РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С ПОВЫШЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ НАДЕЖНОСТИ
CONTROLLED ELECTRIC DRIVE WITH ADVANCED RELIABILITY PERFORMANCE

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании надежных регулируемых электроприводов переменного тока с питанием от силовой сети.
Известен стандартный трехфазный асинхронный электродвигатель, статор которого имеет трехфазную распределенную обмотку, т.е. статор имеет три обмотки - по одной обмотке на каждую фазу (Алиев И.И. - Асинхронные двигатели в трехфазном и однофазном режимах. - М.: ИП РадиоСофт, 2004. - с.6-9).
Недостатком данного устройства является невозможность создания регулируемого электропривода с исключенной возможностью возникновения сквозных токов открытых транзисторов.
Способ увеличения статорных обмоток электродвигателя с целью повышения надежности электропривода описан в статье А.В.Холявина, Л.Н.Коноплева, В.Ф.Кубасова «Повышение надежности электроприводов с транзисторными преобразователями частоты» (Автоматизированный электропривод / Под общ. ред. Н.Ф.Ильинского, М.Г.Юнькова. - М.: Энергоатомиздат, 1990, с.351-354), который заключается в выполнении статорных обмоток асинхронного двигателя последовательно разделенной на две части, что влечет за собой повышение надежности электроприводов с транзисторными преобразователями частоты.
Предложенный способ ориентирован на повышение надежности электропривода с помощью снижения рабочего напряжения на силовых ключах (транзисторах) за счет выполнения силовой части в виде двух последовательно соединенных мостовых инверторов, включенных на шины постоянного тока; выходы обоих инверторов подключены к соответствующим частям обмоток статора асинхронного трехфазного двигателя, соединенных в звезду или треугольник.
Необходимым и достаточным условием надежности работы устройства является синфазность управляющих импульсов, подаваемых на соответствующие транзисторы обоих инверторов, при этом в каждый момент времени во всех режимах работы устройства напряжение на закрытых транзисторах составляет половину напряжения звена постоянного тока, а суммарное напряжение статора и фазные токи не отличаются от значений, соответствующих номинальному значению асинхронного электродвигателя.
Основными недостатками данного устройства являются:
1) для повышения надежности в качестве базовой единицы конструкции инвертора целесообразно рассматривать два последовательно соединенных транзисторных ключа, образующих фазу инвертора и снабженных цепями формирования безопасной траектории переключения;
2) надежность электропривода во многом определяется наличием в системе датчиков регулируемых параметров (например, датчик потока, скольжения) и структурой системы;
3) с целью увеличения экономичности регулирования устройства возникает ограничение, порождающее применять системы с регулированием и взаимной ориентацией векторов тока и напряжения статора асинхронного двигателя при поддержании оптимального значения коэффициента мощности.
Известно устройство «ТРЕХФАЗНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА», патент RU 2130689, которое может быть использовано для мощных синхронных и асинхронных трехфазных электрических машин, имеющих параллельные ветви обмотки статора. Сущность изобретения: в устройстве, содержащем трехфазную электрическую машину из двух статорных обмоток или двух параллельных обмоток статора и общего ротора, каждая из упомянутых обмоток подключена к независимому источнику питания с одинаковыми напряжениями, частотой тока и чередованием фаз. При пуске к источнику подключается одна из обмоток статора. После разворота машины подключается к своему источнику другая обмотка. Пояснение приведено на фиг 1.
Обеспечение повышенной надежности устройства заключается в следующем: при потере питания одной из обмоток статора, например из-за короткого замыкания в сети одного из источников или кратковременного отключения, вторая обмотка, оставаясь подключенной к другому источнику, обеспечивает работоспособность электрической машины.
Недостатками устройства являются:
1) отсутствие исключающей возможности возникновения сквозных токов открытых транзисторов, которые могут привести к потере работоспособности второго источника питания;
2) усложнение устройства за счет введения второго источника питания, как обязательной составляющей части системы.
