МНОГОФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД СО СТУПЕНЧАТЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ СКОРОСТИ

Устройство относится к электротехнике, в частности к электроприводу, и может быть использовано в области асинхронных регулируемых электроприводов.
Известен многофазный асинхронный инверторный электропривод с фазно-полюсным управлением асинхронным двигателем, в котором ступенчатое уменьшение скорости вращения ротора двигателя достигается за счет изменения в целое число раз величины фазовых смещений между напряжениями (или токами) соседних фаз многофазного автономного инвертора путем соответствующего изменения с помощью блока управления моментов отпирания и запирания вентильных элементов инвертора - транзисторов или тиристоров (Бражников А.В., Пантелеев В.И., Довженко Н.Н. Фазно-полюсное управление многофазными асинхронными инверторными электроприводами // Электрика, №3, 2005. - С.22-27).
Недостатком данного устройства являются высокие потери энергии в автономном инверторе, обусловленные высокой частотой переключения вентильных элементов инвертора, что вызывает значительный нагрев этих элементов.
Известен многофазный асинхронный инверторный электропривод с нечетным числом фаз и со сверхсинхронным управлением асинхронным двигателем, в котором ступенчатое увеличение скорости вращения ротора нечетнофазного асинхронного двигателя достигается за счет изменения в целое число раз величины фазовых смещений между напряжениями (или токами) соседних фаз многофазного автономного инвертора путем соответствующего изменения с помощью блока управления моментов отпирания и запирания вентильных элементов инвертора (A.V. Brazhnikov, and I.R. Belozerov: "Over-Phase Control of Inverter Multiphase AC Linear Drives", Journal "Mechatronics", Elsevier Publishing Company, DOI 10.1016/j.mechatronics.2012.02.003 (Corrected Proof, Available online since March 5, 2012), in press, http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0957415812000256).
Недостатком данного устройства является высокие потери энергии в автономном инверторе, обусловленные высокой частотой переключения вентильных элементов инвертора, что вызывает значительный нагрев этих элементов.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является многофазный асинхронный коммутаторный электропривод, состоящий из многофазного асинхронного двигателя, многофазного генератора переменного несинусоидального тока, ротор которого приводится в движение с помощью нерегулируемого приводного двигателя (дизельного, бензинового, электрического и т.д.), а также из одноступенчатого коммутатора фаз, подключенного между многофазным асинхронным двигателем и генератором. В этой системе двухступенчатое регулирование скорости вращения асинхронного двигателя осуществляется за счет применения фазно-полюсного управления или сверхсинхронного управления (в зависимости от числа фаз асинхронного двигателя), причем увеличение в целое число раз величины фазовых смещений между напряжениями (или токами) соседних фаз асинхронного двигателя (при переходе к фазно-полюсному или сверхсинхронному управлению) осуществляется путем изменения с помощью коммутатора фаз схемы подключения фазных обмоток асинхронного двигателя к фазным обмоткам генератора (A.V. Brazhnikov, and E.S. Brazhnikova: "Novel Generation of Hybrid Traction Drives With AC Induction Motors for Railway Vehicles - Principles of Designing", Proceedings of the 2012 International Session at Annual Conference and Meeting of the Korean Society for Railway "ISKSR '2012", GyeongJu, South Korea, October 18-20, 2012, reg. No R0043, pp.44-49, http://www.isksr2012.org/sub/sub4.asp?sub_param=4).
Недостатком данного устройства является ограниченные регулировочные возможности асинхронного двигателя, обусловленные возможностью получения в такой системе многофазного асинхронного электропривода только двух дискретных значений угловой частоты вращения магнитного поля в воздушном зазоре асинхронного двигателя.
Задачей предлагаемого устройства является расширение регулировочных возможностей двигателя за счет увеличения количества дискретных значений угловой частоты вращения магнитного поля в воздушном зазоре асинхронного двигателя.
Достигается это тем, что в многофазном асинхронном электроприводе со ступенчатым регулированием скорости, состоящем из приводного двигателя, многофазного генератора переменного несинусоидального тока, коммутатора фаз, многофазного асинхронного двигателя согласно техническому решению, коммутатор фаз выполнен двухступенчатым, путем последовательного соединения коммутаторов первой и второй ступени, причем коммутатор первой ступени подключен непосредственно к фазным обмоткам генератора, а коммутатор второй ступени подключен непосредственно к фазными обмотками асинхронного двигателя.
