фиг.4) используются диоды взамен тиристоров.
Режим коммутации при инвертировании и управление инверторным режимом могут быть улучшены, если в качестве элементов 29 и 30 взамен тиристоров используются IGBT-транзисторы (Фиг.5).
С целью упрощения преобразователя частоты, а также создания пульсирующего момента вращения асинхронного двигателя для трогания транспортного средства с места без пробуксовки вместо трехфазного преобразователя частоты используется двухфазный преобразователь частоты, а асинхронный электродвигатель имеет двухфазную обмотку статора.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Возможна работа асинхронного электродвигателя в двигательном режиме, режиме рекуперативного генераторного торможения, в режиме противовключения с рекуперацией мощности скольжения.
В двигательном режиме энергия из сети переменного тока через контакт 13, автотрансформатор 14 и выпрямитель на элементах 18, 19, 20 и 21 поступает в цепь постоянного напряжения (точки 1 (+) и 2 (-)). Выпрямленное напряжение частично сглаживается конденсатором 26. Цепь постоянного напряжения соединена с входом преобразователя частоты 3, трехфазное напряжение с выхода которого подается на обмотки статора трехфазного асинхронного двигателя 4. Напряжение фазного ротора через контактные кольца подается на вход трехфазного мостового выпрямителя 5.
При разомкнутом прерывателе 9 напряжение с выхода выпрямителя 5 поступает через цепь выпрямленного тока ротора к отсекающему диоду 10. Если напряжение на выходе выпрямителя 5 меньше напряжения цепи постоянного напряжения (напряжения на конденсаторе 11), то отсекающий диод 10 оказывается смещенным в обратном направлении и ток в цепи выпрямленного тока ротора (через дроссель 8, выпрямитель 5) отсутствует. Соответственно отсутствует ток в обмотках ротора и не создается момент вращения двигателя 4.
Если напряжение на выходе выпрямителя 5 оказывается больше напряжения цепи постоянного напряжения (больше напряжения на конденсаторе 11), что возможно при большом скольжении асинхронного двигателя 4 (например, при спуске транспортного средства под гору и в режиме противовключения двигателя), то диод 10 окажется смещенным в прямом направлении и через него начнет протекать ток при разомкнутом прерывателе 9, а также начнет протекать ток через цепь выпрямленного тока ротора (дроссель 8), через выпрямитель 5 и по обмоткам ротора двигателя 4. В соответствии с принципом работы асинхронного (индукционного) двигателя 4 возникающий в нем момент вращения направлен так, чтобы уменьшить скольжение двигателя 4, чтобы приблизить скорость вращения ротора к скорости вращения магнитного поля статора. Скорость и направление вращения магнитного поля статора задаются преобразователем частоты 3. Изменяя частоту и напряжение на выходе преобразователя частоты 3, при одной и той же скорости вращения ротора двигателя 4 можно изменять величину скольжения двигателя, величину выпрямленного напряжения ротора и тем самым изменять величину тока, протекающего через отсекающий диод 10, через дроссель 8, ток через выпрямитель 5 и по обмоткам ротора даже без использования прерывателя 9.
Если вступает в работу прерыватель 9, то при замкнутом прерывателе 9 дроссель 8 оказывается подключенным к напряжению на выходе выпрямителя 5 и ток дросселя 8, ток выпрямителя 5, ток через обмотки ротора начинают увеличиваться. Длительное замыкание прерывателя 9 эквивалентно замыканию накоротко ротора двигателя 4 (через выпрямитель 5 и дроссель 8), что приводит к переходу двигателя на механическую характеристику, близкую к естественной механической характеристике.
В результате размыкания прерывателя 9 за счет ЭДС самоиндукции дросселя 8 ток в дросселе 8 продолжает протекать через отсекающий диод 10 и поступает в цепь постоянного напряжения (1-2), создавая увеличение напряжения на конденсаторах 11 и 26. В результате происходит рекуперация (возврат) в цепь постоянного напряжения (1-2) части энергии, поступившей в двигатель 4 через преобразователь 3 от источника постоянного напряжения. Если двигатель 4 работает в режиме генераторного торможения (на скорости выше синхронной скорости вращения ротора, определяемой частотой на выходе преобразователя 3), то происходит передача механической энергии от транспортного средства через роторный импульсный прерыватель в цепь постоянного напряжения (1-2). Рекуперируемая мощность скольжения проходит через цепь выпрямленного тока ротора.