A1
A2
A3
B1
B2
B3
Известно изобретение «СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ», патент RU 2395896, техническим результатом которого является резервирование, обеспечение независимого регулирования электрических параметров отдельных групп обмоток статора вращающейся электрической машины, упрощение и повышение надежности. В способе управления работой вращающейся электрической машины (1) с, по крайней мере, двумя группами обмоток статора (A, B), в каждом случае каждой группе обмоток статора (A, B) придан преобразователь (2). Каждая группа обмоток статора (A, B) содержит n фазных обмоток, где n≥3, и каждая группа обмоток статора (A, B) получает питание от приданного ей преобразователя (2). Для обеспечения возможности независимого и резервированного регулирования электрических параметров отдельных групп обмоток статора вращающейся электрической машины производится измерение токов (i, i, i, i, i, i), по крайней мере, n-1 фазных обмоток каждой группы обмоток статора (A, B). В каждом случае каждому преобразователю (2) придано одно регулирующее устройство (3). Каждый преобразователь (2) управляется посредством управляющего сигнала (S) соответственного регулирующего устройства (3) независимо от регулирующих устройств (3) других преобразователей (2). Управляющий сигнал (S) формируется в соответствующем регулирующем устройстве (3) на основе указанных измеряемых токов каждой группы обмоток статора (A, B). Пояснение приведено на фиг 2.
Несмотря на заявленное упрощение недостатком является добавление управляющей и питающей систем для каждой группы обмоток, что влечет за собой усложнение и увеличение размера устройства.
Предлагаемым изобретением регулируемого электропривода с повышенными характеристиками надежности решается задача повышения надежности регулируемого электропривода за счет исключения возможности возникновения сквозных токов открытых транзисторов при отсутствии необходимости использования быстродействующих систем защиты коммутируемых полупроводниковых ключей (транзисторов), а также добавления резервирующих управляющих и питающих блоков.
A1
A2
B1
B2
C1
C2
Для решения поставленной задачи в надежном регулируемом электроприводе шесть полупроводниковых ключей (транзисторов Tp, Tp, Tp, Tp, Tp, Tp) соединены с питающей сетью постоянного тока и предназначены для соединения со статорными обмотками (A1, А2, B1, В2, C1, С2) нестандартного трехфазного шестиобмоточного асинхронного электродвигателя, имеющего три пары одинаковых статорных обмоток (A, B, C), причем коллекторы нечетных транзисторов подключены ко входам статорных обмоток нестандартного трехфазного шестиобмоточного асинхронного электродвигателя, а коллекторы четных транзисторов - к выходам (•). Эмиттеры транзисторов объединены в общую точку и подключены к минусу питающей сети постоянного тока (-Uпит). Выходы нечетных и входы четных обмоток нестандартного трехфазного шестиобмоточного асинхронного электродвигателя подключены к плюсу питающей сети постоянного тока (+Uпит). Пояснение приведено на фиг.3. Управление транзисторами осуществляется таким образом, чтобы обеспечить подачу на соответствующие статорные обмотки соответствующего однополупериодного синусоидального напряжения. На фиг.4 приведены формы питающего напряжения статорных обмоток нестандартного трехфазного шестиобмоточного асинхронного электродвигателя.
Упрощенно суть предлагаемого изобретения заключается в следующем. Вместо 3-х статорных обмоток в двигателе расположены 6-ть - по 2 на каждую фазу. На двигателе формируется обычное 3-х фазное напряжение, но только следующим образом:
A2
- на одну A-фазную обмотку (например, А1) подается положительное синусоидальное напряжение, соответствующее первой половине периода (с помощью соответствующего транзистора ТрА1, работающего в режиме широтно-импульсной модуляции), на другую A-фазную обмотку (А2) подается также положительное синусоидальное напряжение, соответствующее второй половине периода (с помощью транзистора Tp, также работающего в режиме широтно-импульсной модуляции);
- аналогично формируются напряжения на B-фазной и C-фазной обмотках;
- так как для каждой фазы обмотки включены встречно, то это по воздействию эквивалентно подаче на одну эквивалентную обмотку стандартного двигателя разнополярного напряжения.
Предлагаемое устройство позволяет использовать различные способы скалярного и векторного управления асинхронным двигателем.