Применение двухступенчатого коммутатора, подключенного между многофазным генератором переменного несинусоидального напряжения и многофазным асинхронным двигателем, позволяет реализовать в системе электропривода в один и тот же момент времени и фазно-полюсное управление, и сверхсинхронное управление (что невозможно при использовании одноступенчатого коммутатора), а за счет этого - увеличить до трех количество дискретных значений скорости вращения ротора асинхронного двигателя.
И при фазно-полюсном, и при сверхсинхронном управлении в целое число раз увеличиваются фазовые смещения между напряжениями (токами) соседних фаз асинхронного двигателя, т.е. происходит деформация системы фазовых смещений фазных напряжений и токов двигателя по сравнению со случаем, когда используется традиционное управление, при котором система названных выше фазовых смещений является недеформированной и все эти фазовые смещения равны 2·π/m, где m - число фаз генератора и асинхронного двигателя.
Поскольку и при фазно-полюсном, и при сверхсинхронном управлении фазовые смещения между напряжениями (токами) соседних фаз асинхронного двигателя увеличивается в целое число раз (по сравнению с традиционным управлением), то реализация этих способов управления возможна с помощью коммутатора, изменяющего схему (последовательность) подключения фазных обмоток многофазного асинхронного двигателя к фазным обмоткам многофазного генератора.
ФПУ
ФПУ
При переходе от традиционного управления к фазно-полюсному угловая частота вращения магнитного поля в воздушном зазоре асинхронного двигателя уменьшается в К раз, где К ≥2. При фазно-полюсном управлении наблюдается эффект, адекватный одновременному изменению и числа пар полюсов, и числа фаз асинхронного двигателя.
ССУ
ССУ
При переходе от традиционного управления к сверхсинхронному, угловая частота вращения магнитного поля в воздушном зазоре асинхронного двигателя увеличивается в К раз за счет того, что при сверхсинхронном управлении вращающий момент асинхронного двигателя создается не первой, а высшими гармониками тока статора (во взаимодействии с магнитным полем ротора), где К ≥2.
ССУ
ФПУ
Возможность реализации в системе электропривода в один и тот же момент времени и фазно-полюсного, и сверхсинхронного управления при К>К позволяет получить три дискретных значения угловой частоты ω вращения магнитного поля в воздушном зазоре асинхронного двигателя:
o
1) ω=ω в случае неиспользования ни фазно-полюсного, ни сверхсинхронного управления, а только традиционного (когда система фазовых смещений между напряжениями соседних фаз асинхронного двигателя является недеформированной);
O
ФПУ
O
2) ω=ω /К>ω в случае использования одного фазно-полюсного управления;
O
ССУ
ФПУ
O
O
3) ω=ω·К/К>ω в случае одновременного использования и фазно-полюсного, и сверхсинхронного управления, где ω - угловая частота вращения магнитного поля в воздушном зазоре асинхронного двигателя при традиционном управлении, когда система фазовых смещений между напряжениями соседних фаз асинхронного двигателя является недеформированной (т.е. все эти фазовые смещения равны 2·π/m).
ССУ
ФПУ
При этом соотношение К>К обеспечивается выбором числа фаз m, степенью магнитного насыщения магнитопровода и степенью укорочения шага фазных обмоток генератора.
Переходу на комбинированное фазно-полюсное/сверхсинхронное управление (т.е. когда в системе многофазного электропривода одновременно реализуются и фазно-полюсное, и сверхсинхронное управления) должен предшествовать переход на фазно-полюсное управление, но не на сверхсинхронное управление. Это обусловлено, во-первых, тем, что при одном и том же числе фаз асинхронного двигателя оба управления (и фазно-полюсное, и сверхсинхронное) реализованы быть не могут, а во-вторых, тем, что при фазно-полюсном (но не при сверхсинхронном) управлении наблюдается эффект, адекватный изменению числа фаз асинхронного двигателя.
Это определяет структуру двухступенчатого коммутатора трехскоростного электропривода: он состоит из коммутатора первой ступени, подключенного непосредственно к фазным обмоткам генератора и реализующего переход к фазно-полюсному управлению, и коммутатора второй ступени, подключенного к фазным обмоткам асинхронного двигателя и реализующего переход к сверхсинхронному управлению.
Изложенная сущность поясняется графически.
На фиг.1 приведена обобщенная функциональная схема трехскоростного многофазного асинхронного электропривода, состоящая из приводного двигателя 1, многофазного генератора 2 переменного несинусоидального тока, двухступенчатого коммутатора 3 фаз, в состав которого входят коммутатор 4 первой ступени, осуществляющий переход к фазно-полюсному управлению, и коммутатор 5 второй ступени, осуществляющий переход к сверхсинхронному управлению, а также из многофазного асинхронного двигателя 6 и блока управления 7.
