ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в электроприводе постоянного тока для различных исполнительных устройств, включая тяговые приводы транспортных средств.
Известен электропривод постоянного тока с коллекторным двигателем (в источнике [1] он назван вентильным электроприводом), имеющим обмотку возбуждения. Этот электропривод содержит также основной и дополнительный регулируемые источники питания постоянного напряжения. Основной источник питания предназначен для питания цепи якоря двигателя, а дополнительный - для питания обмотки возбуждения. [1. Шипило В.П. Автоматизированный вентильный электропривод. М.: "Энергия", 1969 г. с.386-388, рис. 10.11].
Такой электропривод позволяет обеспечить высокую кратность пускового момента, однако КПД такого электропривода понижен из-за значительных затрат энергии на создание потока возбуждения. Кроме того, из-за наличия коллектора в двигателе, электропривод обладает характерными недостатками, например, потерями на трение щеток о коллектор, переходными потерями в щеточном контакте, малым сроком службы щеточно-коллекторного узла и другими, что снижает надежность двигателя и электропривода в целом. Эти недостатки ограничивают применение таких электроприводов [2. Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины: Учеб. пособие для электромеханических и электроэнергетических спец. втузов. - М.: Высш. шк., 1985. - с.6-7].
В настоящее время из-за указанных выше недостатков электроприводы постоянного тока с коллекторным двигателем вытесняются электроприводами с бесконтактными двигателями постоянного тока (БДПТ).
Наиболее близким по технической сути к заявляемой полезной модели является электропривод постоянного тока на базе БДПТ. Этот электропривод содержит: синхронный двигатель, имеющий статор с обмотками, ротор с постоянными магнитами и датчик положения ротора; трехфазный инвертор и систему управления инвертором. При этом вход инвертора подключен к сети постоянного напряжения, а его выход - к трехфазной обмотке статора синхронного двигателя. Выход датчика положения ротора подключен к входу системы управления инвертором, выход которой связан с управляющим входом инвертора. [3. Бут. Д.А. Бесконтактные электрические машины: Учеб. пособие для электромех. электроэнерг. спец. вузов. - М: Высш. шк., 1990. - с.217, рис. 5.23].
Недостатком такого электропривода является снижение КПД электропривода при отклонении скорости вращения двигателя от номинальной, а также то, что заданная кратность пускового момента достигается только за счет увеличения тока обмоток статора, что приводит к увеличению габаритной мощности и стоимости инвертора.
Задачей полезной модели является создание электрического привода постоянного тока на основе БДПТ, обеспечивающего при заданной кратности пускового момента и максимальном КПД, в режимах, отличных от номинального, минимальную установленную (габаритную) мощность инвертора.
Решение задачи достигается тем, что заявляемый электропривод постоянного тока содержит инвертор, систему управления инвертором, преобразователь напряжения и синхронный двигатель, имеющий статор с обмотками, ротор с постоянными магнитами, датчик положения ротора и обмотку возбуждения. При этом силовой вход инвертора подключен к сети постоянного напряжения, а его выход соединен с обмотками статора синхронного двигателя.
Выход датчика положения ротора подключен к входу системы управления инвертором, выход которой соединен с управляющим входом инвертора. Выход преобразователя напряжения подключен к обмотке возбуждения, а его силовой вход соединен с сетью постоянного напряжения. Кроме того, система управления инвертором и преобразователь напряжения имеют внешние управляющие входы для задания режимов работы электропривода.
От прототипа заявляемый электропривод постоянного тока отличается тем, что дополнительно содержит преобразователь напряжения, а синхронный двигатель дополнительно имеет обмотку возбуждения. При этом обмотка возбуждения подключена к выходу преобразователя напряжения, силовой вход которого соединен с сетью постоянного напряжения. Кроме того, система управления инвертором и преобразователь напряжения имеют внешние управляющие входы для задания режимов работы электропривода.
Вышеназванные отличия от прототипа позволяют сделать вывод о новизне заявляемого в качестве полезной модели электропривода постоянного тока.
Наличие в заявляемом электроприводе постоянного тока обмотки возбуждения, подключенной к преобразователю напряжения, позволяет изменять магнитный поток ротора путем сложения магнитного потока обмотки возбуждения с магнитным потоком постоянных магнитов. Это обеспечивает высокую кратность момента, например, при пуске электропривода. Такая схема позволяет достигнуть максимально возможного КПД электропривода путем обеспечения оптимального соотношения токов в обмотках статора и в обмотке возбуждения. Внешние управляющие входы системы управления инвертором и преобразователя напряжения позволяют задать требуемую частоту вращения двигателя или его вращающий момент так, чтобы КПД электропривода был максимальным. Таким образом, заданная кратность момента будет достигнута не только за счет увеличения тока обмоток статора, который является выходным током инвертора, но и за счет увеличения тока обмотки возбуждения, что позволяет при заданной кратности момента использовать
инвертор с меньшей установленной (габаритной) мощностью, а значит, и с меньшей стоимостью.
