МНОГОФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ИНВЕРТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С ФАЗНО-ПОЛЮСНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Устройство относится к электротехнике, в частности к электроприводу, и может быть использовано в области асинхронных регулируемых электроприводов, в которых требуется обеспечение высокой кратности пускового момента, например, в тяговых приводах.
Известен многофазный электропривод переменного тока, в котором высокая кратность пускового момента достигается за счет соответствующего изменения схемы подключения фазных обмоток статора электродвигателя к фазам автономного инвертора с помощью соответствующего блока, осуществляющего механическую коммутацию фаз (Edelson J.S. Mesh Connected Electrical Rotating Machine with Span Changing. USA Patent №6,838,791 B2. Date of Patent: January 4, 2005).
Недостатком данного устройства является наличие в его составе дополнительного элемента - блока механической коммутации фазных обмоток статора двигателя, что приводит к усложнению системы привода, увеличению его массогабаритных показателей и ухудшению надежности.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является многофазный асинхронный инверторный электропривод, в котором высокая кратность пускового момента достигается за счет применения фазно-полюсного управления асинхронным двигателем (АД), сущность которого заключается в том, что в случае его использования, изменение скорости вращения ротора достигается за счет повышения в определенное число раз с помощью блока управления вентильными элементами многофазного автономного инвертора величины фазовых смещений между напряжениями (или токами) соседних фаз инвертора без какого-либо изменения частоты названных напряжений и токов. При этом наблюдается эффект, адекватный увеличению числа пар полюсов электродвигателя, сопровождающийся увеличением критического и пускового моментов двигателя (Бражников А.В., Пантелеев В.И., Довженко Н.Н. Фазно-полюсное управление многофазными асинхронными инверторными электроприводами // Электрика, №3, 2005. - С.22-27). Поскольку реализация названного управления требует обязательного обеспечения гальванической независимости друг от друга всех пазов статора (в противном случае при использовании фазно-полюсного управления двигатель будет иметь недопустимо низкий КПД), то в этом электроприводе применяется двигатель со стержневой обмоткой статора (обладающей чрезвычайно малыми значениями индуктивности и активного сопротивления), при использовании которой обеспечивается указанная гальваническая независимость пазов статора. Стержни этой обмотки представляют собой отдельные фазы статора двигателя, размещаются в пазах статора и подключаются к соответствующим фазам преобразователя частоты через многофазный понижающий трансформатор. В такой системе число стержней обмотки статора определяет число фаз электродвигателя, инвертора и преобразователя частоты в целом.
Недостатком данного устройства является обязательное наличие в системе электропривода понижающего трансформатора, коэффициент трансформации которого в зависимости от мощности привода может составлять от нескольких десятков до нескольких сотен, что обуславливает высокие массогабаритные показатели, как самого трансформатора, так и электропривода в целом.
Задачей предлагаемого устройства является повышение надежности и снижение массогабаритных показателей системы электропривода за счет исключения из состава названной системы понижающего трансформатора с высоким значением коэффициента трансформации.
Достигается это тем, что в многофазном асинхронном инверторном электроприводе, состоящем из электродвигателя с ротором, многофазной статорной обмотки и преобразователя частоты с многофазным автономным инвертором, к которому подключены все фазные обмотки статора, ротор электродвигателя имеет в сечении Ш-образную форму, гладкой поверхности и выполнен таким образом, что охватывает снаружи и изнутри статор, имеющий наружную, торцевую и внутреннюю рабочие поверхности, шихтованный магнитопровод которого выполнен в виде двух полых цилиндрических частей, вставленных одна в другую, отделенных друг от друга полой цилиндрической диамагнитной гильзой; при этом статор имеет два ряда пазов - внутренний и наружный, - предназначенных для размещения в них многовитковых фазных обмоток статора, выполненных в радиальном направлении, каждая из которых подключена напрямую к соответствующей фазе автономного инвертора, число фаз которого определяется количеством обмоток статора и должно быть не менее пяти.
Цилиндрическая диамагнитная гильза может быть выполнена, например, из меди.
Использование многовитковых фазных обмоток асинхронного двигателя, выполненных в радиальном направлении, число витков в которых (как и в обмотках двигателей традиционного типа, например, серии 4А) равно нескольким десяткам и более, позволяет исключить из системы электропривода понижающий трансформатор и, тем самым, значительно уменьшить массогабаритные показатели привода по сравнению со случаем, когда применяется двигатель с многостержневой обмоткой статора. При этом в указанной системе не используются никакие устройства, осуществляющую механическую коммутацию каких-либо конструктивных элементов системы, а фазно-полюсное управление многофазным электродвигателем реализуется только за счет изменения с помощью системы управления преобразователем частоты моментов отпирания и запирания управляемых силовых вентильных элементов автономного инвертора.
Ш-образная форма ротора асинхронного электродвигателя обеспечивает снижение магнитного потока рассеяния в электродвигателе за счет увеличения площади рабочей поверхности ротора, взаимодействующей с магнитным потоком, который создается обмоткой статора.