На фиг.2 представлена функциональная схема двухступенчатого коммутатора 2 фаз для случая, когда m=6, где 2.1-2.6 - фазные обмотки генератора 2, 4.1-4.5 - коммутационные блоки коммутатора 4, 5.1-5.4 - коммутационные блоки коммутатора 5, 6.1-6.6 - фазные обмотки асинхронного двигателя.
На фиг.3 показаны операции, выполняемые коммутационными блоками 4.1-4.5 и 5.1-5.4 в соответствии с сигналами, поступающими с блока управления 7, на примере коммутационного блока 4.1 коммутатора 4.
Многофазный асинхронный электропривод работает следующим образом.
Подвижные контакты всех коммутационных блоков, входящих в состав одного отдельно взятого коммутатора 4 или 5, синхронно занимают левое или правое положение, но при этом положение подвижных контактов коммутационных блоков коммутатора 4 может отличаться от положения подвижных контактов коммутационных блоков коммутатора 5.
O
Если подвижные контакты коммутационных блоков обоих коммутаторов (4 и 5) находятся в левом положении, то в этом случае оказываются соединенными одноименные фазные обмотки генератора и асинхронного двигателя, и эффекты, характерные для фазно-полюсного и сверхсинхронного управлений отсутствуют, а угловая частота вращения магнитного поля в воздушном зазоре асинхронного двигателя равна ω.
Если подвижные контакты коммутационных блоков коммутатора 4 находятся в правом положении, это соответствует фазно-полюспому управлению асинхронным двигателем.
Если подвижные контакты коммутационных блоков коммутатора 5 находятся в правом положении, это соответствует сверхсинхронному управлению асинхронным двигателем.
Для разгона асинхронного двигателя 6 запускается приводной двигатель 1, и в фазных обмотках 2.1-2.6 генератора 2 возникают электродвижущие силы (выходные фазные напряжения генератора), которые через коммутаторы первой 4 и второй 5 ступеней двухступенчатого коммутатора 3 передаются на фазные 6.1-6.6 обмотки асинхронного двигателя 6.
МИН
O
ФПУ
O
Подвижные контакты коммутационных блоков 4.1-4.5 коммутатора 4, входящего в состав коммутатора 3 и подключенного непосредственно к фазным обмоткам 2.1-2.6 генератора 2, сигналами блока управления 7 переводятся в правое положение, а подвижные контакты коммутационных блоков 5.1-5.4 коммутатора 5, подключенного непосредственно к фазным обмоткам 6.1-6.6 асинхронного двигателя 6, - в левое положение. Это соответствует фазно-полюсному управлению. При этом угловая частота вращения магнитного поля в воздушном зазоре асинхронного двигателя 6 принимает минимально возможное для данной системы привода значение ω=ω /К<ω.
O
После разгона асинхронного двигателя 6 до скольжения, близкого к номинальному, подвижные контакты коммутационных блоков 4.1-4.5 коммутатора 4 переводятся в левое положение, а положение подвижных контактов коммутационных блоков 5.1-5.4 коммутатора 5 не изменяется. При этом происходит переход от фазно-полюсного к традиционному управления (с недеформированной системой фазовых смещений между напряжениями соседних фаз асинхронного двигателя), и угловая частота вращения магнитного поля в воздушном зазоре асинхронного двигателя 6 принимает значение ω.
МАХ
O
ССУ
ФПУ
МАХ
O
ССУ
ФПУ
После разгона асинхронного двигателя 6 до скольжения, близкого к номинальному, в случае необходимости получения большей скорости вращения асинхронного двигателя 6, подвижные контакты коммутационных блоков 4.1-4.5 коммутатора 4 вновь переводятся в правое положение. В такое же (правое) положение переводятся и подвижные контакты коммутационных блоков 5.1-5.4 коммутатора 5. Это соответствует комбинации фазно-полюсного и сверхсинхронного управлений, при котором достигается максимально возможное для данной системы электропривода значение угловой частоты вращения магнитного поля в воздушном зазоре асинхронного двигателя 6, равное ω=ω·К/К. При этом ω>ω, так как К>К.
Торможение асинхронного двигателя 6 осуществляется в обратном порядке.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в повышении надежности и долговечности механизма нагрузки асинхронного двигателя за счет увеличения плавности его разгона и торможения вследствие увеличения количества дискретных значений скорости вращения ротора двигателя.