Повышение напряжения на конденсаторах 11 и 26 до уровня выше уровня выпрямленного напряжения сети переменного тока вызывает запирание тиристоров сетевого выпрямителя (на элементах 18, 19, 20 и 21) и создает возможность работы инвертора, ведомого сетью на элементах (22, 23, 24 и 25). Переход из выпрямительного режима в режим инвертирования в сеть переменного тока возможен также за счет сеточного управления тиристорами выпрямителя и инвертора.
Изменяя скважность включенного состояния прерывателя 9 от полного размыкания цепи ротора до полного замыкания его цепи через выпрямитель 5, дроссель 8 и прерыватель 9, можно плавно регулировать среднее значение тока дросселя 8, плавно в широких пределах регулировать ток обмоток ротора двигателя 4 и момент вращения двигателя 4 независимо от управления по цепи статора.
Скорость вращения двигателя управляется изменением частоты напряжения статора с помощью преобразователя частоты 3. Момент вращения двигателя (выпрямленный ток ротора) устанавливается при неизменной величине скольжения (величине выпрямленного напряжения ротора) путем изменения скважности включения прерывателя 9, путем ШИМ (широтно-импульсного модулирования) регулирования. В режиме противовключения управление скоростью соответствует управлению скольжением (управлению выпрямленным напряжением ротора).
Меньшему моменту сопротивления нагрузки в двигательном режиме соответствуют меньшая установившаяся величина скольжения, меньшая величина выпрямленного напряжения ротора, меньший ток ротора. В режиме генераторного торможения момент вращения двигателя противодействует двигательному моменту механизма.
Механические характеристики двигателя могут таким образом располагаться во всех 4-х квадрантах и являются устойчивыми во всех точках, обеспечивая двигательный режим работы привода, генераторный режим и режим противовключения.
Если не требуется регулировки выпрямленного напряжения выпрямителем сетевого напряжения (элементы 18, 19, 20 и 21), вместо тиристоров для выпрямления могут быть использованы диоды.
Если в автотрансформаторе 14 добавить дополнительную обмотку (Фиг.3 и 4), то выпрямитель сетевого напряжения и ведомый сетью инвертор могу быть построены с меньшим числом элементов (27 и 28 для выпрямителя, 29 и 30 для инвертора). Это уменьшает почти в 2 раза потери в элементах выпрямителя и инвертора. Потери в связи с использованием дополнительной обмотки автотрансформатора при соответствующем выборе сечения ее провода не увеличатся. Уменьшение потерь в преобразовательных устройствах способствует уменьшению их размеров.
Если используется трехфазная сеть, то вместо однофазных выпрямителей используются соответствующие трехфазные схемы выпрямления и инвертирования (трехфазная мостовая, две трехфазные схемы выпрямления с нулевым проводом при наличии соответствующего трехфазного трансформатора или автотрансформатора).
В случае использования нулевых схем выпрямления сетевого напряжения преобразователь частоты может быть выполнен не по мостовым, а по известным нулевым схемам с меньшим числом полупроводниковых элементов. При этом оказывается предпочтительным вариант двухфазного преобразователя частоты и двухфазной обмотки статора асинхронного электродвигателя, фазный ротор которого остается трехфазным. Несимметричное управление напряжением фаз преобразователя частоты создает эллиптическое вращающееся магнитное поле статора. При пуске транспортного средства на низкой выходной частоте преобразователя двигателем в этом случае создается подобие толчкового режима, который способствует троганию (разгону) транспортного средства без пробуксовки.
Устойчивый режим рекуперативного торможения транспортного средства, обеспечиваемый предлагаемым устройством, позволяет отдавать в сеть переменного тока значительную часть энергии (около 40%), которая в настоящее время поглощается при механическом торможении, что дает короткий срок окупаемости предлагаемого устройства, даже с учетом стоимости предлагаемого устройства по сравнению с аналогичными по назначению более простыми устройствами, не обладающими способностью устойчивой работы в режиме генераторного торможения.
В связи с неизбежным ростом стоимости электроэнергии ценность данного предпочтительного свойства предлагаемого устройства увеличивается.
Источник информации:
1. патент РФ на полезную модель №57990. МПК: Н02Р 7/00; Н02К 17/34 «Устройство для управления асинхронным электродвигателем» (приоритет 26.05.06, публикация Бюллетень №30 от 27.10.06).