Расположение диамагнитной гильзы между двумя полыми цилиндрическими частями шихтованного магнитопровода статора электродвигателя препятствует наложению и взаимной компенсации магнитных полей, создаваемых внутренним и наружным рядами пазов статора, во внутреннем и наружном воздушных зазорах двигателя.
Описанная выше многофазная обмотка статора позволяет (как и в случае стержневой обмотки) осуществить гальваническую независимость пазов статора (отдельно во внутреннем и отдельно в наружном ряду пазов), которая необходима для обеспечения возможности реализации фазно-полюсного управления в таком многофазном асинхронном инверторном электроприводе с КПД не ниже, чем при традиционном частотном управлении (например, по закону Костенко).
Изложенная сущность поясняется графически.
На фиг.1 приведена обобщенная функциональная схема подключения фазных обмоток статора многофазного асинхронного электродвигателя 1 напрямую к фазам преобразователя частоты 2, питание которого осуществляется от трехфазной сети переменного тока 3. Понижающий трансформатор между преобразователем частоты и электродвигателем отсутствует.
На фиг.2 схематически представлено взаимное расположение основных конструктивных элементов асинхронного электродвигателя - статора 4, состоящего из наружной части 4.1, торцевой части 4.2, внутренней части 4.3, и Ш-образного (в сечении) массивного ротора 5.
На фиг.3 показан магнитопровод 6 статора 4 разделенный на две цилиндрические части (внутреннюю 7 и наружную 8) полой цилиндрической диамагнитной (например, медной) гильзой 9. Полые цилиндрические части 7 и 8, вставленные одна в другую, образуют два ряда пазов - внутренний 10 и наружный 11, - предназначенных для размещения в них многовитковых фазных обмоток статора, выполненных в радиальном направлении.
На фиг.4 показан шихтованный магнитопровод 6 статора 4 электродвигателя и соединение фазных обмоток 12 статора между собой и с фазами преобразователя частоты 2. Один конец каждой фазной обмотки 12 подключен к соответствующей фазе преобразователя частоты 2. Другие концы всех фазных обмоток 12 соединены по схеме «звезда», общая точка которой может быть соединена с нулевой точкой вторичной обмотки входного трансформатора преобразователя частоты 2 нулевым проводом 13.
На фиг.5 представлен вариант реализации описанного выше принципа построения многофазного асинхронного электродвигателя. Вал ротора 5 двигателя опирается на подшипники качения 14, установленные в корпусе 15 двигателя. Фазные обмотки 12 статора подключаются к фазам преобразователя частоты 2.
На фиг.6 представлен вариант исполнения статора многофазного асинхронного электродвигателя, когда число фазных обмоток 12 статора 4 равно шести. Магнитопровод 6 статора 4 вместе с диамагнитной гильзой 9 крепится к корпусу 15 электродвигателя болтовыми соединениями 16.
Многофазный асинхронный инверторный электропривод работает следующим образом.
При подключении многофазного асинхронного электродвигателя 1 к трехфазной сети переменного тока 3 через преобразователь частоты 2 вращающееся магнитное поле (поле статора), возбуждаемое элементами фазных обмоток статора 4, каждая из которых состоит из наружной части 4.1, торцевой части 4.2 и внутренней части 4.3, создает в Ш-образном массивном роторе 5, отделенном от статора воздушным зазором, вихревые токи (токи ротора), которые в свою очередь создают вторичное вращающееся магнитное поле (поле ротора). В результате взаимодействия поля статора с токами ротора, а также поля ротора с токами статора, - создается вращающий момент, заставляющий Ш-образный ротор 5 вращаться. При этом фазные обмотки 12 статора 4, расположенные во внутренних 10 и наружных 11 пазах статора увеличивают площадь рабочей поверхности ротора 5, взаимодействующей с магнитным потоком, создаваемым наружной частью 4.1, торцевой частью 4.2 и внутренней частью 4.3. статора 4, в результате чего в двигателе создается дополнительный вращающий момент. При этом шихтованный магнитопровод 6 статора 4 состоящий из двух полых цилиндрических частей 7 и 8, вставленных одна в другую и отделенных друг от друга полой цилиндрической диамагнитной гильзой 9, препятствует наложению и взаимной компенсации во внутреннем и наружном воздушных зазорах двигателя магнитных полей, создаваемых внутренними 10 и наружными 11 пазами статора.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства заключается в повышении надежности и снижении массогабаритных показателей системы электропривода за счет исключения из системы электропривода понижающего трансформатора вследствие применения многовитковых фазных обмоток статора, выполненных в радиальном направлении для обеспечения гальванической независимости пазов статора (отдельно во внутреннем и отдельно в наружном ряду пазов), и использовании ротора, имеющего Ш-образную (в сечении) форму для увеличения площади рабочей поверхности ротора, взаимодействующей с магнитным полем статора, повышения вращающего момента и снижения магнитного потока рассеяния в электродвигателе.