На чертеже приведена схема электрического привода постоянного тока. Электропривод содержит инвертор 1, силовой вход которого подключен к сети постоянного напряжения, а его выход соединен с обмотками статора 2 синхронного двигателя 3, на роторе 4 которого закреплены постоянные магниты и датчик положения ротора 5, соединенный с входом системы управления инвертором 6, выход которой подключен к управляющему входу инвертора 1. Выход преобразователя напряжения 7 соединен с обмоткой возбуждения 8, а его силовой вход подключен к сети постоянного напряжения. Система управления инвертором 6 и преобразователь напряжения 7 имеют управляющие входы 9 и 10 соответственно.
Работа заявляемого электрического привода постоянного тока показана на конкретном примере выполнения. В данном примере в качестве сети постоянного напряжения использована аккумуляторная батарея. Трехфазный инвертор 1 выполнен по мостовой схеме на полупроводниковых полностью управляемых ключах (IGBT - транзисторах). Синхронный двигатель 3 комбинированного возбуждения (от постоянных магнитов на роторе 4 и обмотки возбуждения 8) содержит датчик положения ротора 5, выполненный на основе датчиков Холла. Преобразователь напряжения 7 представляет собой реверсивный преобразователь постоянного напряжения понижающего типа, собранный на транзисторных ключах, выходное напряжение которого пропорционально величине сигнала на управляющем входе 10. Система управления инвертором б представляет собой электронное устройство, обрабатывающее сигналы с датчика положения ротора 5 и вырабатывающее сигналы управления ключами инвертора 1. При этом выходное напряжение инвертора 1 пропорционально величине сигнала на управляющем входе 9.
Электропривод работает следующим образом. При включении электропривода от сети постоянного напряжения (в данном случае аккумуляторной батареи) через инвертор 1 подается напряжение на обмотки статора 2, и в
них возникает ток, магнитное поле которого взаимодействует с магнитным полем ротора 4, создаваемого постоянными магнитами и током обмотки возбуждения 8. При этом величина токов обмоток статора 2 определяется величиной сигнала на входе 9 системы управления инвертором 6 и такова, что обеспечивается требуемый момент вращения ротора 4. В номинальном режиме работы привода токи ключей инвертора 1 близки к номинальному значению. При перегрузке электропривода по моменту (например, при пуске), когда требуемый ток в обмотках статора 2 превышает допустимую для ключей инвертора 1 величину, увеличение момента синхронного двигателя 3 достигается путем пропускания тока от преобразователя напряжения 7 по обмотке возбуждения 8. При этом магнитный поток ротора 4 увеличивается благодаря суммированию потока обмотки возбуждения 8 и потока постоянных магнитов ротора 4. При повышении частоты вращения синхронного двигателя 3, когда токи в обмотках статора 2 синхронного двигателя 3 ограничиваются наводимой в них ЭДС, а потери на перемагничивание в статоре 2 существенно растут, магнитный поток ротора 4 снижают сначала путем уменьшения тока от преобразователя напряжения 7, а затем путем его увеличения в противоположном направлении, воздействуя на управляющий вход 10.
Таким образом, обеспечивается возможность работы привода в широком диапазоне частот вращения и моментов. Выбирая нужные соотношения между током обмотки возбуждения 8 и обмотками статора 2, задаваемые входами 9 и 10 системы управления инвертором 6 и преобразователя напряжения 7 соответственно, обеспечивают минимальные потери и тем самым достигают максимально возможного КПД при любых частотах вращения и моментах. При этом момент синхронного двигателя 3 может быть кратно увеличен относительного номинального без увеличения токов ключей инвертора 1, что позволяет использовать относительно слаботочные и недорогие ключи.
В конкретном примере при номинальном токе инвертора 110 А пусковой ток ограничивается на уровне 200 А, а достигаемая кратность момента при токе обмотки возбуждения 3 А (напряжение питания обмотки 27 В) равна 2. Чтобы достигнуть такой кратности момента, используя схему электропривода постоянного тока по прототипу, пришлось бы использовать ключи в инверторе на ток 400 А.